Реферат: Однокристальные микропроцессорные устройства. Архитектура и виды микроЭВМ и микроконтроллеров
Реферат: Однокристальные микропроцессорные устройства. Архитектура и виды микроЭВМ и микроконтроллеров
ВВЕДЕНИЕ
Тема реферата «Однокристальные микропроцессорные устройства. Архитектура и виды микроЭВМ и микроконтроллеров» по дисциплине «Однокристальные микроЭВМ и микроконтроллеры».
Создание микропроцессора (МП) как универсального компонента, который стал связывающим звеном БИС и СБИС различного назначения, позволило обеспечить функциональную полноту изделий электронной промышленности большой степени интеграции. МП придал свойство универсальности всей совокупности современного поколения изделий электронной техники сверхбольшой степени интеграции, что обеспечивает низкую стоимость систем управления. Он стал проводником электроники во все сферы народного хозяйства, науки и быта.
Основной причиной качественно нового этапа в развитии автономных средств вычислительной техники (СВТ) послужили успехи электронной промышленности в увеличении разрешающей способности формирования элементов на полупроводниковом кристалле. Разрешающая способность в несколько сотен нанометров и менее позволила расположить функциональные узлы ЭВМ на кристалле БИС или СБИС, что привело к созданию однокристальных микроЭВМ (ОмЭВМ) и однокристальных микроконтроллеров (ОмК).
Следствием универсальности МП-систем является их высокая гибкость – возможность быстрой перенастройки при необходимости даже значительных изменений алгоритмов управления. Перенастройка осуществляется программным путём без существенных производственных затрат.
МП позволяют легко реализовать принципы открытых систем, функциональные возможности которых могут наращиваться по мере необходимости или при появлении новых технических средств. Области применения ОмЭВМ и ОмК классифицируют по составу функций, выполняемых ими при управлении технологическими процессами, оборудованием, устройствами и их параметрами и данными.
Задачи автоматизации процессов различного рода сопряжены с проблемой автоматического ввода информации в ЭВМ, для решения которой разработана аналоговая и аналого-цифровая база. Фактически, это процессоры аналогового сигнала, комплексно выполняющие автоматические операции сбора, измерений, предварительной обработки, подготовки и ввода в ЭВМ кодированной измерительной информации. Такие процессоры могут быть объединены с интегральными первичными измерительными преобразователями (датчиками).
Целесообразность применения МП-устройства определяется эффективностью при его включении в проект. Универсальных рекомендаций здесь нет, и решение принимает сам разработчик. Но в целом использование МП-устройства оправдано в следующих случаях [1]:
а) число корпусов интегральных схем (ИС) малой и средней степени интеграции, требуемое для решения задачи, превышает 30–50 шт.;
б) проектируемое устройство должно быть многофункциональным;
в) проектируемый модуль должен взаимодействовать с большим числом входных и выходных устройств;
д) требуется запомнить большой объём данных или большое число логических состояний;
е) при выполнении алгоритмов, связанных с вычислениями;
ж) при необходимости выполнения дополнительных обеспечивающих функций (самокалибровка, самодиагностика и т.п.);
и) необходимо выполнять статистическую обработку данных в процессе работы;
к) промежуточные результаты работы устройства должны определяться по ходу работы и индицироваться;
л) необходимость выполнять различные функциональные преобразования;
м) велик объём обрабатываемых данных и требуется большая производительность при их обработке.
В современной технике используются как ОмЭВМ, так и ОмК.
ОмЭВМ – виды вычислительных устройств, представляющих собой комплекс технических средств и программного обеспечения (ПО), способный реализовать алгоритм, оформленный в виде программы, хранимой в памяти, и ориентированный на реализацию процессов переработки информации во взаимодействии с человеком-пользователем [2]. Как универсальная БИС они начали изготавливаться в 70-е годы прошлого столетия, и на кристалле располагались процессор, память (ОЗУ и ПЗУ), схемы сопряжения с устройствами ввода-вывода (контроллеры) и тактовый генератор.
ОмЭВМ позволили заменить схемы жёсткой логики на программируемые схемы. Эти изделия имеют низкую стоимость при наличии на кристалле функционально полного набора устройств. ОмЭВМ объединяет на одном полупроводниковом кристалле как сам МП, так и ряд дополнительных устройств, обеспечивающих его функционирование в системе управления: оперативную и программную память, генератор синхроимпульсов, разнообразные устройства ввода и вывода информации и др. Такие БИС относят к области «система на кристалле» (System-on-a-Chip, SoC).
Системы на кристалле потребляют меньше энергии, стоят дешевле и работают надёжнее, чем наборы микросхем с той же функциональностью. Меньшее количество корпусов упрощает монтаж. Тем не менее, создание одной слишком большой и сложной системы на кристалле может оказаться более дорогим процессом, чем серии из маленьких, из-за сложности разработки и отладки а также снижения процента годных изделий.
