Описать особенности вычислительных и управляющих микропроцессорных систем. Курсовая работа: Организация и применение микропроцессорных систем обработки данных и управления

Цифровые микросхемы к настоящему времени достигли впечатляющего быстродействия при приемлемом токе потребления. Наиболее быстрые из цифровых микросхем обладают скоростью переключения порядка 3..5 нс. (серия микросхем 74ALS). В то же время приходится платить за быстродействие микросхем повышеным током потребления. Исключением являются микросхемы, построенные на основе КМОП технологии (например микросхемы серий 1564, 74HC, 74AHC). В этих микросхемах потребляемый ток прямо пропорционален скорости переключения логических вентилей в микросхеме. Т.е. микросхема автоматически увеличивает ток потребления, если от нее требуется большее быстродействие, поэтому в настоящее время подавляющее большинство микросхем выпускается именно по этой технологии.

Часто цифровые устройства выполняют достаточно сложные задачи. Возникает вопрос - раз микросхемы достигли такого высокого быстродействия, то нельзя ли использовать одну и ту же микросхему многократно? Тогда можно будет обменивать быстродействие микросхем на сложность решаемой задачи. Именно этот обмен и позволяют осуществлять микропроцессоры. В этих микросхемах многократно используется одно и то же устройство - АЛУ (арифметическо-логическое устройство). Поэтому возможен обмен предельного быстродействия микроконтроллера на сложность реализуемого устройства. Именно по этой причине стараются максимально увеличить быстродействие микропроцессоров - это позволяет реализовывать все более сложные устройства в одном и том же объеме.

Ещё одной причиной широкого распространения микропроцессоров стало то, что микропроцессор - это универсальная микросхема, которая может выполнять практически любые функции. Универсальность обеспечивает широкий спрос на эти микросхемы, а значит массовость производства. Стоимость же микросхем обратно пропорциональна массовости их производства, то есть микропроцессоры становятся дешёвыми микросхемами и тем самым ещё больше увеличивают спрос.

В наибольшей степени все вышеперечисленные свойства проявляются в однокристальных микроЭВМ или как их чаще называют по области применения: микроконтроллерах. В микроконтроллерах на одном кристалле объединяются все составные части компьютера: микропроцессор (часто называют ядро микроконтроллера), ОЗУ, ПЗУ, таймеры и порты ввода-вывода.

Выводы:

КМОП технология позволяет обменивать скорость работы на потребляемый ток (чем с большей скоростью переключаются логические элементы микросхемы, тем больший ток потребляет микросхема);

Микроконтроллеры позволяют реализовывать схему управления практически любой сложности на одной универсальной микросхеме;

Микроконтроллеры позволяют обменивать скорость своей работы на сложность проектируемого устройства.

Микроконтроллеры позволяют реализовывать аппаратуру с минимальной стоимостью, габаритами и током потребления.

Срок разработки аппаратуры на микроконтроллерах минимален.

Модернизация аппаратуры заключается в смене управляющей программы.

1.1 Определение микропроцессора

В начале 70-х годов успехи технологии в микроэлектронике привели к созданию новой элементной базы электроники - микроэлектронных больших интегральных схем (БИС) {модуль 1 глава 1.6.3} . По степени интеграции (количеству активных элементов: диодов и транзисторов) интегральные схемы (ИС) условно подразделяются на ИС малой степени интеграции - до 100 активных элементов, средней степени интеграции (СИС) - до 1000 активных элементов, БИС - свыше 1000 активных элементов, СБИС - свыше 10000 элементов. Выпуск новой БИС при современном уровне автоматизации проектирования - очень сложный и дорогой процесс из-за больших первоначальных затрат на разработку ее логической структуры и топологии, изготовления фотошаблонов и технологической подготовки производства. Это 0,5-1 год работы большого коллектива. Поэтому изготовление БИС экономически оправдано при их выпуске, исчисляемом десятками-сотнями тысяч штук в год. Выпускать специализированные БИС для каждого конкретного применения практически не реально. В результате поиска областей массового применения микросхем с высоким уровнем интеграции их разработчиками была предложена идея создания одной универсальной БИС или некоторого набора БИС, специализация которых для каждого конкретного случая применения достигается не схемно, а программно. Так появились стандартные универсальные элементы - микропроцессорные БИС со структурой, аналогичной структуре ЭВМ.

Микропроцессор (МП) - это обрабатывающее и управляющее устройство, способное под программным управлением выполнять обработку информации, принятие решений, ввод и вывод информации и выполненное в виде одной или нескольких БИС.

1.2 Технология изготовления МП БИС

Существуют два вида технологии изготовления БИС: биполярная - основанная на применении биполярных транзисторов и МОП (металл - окисел - полупроводник) - технология, основанная на использовании полевых транзисторов.

БИС, изготавливаемые по биполярной технологии, различаются по схематическим способам реализации. В основном применяется транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ) и эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ). В логике ТТЛШ используются биполярные n-p-n транзисторы, дополненные диодами Шоттки (ДШ). ДШ представляет собой выпрямительный контакт на границе металл-полупровод­ник Al-nSi. В металле и кремнии основные носители одного и того же типа - электроны, а неосновных носи­телей нет. ДШ открываются при U=0,1-0,3 В и имеют крутую вольт-амперную характеристику. Они под­ключаются параллельно коллекторному переходу n-p-n транзистора и образуют транзистор Шоттки, изготав­ливаемый в едином технологическом процессе. Применение ДШ значительно повышает быстродействие транзистора, так как устраняется насыщение коллекторного перехода и нет рассасывания зарядов в нем.

Первое поколение

4004 – 1971 г.

История МП началась в 1971 году, когда фирма INTEL (ее название произошло от слов Integrated Elecronics) выпустила первый МП i4004, изготовленный по p-МОП техно­логии с разрешением 10 мкм. Он имел разрядность данных 4 бита, способность адресовать 640 байт памяти, тактовую частоту f=108 кГц и выполнял 60 тыс.оп./сек. Такой процессор уже мог работать в качестве вычислительного ядра калькулятора. Он содержал 2300 транзисторов.

8008 – 1972 г.

В 1972 г. появился первый усовершенствованный восьмиразрядный МП i8008, изготов­ленный также по р-МОП технологии. Он был размещен в корпусе c 16-ю выводами. Выполнял 48 команд, адресовал 16 Кб памяти, f=800 КГц. Имел 7 внутренних 8-разрядных регистра и 7-уровневый внутренний стек.

Второе поколение

8080 – 1974 г.

В 1974 г. появился МП i8080, изготовленный по n-МОП технологии с разрешением 6 мкм, что позволило разместить в кристалле 6000 транзисторов. Процессор требовал трех источников питания (+5,+12,-5 В) и сложной двухтактной синхронизации с частотой 2 МГц. Его полный аналог российского производства КР580ВМ80 подробно рассмотрен выше. В это же время фирмой Motorola был выпущен МП М6800, отличающийся от i8080 тем, что имел одно напряжение питания, более мощную систему прерываний, содержал два аккумулятора, но не имел РОН. Данные для обработки извлекались из внешней памяти и потом возвращались туда же. Команды работы с памятью короче и проще чем в ВМ80, но пересылка занимает больше времени. Преимуществ во внутренней структуре М6800 не выявилось и до настоящего времени. Остались два конкурирующих семейства Intel и Motorola. Однако большую часть как мирового, так и российского рынка занимает продукция фирмы Intel.

