1. funkční,design a architekturamikroprocesorová zařízenía systémy

1.1. Všeobecnéinformace o mikroprocesorové technologii

Základní pojmy adefinicemikroprocesorové technologie

Mikroprocesory a mikropočítače jsou masovými produkty elektronického průmyslu. Znalost základů mikroprocesorové technologie je nezbytná pro inženýry jakéhokoli profilu, zejména systémové inženýry, konstruktéry a procesní inženýry počítačových systémů (CS).

Mikroprocesory (MP) jsou široce používány v moderních letadlech a elektronických zařízeních (REU), technologických řídicích systémech, flexibilních automatizovaných a dalších průmyslových odvětvích. Použití MP má pozitivní vliv na zvýšení produktivity práce, zlepšuje kvalitu zařízení pro různé účely. Díky použití MP a mikropočítače v technické systémy rozšířila se funkčnost zařízení, zvýšila se spolehlivost a stabilita provozu a zlepšila se kvalita zpracování informací.

Perspektivy a možnosti využití MP a mikropočítačů ve výpočetních systémech nejsou dosud zcela odhaleny. Výrobní technologie a architektura MP se neustále zdokonalují. Bitová kapacita moderního jednočipového MP tedy dosahuje 64 bitů. Při použití MP a mikropočítačů by vývojáři měli být schopni posoudit možnosti jejich architektury a Specifikace a také být zběhlý v programovacích jazycích různých úrovní. Assembler je široce používán k vytváření systémového softwaru. Aby byla zajištěna vysoká produktivita programátorů, jsou úlohy zpracování dat řešeny pomocí jazyků na vysoké úrovni (například C). Moderní počítačoví inženýři potřebují znalosti v oblasti architektury MT i programování elektronická zařízení v jazycích různých úrovní.

Základní v mikroprocesorové technice jsou pojmy jako: „mikroprocesor“, „IS“, „IC“, „LSI“, „VLSI“, „sada mikroprocesorů LSI“, „mikroprocesorové zařízení“, „mikroprocesorový systém“, „mikroprocesorová zařízení“. "," mikropočítač "(univerzální a specializovaný)," vestavěný mikropočítač "," osobní počítač "," domácnost Osobní počítač"," Profesionální osobní počítač "," mikrokontrolér " atd.

Kromě toho mikroprocesorová technologie používá pojmy související s počítačovou technologií, a to zejména "svazek", "sběrnice", "rozhraní", "systémové rozhraní", "periferní rozhraní", "adaptér", "protokoly", "linka rozhraní" atd.

Při studiu softwarové nástroje v mikroprocesorové technice se používají obecné pojmy, které se svým jménem shodují s pojmy popisu softwaru ve výpočetní technice, zejména „algoritmus“, „program“, „software“ atd.

Jeden z hlavních základní pojmy mikroprocesorová technologie, je „mikroprocesor“.

Mikroprocesor- tohle je složitýsoftwarově ovládané zařízení,určený pro zpracování digitálních informací ařízení procesu tohoto zpracování ve formě jednoho nebo více integrálůmikroobvody s vyšším stupněm integrace (BIS nebo SBIS).

Integrovaný mikroobvod (ANDSLEČNA) je mikroelektronické zařízení, které plní určitou funkci převodu, zpracování signálů a (nebo) akumulace informací, které má velkou vnitřní hustotu elektricky spojených prvků (nebo prvků a součástí) a (nebo) krystalů a je uvažováno z hlediska požadavky na testování, dodávku a provoz výrobků radioelektroniky jako celku.

Polovodičový IC- integrovaný obvod, jehož všechny prvky a meziprvkové spoje jsou vytvořeny uvnitř a na povrchu polovodiče.

Digitální IC- integrovaný mikroobvod určený pro převod a zpracování signálů, které se mění podle zákona diskrétní funkce.

Integrační stupeň- ukazatel stupně složitosti IC, který je charakterizován počtem prvků a součástí, které jsou v něm obsaženy. Stupeň integrace je určen vzorcem k= lg N, kde k- koeficient, který určuje stupeň integrace, jehož hodnoty jsou zaokrouhleny na největší celé číslo; N- počet prvků a součástí integrovaného obvodu.

Velký integrovaný obvod (BIS)- integrovaný mikroobvod, který obsahuje 500 nebo více prvků vyrobených pomocí bipolární technologie, nebo 1000 nebo více prvků vyrobených pomocí technologie MOS, extra velký integrálníschéma (SBIS)obsahuje nad prvky.

