КУРС ЛЕКЦИЙ ПО МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКЕ. Курс лекций по микропроцессорной технике. Введение
 Скачать 1.34 Mb.
|
|
. КУРС ЛЕКЦИЙ ПО МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКЕ. Введение Изучение интенсивно развивающейся и наукоемкой предметной области, такой как микроэлектроника и микропроцессорная техника - задача интересная и сложная, требующая постоянного со-вершенствования, пополнения получаемых знаний и знакомства со смежными научно-техническими областями. В связи с широким применением электронных систем управления и с целью эффективного решения любых прикладных задач современный специалист, профессионально связанный и не связанный с вычислительной тех-никой, должен иметь не только элементарное представление об основных понятиях построения современных электронных систем, но и иметь адекватное представление о состоянии и перспективах раз-вития элементной базы. Развитие компьютерной техники - наивысшего достижения электроники - последнее десятилетие шло такими шагами, что на сегодняшний день практически невозможно представить ни одну сферу жизни, где бы не применялись микропроцессоры (МП): от персональных компьютеров - до управления сложнейшими технологическими процессами, от управления бытовыми стиральными машинами и сотовыми телефонами - до проектирующих рабочих станций и многопроцессорных супер-ЭВМ. За чуть более чем четверть вековую историю микропроцессоры прошли поистине гигантский путь. Первая микросхема МП, выпущенная фирмой INTEL в 1971 г., работала на тактовой частоте 108 кГц, содержала 2300 транзисторов, выполнена была по 10 мкм технологии и стоила около 200 долларов. Одна из последних модификаций микросхемы INTEL PENTIUM-4 выполнена по 0,09 мкм технологии, имеет 140 миллионов транзисторов внутри кристалла полупроводника размером 87кв.мм. Сравнение вышеприведенных данных подтверждает и образная оценка успехов микропроцессорной индустрии, данная основателем и председателем совета директоров фирмы INTEL Гордоном Муром (Gordon Moore): «Если бы автомобилестроение эволюционировало со скоростью полупроводникововой промышленности, то сегодня «Роллс-ройс» стоил бы 3 доллара, мог проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина, и было бы дешевле его выбросить, чем платить за парковку». Не трудно понять, что и на сегодняшний день компьютеризация является одним из главных направлений научно-технического прогресса и концентрированным его выражением. В МП воплощены самые передовые достижения инженерной мысли, и от того, в какой степени насыщены вычислительной техникой самые различные отрасли производства, зависит не только экономический, но и военный потенциал страны. 1. Основные определения и понятия микропроцессорной техники Ключевые слова: жесткая логика, гибкая логика, микропроцессор, микропроцессорная система, шина, память, устройства ввода-вывода. 1.1. Жесткая и гибкая логика Прежде, чем рассматривать микропроцессорную систему, рассмотрим электронную систему вообще. Электронная система – это любой электронный узел, блок или прибор, производящий обработку входных сигналов и выдачу вы-ходных (Рис. 1.1). Рис. 1.1. Электронная система жёсткой логики В качестве входных или выходных сигналов при этом могут использоваться: аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигна-лы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Внутри системы может производиться хранение, накопление сигналов (или информации) и их обработка. Если система цифровая, то входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательность кодов с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а выходные  5 аналоговые сигналы формируются из последовательности цифровых кодов с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Характерной особенностью традиционных цифровых систем является тот факт, что алгоритм обработки и хранения информации в ней жёстко связан со схемотехникой системы, то есть для конкретно поставленной задачи разрабатывается и реализуется конкретная электронная схема. Любое изменение исходных условий задачи повлечет за собой и изменение её схемотехнического решения, т.