Следующим стал процессор i8085 (f=5МГц, 6500 транзисторов, 370 тыс.оп./с., 3-мкм технология). Он сохранил популярную регистровую архитектуру i8080 и программную совместимость, но в него добавили порт последовательного интерфейса, тактовый генератор и системный контроллер. Напряжение питания одно: +5В.

Z80 – 1977 г.

Часть разработчиков фирмы Intel, не согласных с рядом решений руководства, перешли в фирму Zilog и в 1977 г. создали МП Z80 (российский аналог К1810ВМ80). Этот МП был использован в английском компьютере "Спектрум" фирмы Sincler ,который считался лучшим представителем 8-разрядных МП 2-го поколения.

Третье поколение

8086 – 1978 г.

Это поколение МП фирмы Intel заложило основу современных персональных компьютеров. В 1978 г. был выпущен 16-разрядный процессор i8086. Его данные: f=5 МГц, производительность 330 тыс.оп./с., технология 3мкм, 29 тыс. транзисторов. В нем начала использоваться сегментация памяти и новая схема кодирования команд.

8088 – 1979 г.

Однако слишком сложная и дорогая технология производства этого процессора вынудила фирму Intel c 1979 г. некоторое время выпускать несколько упрощенный вариант под названием i8088, шина данных которого была только 8 бит. Именно этот процессор фирма IBM выбрала для своего первого персонального компьютера модели IBM PC/XT.

80186 – 1980 г.

В 1980 г. создан МП i80186. В нем, по сравнению с i8086, дополнительно включены два независимых скоростных канала ПДП, программируемый контроллер прерываний, генерируются сигналы выбора 7 периферийных устройств. Имеется 16 внутренних программируемых таймеров, два из них имеют выход наружу, остальные могут создавать временные задержки. Очередь команд - 6 байтов (в i8088 - 4 байта). Имеется 10 дополнительных команд, ускоряющих выполнение программ по сравнению с i8086. Однако широкого применения в компьютерах данный процессор не получил.

Четвертое поколение

80286 – 1982 г.

В 1982 г. появился процессор i80286, который был использован фирмой IBM в компьютере PC/AT (AT - Advanced Technology - перспективная технология). Он уже имел 134 тыс. транзисторов (технология 1,5 мкм) и адресовал до 16 Мб физической памяти. Он мог работать в двух режимах: реальном и защищенном. В реальном режиме i80286 работает как i8086 с повышенным быстродействием (f до 20 МГц). Память рассматривается как некоторое число сегментов, каждый из которых содержит 2 16 байт. Сегменты начинаются с адресов, кратных 16 (младшие 4 адресных бита всегда равны 0). Сегменты могут задаваться в программах произвольно. Адреса сегментов хранятся в сегментных регистрах. В защищенном режиме старший адрес сегмента не вычисляется путем добавления 4-х младших нулей, а извлекается из таблиц, индексируемых с помощью сегментных регистров. Это позволяет работать с большими массивами информации, объем которых превышает объем физической памяти. Если физическая память полностью загружена, то непоместившиеся данные располагаются на винчестере. Кроме того, в защищенном режиме возможна поддержка мультизадачного режима. Для этой цели была создана операционная система OS/2.

В таком режиме процессор может выполнять различные программы в выделенные кванты времени, отведенные для каждой из программ. Пользователю же кажется, что программы выполняются одновременно.

Пятое поколение

80386 – 1985 г.

Первым его представителем был 32-х разрядный МП i80386DX, содержащий 275 тыс. транзисторов, технология 1,5 мкм, адресуемая физическая память 4 Гб. Появились новые регистры, новые 32-битные операции.

Для того, чтобы МП мог выполнять программы, написанные для предыдущих поколений он имеет три режима работы.

После сброса или подачи напряжения питания МП переходит в реальный режим и работает как очень быстрый i8086, но, по желанию программиста, с 32-мя разрядами. Все действия: адресация, обращение к памяти, обработка прерываний выполняется как в i8086. Второй режим - защищенный, включается загрузкой в регистр управления определенного слова состояния. В этом случае МП работает как i80286 в защищенном режиме. Реализуется многозадачность, защита памяти с помощью четырехуровневого механизма привилегий и ее страничной организации. МП работает как несколько виртуальных процессоров с общей памятью, каждый из которых может быть в режимах i8086, i80286 или i80386.

В третьем, виртуальном режиме полностью раскрываются преимущества этого процессора. Здесь полностью используются все 32 разряда адреса и возможна работа с виртуальной памятью. Только с появлением i80386 началось бурное внедрение ОС Windows, так как мощность процессоров предыдущих поколений была для Windows недостаточной.

80386 SX – 1988 г.

В 1988 г. появился процессор i80386SX, который заполнил промежуток между уже устаревшим процессором i80286 и очень дорогим процессором i80386DX. Замена на материнской плате устаревшего процессора i80286 на i80386DX невозможна из-за большей ширины шины данных последнего. Процессор i80386SX такую замену позволяет. Внутренние процессы в i80386SX происходят также как в i80386DX, но связь с "внешней средой" осуществляется только через 16-разрядную шину. В результате, общение происходит в 2 шага по 16 бит, что замедляет работу примерно на 10%. Другое ограничение процессора i80386SX - 24-разрядная адресная шина,что ограничивает размер оперативной памяти до 16Мб. Вслед за рассмотренным МП i80386SX фирма Intel создала и поставила на рынок процессор i80386SL с тактовой частотой 33 МГц, построенный на КМОП структурах, которые обеспечивают минимальный расход электроэнергии. Благодаря этому стали развиваться персональные компьютеры типа Notebook, работающие от батареи.

Шестое поколение

80486 – 1989 г.

Оно появилось в 1989 г. как МП i80486DX. В отличие от МП предыдущих поколений этот МП не представляет что-то принципиально новое.В нем в одном кристалле были скопированы процессор i80386, сопроцессор i80387 и первичный кэш емкостью 8 Кбайт.

Примечание.

Несмотря на доставшуюся от МП i80386 32-разрядную архитектуру, в результате совмещения процессора, сопроцессора и кэша на одном кристалле и других усовершенствований,i80486 при той же тактовой частоте производит вычисления в 3-4 раза быстрее, чем его предшественник.

Фирма Intel все время совершенствовала этот процессор, и были выпущены МП i80486DX2, в котором внешняя тактовая частота удваивается собственным кварцем микросхемы, и i80486DX4, в котором частота умножается на 3. В этих процессорах все команды, для которых не нужна передача данных на внешнюю шину, выполняются в 2 -3 раза быстрее. Только время, затрачиваемое на доступ к оперативной памяти и более медленная периферия снижают скорость работы. Кроме того, в i80486DX4 кэш память увеличена до 16 Кбайт.

Поколения Pentium

Pentium P5 – 1993 г.

В 1993 г. появился i80586, которому было дано имя Pentium (P5). Это был 32 разрядный процессор с внешней тактовой частотой 66 МГц, построенный по субмикронной технологии с КМОП структурой (0,8 мкм), содержащей 3,1 млн. транзисторов. Pentium имеет два 32-битных адресных пространства (логическое и физическое), 64 - разрядную шину данных, 2 конвейерные линии обработки команд, работающие параллельно. Одновременно выполняются два набора команд. Кэш память объемом 16 Кбайт разделена: 8 Кбайт - кэш команд и 8 Кбайт - кэш данных. Содержится новый блок вычислений с плавающей точкой, в котором операции выполняются в 4-8 раз быстрее, чем в i80486.