SouborBIS- sada typů LSI, které plní různé funkce, které jsou kompatibilní v architektuře, designu, elektrické parametry a poskytnutí možnosti jejich společného využití při výrobě mikroprocesorové techniky.

Sada mikroprocesoru (IPC)- sada mikroprocesorových a dalších IO, kompatibilních architekturou, designem a elektrickými parametry a poskytujících možnost jejich společného použití.

Mikroprocesor je popsán řadou parametrů, které jsou součástí obou elektronických zařízení (rychlost, spotřeba energie, rozměry, hmotnost, počet úrovní výkonu, spolehlivost, cena, typ pouzdra, teplotní rozsah atd.) výpočetní zařízení(bitová šířka, cyklus provádění příkazu nebo mikropříkazu, počet interních registrů, přítomnost úrovně mikrosoftwaru, typ paměti zásobníku, skladba softwaru atd.).

Mikroprocesorové zařízení ( MPU) - funkčně a konstruktivněhotový výrobek, který je schematický a konstruktivnípřipojení několika mikroobvodů, včetně jednoho nebo více mikroprocesorůurčeno k provedení jednoho popřvíce funkcí: příjem, léčba,přenos, transformace informací a řízení.

MPU má jednotné spojovací vlastnosti (rozhraní, design atd.) a funguje jako součást specifického technického systému.

Mikroprocesorový systém ( MPS) - tohle je velký početfunkční zařízení, jeden zkteré mají mikroprocesor.

Mikroprocesor je jádrem tohoto systému a plní funkce centrální řídicí jednotky a zařízení pro aritmeticko-logický převod dat. Všechna zařízení MPS mají standardní rozhraní a jsou připojena k jediné informační dálnici.

Mikroprocesorová technologie - jedná se o mikroprocesory a výpočetní zařízenízařízení (VT) a automatiky na nich založené.

Toto jsou nejobecnější pojmy. výpočetní techniky... Dnes jsou téměř všechny VT postaveny na bázi mikroprocesorových zařízení.

Univerzální mikropočítač - tohle je mikropočítače, které mají velképrovozní prostředky přizpůsobené pro manipulaci s různýminumerická a textová data a jsou určeny pro použití ve výpočetní technicestředisek.

Jedná se o nejběžnější třídu mikropočítačů, která je základem pro osobní počítače.

Specializované počítače - tohle je Počítače určené k realizaci určitéhokonkrétní algoritmus:Fourierova transformace, výpočet korelacefunkce adr.

Jsou to úzkoprofilové počítače s omezeným počtem systémových příkazů.

Vestavěný mikropočítač (mikroprocesorové zařízení) - zpracovatelská jednotkaúdaje aovládání určené pro použití v domácnostizařízení, systémy řízení procesů popřovládání, periferní zařízení počítačů, kancelářské vybavení atd.

Tyto počítače se nejvíce používají v domácích spotřebičích (televizory, radiomagnetofony, pračky atd.)

Osobní počítač (osobní počítač) - dialogový systémpro individuální použití, prodáváno dálena bázi mikroprocesoruznamená malé externí úložištězařízení a záznamníky dat,které poskytují přístup ke všem počítačovým zdrojům pomocí pokročilého programovacího systému ve vyšších jazycích.

Jedná se o malý velikostí a cenou univerzální mikropočítač určený pro individuální použití. Osobní počítače pro domácnost sloužit jako domov informační centrum. Profesionální osobnípočítače jsou určeny k automatizaci různých operací zpracování velkého množství informací na pracovišti specialisty.

Mikrokontrolér- řízené zařízení vyrobené na jednom nebo několika krystalech, jehož funkcemi jsou logická analýza a řízení.

Klasifikace mikroprocesorů a jejich hlavní parametry

Podle počtu LSI se rozlišují jednočipové, vícečipové a vícečipové dělené MP.

Jednočipový MP implementovat veškerý hardware procesoru jako jeden LSI nebo VLSI. Jednočipový MP má pevnou bitovou šířku, sadu příkazů a je konstrukčně vyroben ve formě jediného integrovaného obvodu (IC). Všechny jím prováděné operace jsou určeny sadou MP příkazů. Charakteristickým rysem jednočipového MP je přítomnost vnitřní páteře pro přenos interních informačních dat a řídicích signálů. Možnosti těchto MP jsou omezeny hardwarovými prostředky krystalu a pouzdra, ale s nárůstem stupně integrace krystalu a počtu terminálů v pouzdru se parametry MP neustále zlepšují.

PROTI mnohokrystal MP logická struktura je rozdělena na funkčně ucelené části, které jsou realizovány ve formě samostatných LSI a VLSI nebo samostatných krystalů v jednom VLSI.

