Понятие и типы микропроцессорных устройств

• Введение
• 1. Понятие и типы микропроцессорных устройств
• 2. Память в микропроцессорных устройствах
• 3. Классификация микропроцессорных устройств
• Заключение
• Список литературы

Замечательным свойством микропроцессорных устройств является их высокая гибкость, возможность быстрой перенастройки при необходимости даже значительных изменений алгоритмов управления.

Перенастройка осуществляется программным путем без существенных производственных затрат. Создание микропроцессоров позволяет уменьшить стоимость и размеры технических средств обработки информации, увеличить их быстродействие, снизить энергопотребление.

Микропроцессорное устройство (МПУ) представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в состав которых входит микропроцессор; оно предназначено для выполнения определённого набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление [1. C. 76].

Все это обуславливает актуальность их изучения.

Объект исследования — микропроцессорные устройства.

Предмет — структура и виды микропроцессорных устройств.

Цель контрольной работы — исследовать структуру и виды микропроцессорных устройств.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Рассмотреть понятие и типы микропроцессорных устройств

2. Изучить память в микропроцессорных устройствах.

3. Исследовать классификацию микропроцессорных устройств.

1. Понятие и типы микропроцессорных устройств

Характерные особенности микропроцессорных устройств, предназначенных для автоматизации технологических процессов:

— наличие ограниченного набора четко сформулированных задач;

— требования оптимизации структуры системы для конкретного применения;

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

— наличие развитой системы внешних устройств, их большое разнообразие;

— существенное различие функциональных задач;

— высокие требования по надежности с учетом большой продолжительности непрерывной работы;

— сложные условия эксплуатации;

— обеспечение автоматического режима работы или режима с участием оператора как элемента системы.

Применение МП позволило создать новый класс вычислительной техники — микропроцессорные системы, обобщенная логическая структура которых приведена на рисунке 1.

Рис. 1. — Обобщенная логическая структура микропроцессорных систем

Центральное место в этой структуре занимает микропроцессор, который выполняет арифметические и логические операции над данными, осуществляет программное управление процессом обработки информации, организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему. Работа МП происходит под воздействием сигналов схемы синхронизации и начальной установки, часто выполняемой в виде отдельного кристалла.

Показанный на рисунке 1 МП может представлять собой или однокристальный МП с фиксированной системой команд или многокристальный МП с микропрограммным управлением.

Представленная на рисунке 1 структура отражает магистрально-модульный принцип организации микропроцессорных устройств и систем. Отдельные блоки являются функционально законченными модулями со своими встроенными схемами управления, выполненными в виде одного или нескольких кристаллов БИС или СБИС. Межмодульные связи и обмен информацией между модулями осуществляются посредством коллективных шин (магистралей), к которым имеют доступ все основные модули системы. В каждый данный момент времени возможен обмен информацией только между двумя модулями системы.

Магистральный принцип построения сопряжения модулей (интерфейс ЭВМ) предполагает наличие информационно-логической совместимости модулей, которая реализуется путем использования единых способов представления информации, алгоритма управления обменом, форматов команд и способа синхронизации.

Для большинства микропроцессоров характерна трехшинная структура, содержащая шину адреса (ША), двунаправленную шину данных (ШД) и шину управления (ШУ). Как видно из рисунка 1, типовая структура МП-системы предполагает наличие общего сопряжения для модулей памяти (постоянных и оперативных запоминающих устройств) и периферийных устройств (устройств ввода-вывода).

В качестве периферийных устройств в МП-системах используются устройства ввода с перфоленты, дисплеи, магнитофоны, гибкие и жесткие магнитные диски, телетайпы, печатающие устройства, клавиатура и т. п.

Периферийное устройство подсоединяется к шинам МП не непосредственно, а через программируемый периферийный адаптер (ППА) или программируемый связной адаптер (ПСА), обслуживающие периферийные устройства соответственно с передачей информации параллельным или последовательным кодом. Наличие программно настраиваемых адаптеров делает весьма гибкой и функционально богатой систему ввода-вывода информации в МП-системе.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) хранит системные программы, необходимые для управления процессом обработки. В оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) хранятся прикладные программы, данные и результаты вычислений.