Р54, Pentium Pro – 1994 г.

В 1994 г. появились процессоры Pentium второго поколения (P54). При почти том же числе транзисторов они выполнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить потребляемую мощность. Напряжение питания снижено до 3,3 В. Применено внутреннее умножение частоты. При этом интерфейсные схемы вешней системной шины работают на частотах 50,60,66 МГц, а ядро процессора работает на более высокой частоте (75,90,100,120,133, 150, 166 и 200 МГц). Разделение частот позволяет реализовать достижения технологии изготовления МП, существенно опережающие возможности повышения производительности памяти. Коэффициент умножения (1,5;2;2,5;3)задается комбинацией уровней сигналов на двух управляющих входах. Процессоры с различными значениями f, указанными в маркировке на корпусе, изготавливают по одним и тем же шаблонам. Маркировка частоты наносится после жестких выбраковочных испытаний. В зависимости от астоты, на которой МП полностью прошел выходной контроль.

Параллельно с Pentium развивался и процессор Pentium Pro. Его главное отличие принципа организации вычисления - динамическое исполнение. При этом внутри процессора инструкции могут исполняться не в том порядке, который предполагает программа. Это повышает производительность без увеличения частоты f. Кроме того, применена архитектура двойной независимой шины, повышающая суммарную пропускную способность. Одна шина - системная, служит для общения ядра с основной памятью и интерфейсными устройствами. Другая предназначена исключительно для обмена со вторичным кэшем объемом 256 Кбайт (512 Кбайт), интегрированным в корпусе МП. Для уменьшения нагрева кристалла предусмотрена возможность мгновенного снижения потребляемой мощности приблизительно в 10 раз путем прекращения тактирования большинства узлов процессора. В это состояние МП переходит по сигналу от внутреннего датчика температуры, а также при выполнении команды HALT.

Pentium MMX – 1997 г.

В 1997 г. выпущен процессор Pentium ММХ (Р55С). Технология ММХ представляет собой наиболее существенное улучшение архитектуры процессоров Intel с момента появления i80386. Кристалл Pentium ММХ имеет площадь на 50 % больше чем классический Pentium. Буферные схемы выходных цепей микросхемы работают при напряжении 3,3 В, внутренняя схема - 2,8 В для настольных и 2,45 В для портативных моделей компьютера.

Технология ММХ ориентирована на решение задач мультимедиа, требующих интенсивных вычислений над целыми числами. Подобные задачи решают игровые, коммуникационные, обучающие и другие программы, которые используют графику, звук, трехмерное изображение, мультипликацию и т.п.

Сущность технологии ММХ состоит в появлении в процессоре 8 новых виртуальных 64-разрядных регистров и 57 новых команд для решения задач мультимедиа. Восемь новых регистров являются виртуальными потому, что физически эти регистры являются регистрами сопроцессора. Таким образом сохраняется совместимость с предыдущими поколениями программ.

Pentium II – 1997 г.

В мае 1997 г. на рынке появился Pentium II, изготовленный по 0,3 мкм технологии. Он представляет собой слегка урезанный вариант ядра Pentium Pro с более высокой внутренней тактовой частотой, в которое ввели поддержку ММХ. В этом процессоре применена новая технология - кристалл с ядром процессора и набор кристаллов статической памяти и дополнительных схем, реализующих вторичный кэш, размещены на небольшой печатной плате - картридже. Все кристаллы закрыты общей крышкой и охлаждаются специальным вентилятором.

Внутренняя тактовая частота 233,266,300 МГц, внешняя осталась 66,6 МГц.

Процессор имеет дополнительные режимы пониженного энергопотребления:
1. Sleep ("Спящий режим"), когда он не тактирует свои внутренние узлы, кроме схемы умножителя частоты.
2. Deep sleep ("Глубокий сон"). Возникает при снятии внешних тактовых импульсов. В этом режиме процессор не выполняет никаких функций и потребляемый ток определяется только токами утечки.

Pentium III – 1999 г.

В 1999 г. появился процессор Pentium III с тактовой частотой 600 МГц, содержащий 9,5 млн. транзисторов. По заявлению компании Intel этот процессор позволит получать из Интернет аудио- и видеоинформацию, а также трехмерную графику высочайшего качества. По прогнозам компаний-производителей дальнейшее развитие технологии производства МП будет идти в направлении увеличения плотности транзисторов на кристалле, роста числа слоев металлизации и повышении тактовой частоты, наряду с уменьшением напряжения питания и удельной(на один транзистор) потребляемой электрической и выделяемой тепловой энергии. В настоящее время выпускается процессор Pentium IV тактовая частота которого достигла 3000 МГц.

Технологический предел линейных размеров транзисторов на кристалле, обусловленный физическими ограничениями, составляет около 0,05 мкм. На пути дальнейшей минимизации кроме физических ограничений имеются и экономические. Для каждого следующего поколения микросхем стоимость технологии удваивается. В 1986 г. i80386 выпускался на заводе стоимостью 200 млн. долларов. В настоящее время завод компании Intel стоит 2,4 млрд. долларов. Следовательно, завод, производящий микросхемы по технологии 0,25 мкм будет стоить 10 млрд.долларов. Возрастают сроки изготовления МП. Так процессор Pentium производится за 6 месяцев, а более новый Pentium Pro - за 9 месяцев. Смена поколений МП происходит каждые 2-3 года. С каждым поколением линейные размеры элементов уменьшаются примерно в 1,5 раза. В 2000 г. ширина проводников составляла 0,2 мкм, а в 2006 г. достигла 0,1 мкм, тактовая частота уже превысила 2000 МГц.

Вышеприведенные краткие данные о развитии МП на примере продукции фирмы Intel показывают, как стремительно развивается и совершенствуется производство МП. Ни одна отрасль техники не развивается столь быстро. Об этом очень образно выразился основатель фирмы Intel Гордон Мур: "Если бы автомобилестроение развивалось со скоростью полупроводниковой промышленности, то сегодня "Роллс-Ройс" стоил бы 3 доллара, мог бы проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина и было бы дешевле его выбросить, чем платить за парковку".

В приведенном обзоре рассмотрены процессоры только фирмы Intel. Необходимо отметить, что аналогичный путь развития проходит и технология других фирм, выпускающих процессоры, таких как AMD, Cyrix, Motorola и других. Но ведущим "законодателем мод" в этой борьбе за качество остается Intel.

9 Микропроцессоры и микроЭВМ в информационно-измерительной аппаратуре

9.1 Основные функции МП в измерительной аппаратуре

Наиболее часто используются встроенные МП и МК. Они существенно улучшают характеристики приборов (точность, надежность, экономичность и др.). Применение встроенного МП позволяет однофункциональный прибор превратить в многофункциональный путем объединения нескольких функциональных узлов совместно с коммутирующими устройствами в одном блоке. МП делает такой прибор программно управляемым.

МП повышает точность измерительного прибора за счет автоматической компенсации установки нуля перед началом измерений, автоматического выполнения градуировки (самокалибровки, выполнения самоконтроля), проведения автоматической статистической обработки результатов измерения.

