Назначение микропроцессорных систем. Микропроцессоры и микропроцессорные системы. Технология изготовления МП БИС

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой систему, включающую в себя хотя бы 1 микропроцессор (МП), запоминающее устройство (ЗУ), устройства ввода/вывода (УВВ), устройства сопряжения системной шины с устройствами ввода/вывода (контроллеры), системную шину.

Данную систему можно рассматривать как пример электронной системы, которая предназначена для обрабатывания входных сигналов и выдачи выходных сигналов. В роли входных и выходных сигналов возможно использование аналоговых сигналов, одиночных цифровых сигналов, цифровых кодов, последовательности цифровых кодов. В данной системе, как в любой цифровой системе, входные аналоговые сигналы преобразуют в последовательности кодов с помощью аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), а выходные аналоговые сигналы формируют из последовательности кодов с помощью цифровых аналоговых преобразователей (ЦАП). Обрабатывается и хранится информация в цифровом виде.

Общие сведения о микропроцессорных системах

В связи с множеством областей применения МП и микроЭВМ можно классифицировать МПС на системном уровне. Они могут быть представлены:

встроенными системами контроля и управления;
локальными системами накопления и обработки информации;
распределенными системами управления сложными объектами;
распределенными высокопроизводительными системами параллельных вычислений.

Исходя из вышесказанного, в наше время определились следующие приоритетные области, в которых применяются МПС:

техника связи;
системы управления;
бытовая и торговая аппаратура;
контрольно-измерительная аппаратура;
военная техника;
вычислительные машины, системы, комплексы и сети;
транспорт.

Процесс внедрения МПС в область контрольно-измерительной аппаратуры позволил значительно повысить точность измерений и надежность, а также расширил функциональные возможности приборов и обеспечил выполнение следующих функций: калибровки, коррекции и температурной компенсации, контроля и управления измерительным комплексом, принятия решений и обработки данных, диагностики неисправностей, индикации, испытания и проверки приборов.

Внедрение МПС в системах связи обусловило все большее вытеснение цифровыми методами аналоговых, что привело к их широкому использованию в преобразователях кодов, мультиплексорах, устройствах контроля ошибок, блоках управления приемной и передающей аппаратуры.

Замечание 1

Все более широко стали использоваться МПС в таких устройствах, как терминалы и кассовые аппараты банков, контрольно-расчетные терминалы торговых центров и т.п. Использование МП и МПС в бытовой технике позволяет открыть ее широкие возможности в области эффективности, повышения надежности и разнообразного применения.

Применение МПС в разных областях военной техники растет ежегодно - от навигационных систем летательных аппаратов до управления движением транспортных роботов.

Основные типы микропроцессорных систем

Различают следующие основные типы МПС :

микроконтроллеры представляют собой наиболее простой тип, в котором все или большинство узлов системы представлены в виде одной микросхемы;
контроллеры являются управляющими МПС, выполненными в виде отдельных модулей;
микрокомпьютеры - более мощные МПС, имеющие развитые средства сопряжения с внешними устройствами;
компьютеры любого типа представляют собой самые мощные и наиболее универсальные МПС.

Четкую границу между названными типами иногда провести достаточно сложно, поскольку быстродействие всех типов МП постоянно растет, и бывает, что новый микроконтроллер может оказаться быстрее, к примеру, устаревшего компьютера. Но принципиальные отличия между ними все же существуют.

Микроконтроллеры являются универсальными устройствами, практически всегда использующимися в составе более сложных устройств, в том числе и контроллеров. Системная шина микроконтроллера находится внутри микросхемы. Возможности подключения внешних устройств к микроконтроллеру ограничены. Устройства, построенные на микроконтроллерах, как правило, используются для выполнения одной задачи.

Контроллеры обычно создают для решения отдельной задачи или группы близких задач. Они не имеют возможности подключения дополнительных узлов и устройств (большой памяти, средств ввода/вывода). Их системная шина, как правило, недоступна для пользователя. По структуре контроллер прост и оптимизирован под максимальное быстродействие. В основном выполняемые им программы хранятся в постоянной памяти и не меняются. Конструктивно контроллеры выпускаются в виде одной платы.

Замечание 2

Микрокомпьютеры отличает от контроллеров более открытая структура, поскольку в них допускается подключение к системной шине нескольких дополнительных устройств. Выпускаются микрокомпьютеры в каркасе, корпусе с разъемами системной магистрали, которые доступны для пользователя. Микрокомпьютеры имеют средства хранения информации на магнитных носителях (магнитные диски) и развитые средства связи с пользователем (видеомонитор, клавиатуру). Микрокомпьютеры предназначены для решения более широкого круга задач, чем контроллеры, однако к каждой новой задаче их нужно приспосабливать заново. Программы, выполняемые микрокомпьютером, можно легко заменять.

Компьютеры, в том числе и персональные, представляют собой самые универсальные из МПС. В них предусмотрена возможность усовершенствования, а также широкие возможности подключения новых устройств. Системная шина компьютеров является доступной для пользователя. Помимо этого внешние устройства (ВУ) имеют возможность подключения к компьютеру через несколько встроенных портов связи (количество портов может доходить до 10). Компьютер обладает высоко развитыми средствами связи с пользователем, средствами длительного хранения информации большого объема, средствами связи с другими компьютерами по информационным сетям. Области применения компьютеров самые разнообразные: от математических расчетов и обслуживания доступа к БД до управления работой сложных электронных систем, компьютерных игр и т.д.

Рисунок 1. Логическая схема МПС

где Д – датчики, ОУ – объект управления, ИМ – исполнительные механизмы, БСД – блок сопряжения с датчиками, ИК – информационные контроллеры, БСИК – блок сопряжения с информационными контроллерами, ОП – основная память , ДП – дополнительная память В зависимости от области применения МПС бывают специализированные и универсальные, встроенные и автономные.

Архитектура Фон-Неймана

В соответствии с организацией процессов выборки и исполнения команды в современных МПС применяют одну из двух архитектур: фон-неймановскую (принстонскую) или гарвардскую.

Основная особенность архитектуры Фон-Неймана заключается в использовании общей памяти для хранения программ и данных.

Рисунок 2. Структура МПС архитектуры Фон-Неймана

Основным преимуществом данной архитектуры является упрощение устройства МПС, поскольку реализовано обращение только к одной общей памяти. Помимо этого использование единой области памяти позволило оперативно перераспределить ресурсы между областями программ и данных, что существенно повысило гибкость МПС со стороны программного обеспечения. Размещение стека в общей памяти облегчило доступ к его содержимому. Поэтому данный тип архитектуры стал основным для универсальных компьютеров, в том числе и персональных.

Гарвардская архитектура

Основная особенность гарвардской архитектуры заключается в использовании раздельных адресных пространств для хранения команд и данных, как изображено на рис. 3.

Рисунок 3. Структура МПС с гарвардской архитектурой

Гарвардской архитектурой обеспечивается потенциально более высокая скорость выполнения программ в сравнении с фон-неймановской за счет возможности реализовывать параллельные операции. Процесс выборки следующей команды может проходить параллельно выполнению предыдущей. Данный метод реализации операций дает возможность обеспечивать выполнение различных команд за одинаковое число тактов, что дает возможность более просто определить время выполнения циклов и критичных участков программы.

Микропроцессорная система - электронная система, предназначенная для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов. В качестве входных и выходных сигналов при этом могут использоваться

аналоговые сигналы (входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательности кодов выборок с помощью АЦП, выходные аналоговые сигналы формируются из последовательности кодов выборок с помощью ЦАП),
одиночные цифровые сигналы,
цифровые коды,
последовательности цифровых кодов.

Внутри системы производится хранение, накопление сигналов (или информации)

Обработка и хранение информации производятся в цифровом виде.