е. изменение алгоритма функционирования системы возможно только путём изменения её структуры. Такие схемы называют схемами жёсткой логики. Таким образом, любая система жёсткой логики представляет собой специализированную электронную систему, разработанную и настроенную на решение одной или нескольких заранее известных задач. Преимуществом систем жёсткой логики является их высокое быстродействие, так как такие системы никогда не имеют аппаратной избыточности, а скорость выполнения алгоритмов определяется в ней только быстродействием отдельных логических элементов. Самым большим недостатком цифровой системы на жёсткой логике является тот факт, что при изменении условий задачи схему нужно проектировать и изготавливать заново. Преодолеть этот недостаток позволяют электронные системы гибкой логики, которые могут легко адаптироваться под любую за-дачу, перестраиваясь с одного алгоритма на другой без изменения электронной схемы. В таких системах изменение условий влияет только на изменение программы, в соответствии с которой работает система (Рис. 1.2). Такая система является программируемой (перепрограммируемой). Именно к системе гибкой логики и относятся микропроцессорные системе. Конечно, аппаратно такая схема может быть избыточна, так как должна функционировать и для решения самой простой, и для решения самой сложной задачи. А решение трудной задачи требует гораздо больше аппаратных средств, чем решение простой. Рис. 1.2. Электронная система гибкой логики  чем проще решается задача, тем больше избыточность. Такая избыточность ведет, с одной стороны, к увеличению стоимости схемы, увеличению потребляемой мощности, с другой стороны - к существенному уменьшению быстродействия. Из вышеизложенного можно сделать следующий вывод: системы жесткой логики должны применяться там, где решаемая задача не меняется длительное время, где требуется высокое быстродействие, а алгоритмы обработки информации просты. Системы гибкой логики должны применяться там, где часто меняются решаемые задачи, высокое быстродействие не слишком важно, а алгоритмы обработки информации сложны. 1.2. Микропроцессор и «сотоварищи» Центральным устройством микропроцессорной системы (МПС) является микропроцессор – тот узел, который производит всю обработку информации внутри системы. Другие устройства МПС выполняют вспомогательные функции: хранение информации (программ и данных), связь с периферийными устройствами. Основным устройством, осуществляющим руководство совместной работой всех внутренних устройств МПС и вспомогательных устройств, является все тот же микропроцессор. Вообще говоря, микропроцессор можно сравнить с человеческим мозгом, который не только принимает решения, но и руководит работой внутренних органов человека, а также осуществляет его связь с внешним миром посредством органов чувств: слуха, зрения и т.д. То есть вводит информацию извне, обрабатывает ее и управляет дальнейшими действиями «биологической микропроцессорной системы», имя которой – человек. Следовательно, микропроцессор (МП) можно определить как программно-управляемую электронную схему, предназначенную для обработки цифровой информации, управления процессом этой обработки, а также управления работой устройств, входящих в микропроцессорную систему. МП может быть реализован (выполнен) на одной или несколь-ких больших интегральных схемах (БИС). Микропроцессор, как отмечалось выше, «один в поле не воин». Он работает в совокупности с другими электронными устройствами, тоже выполненными в виде БИС, которые обеспечивают связь МП, образно говоря, с «внешним миром», т.е. с периферийными устройствами. Эти дополнительные БИС вместе с МП функционально образуют так называемую микропроцессорную систему, о которой упоминалось выше. В отличие от обычных БИС микропроцессор содержит в своем составе управляющие элементы, что позволяет настроить его на выполнение любых (в принципе) функций. Как уже отмечалось, сам по себе МП еще не способен реализовать переработку информации, т.е. он не может решить ту или иную конкретную задачу. Чтобы решить задачу, его нужно не только соединить с другими устройствами микропроцессорной системы, создав тем самым МПС, но и запрограммировать и обеспечить обмен информацией между МП и этими устройствами. Сами эти устройства, выполненные также в виде БИС, совместно с микросхемой микропроцессора составляют микропроцессорный комплект, то есть набор микросхем, из которых можно составить МПС. В состав МПС входят следующие взаимосвязанные электронные устройства: один или несколько МП, предназначенных для обработки информации и управления; память - для хранения программ и данных; устройства ввода-вывода - для передачи информации от периферийных устройств к микропроцессору и обратно; а также ряд других устройств, предназначенных для связи МП и «внешнего мира», нацеленных на выполнение четко определенных функций. Иначе говоря, микропроцессорная система - это сложная электронная схема, выполненная на микропроцессорном комплекте, работой которой управляет микропроцессор. Типовая структура микропроцессорной системы представлена на рисунке 1.3.  