МП расширяет измерительные возможности приборов за счет использования косвенных и совокупных измерений. При косвенных измерениях измеряется не искомый параметр, а другие параметры, с которыми искомый связан функциональной зависимостью. Например, мощность может быть определена путем измерения напряжения и сопротивления и рассчитана по формуле P=U 2 /R. При использовании метода совокупных измерений одновременно измеряется несколько одноименных физических величин, при которых искомые значения величин находятся путем решения системы уравнений. МП при этом программируется на реализацию необходимых аналитических зависимостей.

9.2 Примеры использования МП в измерительной аппаратуре

9.2.1 Микропроцессорный цифровой частотомер

Для измерения высоких частот используется прямой метод, в котором выбирается определенный интервал времени и подсчитывается число периодов исследуемого сигнала. Точность измерения повышается с увеличением числа периодов N. На низких частотах это потребовало бы слишком большой интервал времени. Поэтому на низких частотах используется косвенный метод. Ширина временных ворот выбирается кратной периоду исследуемого сигнала qT x , ворота заполняются импульсами генератора известной частоты F сч, и подсчитывается число импульсов n. Оба метода иллюстрирует рис.9-1

Рис.9-1 Временные диаграммы процесса измерения частоты.

Здесь:
а - измеряемый сигнал;
б - сигнал, преобразованный в последовательность импульсов;
в - временной интервал при косвенном измерении;
г - импульсы заполнения при косвенном измерении;
д - временной интервал при прямом измерении;
е - пачка импульсов при прямом измерении.

На рис.9-2 приведена структурная схема прибора для измерения частоты сигнала прямым и косвенным методом под управлением МП, в которой отмечены точки, соответствующие временным диаграммам.

Рис.9-2

Прямой метод

При А 0 =1 реализуется прямой метод измерения. Мультиплексоры выбирают входы х 1 . МП создает временные ворота длительностью Т. Если счетчик в этом интервале насчитал N импульсов, то Т=nT x ,или T=n/F x ,отсюда F x =n/T.

Косвенный метод

При А 0 =0 выбираются х 0 входы мультиплексоров, и реализуется косвенный метод измерения. Формирователь временных ворот содержит делитель частоты с коэффициентом пересчета q=2 к, где k выбирается так, чтобы получить число имульсов (график г), обеспечивающее требуемую точность измерения F x . В интервале qT x уложилось n импульсов qT x =nT сч или q/F x =n/F сч, поэтому F x =qF сч /n.

9.2.2 Широкодиапазонный частотомер

В нем используется гетеродинный метод понижения частоты измеряемого сигнала. Если смешать измеряемый сигнал F изм с сигналом гетеродина (вспомогательного генератора) F 1 , то в результате образуются сигналы с частотами F изм +nF 1 и F изм -nF 1 . Для понижения частоты используется вариант F изм -nF 1 =F пр, где F пр - промежуточная частота, выделяемая следующим блоком.

Рис.9-3

ПСЧ - программируемый синтезатор частоты (гетеродин).
УПЧ - усилитель промежуточной частоты.
ЦЧ - цифровой частотомер типа рис.9-2

При работе МП изменяет F синт до значения F" синт, при котором

F изм -F" синт =F пр. Тогда F изм =F пр +nF" синт.

9.2.3 Измерительный генератор с МП управлением

Наиболее часто используются функциональные генераторы, вырабатывающие сигналы различной формы (треугольные, прямоугольные, синусоидальные и другие) с нормируемыми метрологическими характеристиками. Частотный дипазон таких генераторов 10 -6 Гц - 50*10 6 Гц. На рис.9-4 показана структурная схема такого генератора.

Рис.9-4

Здесь БС - программируемый блок счетчиков, ГТИ - программируемый генератор тактовых импульсов.

После ввода оператором функции f(t) для генерирования сигнала той же формы, МП вычисляет отсчеты f(t i) на интервале одного периода с заданной частотой выборки. Отсчеты записываются в ОЗУ. Выходной сигнал ГТИ поступает на БС, где формируется адрес ОЗУ.

9.2.4 Цифровые фильтры

Цифровой фильтр - устройство, осуществляющее пробразование одного дискретного сигнала x n в другой дискретный сигнал y n , причем сами сигналы x n и y n представляют собой двоичные цифровые коды.

Аналоговый фильтр представляет собой частотно избирательную цепь, осуществляющую некоторое линейное преобразование над непрерывным входным сигналом U 1 (t) в непрерывный выходной сигнал U 2 (t). В отличие от него, цифровой фильтр выполняет преобразование входной цифровой последовательности x(nT) в выходную цифровую последовательность y(nT). Рассмотрим преобразование аналогового фильтра в цифровой на примерах простейших фильтров.

Простейший аналоговый фильтр ВЧ представляет собой RC-цепь (рис 9-5).

Рис.9-5

Определим соотношение между входным и выходным напряжением.

U 2 (t)=i(t)*R=RC*d(U 1 -U 2)/dt (1)

Представим U 1 (t) и U 2 (t) соответствующими цифровыми последовательностями U 1 =x(nT) и U 2 =y(nT), тогда:

Подставив (2) в (1), получим:

Обозначим

.

Полученное выражение определяет алгоритм расчета выходного сигнала фильтра Y n на n-ом шаге квантования в зависимости от его значения на предыдущем n-1 -ом шаге, значений входного сигнала X n , X n -1 и шага дискретизации τ. Определим переходную характеристику фильтра ВЧ.

Если выбрать шаг дискретизации τ=1, то получим

X(nT)=1 при n>=0,X(nT)=0 при n<0.

При более мелком шаге τ=0,125 имеем

При использовании аналогового фильтра решение его дифференциального уравнения дает

На рис.90-6 приведены значения выходного сигнала, рассчитанного по формулам (3), (4) и (5) и соответствующие графики.

Рис.9-6

Можно заметить,что с уменьшением интервала дискретизации τ переходная характеристика цифрового фильтра приближается к переходной характеристике аналогового фильтра.

Простейший аналоговый фильтр НЧ, изображен на рис 9-7.

Рис 9-7

Он описывается уравнением:

Перейдем к приращениям:

и, окончательно:

Можно показать, что и в этом случае при уменьшении τ, переходная характеристика цифрового фильтра неограниченно приближается к переходной характеристике аналогового фильтра.

В цифровых фильтрах все сводится к операциям умножения на некоторые коэффициенты и сложения. Вышерассмотренные фильтры являются фильтрами первого порядка. Лучшие результаты дают фильтры более высоких порядков, в которых для вычисления выходной величины Y n используются значения х и у, задержанные на несколько шагов.

Вычисление такого выражения очень просто программируется и выполняется на МП. Задержанные сигналы размещаются в стеке.

10 Тестирование микропроцессорных систем

10.1 Тестирование статическими сигналами

В микропроцессорных системах потоки данных апериодичны, длительности сигналов изменяются, что вызывает большие затруднения при тестировании и диагностике - определении причины появления ошибок. Один из способов преодолеть эти затруднения - тестировать систему в статике. Для МП К580ВМ80 это выполняется следующим образом. МП не впаивается в плату, а устанавливается в панель. При тестировании МП извлекается, и вставляется переходная колодка имитации и индикации сигналов. К выводам адресной шины подключаются тумблеры, к шине данных - тумблеры через схемы с тремя состояниями и светодиоды через логические элементы с открытым коллектором. Набирая тумблерами необходимые адреса и выходные сигналы МП, можно протестировать систему.