ОмК – устройство переработки информации, ориентированное на работу с некоторой искусственной системой [2]. Большое число портов – особенность контроллеров: так, БИС 580ВМ80А имеет 256 портов ввода-вывода. В памяти контроллера может храниться большое число программ, но их количество всегда ограничено и сами программы известны заранее. Они вводятся в контроллер в процессе проектирования или БИС, или устройства на его основе. Хранящийся в памяти комплект программ обновляется в исключительных случаях: используются ПЗУ для постоянных программ и ППЗУ для изменяющегося ПО [3].
Также у контроллеров нет операционной системы, нет внутреннего системного ПО (или оно представлено очень слабо). Все режимы работы контроллера известны заранее и поэтому потребность в системном ПО отсутствует. ОмК обычно работают в реальном масштабе времени, что достигается применением БИС быстродействующих серий и отсутствием системного ПО (например, БИС серии 1804 имеют длительность цикла 150 нс).
ОмЭВМ и ОмК имеют большое число сходных черт, но микроконтроллер – это устройство переработки информации (способное реализовать алгоритм), ориентированное на совместную работу с некоторой искусственной системой (машиной, прибором, и т.п.). В повседневной практике термин «микроконтроллер» вытеснил термин «однокристальная микроЭВМ».
ОДНОКРИСТАЛЬНЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА. АРХИТЕКТУРА И ВИДЫ МИКРОЭВМ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ
Архитектура процессоров
Под архитектурой микропроцессорной системой понимают структуру, построение и принципы организации аппаратных и программных средств, рассматриваемые не изнутри – с точки зрения разработчика БИС, а снаружи – с точки зрения пользователя. Отличия в архитектуре могут существенно сказаться на производительность и БИС при выполнении различных задач.
В первую очередь архитектура оценивается по системе команд, на которую она ориентирована. Процессоры RISC (Reduced Instruction Set Computer) – это устройства с сокращённой системой команд. Здесь набор выполняемых команд сокращён до минимума. Разработчик должен комбинировать команды, чтобы реализовать более сложные операции.
Процессоры CISC (Complex Instruction Set Computers) – это устройства с полной (сложной) системой команд. Выполняют большой набор команд с развитыми возможностями адресации (непосредственная, индексная, и т.д.). Это даёт возможность выбрать наиболее подходящую команду для выполнения необходимой операции.
Возможность равноправного использования всех регистров процессора называется симметричностью процессора («ортогональностью»). Это обеспечивает дополнительную гибкость при выполнении ряда операций (например, условных переходов). В СISC-процессорах условный переход обычно реализуется в соответствии с определённым значением бита (флага) в регистре состояния. В RISC-процессоре условный переход может происходить при определённом значении бита, который находится в любом месте памяти, что значительно упрощает операции с флагами.
Преимущество RISC-процессоров проявляется в том, что их более простые команды требуют для выполнения значительно меньшее число машинных циклов. За счёт этого достигается существенное увеличение производительности.
Также архитектура процессоров оценивается по принципу организации памяти – архитектуры Гарвардского и Принстонского университетов США. Принстонская архитектура (её также называют архитектурой Фон-Неймана) имеет общую память для хранения программ и данных. Она представлена на рисунке 1.
Рис. 1 - Архитектура вычислительной системы с Принстонской архитектурой
В этой архитектуре блок интерфейса с памятью выполняет арбитраж запросов к памяти, обеспечивая выборку команд, чтение и запись данных, размещение в память или внутренних регистрах. Этот блок решает задачу выбора из памяти и данных, и очередной команды. Решение осуществляется путём выборки следующей команды во время выполнения предыдущей (операция предварительной выборки).
Основное преимущество этой архитектуры – она упрощает устройство микропроцессора, так как реализует обращение только к одной общей памяти при необходимости воспользоваться ЗУ данных, программ или стеком. Это представляет большую гибкость для разработчика ПО прежде всего в области операционных систем реального времени.
Но при такой архитектуре команды и данные запрашиваются по одной и той же шине. Чтобы выполнить выборку команды, необходимо сделать несколько запросов. Например, если необходимо считать байт и поместить его в аккумулятор, то в первом цикле из памяти выбирается команда, во втором цикле данные считываются из памяти и размещаются в аккумуляторе.
В Гарвардской архитектуре разделена память программ и память данных. Обращение к памяти происходит по отдельным шинам адреса и данных, что значительно повышает производительность процессора по сравнению с предыдущей архитектурой (рисунок 2).
Рис. 2 - Архитектура вычислительной системы с Гарвардской архитектурой
Данная архитектура выполняет команды за меньшее число тактов, чем предыдущая. Это обусловлено тем, что здесь больше возможностей для реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей команды, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды. Тот же пример, – при считывании байта и помещении его в аккумулятор, – команда также выполняется за два цикла: но выборка очередной команды производится одновременно с выполнением предыдущей команды. В итоге команда выполняется всего за один цикл (во время чтения следующей команды). Такой метод (называется «параллелизм») позволяет командам выполняться за одинаковое число тактов, что позволяет просто определять время выполнения циклов и критических участков программы. Это важно для устройств, где нужно обеспечить время выполнения. Но Гарвардская архитектура не является достаточно гибкой.