В цифровой системе алгоритмы обработки и хранения информации жестко связаны со схемотехникой системы (изменение алгоритмов возможно только путем изменения структуры системы, замены электронных узлов, входящих в систему, и/или связей между ними - например, дополнительная операция суммирования: добавить в цифровую систему сумматор, дополнительная функция хранения кода в течение одного такта - добавить регистр. Естественно, это практически невозможно сделать в процессе эксплуатации, обязательно нужен новый производственный цикл проектирования, изготовления, отладки всей системы. Именно поэтому цифровая система часто называется системой на "жесткой логике" - специализированная система, настроенная исключительно на одну задачу или (реже) на несколько близких, заранее известных задач.

Преимущества:

· отсутствие аппаратурной избыточности, то есть каждый ее элемент обязательно работает в полную силу (конечно, если эта система грамотно спроектирована).

· обеспечивает максимально высокое быстродействие, так как скорость выполнения алгоритмов обработки информации определяется в ней только быстродействием отдельных логических элементов и выбранной схемой путей прохождения информации. (логические элементы обладают максимальным на данный момент быстродействием)

Недостаток

· для каждой новой задачи ее надо проектировать и изготавливать заново. (длительный, дорогостоящий, требующий высокой квалификации исполнителей процесс).

Возникла потребность в системе, которая могла бы легко адаптироваться под любую задачу, перестраиваться с одного алгоритма работы на другой без изменения аппаратуры. Задавать тот или иной алгоритм работы такой системы мы могли бы путем ввода в систему некой управляющей информации - программы. Данная система обладает свойством универсальности, или является программируемой, не «жесткой», а «гибкой». Именно это и обеспечивает микропроцессорная система.

Рис. Микропроцессорная система

Рассмотри особенности микропроцессорных систем:

1. Избыточность универсальных систем, увеличение стоимости, снижение надежности, увеличение потребляемой мощности и т.д.

Решение максимально трудной задачи требует гораздо больше средств, чем решение простой задачи. Поэтому сложность универсальной системы должна быть такой, чтобы обеспечивать решение самой трудной задачи, а при решении простой задачи система будет работать далеко не в полную силу, будет использовать не все свои ресурсы. И чем проще решаемая задача, тем больше избыточность, и тем менее оправданной становится универсальность.

2. Снижение быстродействия универсальных систем.

Оптимизировать универсальную систему так, чтобы каждая новая задача решалась максимально быстро, попросту невозможно. Общее правило таково: чем больше универсальность, гибкость, тем меньше быстродействие. Более того, для универсальных систем не существует таких задач (пусть даже и самых простых), которые бы они решали с максимально возможным быстродействием.

Вывод: Цифровые системы (на "жесткой логике") используются при решении задачи, которая не меняется длительное время, где требуется самое высокое быстродействие, где алгоритмы обработки информации предельно просты. Микропроцессорные системы (универсальные, программируемые) оптимально использовать при решении часто меняющихся задач, где высокое быстродействие не слишком важно, где алгоритмы обработки информации сложные.

За последние десятилетия быстродействие микропроцессорных систем сильно выросло (на несколько порядков). К тому же большой объем выпуска микросхем для этих систем привел к резкому снижению их стоимости. В результате область применения цифровых систем (на "жесткой логике") резко сузилась.

Появились программируемые системы, предназначенные для решения одной задачи или нескольких близких задач (ПЛИС – программируемые логические интегральные микросхемы). Они удачно совмещают в себе как достоинства цифровых систем, так и программируемых систем, обеспечивая сочетание достаточно высокого быстродействия и необходимой гибкости. Так что вытеснение "жесткой логики" продолжается.

Микропроцессор

Ядром любой микропроцессорной системы является микропроцессор или просто процессор (от английского processor - "обработчик"). Процессор - блок, который производит всю обработку информации внутри микропроцессорной системы.

Остальные узлы выполняют всего лишь вспомогательные функции: хранение информации (в том числе и управляющей информации, то есть программы), связи с внешними устройствами, связи с пользователем и т.д.

Процессор заменяет практически всю "жесткую логику", которая понадобилась бы в случае традиционной цифровой системы:

· арифметические функции (сложение, умножение и т.д.),

· логические функции (сдвиг, сравнение, маскирование кодов и т.д.),

· временное хранение кодов (во внутренних регистрах),

· пересылку кодов между узлами микропроцессорной системы

· и многое другое.

Количество таких элементарных операций, выполняемых процессором, может достигать нескольких сотен. Процессор можно сравнить с мозгом системы. Но при этом надо учитывать, что все свои операции процессор выполняет последовательно , то есть одну за другой, по очереди.

Конечно, существуют процессоры с параллельным выполнением некоторых операций, встречаются также микропроцессорные системы, в которых несколько процессоров работают над одной задачей параллельно, но это редкие исключения.

С одной стороны, последовательное выполнение операций - достоинство, так как позволяет с помощью всего одного процессора выполнять любые, самые сложные алгоритмы обработки информации. С другой стороны, последовательное выполнение операций приводит к тому, что время выполнения алгоритма зависит от его сложности. Простые алгоритмы выполняются быстрее сложных.

Микропроцессорная система работает она не слишком быстро, ведь все информационные потоки приходится пропускать через один-единственный узел - процессор.

В цифровой системе можно легко организовать параллельную обработку всех потоков информации, правда, ценой усложнения схемы.

Рис. Информационные потоки в микропроцессорной системе

Программа (управляющая информация) представляет собой набор команд (инструкций), то есть цифровых кодов, расшифровав которые, процессор узнает, что ему нужно делать. Программа от начала и до конца составляется человеком, программистом, а процессор выступает в роли послушного исполнителя этой программы.

Поэтому сравнение процессора с мозгом не слишком корректно.

Он всего лишь исполнитель того алгоритма, который заранее составил для него человек. Любое отклонение от этого алгоритма может быть вызвано только неисправностью процессора или каких-нибудь других узлов микропроцессорной системы.

Все команды, выполняемые процессором, образуют систему команд процессора. Структура и объем системы команд процессора определяют его быстродействие, гибкость, удобство использования. Всего команд у процессора может быть от нескольких десятков до нескольких сотен. Система команд может быть рассчитана на узкий круг решаемых задач (у специализированных процессоров) или на максимально широкий круг задач (у универсальных процессоров). Коды команд могут иметь различное количество разрядов (занимать от одного до нескольких байт). Каждая команда имеет свое время выполнения, поэтому время выполнения всей программы зависит не только от количества команд в

программе, но и от того, какие именно команды используются.

Для выполнения команд в структуру процессора входят внутренние регистры, арифметико-логическое устройство (АЛУ, ALU - Arithmetic Logic Unit) , мультиплексоры, буферы, регистры и другие узлы. Работа всех узлов синхронизируется общим внешним тактовым сигналом процессора.

Рис. Пример структуры простейшего процессора

Впрочем, для разработчика микропроцессорных систем информация о тонкостях внутренней структуры процессора не слишком важна. Разработчик должен рассматривать процессор как "черный ящик", который в ответ на входные и управляющие коды производит ту или иную операцию и выдает выходные сигналы. Разработчику необходимо знать систему команд, режимы работы процессора, а также правила взаимодействия процессора с внешним миром или, как их еще называют, протоколы обмена информацией. О внутренней структуре процессора надо знать только то, что необходимо для выбора той или иной команды, того или иного режима работы.

Шинная структура связей в микропроцессорных ситсемах

Для достижения максимальной универсальности и упрощения протоколов обмена информацией в микропроцессорных системах применяется так называемая шинная структура связей между отдельными устройствами, входящими в систему. Суть шинной структуры связей сводится к следующему.