10.2 Автодиагностика микропроцессорных систем

Автодиагностика - это встроенная диагностика, основанная на использовании внутренних диагностических программ. Эти программы могут быть самозапускаемыми или вызываемыми пользователем системы. Они закладываются при проектировании микропроцессорной системы.

10.3 Логические анализаторы

Тестирование статическими сигналами - это медленный и не всегда применимый процесс. Более универсальным является применение специальных приборов - логических анализаторов.

10.3.1 Анализаторы логических состояний (синхронный режим)

Они выпускаются 8-, 12-, 16- и 32-х разрядными. Выходная информация выдается в виде таблиц единиц и нулей, восьмеричных или шестнадцатиричных кодов. Анализатор подключается к тестируемой шине, и на табло или дисплей выдается таблица n состояний шины, начиная с заданного состояния, или n предшествующих состояний. Строятся подобные анализаторы по структурной схеме рис.10-1.

Рис.10-1

К0-К15 - компараторы входных сигналов;
R - потенциометр для установки уровня компарирования;
KC - компаратор слов;
Кл - клавиатура ввода слова;
ФУС - формирователь управляющего сигнала;
Рг0-Рг15 - сдвиговые регистры {модуль 2 глава 7.2} для записи 16-ти значений i-го входа;
f:n - делитель частоты; БПр - блок преобразования.

В начале работы логического анализатора на клавиатуре набирается слово, начиная с которого производится анализ. При совпадении кода на выходах К0-К15 и набранного кода КС выдает импульс, под воздействием которого ФУС формирует управляющие сигналы УС1 и УС2. При поступлении каждого тактового импульса ТИ на выходе счетчика - делителя появляется счетный импульс УС1*ТИ. После поступления n тактовых импульсов конъюнктор &2 закрывается, и запись в регистры прекращается. Блок преобразования из n выходных значений регистров Рг0-Рг15 формирует на экране дисплея таблицу, содержащую n строк.

10.3.2 Анализаторы логических временных диаграмм (асинхронный режим)

Такие анализаторы сканируют входные сигналы с частотой, значительно превосходящей частоту сигналов. Это позволяет не только определять наличие или отсутствие сигнала в каждом тактовом периоде, но и исследовать динамику изменения, обнаруживать искажения фронта, кратковременные пики, провалы и т.д. Анализаторы асинхронного режима тактируются значительно большей внутренней частотой. Выпускаются приборы с f=20, 50, 100, 200 МГц. В них применяются дополнительные триггерные схемы фиксации ложных импульсов до 5 нс, что позволяет значительно легче обнаруживать такие импульсы.

10.4 Внутрисхемные эмуляторы

Эмуляция - процесс, в котором одна система используется для воспроизведения свойств другой системы. Для организации эмуляции различных компонентов разрабатываемого микропроцессорного устройства используются внутрисхемные эмуляторы. Они предназначены для организации комплексной отладки разработки. Промышленность выпускает эмуляторы в виде автономных приборов. Они эмулирют поведение микропроцессора, запоминающих устройств, периферийных устройств.

Внутрисхемный эмулятор может работать в режимах опроса состояния различных узлов МПС, пошагового исполнения программы пользователя. С его помощью проверяются ядро МПС, магистрали, выполняются тесты ПЗУ и ОЗУ. Наилучший вариант тестирования - объединение методов внутрисхемной эмуляции и сигнатурного анализа.

10.5 Сигнатурный анализ

Сигнатура - это число состоящее из 4-х знаков шестнадцатиричного кода и условно, но однозначно характеризующее определенный узел контролируемого устройства. Сигнатура определяется на заводе - изготовителе прибора и указывается в отдельных точках схемы (рис.10-2) или в инструкции к прибору.

Рис.10-2 Сигнатуры, указываемые на схеме устройства

Сигнатура формируется из испытательного сигнала (тест-последовательности), вырабатываемого МП. На вход какого-либо узла подаетя тест-последовательность, состоящая не менее чем из 16 нулей и единиц. С выхода узла (контролируемой точки) снимается уже преобразованная последовательность и подается на вход сигнатурного анализатора. Сигнатурный анализатор содержит блок формирования сигнатуры БФС (рис.10-3), состоящий из 16 триггеров, связанных между собой через сумматоры по модулю 2. При работе анализатора выполняется операция деления полиномов. Входная последовательность образует делимое, схема БФС - делитель, а результат, зафиксированный в триггерах после окончания тест-последовательности, представляет собой остаток от деления. Если тест-последовательности на заводе-изготовителе и у потребителя, проводящего тест, одинаковы, а также одинаковые БФС, то при проверке исправного блока получаемая сигнатура совпадает с сигнатурой, указанной в документации.

Рис.10-3

Вероятность получения одинаковых сигнатур для двух двоичных последовательностей, отличающихся друг от друга одним битом, равна нулю, а отличающихся несколькими ошибочными битами равна 0,00001526. Иначе говоря, достоверность обнаружения ошибки >=99,998%. Проверка отдельных узлов устройства сводится к определению сигнатуры на выходе узла. Если она совпадает с заводской - узел исправен.

11 Обеспечение помехозащищенности микропроцессорных систем

11.1 Подавление помех по первичной питающей сети

При разработке микропроцессорных систем необходимо обращать особое внимание на защиту от помех, которые приводят к сбоям в работе. Значительная часть помех проникает из питающей сети. МПС, хорошо отлаженная в лабораторных условиях,может оказаться совершенно неработоспособной в производственных условиях из-за помех. Помехи возникают при резких изменениях сетевой нагрузки, например, при включении мощного электродвигателя, печи, сварочного аппарата. Поэтому следует по возможности осуществлять развязку от таких источников помех по сети. На рис.11-1 показаны различные варианты подключения устройств,в состав которых входит микропроцессор.Найлучший вариант-это питание МПС и потребителей,создающих мощные импульсы тока.(двигателей).

Рис.11-1

Для подавления кратковременных помех устанавливается сетевой фильтр рис.11-2.

Рис.11-2

В некоторых случях необходимо вводить электростатический экран (например,обычную водопроводную трубу, соединенную с заземленным корпусом щита питания) для прокладки внутри него сетевых проводов.

11.2 Подавление сетевых помех в блоке питания

Несмотря на правильное подключение, электростатический экран и наличие сетевого фильтра, помехи все же частично проникают на сетевой ввод прибора. За счет емкостной связи между сетевой и вторичной обмотками имульсные помехи проходят через силовой трансформатор и попадают на выпрямитель и далее.

Методы подавления:
1. Первичная и вторичная обмотки силового трансформатора располагаются на разных катушках. Это значительно уменьшает межобмоточную емкостную связь, но снижает кпд трансформатора.
2. Обмотки располагаются на одной катушке, но разделяются экраном из медной фольги толщиной не менее 0,2 мм, который соединяется с корпусной землей. Экран ни в коем случае не должен быть короткозамкнутым!
3. Первичная обмотка полностью заключается в экран (не короткозамкнутый), который заземляется.
4. Первичная и вторичная обмотки заключаются в отдельные экраны, и между ними размещается разделительный экран. Все экраны заземляются. Параллельно первичной обмотке подключается цепочка из последовательно соединенных С=0,1 мкФ и R=100 Ом для гашения энергии в момент выключения.