Но сравнение архитектур нельзя проводить абстрактно. Оно должно увязываться с конкретным приложением. Зачастую специфика архитектуры позволяет наилучшим образом реализовать конкретное приложение. С целью уменьшения выводов БИС ОмЭВМ и ОмК при их построении применяют следующую структурную организацию. С раздельными шинами (рисунок 3: раздельными – для памяти и для контроллеров ВУ): за счёт использования двунаправленных шин, по одной шине, в зависимости от дополнительного управляющего сигнала (напр., READ/WRITE) данные передаются из памяти в процессор или обратно.
Рис. 3 - Структурная организация БИС ВТ с раздельными шинами
Для внешних устройств ввод-вывод информации может сопровождаться сигналом INPUT/OUTPUT, что ведёт к дальнейшему сокращению выводов БИС.
Структурная организация БИС с изолированными шинами приведена на рисунке 4. За счёт использования одних и тех же шин для связи процессора с памятью, и с внешними устройствами сокращается число выводов БИС, а передача данных управляется наличием на шине управления сигнала R/W (обмен с памятью) или сигнала I/O (обмен с ВУ).
Рис. 4 - Структурная организация БИС ВТ с изолированными шинами
Активно применяется структурная организация с мультиплексируемой шиной (рисунок 5). По ней за счёт объединения адресной шины и шины данных в одни моменты времени передаются адреса, а в другие моменты – данные.
Рис. 5 - Структурная организация БИС ВТ с мультиплексируемой шиной
Развитием последнего варианта является структура с общими шинами – в ней исключены команды ввода-вывода из системы команд ЭВМ. Часть адресного пространства в памяти отводят для адресов регистров контроллеров внешних устройств. Для ввода-вывода используют команды ЭВМ, которые осуществляют запись данных в эту область памяти. Процессор как бы заставляют выполнять операцию с регистром данных контроллера ВУ, в то время как он работает так, как если бы имел дело с ячейкой памяти ЭВМ (рисунок.6).
Рис. 6 - Структурная организация БИС ВТ с общими шинами
Виды микроэвм и микроконтроллеров
Микроконтроллеры – управляющие устройства в микроисполнении – широко применяются в различных областях технической деятельности человека: в ПЭВМ, стиральных машинах, музыкальных центрах, автомобилях, средствах измерений, и т.д. Микроконтроллер является управляющим ядром аппаратных комплексов различного назначения. С его помощью гораздо легче, в отличие от традиционных решений, реализуются различные схемы. Опираясь на [4], можно представить внутреннее содержание микроконтроллера и его направленность на некоторые возможные объекты управления так, как это сделано на рисунке 7.
|
Рис. 7 - Содержание и возможная направленность микроконтроллера
Достоинство микроконтроллера (МК) – это наличие на кристалле большого числа периферийных схем, что позволяет ему общаться с разнообразными внешними устройствам при минимуме дополнительных узлов. Это также уменьшает размеры конструкции и позволяет снизить потребление энергии от источника питания.
Из рисунка 7 видно, что МК содержит типовые функциональные узлы. К ним относятся следующие.
1. Центральное процессорное устройство – оно принимает из памяти программ коды команд, декодирует их и исполняет. В него входят арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры и цепи управления.
2. Память программ – она хранит коды команд, последовательность которых формирует программу микроконтроллера.
3. Оперативная память данных (ОЗУ) – здесь хранятся переменные программ. У многих МК здесь также расположен стек.
4. Тактовый генератор – инициирует работу контроллера, и от него зависит скорость работы МК.
5. Цепь сброса – приводит МК в исходное состояние, чем определяет правильный запуск его работы.
6. Последовательный порт – позволяет обмениваться данными с внешними устройствами при малом числе проводов.
7. Цифровой порт ввода-вывода – с помощью его линий можно управлять одновременно несколькими внешними устройствами, адресуя их.
8. Таймер – задаёт временные интервалы.
9. Сторожевой таймер – специальный таймер, предназначенный для предотвращения системных сбоев программы: после запуска он начинает отсчёт заданного временного интервала. Если программа не перезапустит его до истечения этого интервала времени, сторожевой таймер перезапустит МК. То есть программа должна сигнализировать таймеру, что с ней всё в порядке. Если такого сигнала нет, то в работе программы по какой-то причине произошёл сбой.
Наиболее распространён ОмК ф. Intel 51-й серии и его клоны от разных производителей. Кроме этого, появились интегральные схемы, использующие сокращённый набор команд процессора (RISK – Reduced Instruction Set Computers). Среди них популярны контроллеры ф. Microchip семейства PIC (Peripheral Interface Controller). Также лидирующее место занимают RISK ОмК из серии AVR (например, ф. Аtmel). PIC-контроллеры выпускают многие фирмы, кому не лень их делать.