Работа МП синхронизируется тактовыми сигналами CLK, поступающими на его входы от генератора синхронизации. Схема начальной установки вырабатывает сигнал RESET (сброса) микропроцессора на основе анализа напряжений на выходе блока питания или при принудительной остановке работы МПС с ее клавиатуры.

В состав этих МПС, как правило, входят:

— шинный контролер для сопряжения устройств с системной шиной по параллельному интерфейсу;

— адаптер последовательного интерфейса для построения многопроцессорных систем или сопряжения источников и приемников сигналов, не увеличивающих нагрузку на системный интерфейс;

— специализированный процессор арифметической обработки сигналов (сопроцессор);

— ПЗУ команд и констант;

— ОЗУ операндов.

Для обеспечения работы МПС к их системному интерфейсу можно подключать устройства специализированной обработки арифметических алгоритмов, таких как быстрое преобразование Фурье, и устройства обработки аналоговых сигналов.

В состав таких устройств обработки аналоговых сигналов входят:

— аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи, обеспечивающие непосредственное сопряжение цифрового устройства обработки с аналоговыми сигналами датчиков и приемников;

— система памяти ПЗУ и ОЗУ;

— буферы данных, используемые для временного хранения (буферизации) данных при передаче между устройствами;

— МП, предназначенный для цифровой обработки аналоговых сигналов.

В рассматриваемых структурах МПС реализуются три способа организации (обслуживания) передачи информации:

1) программно-управляемая передача, инициируемая процессором;

2) программно-управляющая передача, инициируемая запросом прерывания от периферийного устройства;

3) прямой доступ к памяти (ПДП).

При первом способе передача инициируется самим процессором, а при втором — запросом прерывания от периферийного устройства.

При программно-управляемой передаче данных МП на все время этой операции отвлекается от выполнения основной программы, что ведет к снижению производительности МП-системы. Кроме того, скорость передачи данных через МП может оказаться недостаточной для работы с высокоскоростными внешними устройствами.

Прямым доступом к памяти называется способ обмена данными, обеспечиваюший автономно от МП установление связи и передачу данных между ОЗУ и внешним устройством.

Прямой доступ к памяти, повышая предельную скорость ввода-вывода информации и общую производительность МП-системы, делает ее более приспособленной для работы в системах реального времени. Прямым доступом к памяти управляет контролер ПДП, выполяющий следующие функции:

— управление инициируемой процессором или ПУ передачей данных между ОЗУ и ПУ;

— задание размера блока данных, который подлежит передаче, и области памяти, используемой при передаче;

— формирование адресов ячеек ОЗУ, участвующих в передаче;

— подсчет числа байт, передаваемых через интерфейс, и определение момента завершения заданной операции ввода-вывода.

2. Память в микропроцессорных устройствах

В микропроцессорных устройствах память служит для хранения исходных данных программ обработки информации промежуточных и окончательных результатов вычисления.

Выделяют два основных типа памяти:

— ОЗУ — оперативное запоминающее устройство, используемое для хранения данных, поэтому эту память называют еще памятью данных. Число циклов чтения и записи в ОЗУ не ограничено, но при отключении питающего напряжения вся информация теряется;

В современных микропроцессорах память ОЗУ представляет собой многоуровневую систему, в которой выделяют уровни сверхоперативной памяти (СОЗУ), ОЗУ, буферной памяти (БЗУ) и внешней памяти (ВЗУ).

Каждый последующий уровень отличается от предыдущего емкостью и быстродействием. Емкостью называется максимальное количество информации, которая может быть записана в память. Быстродействие характеризуется длительностью операций чтения и записи — двух основных операций, выполняемых памятью. Для указанных уровней памяти емкость растет в направлении от СОЗУ к ВЗУ, а быстродействие в противоположном направлении.

— ПЗУ — постоянное запоминающее устройство, предназначенное для хранения программ, поэтому часто эту память называют кодовой или памятью программ. Микросхемы ПЗУ способны сохранять информацию при отключенном электропитании, но могут быть запрограммированы только один или очень ограниченное число раз.

