Виды и особенности микропроцессорных систем

Для различных технических областей разработано несколько разновидностей микропроцессорных систем, среди которых принято выделять универсальные у предназначенные для решения широкого круга задач, и специализированные, обладающие проблемной ориентацией па выполнение определенных функций (рис. 16.7).

По условиям эксплуатации выделяют офисные вычислительные средства (для работы в непроизводственных условиях) и промышленные системы для непосредственного управления производственными и технологическими процессами.

МикроЭВМ (микрокомпьютер) представляет собой конструктивно завершенную микропроцессорную систему, оснащенную устройствами связи с внешней аппаратурой, панелью управления, собственным источником электропитания и комплектом программного обеспечения, которая предназначена для широкого класса задач обработки массивов данных. По назначению и условиям эксплуатации среди универсальных микроЭВМ выделяют группы персональных компьютеров (ПК, Personal Computer) ира;

Рис. 16.7. Классификация микропроцессорных систем.

бочих станций (Work Station), специализированных для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских). В структуре микроЭВМ заложен модульный принцип построения вычислительной системы с организацией обмена данными и передачи управляющих сигналов по системной шине (магистрали), представляющей собой совокупность сигнальных линий, функционирующих в соответствии с протоколом. Универсальность ЭВМ достигается за счет сложного системного управления и избыточности ресурсов. Применение вычислительных средств в конкретных приложениях снижает требования к универсальности МП, что привело к созданию специализированных приборов.

Микроконтроллеры (МК) предназначены для сбора информации, контроля и управления производственными и другими объектами. Разработаны с ориентацией на конкретную область применения в качестве встраиваемых приборов. Это определило их аппаратную реализацию, отличающуюся функциональной завершенностью, малыми габаритами и энергопотреблением, значительным числом портов для подключения внешних устройств, а также наличием специальных устройств — контроллеров обмена данными, генераторов и таймеров, аналого-цифровых преобразователей (АЦП), блоков автономного электропитания. Микроконтроллеры имеют архитектурные отличительные признаки: упрощенный сравнительно небольшой набор команд, незначительную емкость ОЗУ.

Периферийные программируемые контроллеры (ППК, Peripheral Interface Controller — PIC), разработанные для сопряжения МП с периферийными быстродействующими устройствами (дисплеями, фотосчитывателями, внешними ЗУ), по мере развития стали широко использоваться для контроля и управления объектами в режиме реального времени (онлайн) параллельно с основным вычислительным устройством.

Сигнальные микропроцессоры (СМП) предназначены для сложной цифровой обработки больших информационных потоков сигналов в реальном масштабе времени (система машинного зрения роботов, обработка метеорологических данных и многие другие задачи), что требует весьма больших вычислительных мощностей. Специализация СМП заключается в аппаратном выполнении операций (фильтрации, сглаживания, прогнозирования), наиболее часто используемых при обработке сигналов. Основой СМП служит процессор для цифровой обработки сигналов (DSP — Digital Signal Processing). При оснащении сигнального процессора АЦП, ЦАП и интерфейсными устройствами получается аналоговый сигнальный процессор, применяемый для обработки непрерывных сигналов.

Программное управление выполняемыми функциями сделало микропроцессор широко распространенным универсальным элементом цифровых вычислительных устройств разного назначения. При этом в зависимости от сферы применения МП предъявляются специфические требования к их структуре и характеристикам. Для многих задач измерения, управления и обработки информации в реальном масштабе времени требуется высокая производительность при выполнении математических операций. Увеличение производительности и вычислительной мощности микропроцессорной системы можно получить на основе применения быстродействующей элементной базы, а также создания специализированных МП, ориентированных на эффективное выполнение операций обработки данных.

Важнейшей характеристикой вычислителя, отражающей его способность к быстрой обработке данных, считают скорость выполнения им математических операций умножения, деления, вычисления функций (тригонометрических, логарифмических, экспоненциальных и т. п.), которые в классической архитектуре реализованы с помощью достаточно сложных подпрограмм, не обеспечивающих необходимого быстродействия. Для решения проблемы разработчики пошли по пути создания специализированных МП, называемых арифметическими сопроцессорами и размещаемых вместе с основным процессором.

С повышением степени интеграции ИМС увеличилось число размещаемых на чипе модулей, что дало возможность оптимизировать структуру микропроцессорной системы для математической обработки числовых данных. Это и привело к созданию СМП. Специализированные микропроцессоры позволили при обработке сигналов разгрузить системную магистраль ЦПЭ, перенести часть операций обработки в периферийное оборудование и увеличить скорость работы с устройствами ввода-вывода.