При классической структуре связей все сигналы и коды между устройствами передаются по отдельным линиям связи. Каждое устройство, входящее в систему, передает свои сигналы и коды независимо от других устройств. При этом в системе получается очень много линий связи и разных протоколов обмена информацией.

Рис. Классическая структура связей

При шинной структуре связей все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (это называется мультиплексированной передачей). Причем передача по всем линиям связи может осуществляться в обоих направлениях (так называемая двунаправленная передача). В результате количество линий связи существенно сокращается, а правила обмена (протоколы) упрощаются. Группа линий связи, по которым передаются сигналы или коды как раз и называется шиной (англ. bus).

Рис. Шинная структура связей

При шинной структуре связей легко осуществляется пересылка всех информационных потоков в нужном направлении, например, их можно пропустить через один процессор, что очень важно для микропроцессорной системы. Однако при шинной структуре связей вся информация передается по линиям связи последовательно во времени, по очереди, что снижает быстродействие системы по сравнению с классической структурой связей.

Большое достоинство шинной структуры связей состоит в том, что все устройства, подключенные к шине, должны принимать и передавать информацию по одним и тем же правилам (протоколам обмена информацией по шине). Соответственно, все узлы, отвечающие за обмен с шиной в этих устройствах, должны быть единообразны, унифицированы.

Существенный недостаток шинной структуры связан с тем, что все устройства подключаются к каждой линии связи параллельно. Поэтому любая неисправность любого устройства может вывести из строя всю систему, если она портит линию связи. По этой же причине отладка системы с шинной структурой связей довольно сложна и обычно требует специального оборудования.

В системах с шинной структурой связей применяют все три существующие разновидности выходных каскадов цифровых микросхем: стандартный выход или выход с двумя состояниями (обозначается 2С, 2S, реже ТТЛ, TTL); выход с открытым коллектором (обозначается ОК, OC); выход с тремя состояниями или (что то же самое) с возможностью отключения (обозначается 3С, 3S).

Типичная структура микропроцессорной системы приведена на рисунке.

Рис. Структура микропроцессорной системы

Она включает в себя три основных типа устройств:

· процессор ;

· память , включающую оперативную память (ОЗУ, RAM - Random Access Memory) и постоянную память (ПЗУ, ROM -Read Only Memory), которая служит для хранения данных и программ;

· устройства ввода/вывода (УВВ, I/O - Input/Output Devices), служащие для связи микропроцессорной системы с внешними устройствами, для приема (ввода, чтения, Read) входных сигналов и выдачи (вывода, записи, Write) выходных сигналов.

Все устройства микропроцессорной системы объединяются общей системной шиной (магистраль). Системная магистраль включает в себя четыре основные шины нижнего уровня:

· шина адреса (Address Bus);

· шина данных (Data Bus);

· шина управления (Control Bus);

· шина питания (Power Bus).

Шина адреса служит для определения адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому устройству (кроме процессора), каждой ячейке памяти в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес. Когда код какого-то адреса выставляется процессором на шине адреса, устройство, которому этот адрес приписан, понимает, что ему предстоит обмен информацией. Шина адреса может быть однонаправленной или двунаправленной.

Шина данных - это основная шина, которая используется для передачи информационных кодов между всеми устройствами микропроцессорной системы. Обычно в пересылке информации участвует процессор, который передает код данных в какое-то устройство или в ячейку памяти или же принимает код данных из какого-то устройства или из ячейки памяти. Но возможна также и передача информации между устройствами без участия процессора. Шина данных всегда двунаправленная.

Шина управления в отличие от шины адреса и шины данных состоит из отдельных управляющих сигналов. Каждый из этих сигналов во время обмена информацией имеет свою функцию. Некоторые сигналы служат для стробирования передаваемых или принимаемых данных (то есть определяют моменты времени, когда информационный код выставлен на шину данных). Другие управляющие сигналы могут использоваться для подтверждения приема данных, для сброса всех устройств в исходное состояние, для тактирования всех устройств и т.д. Линии шины управления могут быть однонаправленными или двунаправленными.

Шина питания предназначена не для пересылки информационных сигналов, а для питания системы. Она состоит из линий питания и общего провода. В микропроцессорной системе может быть один источник питания (чаще +5 В) или несколько источников питания (обычно еще –5 В, +12 В и –12 В). Каждому напряжению питания соответствует своя линия связи. Все устройства подключены к этим линиям параллельно.

Если в микропроцессорную систему надо ввести входной код (или входной сигнал), то процессор по шине адреса обращается к нужному устройству ввода/вывода и принимает по шине данных входную информацию. Если из микропроцессорной системы надо вывести выходной код (или выходной сигнал), то процессор обращается по шине адреса к нужному устройству ввода/вывода и передает ему по шине данных выходную информацию.

Если информация должна пройти сложную многоступенчатую обработку, то процессор может хранить промежуточные результаты в системной оперативной памяти. Для обращения к любой ячейке памяти процессор выставляет ее адрес на шину адреса и передает в нее информационный код по шине данных или же принимает из нее информационный код по шине данных. В памяти (оперативной и постоянной) находятся также и управляющие коды (команды выполняемой процессором программы), которые процессор также читает по шине данных с адресацией по шине адреса. Постоянная память используется в основном для хранения программы начального пуска микропроцессорной системы, которая выполняется каждый раз после включения питания. Информация в нее заносится изготовителем раз и навсегда.

Таким образом, в микропроцессорной системе все информационные коды и коды команд передаются по шинам последовательно, по очереди. Это определяет сравнительно невысокое быстродействие микропроцессорной системы. Оно ограничено обычно даже не быстродействием процессора (которое тоже очень важно) и не скоростью обмена по системной шине (магистрали), а именно последовательным характером передачи информации по системной шине (магистрали).

Важно учитывать, что устройства ввода/вывода чаще всего представляют собой устройства на "жесткой логике". На них может быть возложена часть функций, выполняемых микропроцессорной системой. Поэтому у разработчика всегда имеется возможность перераспределять функции системы между аппаратной и программной реализациями оптимальным образом. Аппаратная реализация ускоряет выполнение функции, но имеет недостаточную гибкость. Программная реализация значительно медленнее, но обеспечивает высокую гибкость. Аппаратная реализация функций увеличивает стоимость системы и ее энергопотребление, программная - не увеличивает. Чаще всего применяется комбинирование аппаратных и программных функций.

Иногда устройства ввода/вывода имеют в своем составе процессор, то есть представляют собой небольшую специализированную микропроцессорную систему. Это позволяет переложить часть программных функций на устройства ввода/вывода, разгрузив центральный процессор системы.

Режимы работы микропроцессорной системы

Как уже отмечалось, микропроцессорная система обеспечивает большую гибкость работы, она способна настраиваться на любую задачу. Гибкость эта обусловлена прежде всего тем, что функции, выполняемые системой, определяются программой (программным обеспечением, software), которую выполняет процессор. Аппаратура (аппаратное обеспечение, hardware) остается неизменной при любой задаче. Записывая в память системы программу, можно заставить микропроцессорную систему выполнять любую задачу, поддерживаемую данной аппаратурой. К тому же шинная организация связей микропроцессорной системы позволяет довольно легко заменять аппаратные модули, например, заменять память на новую большего объема или более высокого быстродействия, добавлять или модернизировать устройства ввода/вывода, наконец, заменять процессор на более мощный. Это также позволяет увеличить гибкость системы, продлить ее жизнь при любом изменении требований к ней.

Но гибкость микропроцессорной системы определяется не только этим. Настраиваться на задачу помогает еще и выбор режима работы системы, то есть режима обмена информацией по системной магистрали (шине).

Практически любая развитая микропроцессорная система (в том числе и компьютер) поддерживает три основных режима обмена по магистрали:

· программный обмен информацией;

· обмен с использованием прерываний (Interrupts);

· обмен с использованием прямого доступа к памяти (ПДП, DMA - Direct Memory Access).