Основные характеристики полупроводниковой памяти. Основные характеристики памяти, которые необходимо учитывать при проектировании систем:

— Емкость памяти определяется числом бит хранимой информации. Емкость кристалла обычно выражается также в битах. Важной характеристикой кристалла является информационная организация кристалла памяти MxN, где M — число слов, N — разрядность слова. При одинаковом времени обращения память с большей шириной выборки обладает большей информационной емкостью.

— Временные характеристики памяти.

1.1 Время доступа — временной интервал, определяемый от момента, когда центральный процессор выставил на шину адреса адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных.

1.2. Время восстановления — это время, необходимое для приведения памяти в исходное состояние после того, как ЦП снял с ША адрес, с ШУ сигнал «чтение» или «запись» и с ШД данные.

— Удельная стоимость запоминающего устройства определяется отношением его стоимости к информационной емкости, т. е. определяется стоимостью бита хранимой информации.

— Потребляемая энергия (или рассеиваемая мощность) приводится для двух режимов работы кристалла: режима пассивного хранения информации и активного режима, когда операции записи и считывания выполняются с номинальным быстродействием.

— Плотность упаковки определяется площадью запоминающего элемента и зависит от числа транзисторов в схеме элемента и используемой технологии. Наибольшая плотность упаковки достигнута в кристаллах динамической памяти.

— Допустимая температура окружающей среды обычно указывается отдельно для активной работы, для пассивного хранения информации и для нерабочего состояния с отключенным питанием. Указывается тип корпуса, если он стандартный, или чертеж корпуса с указанием всех размеров, маркировкой и нумерацией контактов, если корпус новый. Приводятся также условия эксплуатации: рабочее положение, механические воздействия, допустимая влажность и другие

3. Классификация микропроцессорных устройств

Различают три основных типа микропроцессорных устройств:

— секционные микропроцессоры с наращиванием разрядности и микропрограммным управлением;

— однокристальные микропроцессоры с фиксированной разрядностью и фиксированной системой команд;

— однокристальные микроЭВМ (микроконтроллеры).

Секционный микропроцессор (МП) образуется из нескольких модулей, конструктивно реализованных в виде отдельных БИС. К их числу относятся:

процессорные секции, содержащие АЛУ и РОН; контроллер последовательности микрокоманд (КПМК); память микрокоманд (ПМК). МП состоит из двух функциональных блоков: микропрограммного устройства управления (МПУУ), включающего в себя ПМК и КПМК, и операционного устройства (ОУ), построенного из набора секций. Благодаря микропрограммированию и секционированию можно реализовать МП с нужными разрядностью и функциональными возможностями.

Секционные МП позволяют разрабатывать более быстродействующие МПС. Это достигается за счет гибкой адаптации структуры, длины слова и специального набора команд проектируемого МП к классу решаемых задач. Кроме того, иногда только за счет микропрограммирования критичных по времени функций или алгоритма решаемой задачи можно повысить быстродействие системы в несколько раз по сравнению с реализацией на основе однокристального МП с фиксированной системой команд.

Перечисленные достоинства не даются даром, так как, например, разработка собственной системы команд требует также разработки ПО для моделирования, редактирования и загрузки микропрограмм, интерпретирующих систему команд. Кроме того, сам процесс микропрограммирования даже при использовании микроассемблера является более трудоемким из-за сложных форматов микрокоманд по сравнению с командами, необходимости учета временных диаграмм микрокомандного цикла и изучения других деталей на аппаратном уровне. Однако, несмотря на отмеченные трудности, секционные МП с микропрограммированием представляют мощное средство для построения МПС средней и высокой производительности, замены быстродействующих контроллеров, реализованных на основе схем с жесткой логикой, создания спецпроцессоров для обработки сигналов (быстрое преобразование Фурье, цифровая фильтрация), процессоров систем передачи данных и других применений.

Однокристальные МП и их архитектура МП с фиксированной разрядностью и набором команд конструктивно выполняется в виде одной БИС. Все выполняемые однокристальными МП операции определяются системой команд, которые он может выполнить [4. C. 113].

Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя структуру МП, систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

В настоящее время, когда процессор выполняется в виде микропроцессора, тем более как часть микроконтроллера, его структуру лучше представлять так называемой «моделью программиста». Модель программиста позволяет представить его структуру в виде программно доступных ресурсов, не вдаваясь в подробности внутренних связей. Такая модель используется проектировщиками МПС при разработке микропроцессорного устройства. Она является уникальной для каждого типа процессора, но в упрощенном виде может быть представлена следующими блоками (рис. 2).