Рис. 1.3. Трёхшинная структура микропроцессорной системы Вся информация между устройствами передается по одним и тем же электрическим линиям связи, но в разное время. Причем, передача осуществляется как в обоих направлениях (так называемая двунаправленная передача), так и в одном направлении (однонаправленная передача). При однонаправленной передаче одни устройства выступают всегда в качестве посылающих, а другие - всегда в качестве принимающих, при двунаправленной - каждое устройство, подключенное к линиям связи, в какой-то момент может посылать сигналы другим устройствам. Группы линий связи, по которым передаются сигналы или коды, называются шинами (от англ. BUS). Информация, передаваемая по шинам, различна по назначению и может представлять собой данные, или адреса, по которым эти данные передаются. Различают три основные шины: - шина адреса; - шина данных; - шина управления. Вместе эти три шины называются системной шиной. Шина, по которой передаются питающие напряжения – шина питания, – на рисунке не представлена, однако, следует иметь в виду, что без подачи питающих напряжений на соответствующие входы микросхем МПС работать не будет. Рассмотрим назначение шин МПС. Шина данных (ШД) – это основная шина, которая используется для передачи информационных кодов (кодов данных) между всеми устройствами системы. Обычно в пересылке данных участвует процессор, который передает двоичный код данных в какую-либо ячейку памяти или устройство ввода-вывода, или же принимает код данных из какого-либо устройства или ячейки памяти. В некоторых случаях возможен также обмен данными без участия микропроцессора. Шина данных всегда двунаправленная. Шина адреса (ША) служит для передачи адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому устройству, кроме МП, в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес. Также как в жизни, письмо не может быть безадресным, данные в МПС должны сопровождаться информацией не только о том, куда относительно микро-процессора они направлены, но и информацией о том, какому или от какого конкретно устройства или ячейки памяти они передаются. Когда код какого-либо адреса выставляется МП по шине адреса, то устройство, которому приписан этот адрес, «понимает», что ему предстоит обмен информацией. Остальные же устройства в этот момент «могут не беспокоиться», так как все данные, которые будут переданы по шине данных вслед за адресом, будут предназначены не им. ША может быть как однонаправленной, так и двунаправленной. Шина управления (ШУ), в отличие от ША и ШД, состоит из отдельных управляющих сигналов, каждый из которых во время обмена информацией несет свою функцию. Некоторые сигналы служат для стробирования передачи или приема данных, то есть определяют моменты времени, когда код выставлен на ШД; другие могут использоваться для подтверждения приема данных, тактирования (синхронизации) работы устройств, для сброса всех устройств в исходное состояние. Линии ШУ могут быть однонаправленными и двунаправленными. В любой момент времени, зная логическое состояние шин, можно полностью определить путь, который проходят данные в системе от одной точки к другой. Таким образом, исходя из вышеизложенного, можно определить шину, как совокупность электрических проводников, предназначенных для передачи информации и объединенных единым функциональным назначением. Заметим, что шина на плате физически может располагаться разрозненно, а может быть выполнена в виде электрического пучка проводов, расположенных вместе. Физически шины могут быть реализованы в виде шины гибких проводов, или в виде печатной схемы. Различают двухшинную и трехшинную структуры МПС (рис.1.3 и рис.1.4). При работе трехшинной МПС данные, адреса и управляющие сигналы передаются по предназначенным для этого шинам - ШД, ША и ШУ соответственно. Однако, для уменьшения габаритов электрических схем была предложена двухшинная структура, имеющая не отдельные ШД и ША, а так называемую мультиплексированную шину адреса данных (ША/Д), суть работы которой сводится к тому, что сначала по шине передается адрес устройства или номер ячейки памяти, в которую будут записаны или считаны данные, а затем и сами данные. Направление передачи данных определяется управляющим сигналом, передаваемым по ШУ.  Рис. 1.4. Двухшинная структура микропроцессорной системы Таким образом, по шинам МП «общается» с подсистемой памяти (ПП) и подсистемой ввода-вывода (ВВ). Подсистема памяти представляет собой микросхемы постоянной и оперативной памяти. Микросхемы, из которых собирается постоянная память, называются постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ). ПЗУ энергонезависимы, то есть при отключении напряжения питания информация, записанная в ПЗУ, не исчезает. Микросхемы, из которых собирается оперативная память, называют оперативными запоминающими устройствами (ОЗУ). ОЗУ - энергозависимы. При отключении напряжения питания информация, записанная в ОЗУ, теряется. Постоянная память используется для хранения программ начального пуска МПС, которые