Программный обмен информацией является основным в любой микропроцессорной системе. Он предусмотрен всегда, без него невозможны другие режимы обмена. В этом режиме процессор является единоличным хозяином (Master) системной магистрали. Все операции (циклы) обмена информацией в данном случае инициируются только процессором, все они выполняются строго в порядке, предписанном исполняемой программой. Процессор читает (выбирает) из памяти коды команд и исполняет их, читая данные из памяти или из устройства ввода/вывода, обрабатывая их, записывая данные в память или передавая их в устройство ввода/вывода. Путь процессора по программе может быть линейным, циклическим, может содержать переходы (прыжки), но он всегда непрерывен и полностью находится под контролем процессора. Ни на какие внешние события, не связанные с программой, процессор не реагирует. Все сигналы на магистрали в данном случае контролируются процессором.

Рис. Программный обмен информацией

Обмен по прерываниям используется тогда, когда необходима реакция микропроцессорной системы на какое-то внешнее событие, на приход внешнего сигнала. В случае компьютера внешним событием может быть, например, нажатие на клавишу клавиатуры или приход по локальной сети пакета данных. Компьютер должен реагировать на это, соответственно, выводом символа на экран или же чтением и обработкой принятого по сети пакета.

Рис. Обслуживание прерывания

В общем случае организовать реакцию на внешнее событие можно тремя различными путями:

· с помощью постоянного программного контроля факта наступления события (так называемый метод опроса флага или polling);

· с помощью прерывания, то есть насильственного перевода процессора с выполнения текущей программы на выполнение экстренно необходимой программы;

· с помощью прямого доступа к памяти, то есть без участия процессора при его отключении от системной магистрали.

Проиллюстрировать эти три способа можно следующим простым примером. Допустим, вы готовите себе завтрак, поставив на плиту кипятиться молоко. Естественно, на закипание молока надо реагировать, причем срочно. Как это организовать? Первый путь - постоянно следить за молоком, но тогда вы ничего другого не сможете делать. Правильнее будет регулярно поглядывать на молоко, делая одновременно что-то другое. Это программный режим с опросом флага. Второй путь - установить на кастрюлю с молоком датчик, который подаст звуковой сигнал при закипании молока, и спокойно заниматься другими делами. Услышав сигнал, вы выключите молоко. Правда, возможно, вам придется сначала закончить то, что вы начали делать, так что ваша реакция будет медленнее, чем в первом случае. Наконец, третий путь состоит в том, чтобы соединить датчик на кастрюле с управлением плитой так, чтобы при закипании молока горелка была выключена без вашего участия (правда, аналогия с ПДП здесь не очень точная, так как в данном случае на момент выполнения действия вас не отвлекают от работы).

Первый случай с опросом флага реализуется в микропроцессорной системе постоянным чтением информации процессором из устройства ввода/вывода, связанного с тем внешним устройством, на поведение которого необходимо срочно реагировать.

Во втором случае в режиме прерывания процессор, получив запрос прерывания от внешнего устройства (часто называемый IRQ - Interrupt ReQuest), заканчивает выполнение текущей команды и переходит к программе обработки прерывания. Закончив выполнение программы обработки прерывания, он возвращается к прерванной программе с той точки, где его прервали.

Вся работа, как и в случае программного режима, осуществляется самим процессором, внешнее событие просто временно отвлекает его. Реакция на внешнее событие по прерыванию в общем случае медленнее, чем при программном режиме. Как и в случае программного обмена, здесь все сигналы на магистрали выставляются процессором, то есть он полностью контролирует магистраль. Для обслуживания прерываний в систему иногда вводится специальный модуль контроллера прерываний, но он в обмене информацией не участвует. Его задача состоит в том, чтобы упростить работу процессора с внешними запросами прерываний. Этот контроллер обычно программно управляется процессором по системной магистрали.

Естественно, никакого ускорения работы системы прерывание не дает. Его применение позволяет только отказаться от постоянного опроса флага внешнего события и временно, до наступления внешнего события, занять процессор выполнением каких-то других задач.

Прямой доступ к памяти (ПДП, DMA) - это режим, принципиально отличающийся от двух ранее рассмотренных режимов тем, что обмен по системной шине идет без участия процессора. Внешнее устройство, требующее обслуживания, сигнализирует процессору, что режим ПДП необходим, в ответ на это процессор заканчивает выполнение текущей команды и отключается от всех шин, сигнализируя запросившему устройству, что обмен в режиме ПДП можно начинать.

Операция ПДП сводится к пересылке информации из устройства ввода/вывода в память или же из памяти в устройство ввода/вывода. Когда пересылка информации будет закончена, процессор вновь возвращается к прерванной программе, продолжая ее с той точки, где его прервали. Это похоже на режим обслуживания прерываний, но в данном случае процессор не участвует в обмене. Как и в случае прерываний, реакция на внешнее событие при ПДП существенно медленнее, чем при программном режиме.

Рис. Режим прямого доступа к памяти

В этом случае требуется введение в систему дополнительного устройства (контроллера ПДП), которое будет осуществлять полноценный обмен по системной магистрали без всякого участия процессора. Причем процессор предварительно должен сообщить этому контроллеру ПДП, откуда ему следует брать информацию и/или куда ее следует помещать. Контроллер ПДП может считаться специализированным процессором, который отличается тем, что сам не участвует в обмене, не принимает в себя информацию и не выдает ее.

Рис. Обслуживание ПДП

В принципе контроллер ПДП может входить в состав устройства ввода/вывода, которому необходим режим ПДП или даже в состав нескольких устройств ввода/вывода. Теоретически обмен с помощью прямого доступа к памяти может обеспечить более высокую скорость передачи информации, чем программный обмен, так как процессор передает данные медленнее, чем специализированный контроллер ПДП. Однако на практике это преимущество реализуется далеко не всегда. Скорость обмена в режиме ПДП обычно ограничена возможностями магистрали. К тому же необходимость программного задания режимов контроллера ПДП может свести на нет выигрыш от более высокой скорости пересылки данных в режиме ПДП. Поэтому режим ПДП применяется редко.

Если в системе уже имеется самостоятельный контроллер ПДП, то это может в ряде случаев существенно упростить аппаратуру устройств ввода/вывода, работающих в режиме ПДП. В этом, пожалуй, состоит единственное бесспорное преимущество режима ПДП.

Архитектура микропроцессорных систем

До сих пор мы рассматривали только один тип архитектуры микропроцессорных систем -архитектуру с общей, единой шиной для данных и команд (одношинную, или принстонскую, фон-неймановскую архитектуру). Соответственно, в составе системы в этом случае присутствует одна общая память, как для данных, так и для команд.

Рис. Архитектура с общей шиной данных и команд (принстонская, фон-неймановская архитектура)

Альтернативный тип архитектуры микропроцессорной системы - это архитектура с раздельными шинами данных и команд (двухшинная, или гарвардская архитектура). Эта архитектура предполагает наличие в системе отдельной памяти для данных и отдельной памяти для команд. Обмен процессора с каждым из двух типов памяти происходит по своей шине.

Рис. Архитектура с раздельными шинами данных и команд (гарвардская архитектура)

Архитектура с общей шиной распространена гораздо больше, она применяется, например, в персональных компьютерах и в сложных микрокомпьютерах. Архитектура с раздельными шинами применяется в основном в однокристальных микроконтроллерах.

Рассмотрим некоторые достоинства и недостатки обоих архитектурных решений.

Архитектура с общей шиной (принстонская, фон-неймановская) проще, она

· не требует от процессора одновременного обслуживания двух шин, контроля обмена по двум шинам сразу.