MP rozdělený na více čipů sestávají ze sady mikroprocesorových sekcí.

Mikroprocesorová sekce- tohle je integrovaný mikroprocesorobvod, který implementuje část MT a má prostředky jednoduchého funkcionáluamalgamacese stejným typem nebo jinými mikroprocesorovými sekcemi pro stavbu kompletního MP, MPU nebo mikropočítače.

Rozdělený MP je řízen firmwarem. Mezi členěné MPC patří LSI řady: K1800, KR1802, KM1804 atd. Jejich hlavním účelem je vytvořit vysoce výkonné vícebitové MP a MPC, na jejichž základě jsou implementovány různé řídicí počítačové systémy.

Základem IPC BIS je základní sada IC jedné řady. Může se skládat z jednočipového MP s pevnou bitovou šířkou a sadou příkazů, nebo ze sady jednočipových MP LSI. Pro rozšíření funkčnosti MP je základní MPK LSI doplněn o další typy LSI: RAM, ROM, EPROM, integrované obvody rozhraní, řadiče externích zařízení atd.

Podle typu zpracovávaných signálů se rozlišují digitální a analogový MP. U obou typů MT je zpracování informací digitální. V digitálních MP jsou zpracovávány zejména digitální signály a v analogu pro zpracování analogových signálů je vestavěno analogově-digitální zařízení (ADC) a digitálně-analogový převodník (DAC). V nich jsou vstupní analogové signály přenášeny do MP přes ADC, zpracovány v digitální formě, převedeny do analogové formy v DAC a odeslány na výstup.

Výběr mikroprocesorové sady

pro navrhování výpočetních zařízenía systémy

Výběr IPC pro konkrétní výpočetní zařízení nebo systém je nejobtížnějším úkolem. To je způsobeno neustálým nárůstem počtu IPC a LSI v nich.

Při výběru IPC musí zařízení splňovat určité požadavky: pracovat v reálném čase; zvýšená spolehlivost; odolnost proti hluku; snadná údržba; přítomnost pevného souboru úkolů, které jsou řešeny opakovaně po celou dobu životnosti zařízení.

Výběr IPC se provádí podle tří hlavních kritérií:

1) z hlediska vývoje softwaru je nutné analyzovat bitovou hloubku, počet univerzálních registrů dostupných pro použití, sadu instrukcí a metod adresování, přítomnost a organizaci zásobníku;

2) s ohledem na návrh systému je nutné určit: typ architektury MP (sekce nebo jednočip), typ organizace řízení (mikroprogram nebo s tvrdou logikou), přítomnost logicky kompatibilních LSI z jiných sady, rychlost MP, schopnost přerušit a řídit přístup do paměti, přítomnost automatizovaného návrhu;

3) z hlediska vývoje hardwaru MPS je nutné vzít v úvahu: elektrickou kompatibilitu LSI, počet zdrojů a ztrátový výkon, velikost a typ skříně, počet svorek, rozsah provozních teplot atd.

Výběr IPC pro konkrétní aplikaci se často provádí na základě údajů o technologii, kterou je vyroben.

Otázky a úkoly

1. Jaké faktory určují použití MP a mikropočítače ve výrobních systémech?

2. Jaký je rozdíl mezi jednočipovými MP a multičipovými (nerozdělenými a rozdělenými)?

3. Co obecné parametry charakterizovat MP, MPU a MPS?

4. Jaké jsou vlastnosti MP?

5. Jaké jsou hlavní parametry moderního MP.

6. Jaká jsou kritéria pro výběr mikroprocesorových sad při navrhování výpočetních zařízení a systémů?

1.2. Obecné otázkyorganizací afungovánímikroprocesorová zařízenía systémy

Struktura mikroprocesorových zařízenía systémy

Každý MPS se skládá z MP, paměťového systému, informačního vstupně-výstupního systému a systému pro propojení s objektem řízení nebo monitorování.

Mikroprocesor a plní roli centrální řídicí jednotky a zařízení pro aritmetické a logické převody dat.

Paměť fyzicky implementován jako systém, který se skládá z několika úrovní.

Trvalá úložná zařízení (ROM) jsou určeny k dlouhodobému uchování předem nahraných dat a používají se pouze v režimu čtení. Jsou nevolatilní.

Paměť s náhodným přístupem (OZP) pracovat v režimu online zápisu a čtení s rychlostí blížící se rychlosti procesoru. Jsou nestálí.