11.3 Правила заземления

В конструктивно-законченных блоках всегда имеются два типа шин «земли» - корпусная и схемная.

Корпусная шина по правилам техники безопасности в обязательном порядке подключается к шине заземления, проложенной в помещении. Схемная шина («земля» схемы прибора) не должна соединяться с корпусной, а для нее должен быть отдельный зажим, изолированный от корпуса. Если в систему входит несколько устройств, связанных информационными линиями, то далеко не безразлично, как их корпусные и схемные шины «земли» подключены к шине «земли» помещения.

При неправильном соединении импульсные напряжения, порождаемые уравнивающими токами по шине «земли», будут фактически приложены ко входам устройств, что может вызвать их ложное срабатывание.

Наименьшие взаимные помехи получаются в том случае, когда схемные шины «земли» объединяются в одной точке, а корпусные - в другой точке (рис.11-3). Расстояние между точками подбирается экспериментально. В некоторых случаях точка А может не подключаться к шине земли помещения.

Рис.11-3

11.4 Подавление помех по цепям вторичного электропитания

В моменты переключения интегральных схем и в двухтактных выходных схемах возникают большие броски тока. Из-за конечной индуктивности шин питания на платах они вызывают импульсы напряжения. Если шины тонкие, и нет развязывающих емкостей, то на «дальнем» конце шины возникают импульсы с амплитудой до 2В! Уровень таких импульсов соответствует логической единице, что вызывает сбои. Для устранения этого эффекта необходимо выполнить следующие рекомендации:
1. Шины питания и земли на платах должны иметь минимальную индуктивность. Для этого им придается решетчатая структура, покрывающая всю свободную поверхность платы.
2. Подключение внешних шин питания и земли к плате производится через несколько контактов, равномерно распределенных на разъеме.
3. Производится подавление помех вблизи мест их возникновения. Для этого около каждой ТТЛ схемы устанавливается конденсатор С=0,02 мкФ для устранения высокочастотных помех, и на группу из 10-15 схем дополнительно устанавливается электролитический конденсатор С=100 мкФ.

Микропроцессор (МП) - это выполненное на одной или нескольких БИС устройство цифровой обработки информации, осуществляемой по программе. По назначению он идентичен ЭВМ, но обладает меньшими функциональными возможностями.

Современные микропроцессоры могут содержать миллионы транзисторов в одной микросхеме. Обобщенная структурная схема МП показана на рис.6.1.

Основу микропроцессора составляет арифметико-логическое устройство АЛУ. Оно выполняет арифметические (сложение, вычитание) и логические (сравнение, дизъюнкция, конъюнкция) операции над двумя числами и выдает результат операции. Регистры Р служат для хранения и выдачи команд (регистр команд), адресов (регистр адресов) и данных (регистр данных или аккумулятор).

Устройство управления служит для преобразования команд, поступающих из регистров и внешнего ЗУ в сигналы, непосредственно воздействующие на все элементы МП и стимулирующие выполнение команд.

Все блоки МП соединены между собой и с внешними устройствами тремя многоразрядными шинами: шиной данных ШД, шиной адресов ША и шиной управления ШУ. Шина - это группа параллельных проводников, по которым передается многоразрядный код. УУ распределяет во времени связи между блоками по одной и той же шине - мультиплексирование.

Совокупность шин называется магистралью. Шина данных служит для обмена операндами - кодами исходных данных или кодами команд. Шина адресов служит для передачи кодов ячеек памяти в ЗУ.

Таким образом, в микропроцессорах, как и в ЭВМ, используется магистральный принцип передачи информации.

Микропроцессор используется совместно с другими микроэлектронными устройствами: запоминающим устройством данных (ЗУД), запоминающим устройством программы (ЗУП) и устройством ввода-вывода (УВВ). Объединение этих элементов называется микропроцессорной системой или микроконтроллером- рис. 6.2.

Запоминающие устройства ЗУ предназначены для приема, хранения и выдачи программы и данных. При этом ЗУП представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), работающее только на считывание. Запись программы в ЗУП происходит однократно при ее изготовлении или отладке. ЗУД представляет собой оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), работающее как в режиме записи, так и в режиме считывания.

УВВ предназначено для приема сигналов от внешних устройств в процессор или ЗУ и для вывода результатов во внешние устройства. Генератор тактов синхронизирует через МП работу всех блоков системы. В некоторых типах МП он может входить в состав самого процессора.

Программа, по которой работает МП обычно хранится в постоянном запоминающем устройстве. Запись программы происходит одноразово. Возможно применение репрограммируемых (перепрограммируемых) ПЗУ, допускающих многократную запись и стирание информации. Информация в ПЗУ сохраняется при отключении источника питания.

Для хранения данных применяют оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), в которые информация может быть выдана из МП или от внешних устройств (клавиатура, датчики) через УВВ. При отключении источника питания информация в ОЗУ теряется.

В тех случаях, когда разработчики микропроцессорной системы предусматривают для потребителя присоединение к магистрали каких-либо дополнительных блоков (открытый вариант системы), магистраль снабжается буфером магистрали, увеличивающем ее нагрузочную способность или адаптером магистрали, если надо не только усиление, но и преобразование сигналов.

Конструктивно микроконтроллеры могут быть однокристальными, если все элементы микропроцессорной системы выполнены в одной интегральной схеме или одноплатными, если они расположены на одной печатной плате. Одноплатные микроконтроллеры часто снабжаются встроенной клавиатурой и индикатором. В таком виде они могут составить самостоятельную вычислительную часть цифровых систем измерения, управления и т.д.

Промышленность выпускает огромную номенклатуру микроконтроллеров, отличающихся разрядностью, архитектурой, характеристиками и возможностями функционирования. Общим признаком всех микроконтроллеров является их гибкое (т.е. программное) структурирование. Микроконтроллеры могут быть специализированными (например, микроконтроллер клавиатуры персонального компьютера) или универсальными, предназначенными для решения различных задач одного класса, например контроллеры для систем промышленной автоматики.

Микропроцессоры характеризуются следующими параметрами:

1. Вид микропроцессора: универсальный или специализированный, сигнальный и т.п.

2. Способ управления: схемный (жесткий), или микропрограммный (гибкий).

3. Разрядность - длина слова, которое может быть одновременно обработано процессором (4, 8, 16,32).

4. Емкость адресуемой памяти. Характеризует возможности микропроцессора по сложности реализуемых программ.

5. Быстродействие. Характеризуется продолжительностью одной

операции типа «регистр-регистр» или числом операций в секунду.

6. Мощность потребления.

7. Питающие напряжения.

8. конструктивные характеристики.

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.

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.

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.

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.

О
днокристальный микроконтроллер представляет собой устройство, выпол-ненное 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:

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.

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.

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, 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)

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 (A lf Bogen / V ergard Wollan / R isc 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

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.

Применение микропроцессорных систем практически во всех электрических устройствах - важнейшая черта технической инфраструктуры современного общества. Электроэнергетика, промышленность, транспорт, системы связи существенно зависят от компьютерных систем управления. Микропроцессорные системы встраиваются в измерительные приборы, электрические аппараты, осветительные установки и д.р.