· позволяет гибко распределять объем памяти между кодами данных и команд. Как правило, в системах с такой архитектурой память бывает довольно большого объема (до десятков и сотен мегабайт). Это позволяет решать самые сложные задачи.

Например, в некоторых случаях нужна большая и сложная программа, а данных в памяти надо хранить не слишком много. В других случаях, наоборот, программа требуется простая, но необходимы большие объемы хранимых данных. Перераспределение памяти не вызывает никаких проблем, главное - чтобы программа и данные вместе помещались в памяти системы.

Архитектура с раздельными шинами данных и команд сложнее, она заставляет

· процессор одновременно работает с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно.

· программа может размещаться только в памяти команд, данные - только в памяти данных.

Такая узкая специализация ограничивает круг задач, решаемых системой, так как не дает возможности гибкого перераспределения памяти. Память данных и память команд в этом случае имеют не слишком большой объем, поэтому применение систем с данной архитектурой ограничивается обычно не слишком сложными задачами.

· преимущество архитектуры с двумя шинами (гарвардской) - быстродействие

Дело в том, что при единственной шине команд и данных процессор вынужден по одной этой шине принимать данные (из памяти или устройства ввода/вывода) и передавать данные (в память или в устройство ввода/вывода), а также читать команды из памяти. Естественно, одновременно эти пересылки кодов по магистрали происходить не могут, они должны производиться по очереди. Современные процессоры способны совместить во времени выполнение команд и проведение циклов обмена по системной шине. Использование конвейерных технологий и быстрой кэш-памяти позволяет им ускорить процесс взаимодействия со сравнительно медленной системной памятью. Повышение тактовой частоты и совершенствование структуры процессоров дают возможность сократить время выполнения команд. Но дальнейшее увеличение быстродействия системы возможно только при совмещении пересылки данных и чтения команд, то есть при переходе к архитектуре с двумя шинами.

В случае двухшинной архитектуры обмен по обеим шинам может быть независимым, параллельным во времени. Соответственно, структуры шин (количество разрядов кода адреса и кода данных, порядок и скорость обмена информацией и т.д.) могут быть выбраны оптимально для той задачи, которая решается каждой шиной. Поэтому при прочих равных условиях переход на двухшинную архитектуру ускоряет работу микропроцессорной системы, хотя и требует дополнительных затрат на аппаратуру, усложнения структуры процессора. Память данных в этом случае имеет свое распределение адресов, а память команд - свое.

Проще всего преимущества двухшинной архитектуры реализуются внутри одной микросхемы. В этом случае можно также существенно уменьшить влияние недостатков этой архитектуры. Поэтому основное ее применение - в микроконтроллерах, от которых не требуется решения слишком сложных задач, но зато необходимо максимальное быстродействие при заданной тактовой частоте.

Типы микропроцессорных систем

Диапазон применения микропроцессорной техники сейчас очень широк, требования к микропроцессорным системам предъявляются самые разные. Поэтому сформировалось несколько типов микропроцессорных систем, различающихся мощностью, универсальностью, быстродействием и структурными отличиями. Основные типы следующие:

· 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 устройствами.

· компьютеры (в том числе персональные) - самые мощные и наиболее универсальные микропроцессорные системы.

Четкую границу между этими типами иногда провести довольно сложно. Быстродействие всех типов микропроцессоров постоянно растет, и нередки ситуации, когда новый микроконтроллер оказывается быстрее, например, устаревшего персонального компьютера.

Принципиальные отличия:

Микроконтроллеры представляют собой универсальные устройства, которые практически 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 микроконтроллерах обычно предназначены для решения одной задачи.

Контроллеры, как правило, создаются для решения какой-то отдельной задачи или группы близких задач. Они обычно не имеют возможностей подключения дополнительных узлов и устройств, например, большой памяти, средств ввода/вывода. Их системная шина чаще всего недоступна пользователю. Структура контроллера проста и оптимизирована под максимальное быстродействие. В большинстве случаев выполняемые программы хранятся в постоянной памяти и не меняются. Конструктивно контроллеры выпускаются в одноплатном варианте.

Микрокомпьютеры отличаются от контроллеров более открытой структурой, они допускают подключение к системной шине нескольких дополнительных устройств. Производятся микрокомпьютеры в каркасе, корпусе с разъемами системной магистрали, доступными пользователю. Микрокомпьютеры могут иметь средства хранения информации на магнитных носителях (например, магнитные диски) и довольно развитые средства связи с пользователем (видеомонитор, клавиатура). Микрокомпьютеры рассчитаны на широкий круг задач, но в отличие от контроллеров, к каждой новой задаче его надо приспосабливать заново. Выполняемые микрокомпьютером программы можно легко менять.

Наконец, компьютеры и самые распространенные из них - персональные компьютеры - это самые универсальные из микропроцессорных систем. Они обязательно предусматривают возможность модернизации, а также широкие возможности подключения новых устройств. Их системная шина, конечно, доступна пользователю. Кроме того, внешние устройства могут подключаться к компьютеру через несколько встроенных портов связи (количество портов доходит иногда до 10). Компьютер всегда имеет сильно развитые средства связи с пользователем, средства длительного хранения информации большого объема, средства связи с другими компьютерами по информационным сетям. Области применения компьютеров могут быть самыми разными: математические расчеты, обслуживание доступа к базам данных, управление работой сложных электронных систем, компьютерные игры, подготовка документов и т.д.

Любую задачу в принципе можно выполнить 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 всего 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.

Классические микропроцессорные системы на базе микросхем процессоров и микропроцессорных комплектов выпускаются сейчас довольно редко, в первую очередь, из-за сложности процесса разработки и отладки этих систем. Данный тип микропроцессорных систем выбирают в основном тогда, когда микроконтроллеры не могут обеспечить требуемых характеристик.

Заметное место занимают сейчас микропроцессорные системы на основе персонального компьютера. Разработчику в этом случае нужно только оснастить персональный компьютер дополнительными устройствами сопряжения, а ядро микропроцессорной системы уже готово. Персональный компьютер имеет развитые средства программирования, что существенно упрощает задачу разработчика. К тому же он может обеспечить самые сложные алгоритмы обработки информации. Основные недостатки персонального компьютера - большие размеры корпуса и аппаратурная избыточность для простых задач. Недостатком является и неприспособленность большинства персональных компьютеров к работе в сложных условиях (запыленность, высокая влажность, вибрации, высокие температуры и т.д.). Однако выпускаются и специальные персональные компьютеры, приспособленные к различным условиям эксплуатации.

ФСПО. «МК и МП» Конспект лекции №1.1
Введение: микропроцессоры, микропроцессорные системы,
микроконтроллеры
План лекции:

Микропроцессоры, микропроцессорные системы, микроконтроллеры

Области применения

Семейства микроконтроллеров

1.Микропроцессоры, микропроцессорные системы, микроконтроллеры
За все время существования и применения электронно-вычислительных машин (ЭВМ) их важнейшие параметры быстродействие, потребляемая мощность, надежность определялись, прежде всего, применяемой элементной базой, то есть теми электронными «кирпичиками», из которых строится большое и сложное «здание» – сама ЭВМ. В машинах первого поколения применялись электровакуумные приборы (радиолампы), обеспечивающие быстродействие ЭВМ в сотни или тысячи операций в секунду. Эти машины были громоздки, часто выходили из строя, и для обеспечения их нормальной работы требовалась сложная система охлаждения.

Изобретение транзистора позволило довести быстродействие ЭВМ до десятков и сотен тысяч операций в секунду при существенном увеличении плотности упаковки (компоновки) элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов. Такие ЭВМ относились к машинам второго поколения.

Появление интегральных микросхем, включающих большое количество электронных элементов, и применения их в ЭВМ третьего и дальнейших поколений еще более увеличило быстродействия последних, позволило упростить процедуру общения человека с ЭВМ, максимально приблизило ее к объекту управления и контроля.

