КУРС ЛЕКЦИЙ ПО МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКЕ. Курс лекций по микропроцессорной технике. Введение
 Скачать 1.34 Mb.
|
|
Контрольные вопросы 1.Что такое схемы жесткой и гибкой логики? 2.Каковы функциональные особенности микропроцессоров? 3.Что такое системная шина? Влияет ли ее быстродействие на скорость выполнения программ МПС? 4.Каково назначение подсистемы памяти? 5.Зачем нужна подсистема ввода вывода? 6.Какие устройства относятся к классу периферийных устройств? 7.Где быстрее осуществляется обмен информацией между МП и внешними устройствами– в двухшинной или трехшинной системе? 8.Как осуществляется ввод-вывод данных в микропроцессорной системе? 9.Что обязательно должно храниться в постоянной памяти микропроцессорной системы? 10.Что такое нагрузочная способность шин? Почему нельзя подключать к шинам бесконечное множество микросхем? 2. Типы микропроцессорных систем и факторы, влияющие на их быстродействие Ключевые слова: универсальные и сигнальные микропроцессоры, микроконтроллеры, контроллеры, микрокомпьютеры, компьютеры, ПЛИС, статическая и динамическая память, быстродействие микропроцессоров. 2.1. Типы микропроцессорных систем Диапазон применения микропроцессорной техники очень ши-рок, и требования, предъявляемые к ним – различны. Поэтому сформировалось несколько типов микропроцессорных систем, раз-личающихся мощностью, универсальностью, быстродействием и структурой. Основные типы микропроцессорных систем: -микроконтроллеры – наиболее простой тип микропроцессорных систем, в которых все или большинство узлов системы выполнены в виде одной микросхемы; - контроллеры – управляющие микропроцессорные системы, выполненные в виде отдельных модулей; -микрокомпьютеры – более мощные микропроцессорные системы с развитыми средствами сопряжения с внешними устройства-ми; -компьютеры (в том числе персональные) - самые мощные и наиболее универсальные микропроцессорные системы. Микроконтроллеры представляют собой универсальные устройства, которые всегда используются не сами по себе, , а в составе более сложных устройств, в том числе и контроллеров. Системная шина микроконтроллера скрыта от пользователя внутри микросхемы. Возможности подключения внешних устройств к микроконтроллеру ограничены. Устройства на МК обычно предназначаются для решения одной задачи. 16 Контроллеры создаются, как правило, для решения одной или группы близких задач. Они обычно не имеют возможностей подключения дополнительных узлов или устройств, например, большой памяти, средств ввода-вывода. Их системная шина чаще всего не-доступна пользователю. Структура контроллера проста и оптимизирована под максимальное быстродействие. В большинстве случаев выполняемые программы хранятся в постоянной памяти и не меняются. Конструктивно контроллеры выполняются на одной плате. Контроллеры требуются практически во всех устройствах, которые окружают нас. В качестве примера, на рисунке 2.1 приведены узлы автомобиля, в которых применяются микроконтроллеры.  Рис. 2.1. Узлы автомобиля, в которых применяются микроконтроллеры Микрокомпьютеры отличаются от контроллеров более открытой структурой, они допускают подключение к системной шине нескольких дополнительных устройств. Производятся микрокомпьютеры в каркасе, корпусе с разъемами системной шины, доступными пользователю. Микрокомпьютеры могут иметь средства хранения информации на магнитных носителях, компакт-дисках, имеют довольно развитые средства связи с пользователем (дисплей, клавиатура). Микрокомпьютеры рассчитаны на широкий круг задач, но в отличие от контроллеров, к каждой новой задаче его не надо приспосабливать заново. Наконец, компьютеры, и самые распространенные из них – персональные – это самые универсальные из микропроцессорных систем. Они обязательно предусматривают возможности модернизации, а также возможности подключения новых устройств, то есть компьютеры имеют открытую архитектуру. Их системная шина доступна пользователю. Кроме того, внешние устройства могут подключаться к компьютеру через несколько встроенных портов связи (до 10). Компьютер всегда имеет сильно развитые средства связи с пользователем, средства памяти большого объема для хранения информации, средства связи с другими компьютерами. С 90-х годов микропроцессоры стали выполнять на сверхбольших интегральных микросхемах (СБИС). Микропроцессоры, встраиваемые в компьютеры, делятся на два класса: универсальные и сигнальные. К универсальным относятся МП СБИС, встраиваемые в компьютеры для проведения сложных научно-технических расчетов. Универсальные микропроцессоры используются для построения вычислительных машин. В них