выполняются каждый раз после включения напряжения питания или полного сброса системы, если таковой предусмотрен. Также в постоянной памяти хранятся прикладные программы функционирования микропроцессорной системы. Если процесс выполнения программы многоступенчатый, то микропроцессор может хранить промежуточные результаты в оперативной памяти. Иногда программы, выполняемые микропроцессором, сначала загружаются в оперативную память из периферийного устройства (например, считываются с компакт-диска), а уже потом выполняются. Выполнение команд программы производится последовательно. Для того чтобы прочитать команду из памяти, микропроцессор выставляет на ША номер ячейки, в которой хранится команда (то есть выставляет адрес команды), а затем читает эту команду из памяти по ШД. Если же в процессе работы требуется записать какие-либо данные в память, то запись производится передачей данных по ШД с соответствующей адресацией по ША. ШУ процесс передачи данных сопровождает передачей сигналов управления, определяющих направление передачи данных. Подсистема ввода-вывода (ПВВ) – представляет собой набор микросхем, входящих в микропроцессорный комплект, которые осуществляют ввод - вывод информации в МП от периферийных устройств и обратно, обеспечивая связь микропроцессора с периферийными устройствами (ПУ). Обратите внимание: и ПП, и ПВВ - это множество интегральных микросхем, а не устройства – носители информации, названия которых на слуху у пользователей компьютеров: диск, винчестер. Винчестер, клавиатура, дисплей, принтер, сканер и т.п. относятся к классу периферийных устройств (ПУ). Однако вышеприведенные названия ПУ не исчерпывают всего класса, а соответствуют только применению МП в компьютерах. Реально существует класс МП, встраиваемых в различного рода технические устройства с целью контроля и управления работой этих устройств. Такие МП носят названия микроконтроллеров (МК) и предназначены для контроля параметров работы различных технических средств или технических процессов, и проектируются специально под контролирующую систему управления. Для МК периферийными устройствами, помимо вышеназванных, служит множество разнообразных датчиков, информация которых после соответствующего преобразования в цифровой код (если это не цифровые датчики) поступает в МК, а также различные схемы, обеспечивающие получение сигнала управления непосредственно устройством управления технического средства, работа которого контролируется и управляется МК. Таким образом, класс периферийных устройств МК состоит из различных датчиков, аналого-цифровых и цифро-аналоговых (АЦП и ЦАП) преобразователей, а также тех устройств, которые позволяют получить информацию о текущих параметрах работы объекта управления, а также передать код управляющего воздействия с МК на объект управления (ОУ). МК проектируются специально под определенные задачи и для специальных устройств, а потому называются специальными МП. Обычно МК разрабатываются для серийно изготавливаемых конкретных технических средств (автомобили, сотовые телефоны и т.п.). Поэтому разновидностей микроконтроллеров огромное множество. Так, по данным на 2000 г. микроконтроллеров существовало более 500 типов. На сегодняшний день, с расширением класса бытовых приборов, средств связи, а также с совершенствованием систем управления различными техническими средствами, класс МК существенно расширен. При использовании шинной организации как внутри кристалла, так и при подключении нескольких БИС к одной шине возникают трудности, обусловленные способами связи нескольких элементов с одной линией общей шины. Оказывается, к одной шине или одной микросхеме нельзя подключать бесконечное множество БИС. Количество элементов в этом случае бывает ограничено так называемой нагрузочной способностью, которая определяет, какое количество микросхем можно подключить к входам и выходам конкретной микросхемы или шины без ущерба для работы системы. Для увеличения нагрузочной способности шин используются специальные микросхемы – буферы или шинные формирователи. При использовании мощных буферных схем нагрузочная способность оказывается достаточной для большинства практических случаев применения шинной организации. Сложнее организуется подключение входов нескольких элементов к одной шине. Для этого разработаны специальные способы решения этой задачи: логическое объединение, объединение с помощью схем с открытым коллектором - «монтажная логика», объединение с использованием схем с тремя состояниями. Таким образом, с технической точки зрения способ обмена информацией посредством шин сводится к созданию двунаправленных буферных каскадов с тремя устойчивыми состояниями и реализации временного мультиплексирования, то есть разделения во времени работы шин. |