Externí úložná zařízení (VPaměť) vykonávají funkce ukládání velkého množství informací, obsahují mechaniky na disketových a pevných magnetických discích, kompaktních discích (laserech) atd.

Zařízenízadávání dat (HC) jsou určeny pro přenos dat zvenčí do registrů MP nebo do paměti. Mezi nimi - klávesnice, různé ovládací panely, magnetické a laserové disky atd.

Zařízení pro výstup dat (UVv) jsou určeny pro vnímání dat přenášených z MP registrů nebo paměťových buněk. Jedná se o displeje, tiskárny, VCU, ovládací panely, plotry (plotry) atd.

K propojení řízeného nebo monitorovaného objektu s MPU nebo MPS musí zařízení obsahovat senzory a ovládací mechanismy. Chcete-li je připojit k MPU, ať už ministerstvo železnic používá blokypárování, které plní funkce vyjednávání rozhraní. Někdy se těmto jednotkám říká objektová komunikační zařízení (OCD).

Rozhraní mikroprocesorových zařízenía systémy

Architektonické schopnosti IPM do značné míry závisí na typu rozhraní.

Jednotné rozhraní je soubor pravidel, která stanovíjednotné principy interakce MPS zařízení.

Rozhraní zahrnuje hardware pro připojení zařízení (konektory, spoje), specifikaci názvosloví a charakteristik spojů, software, popisy charakteru signálů rozhraní a jejich časových diagramů a také popis elektrofyzikálních parametrů signálů.

Hlavním úkolem rozhraní je na základě sjednocení zajistit kompatibilitu hardwaru, softwaru a konstrukčních nástrojů, které předurčují zadanou kvalitu automatické interakce různých funkční prvky v jediném procesu zpracování informací v MPS ve fázích sběru, transformace, uchovávání a dodávání výsledků a kontrolních akcí.

Architektura MPS je určena především třemi úrovněmi rozhraní: systém, stroj-stroj a malé rozhraní (periferní rozhraní).

Systémové rozhraní zajišťuje integraci hlavních modulů (bloků) MPS do jednoho systému pro rovnocennou výměnu informací s zpracovatelem a OZP.

Systémová rozhraní se dělí na soustředěná (PC rozhraní), lokálně soustředěná (Q-bus) a lokální (Unibus).

Rozhraní stroj-stroj zajišťuje výstavbu multiprocesorových systémů a lokálních i distribuovaných systémů a sítí.

Malá rozhraní vzít v úvahu rozdíl ve fyzikálních principech fungování skupin periferních zařízení a ROM. Malé řadiče rozhraní poskytují přístup k systémovému rozhraní. V tomto případě řadiče periferních zařízení a ROM přejdou na odpovídající malé rozhraní.

Mikroprocesorové řízenízařízení (systémy)

Časová koordinace informačních signálů v MPU se provádí pomocí speciálních signálů přicházejících z řídicího zařízení MP. MPU nebo MPS funguje synchronně s výskytem hodinových signálů. Nejjednodušší akce, která se provádí v LCP (LPS), se nazývá stav. Pokrývá jednu periodu hodinového signálu - hodinyinterval nebo měření.

Zadaný počet hodinových intervalů je strojcyklus. Jedna paměť nebo vstup/výstup vyžaduje jeden strojový cyklus. V jednom cyklu je načten příkaz nebo data a také adresový kód (případně bajt příkazu nebo dat a bajt kódu adresy).

Strojový cyklus- část týmu (někdy celý tým). Na začátku každého cyklu stroje se na synchronizačním kolíku MP objeví synchronizační signál. Přenáší se na paměťové zařízení (paměť) a (nebo) na vstupně/výstupní zařízení (IO) a "upozorňuje" na začátek nového strojového cyklu, v důsledku čehož dojde k časové koordinaci provozu těchto zařízení s provozem MP je dosaženo.

Schéma 1 Struktura týmu

Příkazová smyčka- časový interval potřebný pro načtení příkazu z paměti a jeho provedení. Skládá se z jednoho nebo více strojních cyklů. jejich počet se zpravidla rovná počtu přístupů MT do paměti nebo do jednoho z I/O zařízení. Struktura příkazu je znázorněna na diagramu 1.

Ovládací zařízení provádí funkce řízení a synchronizace, to znamená, že řídí změnu stavů MP v požadovaném pořadí a koordinuje je se signály generátoru hodin. Skládá se z řídicího automatu určeného k řízení procesů uvnitř MP a obvodu, který přijímá signály zvenčí a generuje signály, které řídí systém.