Большую часть объема производства СМП составляют дешевые и достаточно производительные 16- и 24-разрядные микропроцессоры с фиксированной точкой. Расширенные коммуникационные возможности, наличие достаточных объемов памяти внутри чипа для данных и программы, возможность защиты программы от несанкционированного доступа, поддержка режима энергосбережения делают эти микропроцессоры привлекательными для использования в качестве не только специализированных вычислителей, но и контроллеров в различных электронных приборах. Разработаны и применяются также более дорогие микропроцессоры, аппаратно поддерживающие операции над данными в формате с плавающей точкой.

Типичные алгоритмы обработки данных требуют выполнения множества операций сложения и умножения, включающих многократное повторение следующих действий: выборку двух операндов, их перемножение и сложение, запоминание результата. Сигнальные микропроцессоры поддерживают множественный доступ к памяти за один и тот же командный цикл за счет использования раздельных ЗУ команд и данных. Это позволило производить выборку двух операндов, чтение кода команды и сохранение результата за один командный цикл.

Характерным для МПС является также наличие аппаратного умножителя, выполняющего умножение чисел за один командный такт. Значительные успехи в решении проблем обработки большого числа сигналов были получены за счет высокой степени специализации архитектуры СМИ. При этом уменьшение общего количества выполняемых микропроцессором функций дает существенный выигрыш по ряду параметров (например, скорости обмена данными с многими внешними устройствами). В них широко применяются методы сокращения длительности командного цикла, размещение операндов большинства команд в регистрах, использование теневых регистров для сохранения состояния вычислений.

Основные вычислительные процедуры при решении большинства задач обработки сигналов в реальном масштабе времени могут быть сведены к набору простых операций с матрицами, описывающими цифровые данные. В вычислительной математике разработаны эффективные алгоритмы параллельной обработки путем одновременного выполнения множества простых действий. Каждая элементарная операция может быть реализована на индивидуальном вычислителе (процессоре). Система, в которой с целью увеличения ее производительности решаемая задача распределяется между процессорами, называется мультипроцессорной.

Сигнальные микропроцессоры являются элементной базой для построения многопроцессорных вычислительных систем (МПВС). Архитектура конкретных мультипроцессорных систем с параллельной одновременной обработкой данных зависит от решаемых ими задач. Структуры МПВС отличаются от традиционной магистральной архитектуры построения однопроцессорной вычислительной системы (Single Instruction Single Data — SISD), что можно интерпретировать как однократный поток команд и данных (рис. 16.8, а).

В матричных МПВС множество микропроцессоров одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных, т. е. работают с многократным потоком команд и многократным потоком данных.

а б

Рис. 16.8. Вычислительные системы:

а — однопроцессорная; б — многопроцессорная (рис. 16.8, б). Такие системы имеют обозначение MIMD — Multiple Instruction Multiple Data. Используются также другие конфигурации, когда в магистральных (конвейерных) структурах процессоры одновременно выполняют операции над последовательным потоком обрабатываемых данных, т. е. это МПВС с многократным потоком команд и однократным потоком данных (обозначаемые MISD — Multiple Instruction Single Data); или векторные структуры, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными, т. е. это МПВС с однократным потоком команд и многократным потоком данных (обозначаемые SIMD — Single Instruction Multiple Data).

Изменение архитектуры непосредственно связано с совершенствованием методов и алгоритмов преобразования данных. Примером осуществления параллельной архитектуры служит применение итеративных и рекурсивных алгоритмов, реализуемых на систолических или сотовых матрицах с высокими тактовыми частотами. При такой организации приборы взаимодействуют только со своими ближайшими соседями, что существенно уменьшает задержки сигналов.

Свойства и параметры системы обработки информации зависят от элементной базы, а также от принципов объединения и интерфейса, т. е. аппаратных и программных средств, обеспечивающих передачу данных.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Каковы отличительные свойства микропроцессора (МП) как элемента вычислительного устройства?
• 2. Какие блоки составляют основу структуры микропроцессора и каким способом осуществляется их взаимодействие?
• 3. Перечислите основные параметры, характеризующие МП.
• 4. Каковы структурная организация микропроцессорных систем и набор основных функциональных модулей?
• 5. Каким образом осуществляется обработка данных в микропроцессорной системе?
• 6. Каковы основные разновидности микропроцессорных систем и их назначение?