Рис. 2. Упрощенная модель программиста [2]

аналоговый цифровой сигнал микропроцессорный

СОЗУ — сверхоперативное запоминающее устройство представляет собой набор регистров, находящихся на кристалле процессора (микропроцессора).

К основным характеристикам процессора можно отнести:

— технологию изготовления;

— режимы энергопотребления;

— рабочий диапазон частот;

— цикл шины.

В настоящее время практически все микроконтроллеры выпускаются по CMOS-технологии (Complementary Metal Oxide Semiconductor — транзисторы со структурой Метал-Окисел-Полупроводник с дополняющим типом проводимости: ри n-канальные).

В микросхемах, выпускаемых по этой технологии, совместно используются р-канальные (PMOS) и n-канальные (NMOS) MOS-транзисторы. На рис. 2 дана схема CMOS-инвертора (логического элемента «НЕ»).

Рис. 2. Схема CMOS-инвертора

Когда на вход схемы поступает низкий потенциал, PMOS транзистор открыт, a NMOS — закрыт. При этом на выходе установится высокий потенциал (логическая 1), равный напряжению питания Vcc. Если на вход подан высокий потенциал, то PMOS транзистор будет закрыт, a NMOS — открыт, обеспечивая на выходе низкий потенциал «земли» (логический 0).

Когда элемент находится в одном из этих состояний, через транзисторы протекает очень маленький ток (ток утечки). С увеличением частоты переключения элемента возрастает средняя величина протекающего тока, и потребляемая элементом мощность увеличивается. Чтобы сократить энергопотребление, целесообразно эксплуатировать CMOS-микросхемы при минимально возможной частоте переключения. В «спящем» режиме, когда частота переключения снижается до нуля, потребление мощности значительно сокращается, так как переключения элементов не происходит, и ток в схеме не протекает.

Различают процессоры со статической и динамической структурой.

У процессоров с динамической структурой частота тактового генератора не должна быть ниже определенной технологией частоты, т. е. должна находиться в заданном диапазоне частот (от, минимальной частоты до максимальной). В настоящее время большинство процессоров способны работать в очень широком диапазоне частот: от нуля до десятков мегагерц (процессоры со статической структурой). Это возможно благодаря использованию полностью статической логики.

Широкий диапазон возможных рабочих частот позволяет разработчику лучше настроить процессор на выполнение конкретных заданных функций, снизить энергопотребление в соответствующих приложениях.

Однокристальные микропроцессоры можно разделить, в зависимости от особенностей их архитектуры, на следующие группы:

— RISC и CISC архитектуры;

— фон неймановской и гарвардской архитектуры;

— аккумуляторной, регистр-регистровой и стековой архитектуры;

— синхронные и асинхронные процессоры.

Процессоры с CISC (Complete Instruction Set Computer) архитектурой характеризуются полным набором команд. Вследствие большого разнообразия команд их формат (длина в байтах) различен.

Процессоры с RISC (Reduce Instruction Set Computer) архитектурой характеризуются сокращенным набором команд одинакового формата, выполняемых за один такт процессора. Выполнение более сложных, но редко встречающихся операций обеспечивают подпрограммы.

Основная идея построения RISC-процессора направлена на то, чтобы команды выполнялись за один машинный такт процессора (цикл шины равен такту генератора процессора). Это достигается за счет сокращения набора команд, введения одинакового формата команд, конвейерной обработки и большого сверхоперативного ОЗУ (ОЗУ на кристалле процессора), использования структуры с раздельными шинами. Сокращение набора команд ведет к упрощению внутренней структуры процессора и благодаря этому — к повышению его быстродействия. Кроме того, значительное упрощение структуры позволяет разместить на кристалле процессора большой объем регистровой памяти; сверхоперативного ОЗУ) и тем самым сократить обращения к оперативной памяти.

Применение команд одинакового формата, как правило, большего разрядности шины данных, приводит к структуре с раздельными шинами и к необходимости размещения памяти команд на кристалле процессора. Таким образом, у RISCпроцессоров вся память команд находится на кристалле, они выполняют команды за один такт, имеют большое число равноправных регистров (регистр-регистровая архитектура).