Всё это обязывает электрика знать хотя бы основы работы микропроцессорной техники.

Предназначены для автоматизации обработки информации и управления различными процессами.

Понятие «Микропроцессорная система» очень широко и объединяет такие понятия как «Электронно-вычислительная машина (ЭВМ)», «управляющая ЭВМ», «Компьютер» и т.п.

Микропроцессорная система включает в себя аппаратное обеспечение или по-английски – hardware и программное обеспечение (ПО) - software.

Цифровая информация

Микропроцессорная система работает с цифровой информацией , которая представляет собой последовательность цифровых кодов.

В основе любой микропроцессорной системы лежит микропроцессор , который способен воспринимать только двоичные числа (составленные из 0 и 1). Двоичные числа записываются посредством двоичной системы счисления. Например, в повседневной жизни мы пользуемся десятичной системой счисления, в которой для записи чисел используются десять символов или цифр 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Соответственно в двоичной системе таких символов (или цифр) всего два – 0 и 1.

Необходимо понимать, что система счисления – это всего лишь правила записи чисел, и выбор типа системы определятся удобством применения. Выбор двоичной системы обусловлен её простотой, а значит надёжностью работы цифровых устройств и лёгкостью их технической реализации.

Рассмотрим единицы измерения цифровой информации:

Бит (от английского "BInary digiT" - двоичная цифра) принимает только два значения: 0 или 1. Можно закодировать логическое значение «да»» или «нет», состояние «включено» или «выключено», состояние «открыто» или «закрыто» и т.п.

Группа из восьми бит называется байтом, например 10010111. Один байт позволяет кодировать 256 значений: 00000000 – 0, 11111111 - 255.

Бит – наименьшая единица представления информации.

Байт - наименьшая единица обработки информации. Байт- часть машинного слова, состоящая обычно из 8 бит и используемая как единица количества информации при её хранении, передаче и обработке на ЭВМ. Байт служит для представления букв, слогов и специальных символов (занимающих обычно все 8 бит) или десятичных цифр (по 2 цифры в 1 байт).

Два взаимосвязанных байта называется словом, 4 байта – двойное слово, 8 байт – учетверённое слово.

Почти вся информация, которая нас окружает, является аналоговой. Поэтому, прежде чем информация попадёт на обработку в процессор, она подвергается преобразованию посредством АЦП (аналого-цифровой преобразователь). Кроме того, информация кодируется в определённом формате и может быть числовой, логической, текстовой (символьной), графической, видео и д.р.

Например, для кодирования текстовой информации используется таблица кодов ASCII (от англ. American Standard Code for Information Interchange - Американский стандартный код для обмена информацией). Запись одного символа осуществляется одним байтом, который может принимать 256 значений. Графическая информация разбивается на точки (пиксели) и производится кодирование цвета и положение каждой точки по горизонтали и вертикали.

Кроме двоичной и десятичной системы в МС используют шестнадцатеричную систему, в которой для записи чисел используются символы 0...9 и A...F. Её применение обуславливается тем, что один байт описывается двухразрядным шестнадцатеричным числом, что значительно сокращает запись цифрового кода и делает его более читаемым (11111111 – FF).

Таблица 1 – Запись чисел в различных системах счисления

Для определения значения числа (например, значения числа 100 для разных систем счисления может составлять 42, 10010, 25616), в конце числа добавляют латинскую букву, обозначающую систему счисления: для двоичных чисел букву b, для шестнадцатеричных - h, для десятичных – d. Число без дополнительного обозначения считается десятичным.

Перевод чисел из одной системы в другую и основные арифметические и логические операции над числами позволяет производить инженерный калькулятор (стандартное приложение операционной системы Windows).

Основу микропроцессорной системы составляет микропроцессор (процессор), который выполняет функции обработки информации и управления. Остальные устройства, входящие в состав микропроцессорной системы, обслуживают процессор, помогая ему в работе.

Обязательными устройствами для создания микропроцессорной системы являются порты ввода/вывода и отчасти память . Порты ввода/вывода связывают процессор с внешним миром, обеспечивая ввод информации для обработки и вывод результатов обработки, либо управляющих воздействий. К портам ввода подключают кнопки (клавиатуру), различные датчики; к портам вывода - устройства, которые допускают электрическое управление: индикаторы, дисплеи, контакторы, электроклапаны, электродвигатели и т.д.

Память нужна в первую очередь для хранения программы (либо набора программ), необходимой для работы процессора. Программа - это последовательность команд, понятных процессору, написанная человеком (чаще программистом).

Структура микропроцессорной системы представлена на рисунке 1. В упрощённом виде процессор состоит из арифметически-логического устройства (АЛУ), осуществляющего обработку цифровой информации и устройства управления (УУ).

Память обычно включает постоянно-запоминающее устройство (ПЗУ), являющееся энергонезависимым и предназначенное для долговременного хранения информации (например, программ), и оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное для временного хранения данных.

Рисунок 1 – Структура микропроцессорной системы

Процессор, порты и память взаимодействуют между собой посредством шин. Шина – это набор проводников, объединённых по функциональному признаку. Единый набор системных шин называют внутрисистемная магистраль , в которой выделяют:

шину данных DB (Data Bus), по которой производится обмен данными между ЦП, памятью и портами;

шину адреса AB (Address Bus), используемой для адресации процессором ячеек памяти и портов;

шину управления CB (Control Bus), набор линий, передающих различные управляющие сигналы от процессора на внешние устройства и обратно.

Микропроцессоры

Микропроцессор - программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное в виде одной (или нескольких) интегральной схемы с высокой степенью интеграции электронных элементов.

Микропроцессор характеризуется большим числом параметров, поскольку он одновременно является сложным программно-управляемым устройством и электронным прибором (микросхемой). Поэтому для микропроцессора важны, как тип корпуса, так и система команд процессора . Возможности микропроцессора определяются понятием архитектуры микропроцессора.

Приставка «микро» в названии процессора означает, что выполняется он по микронной технологии.

Рисунок 2 – Внешний вид микропроцессора Intel Pentium 4

В ходе работы микропроцессор считывает команды программы из памяти или порта ввода и исполняет их. Что означает каждая команда, определяется системой команд процессора. Система команд заложена в архитектуре микропроцессора и выполнение кода команды выражается в проведении внутренними элементами процессора определённых микроопераций.

Архитектура микропроцессора - это его логическая организация; она определяет возможности микропроцессора по аппаратной и программной реализации функций, необходимых для построения микропроцессорной системы.

Основные характеристики микропроцессоров:

1) Тактовая частота (единица измерения МГц или ГГц) – количество тактовых импульсов за 1 секунду. Тактовые импульсы вырабатывает тактовый генератор, который чаще всего находится внутри процессора. Т.к. все операции (инструкции) выполняются по тактам, то от значения тактовой частоты зависит производительность работы (количество выполняемых операций в единицу времени). Частотой процессора можно варьировать в определённых пределах.

2) Разрядность процессора (8, 16, 32, 64 бит и т.д.) – определяет число байтов данных, обрабатываемых за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью его внутренних регистров. Процессор может быть 8-разрядным, 16-разрядным, 32-разрядным, 64-разрядным и т.д., т.е. данные обрабатываются порциями по 1, 2, 4, 8 байт. Понятно, что чем больше разрядность, тем выше производительность работы.