Kód příkazu je dešifrován a přeměněn na binární signály, které ovlivňují moduly a bloky MP, které se účastní provádění tohoto příkazu.

Instrukční cyklus je rozdělen do dvou fází: fáze vzorkování a fáze provádění.

Fáze odběru vzorků- stroj nastaví začátek dalšího cyklu, podle kterého se číslo v čítači příkazů přenese do registru adres vyrovnávací paměti. Odtud je přes adresní sběrnici odeslán adresový kód příkazu do paměti, kde je dešifrován. Po signálu "přečtení" z paměťové buňky je příkazové slovo načteno a přeneseno přes datovou sběrnici do vyrovnávacího datového registru, ze kterého je přeneseno do příkazového registru a následně dešifrováno.

Fáze provádění- řídicí zařízení generuje sekvenci signálů potřebnou k provedení příkazu. Během této doby se údaje počítadla zvýší o jednu. To tvoří adresu dalšího příkazu, který se má provést.

Čtení nebo psaní slova probíhá po určitou dobu, která se nazývá přístupová doba. Doba potřebná k přístupu a příjmu signálu připravenosti z paměti se nazývá cyklus čekání na připravenost. Tvoří součást strojního cyklu.

Výměna informací mezi MP, pamětí a air-blastovým zařízením je realizována především ve třech režimech: softwarově řízená výměna, výměna v přerušovacím režimu, výměna v režimu přímého přístupu.

Softwarově řízená výměna. V tomto režimu MP určuje, zda je paměťové zařízení nebo periferní zařízení (CP) připraveno provést I/O operaci až do zahájení softwarového přenosu dat. Zařízení pro foukání vzduchu musí mít hardware pro generování signálů o vnitřním stavu. MP tyto informace přečte a na základě analýzy výsledku dojde k závěru, že zařízení je připraveno k výměně informací. Následně probíhá výměna dat v souladu s protokolem rozhraní.

Režim přerušení. Používá se při nutnosti okamžitého přenosu dat mezi air-blastem a MP (reakce na neočekávaný výskyt vnějších podmínek). V tomto případě musí MP přerušit práci hlavního programu a začít spouštět program pro obsluhu externího zařízení. Tento režim se nazývá přerušení. Přerušení MT je možné pouze tehdy, když je MT povoleno reagovat na požadavky na přerušení.

Po přijetí signálu přerušení MP dokončí aktuální operaci, přenese všechny informace vnitřních dat a řídicích registrů k uložení do paměti a přejde do podprogramu služby přerušení. Po skončení výměny informací o přerušení se obnoví stav MP, který existoval na začátku přerušení.

Existují tři typy přerušení: jednoduchá, vektorová a prioritní.

Jednoduché přerušení upozorňuje, že některá I/O zařízení vyžadují údržbu MP.

Vektorové přerušení umožňuje rozpoznat typ (úroveň) přerušení vyžadovaného periferním zařízením. Vektor určuje konkrétní adresu zařízení.

Přednostní přerušení spočívá v tom, že kromě rozpoznání přerušení je určena priorita při obsluze přerušovacích zařízení.

Přímý režimpřístup do paměti. Někdy je nutné vyměňovat si informace vn MP. To je spojeno se zkrácením času potřebného pro výměnu datových polí. V tomto případě hardwarová část MPP, zda MPU obsahuje řadič přímého přístupu do paměti, který řídí přenos dat, osvobozuje MP od těchto funkcí.

Zařízení s přímým přístupem do paměti jsou připojena paralelně k procesoru. Oddělení těchto kanálů se provádí pomocí tristabilní logiky pro řízení stavu sběrnic MPS. Během přímého přístupu do paměti MP převede své původní obvody do stavu s vysokou impedancí a je izolován od systému, což je podobné jako při přerušení informačního kanálu. Stav vnitřních registrů zůstává stejný jako v době požadavku na kanál přímého přístupu.

Existuje několik způsobů, jak implementovat přímý přístup do paměti. Všechny poskytují nejvyšší rychlost výměny dat ve srovnání s režimem softwarově řízené výměny. Nejčastěji je režim přímého přístupu do paměti implementován se zastavením MP a zvýšením (prodloužením času) cyklu MP.

Metoda zastavení na základě toho, že v tomto stavu je MP odpojen od systémová sběrnice v době přenosu dat. Před vstupem do stavu zastavení MP dokončí provádění aktuálního příkazu a je v tomto stavu zpožděn o několik hodinových cyklů, dokud se pneumatiky neuvolní. Podle tohoto schématu přímého přístupu do paměti MP, odpojený od sběrnic, nereaguje na přerušení, což může být v některých případech pro MPS nepřijatelné.