Микропроцессор (МП) - это устройство, которое осуществляет прием, обработку и выдачу информации. Конструктивно МП содержит одну или несколько интегральных схем и выполняет действия, определенные программой, записанной в памяти.

Универсальные МП – это такие МП, в системе команд которых заложена алгоритмическая универсальность. Последнее означает, что выполняемый машиной состав команд позволяет получить преобразование информации в соответствии с любым заданным алгоритмом.

Специализированные МП - предназначены для решения определенного класса задач, а иногда только для решения одной конкретной задачи. Их существенными особенностями являются простота управления, компактность аппаратурных средств, низкая стоимость и малая мощность потребления.

Микропроцессорная система - это вычислительная, контрольно-измерительная или управляющая система, основным устройством обработки информации в которой является МП. Микропроцессорная система строится из набора микропроцессорных БИС.

Замечательным свойством микропроцессорных систем является их высокая гибкость, возможность быстрой перенастройки при необходимости даже значительных изменений алгоритмов управления. Перенастройка осуществляется программным путем без существенных производственных затрат. Создание микропроцессоров позволяет уменьшить стоимость и размеры технических средств обработки информации, увеличить их быстродействие, снизить энергопотребление.

Характерные особенности микропроцессорных информационно-управляющих систем, предназначенных для автоматизации технологических процессов:

Наличие ограниченного набора четко сформулированных задач;

Работа в реальном масштабе времени, т.е. обеспечение минимального времени реакции на изменение внешних условий;

Наличие развитой системы внешних устройств, их большое разнообразие;

Существенное различие функциональных задач;

Высокие требования по надежности с учетом большой продолжительности непрерывной работы;

Сложные условия эксплуатации;

Обеспечение автоматического режима работы или режима с участием оператора как элемента системы.

Дальнейший рост степени интеграции позволил разместить в кристалле микросхемы уже не отдельные простые узлы или фрагменты устройств ЭВМ, а целые устройства и даже целые ЭВМ. Это привело к созданию микроконтроллера (МК) – изделия микроэлектроники и вычислительной техники принципиально нового класса, способного вести обработку и хранение информации в одном или нескольких корпусах микросхем.

Использование микроконтроллеров в изделиях не только приводит к повышению технико-экономических показателей (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и позволяет сократить время разработки изделий и делает их модифицируемыми, адаптивными. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при низкой стоимости.

Микроконтроллеры представляют собой эффективное средство автоматизации разнообразных объектов и процессов.

Можно считать что микроконтроллер – это компьютер, разместившийся в одной микросхеме. Отсюда и его основные привлекательные качества: малые габариты; высокие производительность, надежность и способность быть адаптированным для выполнения самых различных задач.

Однокристальный микроконтроллер представляет собой устройство, выполненное конструктивно в одном корпусе БИС и содержащее все основные составные части микропроцессорного комплекта.

Микроконтроллер помимо центрального процессора (ЦП) содержит память и многочисленные устройства ввода/вывода:

Универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод;

Различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;

Компараторы;

Широтно-импульсные модуляторы;

Таймеры;

Контроллеры бесколлекторных двигателей;

Контроллеры дисплеев и клавиатур;

Радиочастотные приемники и передатчики;

Массивы встроенной флеш-памяти;

Встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер;

^ 2.Области применения
В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры. Они применяются при вычислениях, они выполняют функции управления, они используются при обработке звука и изображения. В зависимости от области применения микропроцессора меняются требования к нему. Это накладывает отпечаток на внутреннюю структуру микропроцессора. В настоящее время определилось три направления развития микропроцессоров:

Универсальные микропроцессоры

Микроконтроллеры

С
Суперкомпьютеры
игнальные микропроцессоры

Универсальные микропроцессоры используются для построения вычислительных машин. В них используются самые передовые решения по повышению быстродействия, не обращая особого внимания на габариты, стоимость и потребляемую энергию. В технике связи компьютеры используются для управления системами связи или устройствами связи, обладающими большими габаритами и стоимостью. Такие компьютеры называются контроллерами.

^ С
Мобильные устройства
игнальные процессоры используются для решения задач, которые традиционно решала аналоговая схемотехника. К сигнальным процессорам предъявляются специфические требования. От них требуются максимальное быстродействие, малые габариты, легкая стыковка с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, большая разрядность обрабатываемых данных и небольшой набор математических операций, обязательно включающий операцию умножения-накопления и аппаратную организацию циклов. В этих процессорах тоже важны такие параметры как стоимость габариты и потребляемая мощность, но здесь приходится мириться с большими значениями этих характеристик по сравнению с микроконтроллерами.

Микроконтроллеры используются для управления малогабаритными и дешёвыми устройствами связи они раньше назывались однокристальными микроЭВМ. В микроконтроллерах, в отличие от универсальных микропроцессоров, максимальное внимание уделяется именно габаритам, стоимости и потребляемой энергии.

И
Бытовая техника
спользование в современном микроконтроллере достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств. Используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:

В вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD;

Электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления - стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах;

В промышленности:

Устройств промышленной автоматики - от программируемого реле и встраиваемых систем до ПЛК,

Систем управления станками.

В то время как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие больши́ми вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры.

В настоящее время существует огромная номенклатура (более 10000) различных микроконтроллеров, различающихся сферой применения, параметрами, встроенными в кристалл периферийными узлами. Выпуском микроконтроллеров занимается более десятка производителей.

^ 3.Семейства микроконтроллеров
Микроконтроллеры объединяются в семейства. К одному семейству относят изделия, имеющие одинаковое ядро – совокупность таких понятий, как система команд, циклограмма работы ЦП, организация памяти программ и памяти данных, система прерываний и базовый набор периферийных устройств. Отличия между различными представителями одного семейства заключаются, в основном, в составе периферийных устройств и объеме памяти программ или данных. Наиболее важная особенность семейства - программная совместимость на уровне двоичного кода всех входящих него МК.

^ Известные семейства:

Intel 8051 - это однокристальный микроконтроллер (не путать с процессором) гарвардской архитектуры, который был впервые произведен Intel в 1980 году, для использования во встраиваемых системах. В течение 1980-ых и начале 1990-ых годов был чрезвычайно популярен. Однако, в настоящее время устарел и вытеснен более современными устройствами, с 8051-совместимыми ядрами, производимыми более чем 20 независимыми производителями, такими как Atmel, Maxim IC (дочерняя компания Dallas Semiconductor), NXP (ранее Philips Semiconductor), Winbond, Silicon Laboratories, Texas Instruments и Cypress Semiconductor. Существует также советский клон данной микросхемы, КР1816ВЕ51. Официальное название 8051-семейства микроконтроллеров Intel - MCS-51.

PIC (Microchip)

PIC - микроконтроллеры Гарвардской архитектуры, производимые американской компанией Microchip Technology Inc. Название PIC является сокращением от Peripheral Interface Controller, что означает «периферийный интерфейсный контроллер».

В основу концепции PIC, единую для всех выпускаемых семейств, была положена RISC-архитектура (Reduced Instruction Set Computer – архитектура с сокращенным набором команд) с системой простых однословных команд, применение встроенной памяти программ и данных и малое энергопотребление.

В основе RISC-архитектуры лежат основополагающие принципы:

Любая операция выполняется за один такт;

Система команд должно содержать минимальное число инструкций одинаковой длины;

Операции обработки данных реализуются только в формате «регистр-регистр»;

Результаты должны формироваться со скоростью одно слово за такт.