Внутренняя архитектура микропроцессора

Упрощенная внутренняя архитектура типового 8-разрядного микропроцессора показана на рисунке 3. В структуре микропроцессора можно выделить три основных части:

1) Регистры для временного хранения команд, данных и адресов;

2) Арифметико-логическое устройство (АЛУ) , которое реализует арифметические и ло-гические операции;

3) Схема управления и синхронизации - обеспечивает выборку команд, организует функционирование АЛУ, обеспечивает доступ ко всем регистрам микропроцессора, воспринимает и генерирует внешние управляющие сигналы.

Рисунок 3 - Упрощенная внутренняя архитектура 8-разрядного микропроцессора

Как видно из схемы, основу процессора составляют регистры, которые делятся на специальные (имеющие определенное назначение) и регистры общего назначения.

Программный счетчик (PC) - регистр, содержащий адрес следующего командного байта. Процессор должен знать, какая команда будет выполняться следующей.

Аккумулятор – регистр, используемый в подавляющем большинстве команд логической и арифметической отработки; он одновременно является и источником одного из байт данных, которые требуются для операции АЛУ, и местом, куда помещается результат операции АЛУ.

Регистр признаков (или регистр флагов) содержит информацию о внутреннем состоянии микропроцессора, в частности о результате последней операции АЛУ. Регистр флагов не является регистром в обычном смысле, а представляет собой просто набор триггер-защелок (флаг поднят или опущен. Обычно имеются флаж¬ки нуля, переполнения, отрицательного результата и переноса.

Указатель стека (SP) - следит за положением стека, т. е. содержит адрес последней его использованной ячейки. Стек – способ организации хранения данных.

Регистр команды содержит текущий командный байт, который декодируется дешифратором команды.

Линии внешних шин изолированы от линий внутренней шины с помощью буферов, а основные внутренние элементы связаны быстродействующей внутренней шиной данных.

Для повышения производительности многопроцессорной системы функции центрального процессора могут распределяться между несколькими процессорами. В помощь центральному процессору в компьютер часто вводят сопроцессоры , ориентированные на эффективное исполнение каких-либо специфических функций. Широко распространены математические и графические , сопроцессоры ввода-вывода , разгружающие центральный процессор от несложных, но многочисленных операций взаимодействия с внешними устройствами.

На современном этапе основным направлением повышения производительности является разработка многоядерных процессоров , т.е. объединение в одном корпусе двух и более процессоров, с целью выполнения нескольких операций параллельно (одновременно).

Лидирующими компаниями по разработке и изготовлению процессоров являются Intel и AMD.

Алгоритм работы микропроцессорной системы

Алгоритм - точное предписание, однозначно задающее процесс преобразования исходной информации в последовательность операций, позволяющих решать совокупность задач определённого класса и получать искомый результат.

Главным управляющим элементом всей микропроцессорной системы является процессор . Именно он, за исключением нескольких особых случаев, управляет всеми остальными устройствами. Остальные же устройства, такие, как ОЗУ, ПЗУ и порты ввода/вывода являются ведомыми.

Сразу после включения процессор начинает читать цифровые коды из той области памяти, которая отведена для хранения программ. Чтение происходит последовательно ячейка за ячейкой, начиная с самой первой. В ячейке записаны данные, адреса и команды. Команда - это одно из элементарных действий, которое способен выполнить микропроцессор. Вся работа микропроцессора сводится к последовательному чтению и выполнению команд.

Рассмотрим последовательность действий микропроцессор во время выполнения команд программы:

1) Перед выполнением очередной команды микропроцессор содержит ее адрес в программном счетчике РС.

2) МП обращается к памяти по адресу, содержащемуся в РС, и считывает из памяти первый байт очередной команды в регистр команд.

3) Дешифратор команд декодирует (расшифровывает) код команды.

4) В соответствии с полученной от дешифратора информацией устройство управления вырабатывает упорядоченную во времени последовательность микроопераций, реализующих предписания команды, в том числе:

Извлекает операнды из регистров и памяти;

Выполняет над ними предписанные кодом команды арифметические, логические или другие операции;

В зависимости от длины команды модифицирует содержимое РС;

Передает управление очередной команде, адрес которой снова находится в программном счетчике РС.

Совокупность команд микропроцессора можно разделить на три группы:

1) Команды перемещения данных

Перемещение происходит между памятью, процессором, портами ввода/вывода (каждый порт имеет свой собственный адрес), между регистрами процессора.

2) Команды преобразования данных

Любые данные (текст, рисунок, видеоролик и т.д.) представляют собой числа, а с числами можно выполнять только арифметические и логические операции. Поэтому к командам этой группы относятся сложение, вычитание, сравнение, логические операции и т.п.

3) Команда передачи управления

Очень редко программа состоит из одной последовательной команд. Подавляющее число алгоритмов требуют разветвления программы. Для того, чтобы программа имела возможность менять алгоритм своей работы в зависимости от какого-либо условия, и служат команды передачи управления. Данные команды обеспечивают протекание выполнения программы по разным путям и организуют циклы.

Внешние устройства

К внешним, относятся все устройства, находящиеся вне процессора (кроме оперативной памяти) и подключаемые через порты ввода/вывода. Внешние устройства можно подразделить на три группы:

1) устройства для связи человек-ЭВМ (клавиатура, монитор, принтер и т.д.);

2) устройства для связи с объектами управления (датчики, исполнительные механизмы, АЦП и ЦАП);

3) внешние запоминающие устройтсва большой ёмкости (жёсткий диск, дисководы).

Внешние устройства подключаются к микропроцессорной системе физически - с помощью разъёмов, и логически - с помощью портов (контроллеров).

Для взаимодействия процессора и внешних устройств применяется система (механизм) прерываний.

Система прерываний

Это специальный механизм, который позволяет в любой момент, по внешнему сигналу заставить процессор приостановить выполнение основной программы, выполнить операции, связанные с вызывающим прерывание событием, а затем вернуться к выполнению основной программы.

У любого микропроцессора имеется хотя бы один вход запроса на прерывание INT (от слова Interrupt - прерывание).

Рассмотрим пример взаимодействия процессора персонального компьютера с клавиатурой (рисунок 4).

Клавиатура - устройство для ввода символьной информации и команд управления. Для подключения клавиатуры в компьютере имеется специальный порт клавиатуры (микросхема).

Рисунок 4 – Работа процессора с клавиатурой

Алгоритм работы:

1) При нажатии клавиши контроллер клавиатуры формирует цифровой код. Этот сигнал поступает в микросхему порта клавиатуры.

2) Порт клавиатуры посылает процессору сигнал прерывания. Каждое внешнее устройство имеет свой номер прерывания, по которому процессор его и распознаёт.

3) Получив прерывание от клавиатуры, процессор прерывает выполнение программы (например, редактор Microsoft Office Word) и загружает из памяти программу обработки кодов с клавиатуры. Такая программа называет драйвер.

4) Эта программа направляет процессор к порту клавиатуры, и цифровой код загружается в регистр процессора.

5) Цифровой код сохраняется в памяти, и процессор переходит к выполнению другой задачи.

Благодаря высокой скорости работы, процессор выполняет одновременно большое количество процессов.