Metoda zachycení spočívá v sekvenční výměně dat. Zařízení rychlého rázu vzduchu si vyměňují pouze jedno slovo; jejich servisní požadavek je uspokojen zpožděním provádění aktuální instrukce o jeden strojový cyklus, když je MT ve stavu přechodu z jednoho strojového cyklu do druhého. V tomto režimu DMA je MP pozastaven pouze na jeden strojový cyklus pro přenos každého datového slova, po kterém je řízení vráceno MP.

Adresní prostor. Mechanismus a metody oslovování

Adresní prostor MPU (MPS) - mnoho adres operačníhopaměť aROM, která je k dispozici pro programy spouštěné MP.

Velikost adresního prostoru MP RAM je jednou z veličin, které výrazně ovlivňují výkon MPU jako celku.

Velikost adresního prostoru - hodnota,která je určena maximemvelikost adresy a je vyjádřena v jednotkách minimapočet paměťových prvků, které jsou adresovány - v bajtech nebo ve velkémJednotky (KB, MB, GB).

Pokud je adresa v MPU tvořena ve formě 16bitového slova, pak je adresní prostor 64 KB, 20bitový - 1 MB atd. MP a air-blast. V tomto případě neexistují žádné I/O příkazy jako takové. Přístup do registrů MP a UVV se provádí stejným způsobem jako přístup k paměťovým buňkám.

Při tvoření slova se jedná o 2bajtovou adresu, bajt se sudou (nižší) adresou se nazývá nižší a bajt s lichou adresou se nazývá vyšší.

Adresový prostor MPU je často znázorněn ve formě diagramu, který udává celkový rozsah adres. Tento rozsah lze rozdělit na podrozsahy, které odpovídají standardní velikosti strukturální moduly, čipy, různé typy pamětí (RAM, ROM atd.) nebo jejich konkrétní účel.

Adresní příkazy zaujímají významné místo v systému příkazů MP.

Příkaz adresy - tým, ve kterémjeden nebo oba jeho operandy jsouv RAM.

Jedním z důvodů takové organizace instrukce je, že není možné přímo zapsat celou fyzickou adresu do jednoho operandu instrukce z důvodu omezení délky instrukce. Do operandu se tedy umístí pouze určitá hodnota, s jejíž pomocí se vypočítá skutečná adresa instrukce.

Obecně je mechanismus adresování do značné míry určen schopnostmi LCP (MPS) efektivně zpracovávat informace s minimálním počtem volání do RAM. V LCP (MPS) se často používají příkazy dvou nebo více slov.

K omezení délky adresního slova se používají různé způsoby adresování, které umožňují:

1) určení plné adresy paměťové buňky s méně bity, než je délka instrukce zkrácena;

2) přístupové paměťové buňky, jejichž adresy se vypočítávají během zpracování, což poskytuje přístup k zařízením pro rozšíření paměti;

3) vypočítat adresy dat vzhledem k pozici (aktuální adrese) příkazu tak, aby bylo možné program načíst do libovolného paměťového místa bez změny adresy v programu.

Všechny režimy adresování lze rozdělit do dvou skupin:

1) režimy, ve kterých je výkonná adresa určena jednou kódovou hodnotou v příkazu;

2) příkazy, které používají obsah adresové části příkazu a jeden nebo více registrů k vytvoření výkonné adresy.

Do první skupiny patří adresování přímé, přímé, nepřímé, nepřímé, přímé, autoinkrementální a autodekrementální a do druhé - základní, relativní, zásobníkové, virtuální adresování.

Přímé adresování. Operandy se načítají z paměti (registrů) na adrese zapsané v instrukci. Zadání přímé adresy však vyžaduje mnoho bitů k popisu velké adresy v příkazu. K jeho snížení používají některé mikropočítače krátké přímé adresování, které poskytuje přístup k omezené části adresního prostoru. Pokud adresy v příkazu nejsou symbolické (určené odkazy), ale absolutní, pak se takové přímé adresování volá absolutní.

Přímé adresování registru. PROTI v kódu příkazu je uložen název registru, ve kterém se operand nachází. Přímé adresování není dostatečně flexibilní, protože neumožňuje provést proceduru úpravy adresy nezbytnou pro zajištění pohybu programů v paměti a pohodlí práce s poli.

Nepřímé adresování. Operand z paměti se vybírá nepřímo – přes paměťovou buňku. Kód příkazu obsahuje ukazatel na adresu umístěnou v paměti. Při provádění příkazů s takovým adresováním se přístupy do paměti provádějí dvakrát: nejprve se vybere adresa a poté operand. Beze změny kódu příkazu tedy můžete změnit adresu uloženou v oblasti paměti, na kterou ukazuje pole příkazového kódu.