используются самые передовые решения по повышению быстродействия. К сигнальным относятся микропроцессоры, предназначенные для цифровой обработки сигналов (фильтрации, смешения, прямого и обратного Фурье-преобразования). Сигнальные процессоры решают задачи, которые традиционно решала аналоговая схемотехника. Это такие задачи, как фильтрация и поиск сигналов, вычисление спектров, преобразование сигналов из одного вида в другой, устранение отражений и выделение полезного сигнала на фоне помех. К сигнальным процессорам предъявляются специфические требования. От них требуются: максимальное быстродействие, малые габариты, легкая стыковка с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, высокая разрядность обрабатываемых данных и небольшой набор математических операций, обязательно включающий операцию умножения-накопления и аппаратную организацию циклов. Обычно сигнальные процессоры применяются в медийных системах. В принципе, любую задачу можно решить с помощью каждого из перечисленных типов микропроцессорных систем. Но при выборе типа надо по возможности избегать избыточности и предусматривать необходимую для данной задачи гибкость системы. В настоящее время при разработке новых микропроцессорных систем чаще выбирают путь использования микроконтроллеров (примерно в 80% случаев). При этом микроконтроллеры применяются или самостоятельно, с минимальной дополнительной аппаратурой, или в составе более сложных контроллеров с развитыми средствами ввода-вывода. Заметное место занимают также микропроцессорные системы на основе персонального компьютера (ПК). Разработчику в этом случае нужно только оснастить ПК дополнительными устройствами сопряжения, при этом «ядро» микропроцессорной системы уже готово. ПК имеет развитые средства программирования, что существенно облегчает задачу разработчика. Основным недостатком таких систем является аппаратурная избыточность для решения простых задач, большие размеры корпуса и неприспособленность к работе в сложных условиях. 2.2. Программируемые логические интегральные схемы Говоря о микропроцессорных системах, нельзя не остановиться на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), которые в настоящее время являются основой для построения особого рода микропроцессоров, структурная схема которых формируется под конкретную задачу. СБИС ПЛИС выполняются на кристалле полупроводника, однако их разработка специфична и включает в себя достоинства схем жесткой и гибкой логики. На кристалле полупроводника, внутри микросхемы, располагаются отдельные электронные устройства, входящие обычно в состав микропроцессоров. На начальной стадии связи между этими устройствами отсутствуют. Перед каждым элементом, находящимся внутри ПЛИС, находится электронный ключ. В соответствии с поставленной задачей, от того, где предполагается использовать ПЛИС, разрабатывается ее архитектура. Затем, с помощью специального программного обеспечения, на специальных рабочих станциях в специально отведенную память, находящуюся внутри ПЛИС, вводится кодовая комбинация, в соответствии с которой коммутируются ключи элементов, входящих в разработанную конфигурацию схемы. Образно говоря, в этих микросхемах присутствуют как бы два слоя. Один слой - это набор цифровых модулей, способных решить практически любую задачу. Второй слой – это память, хранящая таблицу связей между модулями первого слоя. Эту таблицу можно программировать и тем самым менять схему устройства, а значит, и решаемую микросхемой задачу. Таким образом, с помощью ПЛИС можно создавать специальные микропроцессоры со своей особой конфигурацией, у которых не будет аппаратурной избыточности. Такой микропроцессор, выполненный на одной СБИС, может представлять собой специфическую микросхему, организованную по принципу жесткой логики, способную к гибкому перепрограммированию структуры схемы. Эти микросхемы разрабатываются с помощью специальных аппаратных и программных средств на так называемых рабочих станциях специально обученным персоналом. ПЛИС может входить в состав электронной аппаратуры, находящейся вне Земли, в космосе. Даже при нахождении системы на орбите можно производить дистанционную реконфигурацию ПЛИС. Так, например, большинство узлов американского марсохода построено на ПЛИС. Некоторые специалисты считают, что ПЛИС – это будущее электроники. 2.3. Факторы, влияющие на быстродействие микропроцессоров Одной из важнейших характеристик микропроцессора является его быстродействие. От чего же оно зависит? В первую очередь – от тактовой частоты, то есть от частоты той последовательности импульсов, которая задает ритм работы внутренних устройств микросхемы микропроцессора. Конечно, тактовая частота - величина не «безразмерная», она зависит от того, каким способом, т.