В номенклатуре Microchip Technology Inc. представлен широкий спектр 8-и, 16-и и 32-битных микроконтроллеров и цифровых сигнальных контроллеров под маркой PIC. Отличительной особенностью PIC-контроллеров является хорошая преемственность различных семейств. Это и программная совместимость (единая бесплатная среда разработки MPLAB IDE), и совместимость по выводам, по периферии, по напряжениям питания, по средствам разработки, по библиотекам и стекам наиболее популярных коммуникационных протоколов. Номенклатура насчитывает более 500 различных контроллеров со всевозможными вариациями периферии, памяти, количеством выводов, производительностью, диапазонами питания и температуры и т. д.

AVR (Atmel)

Концепция новых скоростных микроконтроллеров была разработана группой разработчиков исследовательского центра ATMEL в Норвегии, инициалы которых затем сформировали марку AVR (Alf Bogen / Vergard Wollan / Risc architecture). Первые микроконтроллеры AVR AT90S1200 появились в середине 1997 г. и быстро снискали расположение потребителей.

AVR-архитектура, на основе которой построены микроконтроллеры семейства AT90S, объединяет мощный гарвардский RISC-процессор с раздельным доступом к памяти программ и данных, 32 регистра общего назначения, каждый из которых может работать как регистр- аккумулятор, и развитую систему команд фиксированной 16-бит длины. Большинство команд выполняются за один машинный такт с одновременным исполнением текущей и выборкой следующей команды, что обеспечивает производительность до 1 MIPS на каждый МГц тактовой частоты.

Достоинства:

Высокий показатель быстродействие/энергопотребление;

Удобные режимы программирования;

Широкая номенклатура;

Доступность программно-аппаратных средств поддержки;

Высокая нагрузочная способность выходов.

ARM (ARM Limited)

Архитектура ARM (Advanced RISC Machine, Acorn RISC Machine, усовершенствованная RISC-машина) - семейство лицензируемых 32-битных и 64-битных микропроцессорных ядер разработки компании ARM Limited. Компания занимается исключительно разработкой ядер и инструментов для них (компиляторы, средства отладки и т. п.), зарабатывая на лицензировании архитектуры сторонним производителям.

В 2007 году около 98 % из более чем миллиарда мобильных телефонов, продаваемых ежегодно, были оснащены по крайней мере одним процессором ARM. По состоянию на 2009 на процессоры ARM приходится до 90 % всех встроенных 32-разрядных процессоров. Процессоры ARM широко используются в потребительской электронике - в том числе КПК, мобильных телефонах, цифровых носителях и плеерах, портативных игровых консолях, калькуляторах и компьютерных периферийных устройствах, таких как жесткие диски или маршрутизаторы.

Данные процессоры имеют низкое энергопотребление, поэтому находят широкое применение во встраиваемых системах и доминируют на рынке мобильных устройств, для которых важно низкое энергопотребление.

Среди лицензиатов: Analog Devices, Atmel, Xilinx, Altera, Cirrus Logic (англ.), Intel (до 27 июня 2006 года), Marvell (англ.), NXP, STMicroelectronics, Samsung, MediaTek, MStar, Qualcomm, Sony Ericsson, Texas Instruments, nVidia, Freescale, Миландр.

Контрольные вопросы
Что такое микропроцессор? Его назначение?

Какие бывают микропроцессоры?

Что такое микропроцессорная система?

Что такое микроконтроллер? Его назначение?

Чем микропроцессор отличается от микроконтроллера?

Семейства микроконтроллеров.

Темы для сообщений
Логические элементы.

Дешифратор.

Регистр-защелка.

Микросхемы памяти ОЗУ (RAM) статического типа.

Микросхемы памяти ПЗУ (ROM).

Микропроцессорная система представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом микропроцессорных: то есть микропроцессора и/или микроконтроллера. А микропроцессорное устройство представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в состав которых входит микропроцессор; оно предназначено для выполнения определённого набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление.

Главная особенность микропроцессора - возможность программирования логики работы. Поэтому микропроцессорную систему используют для управления процессом измерения (реализацией алгоритма измерения), обработки опытных данных, хранения и вывода результатов измерения и так далее.

МП обладает свойствами процессора ЭВМ, тем не менее его нельзя считать только элементом вычислительной техники. Основная функция МП - преобразовывать информацию, т. е. его необходимо отнести к одной из групп элементов (устройств), входящих в технические средства систем автоматического регулирования и управления.

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 соединить с некоторыми другими устройствами, запрограммировать и обеспечить обмен информацией МП с этими устройствами. В число подсоединяемых устройств входят, как минимум, запоминающие устройства (ЗУ) и устройства ввода-вывода (УВВ).

Таким образом, основным способом применения МП является создание на его основе и других ИС и устройств МПС.

МикроЭВМ (МЭВМ) - это конструктивно завершенная МПС имеющая устройства связи с внешними устройствами, панель управления, собственный источник питания и комплект программного обеспечения.

Микроконтроллер (МКО) - устройство, выполняющее функции логического анализа (сложные последовательности логических операций) и управления; реализуется на одном или нескольких кристаллах. Примерами микроконтроллеров являются устройства (микропроцессорные), управляющие работой внешних устройств МЭВМ: накопителей на ГМД и MJT, печатающих устройств, графопостроителей и т. д.

Таким образом, МКО - это микропроцессорное управляющее устройство, в котором за счет сокращения функций по выполнению арифметических операций можно уменьшить их аппаратную сложность и развить функции логического управления.

Микропроцессорный комплект интегральных схем (МПК ИС) - это совокупность микропроцессорных БИС (базовый МПК) и других ИС, однотипных по конструктивно-технологическому исполнению, для которых обеспечена функциональная, структурная, информационная и энергетическая совместимость при использовании в МПС. По существу, это элементная база МПС, МЭВМ и МПАС.

Микропроцессорная автоматическая система (МПАС) - это автоматическая система со встроенными в нее средствами микропроцессорной техники (МТ).

Структура и взаимосвязь основных средств МТ в рамках МПАС показаны на рис. 8.2, а, где акцент сделан на структуру и свойства средств МТ, в частности отражены модульность и магистральность.

МП включает АЛУ, УУ и блок регистров (БРГ), в который входят регистры: аккумулятор, адреса, флаговые, состояния, программный счетчик, общего назначения, стековые и т. д. МП является составной частью МПС и соответственно МЭВМ и МПАС.

МПС включает помимо МП (одного или нескольких), оперативного и постоянного ЗУ (ОЗУ и ПЗУ), устройства ввода-вывода (УВВ) ряд других устройств (на схеме не показаны). МПС - одна из составных частей МПАС.

Взаимодействие частей МПАС осуществляется посредством шин: адресной (ША), данных (ШД) и управления (ШУ), связывающих в единую систему компоненты МПС, а также шин измерения, контроля и управления, которые совместно с соответствующими устройствами связи с объектом (процессом) обеспечивают непосредственное взаимодействие МПС с управляемым объектом или процессом.

Из сказанного выше следует, что МПС могут быть конструктивно подготовлены для работы с человеком-оператором, т. е. иметь каркас, панель управления и другие необходимые компоненты - в этом случае ее называют МЭВМ, а могут предназначаться для агрегатирования, т. е. для работы в конструктивно- и функциональноедином комплексе аппаратуры и поэтому не иметь необходимых для автономной работы компонентов.

В последнем случае речь идет о реализации распределенных средств управления и обработки информации в рамках МПАС. Распределенность здесь означает прежде всего расчленение (декомпозицию) общего алгоритма управления на ряд параллельно или последовательно-параллельно реализуемых алгоритмов, не связанных, насколько это возможно, друг с другом во времени, и, кроме того, оптимальное пространственное распределение процессов управления и обработки информации путем встраивания средств МТ непосредственно в датчики, регулирующие, исполнительные и другие устройства.