Nepřímé adresování registru. Rychlostí se blíží přímému adresování, jelikož nepřímá adresa se vybírá z vnitřního registru procesoru a nevyžaduje další paměťový cyklus. Podle tohoto schématu adres obsahuje registr nebo dvojice registrů prováděcí adresu operandu. Načítání registrů se provádí pomocí příkazů s přímým adresováním. Použití režimu nepřímého adresování registru umožňuje vypočítat adresu paměti během provádění programu, což je někdy nutné v procedurách přenosu dat, při prohlížení prvků pole atd.

Přímé adresování. Operand je v kódu příkazu. Příkazy se v tomto případě mohou skládat ze dvou nebo tří slov.

Auto-inkrementace a auto-decrement adresování. Výkonná adresa se vypočítá stejným způsobem jako u nepřímého adresování registru a poté se obsah registru zvětší. V mikropočítači s bytovým adresováním musí být obsah registru zvýšen o 1 pro označení dalšího bytu a o 2 pro označení adresy dalšího slova, přičemž velikost operandu je určena operačním kódem. V autodekrementálním režimu je adresa operandu tvořena odečtením 1 nebo 2 z registru adres. Rozdíl od automatického přírůstkového adresování je v tom, že odečítání se provádí před použitím obsahu registru jako prováděcí adresy. Kombinace režimů automatického přírůstku a automatického snižování zajišťuje efektivní využití libovolného registru jako ukazatele zásobníku. Takovéto adresování se také používá při organizování smyček a při operacích s řetězcovými proměnnými.

Základní adresování. Programy, které obsahují instrukce s absolutními adresami, nelze přesunout do paměti bez úpravy adres. Pohyb programů v paměti je možné zajistit pomocí adresování báze, pomocí které se vypočítá adresa operandu sečtením obsahu základního registru - kladného nebo záporného offsetu a adresy umístěné v kódu instrukce.

Relativní adresování. Výkonná adresa je tvořena přidáním základní adresy do pole adresy příkazu. Obsah programového čítače se používá jako základní adresa. Použití relativního adresování umožňuje vytvářet programy, které se nezávisle pohybují v paměti díky skutečnosti, že vždy obsahují offset vzhledem k obsahu programového čítače. Offsety jsou interpretovány jako celé číslo se znaménkem, reprezentované dvojkovým doplňkem, které přechází v libovolném směru.

Adresování zásobníku. Adresování nepřímého registru s autoinkrementací nebo autodekrementací (autoincrement nebo autodecrement), ve kterém je implicitně specifikován registr s ukazatelem adresy operandu (existují instrukce, kde je umístění operandů a výsledek fixní - implicitní adresování). Zavolá se paměťové místo, na které ukazuje obsah implicitně specifikovaného registru (ukazatel zásobníku). vrchol zásobník. Pomocí adresování zásobníku se speciální přístup k části paměti nazývá zásobník, který je založen na principu „poslední přijde – první vyjde“. Pro přístup k zásobníku se používají příkazy, které zapisují informace do zásobníku a vyskakují je z něj. Pokud příkazy, které zapisují informace do zásobníku, snižují obsah ukazatele zásobníku a příkazy, které vyskakují ze zásobníku, zvyšují, pak říkají, že zásobník pracuje pro snižování, v opačném případě - pro zvyšování.

Virtuální adresování. Každý uživatel paměti (operační systém nebo osoba), řešící aplikovaný problém, manipuluje s virtuálními adresami, což vytváří iluzi paměti neomezené kapacity, ačkoli skutečná RAM systém má omezenou kapacitu. Iluze vzniká díky mechanismu virtuálního adresování, jehož základem je dynamické přerozdělování paměťových stránek mezi hlavní pamětí systému (OZP) a externí.

Operační systém vytvoří pro každého uživatele tabulku shody mezi virtuálními a fyzickými stránkami. Pokud je zpřístupněna fyzická stránka, která není v hlavní paměti, pak je odstraněna z externí paměti a načtena do hlavní a nepotřebná stránka je "skryta" v externí paměti. Virtuální paměť nebo jednoduše systémovou paměť lze rozdělit do segmentů, ve kterých jsou uloženy informace podle funkčních charakteristik. Například v jednom segmentu - příkazy, ve druhém - data, ve třetím - část zásobníku. Nebo v jednom segmentu, ve kterém je zakázáno psaní, - jádro operační systém, a ve druhé, která umožňuje zápis a čtení, - uživatelské programy. Pomocí segmentačního mechanismu jsou tedy vyřešeny problémy s ochranou paměti.