CISC-процессоры выполняют большой набор команд с различными видами адресации (непосредственная, индексная и т. д.). Это даёт разработчику возможность выбрать наиболее подходящую команду для выполнения необходимой операции. Формат команд кратен разрядности шины данных, что позволяет использовать память команд как внутреннюю, так и внешнюю. В последнем случае, в зависимости от длины формата, команда будет считываться из памяти команд побайтно (при байтовой разрядности шины данных) за несколько машинных циклов.

Различают процессоры с архитектурой фон Неймана и с архитектурой Гарвардской лаборатории. Для первой архитектуры память программ и память данных находятся в едином пространстве, и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти. Для второй архитектуры память программ и память данных разделены, имеют свои адресные пространства и способы доступа к ним.

Разделение на аккумуляторную и регистр-регистровую архитектуру связано с равноправностью использования регистров процессора. Возможность равноправного использования всех регистров процессора называется «ортогональностью», или «симметричностью» процессора. Это обеспечивает дополнительную гибкость при выполнении некоторых операций.

В аккумуляторной архитектуре один из регистров специального назначения — аккумулятор — по умолчанию является источником одного из двух операндов и одновременно приемником результата операции, выполняемой в АЛУ. Такой подход позволяет существенно уменьшить формат команды за счет адресации в поле операндов только одного из операндов. Для выполнения, например, операции сложения в процессорах данной архитектуры требуется, кроме собственно команды, по крайней мере, еще две операции пересылки: загрузка первого операнда в аккумулятор и через него в АЛУ, а также пересылка результата операции из аккумулятора по месту назначения после завершения операции [1. C. 237].

Основным отличием регистр-регистровой архитектуры от аккумуляторной является то, что любые ячейки СОЗУ процессора, называемого также регистровым ОЗУ, могут рассматриваться либо как операнды-источники, либо как аккумулятор для приема результата операции. При таком подходе любая из команд процессора может быть трехоперандной и необходимость в дополнительных операциях пересылки данных из аккумулятора и обратно отпадает. Естественно, что регистр-регистровая архитектура требует более сложного формата команды. Наряду с полем кода операции в формате команды будут присутствовать поля адресов операндов-источников и операндов приемников. Регистр-регистровая архитектура является обязательным элементом RISCпроцессоров.

Заключение

Важно помнить, что главный смысл компьютерной революции заключается в качественно новом характере повышения уровня автоматизации в большинстве сфер производственной деятельности, что позволяет повысить производительность труда, снизить себестоимость выпускаемой продукции и значительно сократить ручные операции.

При создании автоматизированных систем различного назначения в качестве их основы широко используются два класса средств цифровой техники:

а) устройства с жесткой структурой, выполненные на базе цифровых логических схем;

б) электронные вычислительные машины (ЭВМ).

Устройства с жесткой структурой обычно содержат большое число интегральных схем (ИС) малой и средней степени интеграции. Эти схемы устанавливаются на платах, а их выводы соединяются в соответствии с реализуемыми функциями. Любое изменение функций требует изменения схемы (т. е. перепайки соединений, замены ИС), конструкции, проверочных тестов. Поэтому главные недостатки устройств с жесткой структурой — большое время проектирования и изготовления и трудности внесения изменений.

Различают три основных типа микропроцессорных устройств:

· секционные микропроцессоры с наращиванием разрядности и микропрограммным управлением;

· однокристальные микропроцессоры с фиксированной разрядностью и фиксированной системой команд;

· однокристальные микроЭВМ (микроконтроллеры).

1. Бесекерский В. А., Ефимов Н. Б., Зиатдинов С. И., Изранцев В. В., Небылов А. В., Соколов Н. Г., Фабрикант Е. А. Микропроцессорные системы автоматического управления. Ленинград: Машиностроение. 1988. 365с.

2. Конференция «Микроконтроллеры и их применение // http://www.ts.aha.ru/wwwboards/mcontrol/7/wwwboard.html

3. Рынок микроэлектроники (справочник) // http://www.gaw.ru/index.cgi

4. Хайдаров К. Г. Теоретические основы электротехники и электроники. М.: Приор, 1999. 312с.