При этом более эффективно решаются задачи обеспечения быстродействия. надежности, живучести, сокращения размеров и уменьшения массы средств автоматического управления, регулирования, контроля и сбора данных. Характерные свойства МП дают возможность встроенного управления каждой отдельной единицей аппаратуры, оборудования, что обеспечивает создание полностью автоматизированных локальных систем и процессов и тем самым обеспечивает комплексную автоматизацию.

На рис. 8.2, б представлена общая схема МПАС, в которой акцент сделан на систему связи с объектом. Здесь обозначено: М - мультиплексор; ДМ - демультиплексор; Д - датчик; ИМ - исполнительный механизм; МЦАП, МАЦП - многоканальные ЦАП и АЦП соответственно, совмещающие в себе функции одноканальных ЦАП, АЦП, а также демультиплексоров и мультиплексоров соответственно.

Главная > Конспект

ФСПО. «МК и МП» Конспект лекции №1.1

Введение: микропроцессоры, микропроцессорные системы,
микроконтроллеры

План лекции:

Микропроцессоры, микропроцессорные системы, микроконтроллеры Области применения Семейства микроконтроллеров

1.Микропроцессоры, микропроцессорные системы, микроконтроллеры

За все время существования и применения электронно-вычислительных машин (ЭВМ) их важнейшие параметры быстродействие, потребляемая мощность, надежность определялись, прежде всего, применяемой элементной базой, то есть теми электронными «кирпичиками», из которых строится большое и сложное «здание» – сама ЭВМ. В машинах первого поколения применялись электровакуумные приборы (радиолампы), обеспечивающие быстродействие ЭВМ в сотни или тысячи операций в секунду. Эти машины были громоздки, часто выходили из строя, и для обеспечения их нормальной работы требовалась сложная система охлаждения.

М
икропроцессор (МП) - это устройство, которое осуществляет прием, об-работку и выдачу информации. Конструктивно МП содержит одну или не-сколько интегральных схем и выполняет действия, определенные програм-мой, записанной в памяти.

Универсальные МП – это такие МП, в системе команд которых заложена алгоритмическая универсальность. Последнее означает, что выполняемый машиной состав команд позволяет получить преобразование информации в соответствии с любым заданным алгоритмом.

Специализированные МП - предназначены для решения определенного класса задач, а иногда только для решения одной конкретной задачи. Их существенными особенностями являются простота управления, компактность аппаратурных средств, низкая стоимость и малая мощность потребления.

Микропроцессорная система - это вычислительная, контрольно-измери-тельная или управляющая система, основным устройством обработки ин-формации в которой является МП. Микропроцессорная система строится из набора микропроцессорных БИС.

Замечательным свойством микропроцессорных систем является их высокая гибкость, возможность быстрой перенастройки при необходимо-сти даже значительных изменений алгоритмов управления. Перенастройка осуществляется программным путем без существенных производственных затрат. Создание микропроцессоров позволяет уменьшить стоимость и раз-меры технических средств обработки информации, увеличить их быстро-действие, снизить энергопотребление.

Характерные особенности микропроцессорных информационно-управляющих систем, предназначенных для автоматизации технологиче-ских процессов:

наличие ограниченного набора четко сформулированных задач;

работа в реальном масштабе времени, т.е. обеспечение минималь-ного времени реакции на изменение внешних условий;

наличие развитой системы внешних устройств, их большое разно-образие;

существенное различие функциональных задач;

высокие требования по надежности с учетом большой продолжи-тельности непрерывной работы;

сложные условия эксплуатации;

обеспечение автоматического режима работы или режима с участи-ем оператора как элемента системы.

О
днокристальный микроконтроллер представляет собой устройство, выпол-ненное конструктивно в одном корпусе БИС и содержащее все основные составные части микропроцессорного комплекта.

2.Области применения

В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры. Они применяются при вычислениях, они выполняют функции управления, они используются при обработке звука и изображения. В зависимости от области применения микропроцессора меняются требования к нему. Это накладывает отпечаток на внутреннюю структуру микро-про-цессо-ра. В настоящее время определилось три направления развития микропроцессоров:

Универсальные микропроцессоры используются для построения вычислительных машин. В них используются самые передовые решения по повышению быстродействия, не обращая особого внимания на габариты, стоимость и потребляемую энергию. В технике связи компьютеры используются для управления системами связи или устройствами связи, обладающими большими габаритами и стоимостью. Такие компьютеры называются контроллерами.

Мобильные устройства игнальные процессоры используются для решения задач, которые традиционно решала аналоговая схемотехника. К сигнальным процессорам предъявляются специфические требования. От них требуются максимальное быстродействие, малые габариты, легкая стыковка с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, большая разрядность обрабатываемых данных и небольшой набор математических операций, обязательно включающий операцию умножения-накопления и аппаратную организацию циклов. В этих процессорах тоже важны такие параметры как стоимость габариты и потребляемая мощность, но здесь приходится мириться с большими значениями этих характеристик по сравнению с микроконтроллерами.

Микроконтроллеры используются для управления малогабаритными и дешёвыми устройствами связи они раньше назывались однокристальными микроЭВМ. В микроконтроллерах, в отличие от универсальных микропроцессоров, максимальное внимание уделяется именно габаритам, стоимости и потребляемой энергии.

Бытовая техника
спользование в современном микроконтроллере достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств. Используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:

в вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD;

электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления - стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах;

В промышленности:

устройств промышленной автоматики - от программируемого реле и встраиваемых систем до ПЛК,

систем управления станками.

3.Семейства микроконтроллеров

Микроконтроллеры объединяются в семейства. К одному семейству относят изделия, имеющие одинаковое ядро – совокупность таких понятий, как система команд, циклограмма работы ЦП, ор-ганизация памяти программ и памяти данных, система прерываний и базо-вый набор периферийных устройств. Отличия между различными предста-вителями одного семейства заключаются, в основном, в составе перифе-рийных устройств и объеме памяти программ или данных. Наиболее важ-ная особенность семейства - программная совместимость на уровне двоичного кода всех входящих него МК.

Известные семейства:

MCS-51 (Intel)

PIC (Microchip)

В основе RISC-архитектуры лежат основополагающие принципы:

любая операция выполняется за один такт;

система команд должно содержать минимальное число инструкций одинаковой длины;

операции обработки данных реализуются только в формате «регистр-регистр»;

результаты должны формироваться со скоростью одно слово за такт.

AVR (Atmel)

Концепция новых скоростных микроконтроллеров была разработана группой разработчиков исследовательского центра ATMEL в Норвегии, инициалы которых затем сформировали марку AVR (A lf Bogen / V ergard Wollan / R isc architecture). Первые микроконтроллеры AVR AT90S1200 появились в середине 1997 г. и быстро снискали расположение потребителей.

Достоинства:

высокий показатель быстродействие/энергопотребление;

удобные режимы программирования;

широкая номенклатура;

доступность программно-аппаратных средств поддержки;

высокая нагрузочная способность выходов.

ARM (ARM Limited)

Контрольные вопросы

Рабочая программа

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования ДЛЯ направления 552800 «Информатика и вычислительная техника» (регистрационный номер 35 тех/бак от 13.

Программа дисциплины по кафедре Автоматики и системотехники микропроцессорные системы

Программа дисциплины

Утверждена научно-методическим советом университета для направлений подготовки (специальностей) в области автоматики и управления, в области информатики и вычислительной техники

Учебная программа дисциплины дисциплина Микропроцессорные системы

Программа дисциплины

составлена в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по укрупненной группе 23 «Информатика и вычислительная техника»

Примерная программа учебной дисциплины микропроцессоры и микропроцессорные системы для специальности 2201 Вычислительные машины, комплексы, системы и сети

Примерная программа

Составлена в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников по специальности 2201 Вычислительные машины, комплексы, системы и сети среднего профессионального образования.