е. по какой технологии изготавливается микро-схема микропроцессора. Если, например, подать высокие частоты, используемые при работе современных компьютеров, на микросхемы, произведенные, в 80-90х годах, то работа этих микросхем будет просто невозможна. Во-вторых, на быстродействие микропроцессора влияет раз-рядность шины данных. Количество разрядов ШД определяет скорость и эффективность информационного обмена. Обычно ШД имеет 8, 16, 32 или 64 разряда. Понятно, что за один цикл обмена по 64-разрядной шине может передаваться восемь байт информации, в то время, как по восьмиразрядной – только один. Разрядность шины данных определяет и разрядность системной шины, в том смысле, что когда говорят о разрядности системной шины, подразумевают разрядность ШД. В-третьих, на быстродействие микропроцессора влияет объем оперативной памяти, используемой в системе. Так как чем больше объем, тем больше промежуточной информации может сохраняться при работе программ микропроцессора. Также, опосредованно на быстродействие микропроцессора влияет разрядность шины адреса, которая определяет максимально возможную сложность микропроцессорной системы, т.е. допустимый объем памяти, и, следовательно, максимально допустимый размер программ и максимально возможный объем запоминаемых данных. Количество адресов, обеспечиваемое шиной адреса, равно 2N , где N – количество разрядов ША. Например, 16-разрядная шина адреса позволит адресоваться к 65536 ячейкам памяти. Разрядность шины адреса обычно кратна 4 и может достигать 32 и даже 64 разрядов. В-четвертых, немаловажным фактором, влияющим на быстродействие микропроцессоров, является их архитектура. Чем совершеннее электронная схема, на которой реализован микропроцессор, тем меньше времени понадобится электрическому сигналу для ее прохождения – с одной стороны. С другой стороны, чем совершеннее система команд микропроцессора, тем более совершенна программа, в соответствии с которой он работает. Контрольные вопросы 1.Чем отличается контроллер от микроконтроллера? 2.В каких узлах автомобиля используются микроконтроллеры? 3.Каковы отличия между персональным компьютером и микро-компьютером? 4.От чего зависит быстродействие микропроцессорных систем? 5.Что такое ПЛИС? В чем ее «гибкость» и в чем ее «жесткость»? 6.Почему и каким образом разрядность шины адреса влияет на быстродействие? 2. Шины микропроцессорной системы и циклы обмена: Самое главное, что должен знать разработчик микропроцессорных систем — это принципы организации обмена информацией по шинам таких систем. Без этого невозможно разработать аппаратную часть системы, а без аппаратной части не будет работать никакое программное обеспечение. За более чем 30 лет, прошедших с момента появления первых микропроцессоров, были выработаны определенные правила обмена, которым следуют и разработчики новых микропроцессорных систем. Правила эти не слишком сложны, но твердо знать и неукоснительно соблюдать их для успешной работы необходимо. Как показала практика, принципы организации обмена по шинам гораздо важнее, чем особенности конкретных микропроцессоров. Стандартные системные магистрали живут гораздо дольше, чем тот или иной процессор. Разработчики новых процессоров ориентируются на уже существующие стандарты магистрали. Более того, некоторые системы на основе совершенно разных процессоров используют одну и ту же системную магистраль. То есть магистраль оказывается самым главным системообразующим фактором в микропроцессорных системах. Обмен информацией в микропроцессорных системах происходит в циклах обмена информацией. Под циклом обмена информацией понимается временной интервал, в течение которого происходит выполнение одной элементарной операции обмена по шине. Например, пересылка кода данных из процессора в память или же пересылка кода данных из устройства ввода/вывода в процессор. В пределах одного цикла также может передаваться и несколько кодов данных, даже целый массив данных, но это встречается реже. Циклы обмена информацией делятся на два основных типа:
В некоторых микропроцессорных системах существует также цикл «чтение-модификация-запись» или же «ввод-пауза-вывод». В этих циклах процессор сначала читает информацию из памяти или устройства ввода/вывода, затем как-то преобразует ее и снова записывает по тому же адресу. Например, процессор может прочитать код из ячейки памяти, увеличить его на единицу и снова записать в эту же ячейку памяти. Наличие или отсутствие данного типа цикла связано с особенностями используемого процессора. Особое место занимают циклы прямого доступа к памяти (если режим ПДП в системе предусмотрен) и циклы запроса и предоставления прерывания (если прерывания в системе есть). Когда в дальнейшем речь пойдет о таких циклах, это будет специально оговорено. Во время каждого цикла устройства, участвующие в обмене информацией, передают друг другу информационные и управляющие сигналы в строго установленном порядке или, как еще говорят, в соответствии с принятым протоколом обмена информацией. Длительность цикла обмена может быть постоянной или переменной, но она всегда включает в себя несколько периодов сигнала тактовой частоты системы. То есть даже в идеальном случае частота чтения информации процессором и частота записи информации оказываются в несколько раз меньше тактовой частоты системы. Чтение кодов команд из памяти системы также производится с помощью циклов чтения. Поэтому в случае одношинной архитектуры на системной магистрали чередуются циклы чтения команд и циклы пересылки (чтения и записи) данных, но протоколы обмена остаются неизменными независимо от того, что передается — данные или команды. В случае двухшинной архитектуры циклы чтения команд и записи или чтения данных разделяются по разным шинам и могут выполняться одновременно 2.1. Шины микропроцессорной системы Прежде чем переходить к особенностям циклов обмена, остановимся подробнее на составе и назначении различных шин микропроцессорной системы. Как уже упоминалось, в системную магистраль (системную шину) микропроцессорной системы входит три основные информационные шины: адреса, данных и управления. Шина данных — это основная шина, ради которой и создается вся система. Количество ее разрядов (линий связи) определяет скорость и эффективность информационного обмена, а также максимально возможное количество команд. Шина данных всегда двунаправленная, так как предполагает передачу информации в обоих направлениях. Наиболее часто встречающийся тип выходного каскада для линий этой шины — выход с тремя состояниями. Обычно шина данных имеет 8, 16, 32 или 64 разряда. Понятно, что за один цикл обмена по 64-разрядной шине может передаваться 8 байт информации, а по 8-разрядной — только один байт. Разрядность шины данных определяет и разрядность всей магистрали. Например, когда говорят о 32-разрядной системной магистрали, подразумевается, что она имеет 32-разрядную шину данных. Шина адреса — вторая по важности шина, которая определяет максимально возможную сложность микропроцессорной системы, то есть допустимый объем памяти и, следовательно, максимально возможный размер программы и максимально возможный объем запоминаемых данных. Количество адресов, обеспечиваемых шиной адреса, определяется как 2N, где N — количество разрядов. Например, 16-разрядная шина адреса обеспечивает 65 536 адресов. Разрядность шины адреса обычно кратна 4 и может достигать 32 и даже 64. Шина адреса может быть однонаправленной (когда магистралью всегда управляет только процессор) или двунаправленной (когда процессор может временно передавать управление магистралью другому устройству, например контроллеру ПДП). Наиболее часто используются типы выходных каскадов с тремя состояниями или обычные ТТЛ (с двумя состояниями). Как в шине данных, так и в шине адреса может использоваться положительная логика или отрицательная логика. При положительной логике высокий уровень напряжения соответствует логической единице на соответствующей линии связи, низкий — логическому нулю. При отрицательной логике — наоборот. В большинстве случаев уровни сигналов на шинах — ТТЛ. Для снижения общего количества линий связи магистрали часто применяется мультиплексирование шин адреса и данных. То есть одни и те же линии связи используются в разные моменты времени для передачи как адреса, так и данных (в начале цикла — адрес, в конце цикла — данные). Для фиксации этих моментов (стробирования) служат специальные сигналы на шине управления. Понятно, что мультиплексированная шина адреса/данных обеспечивает меньшую скорость обмена, требует более длительного цикла обмена (рис. 2.1). По типу шины адреса и шины данных все магистрали также делятся на мультиплексированные и немультиплексированные.  Рис. 2.1. Мультиплексирование шин адреса и данных. В некоторых мультиплексированных магистралях после одного кода адреса передается несколько кодов данных (массив данных). Это позволяет существенно повысить быстродействие магистрали. Иногда в магистралях применяется частичное мультиплексирование, то есть часть разрядов данных передается по немультиплексированным линиям, а другая часть — по мультиплексированным с адресом линиям. |