Segmentace byla implementována v MP K1810VM86 a virtuální adresování - v MP ІАРХ286 (Intel) a 68010 (Motorola).

Příkazový systém. V obecném případě je příkaz chápán jako jeden krok v ovládání výkonného zařízení ve formě instrukce ve strojovém jazyce. Příkaz definuje operaci, která má být provedena, a její atributy: typ operace provedené v tomto cyklu práce; adresa jednoho nebo dvou operandů zapojených do operace; umístění výsledku operace; adresu umístění dalšího příkazu. Kvůli malé bitové hloubce MP je obtížné a někdy nemožné uvést takovou informaci jedním strojovým slovem. Proto se příkaz může skládat z několika strojových slov.

Obecně se rozlišují následující typy příkazů:

1) přenos - jednosměrný (registr-registr, paměť-registr, registr-paměť, paměť-paměť), výměna (registr-registr, paměť-registr, paměť-paměť), vstupní / výstupní příkazy;

2) aritmetika;

3) logické;

4) bitové zpracování;

5) ty, které mění posloupnost výpočtů - přechody (nepodmíněné, podmíněné), volání podprogramů, návrat z podprogramů, softwarová přerušení.

Samotestovací otázky

1. Popište zobecněnou strukturu MP a MPS.

2. Na jakém základě jsou klasifikována rozhraní MPU a MPU?

3. Jaké funkce plní MT při zpracování příkazu (instrukce) během fáze vzorkování, fáze provádění?

4. Za jakých okolností se výměna informací mezi MP a paměťovými zařízeními provádí v režimu přerušení nebo přímého přístupu do paměti?

5. Na jakých parametrech MP závisí velikost adresního prostoru?

6. Pomocí Dodatku 1 uveďte příklady adresových příkazů s přímým, nepřímým, přímým, základním, relativním, automatickým přírůstkem, zásobníkem a virtuálním adresováním.

7. Jaké informace nese příkazový kód v systému příkazů MP?

1.3. Formalizace procesuprojektovánímikroprocesorová zařízenía systémy

Aspekty a úrovně designu

Při návrhu MPU a MPS v mnoha případech využívají blokově-hierarchický přístup, ve kterém navrhovaný systém je rozdělen do hierarchických úrovní. Na nejvyšší úrovni se používá maximálně nedetailní prezentace, kde jsou zobrazeny pouze obecné vlastnosti a vlastnosti navrženého systému. Na dalších úrovních se zrnitost zvyšuje. V tomto případě je MPS považován za soubor samostatných bloků. Na každé úrovni jsou formulovány a řešeny problémy určité složitosti, které jsou implementovány pomocí návrhových nástrojů dostupných na této úrovni. Rozdělení do bloků by mělo být takové, aby dokumentace ke každému jednotlivému bloku byla srozumitelná pro jednoho projektanta.

Blokově-hierarchický přístup tedy umožňuje rozdělit komplexní návrhové úlohy pro velké MPS do skupin malých úloh a v rámci skupiny lze paralelně řešit různé úlohy.

V souladu s ESKD se při návrhu zařízení a systémů používají konstrukční, funkční a schematická schémata.

V simulovaném schématu návrhu je podmíněně možné rozlišit horizontální a vertikální úrovně (tabulka 1). Vertikální úrovně se nazývají aspekty. Existují takové aspekty návrhu MPU a MPS: funkční, algoritmické, designové a technologické.

Funkční aspekt sestává ze tří horizontálních úrovní (2., 3. a 4.): systémové (konstrukční), funkčně-logické a obvodově-složkové. Na systémové úrovni navrhují strukturální schéma MPU nebo MPS na funkční a logické úrovni funkční a schematická schémata MPU nebo všech zařízení, která jsou součástí MPS.

Na podúrovni obvodů na úrovni obvodů-komponent, základní elektrické obvody integrované obvody nebo fragmenty LSI (VLSI). Prvky jsou v tomto případě součástky elektronických obvodů: rezistory, kondenzátory, diody, tranzistory atd. Na podúrovni součástek jsou vyvíjeny jednotlivé součástky IC, které se skládají z prvků-sekcí polovodičového krystalu.

Algoritmický aspekt dále obsahuje tři horizontální úrovně (1., 2. a 3.): úroveň rozvoje schématu fungování MPU nebo MPS, úroveň architektonická a úroveň mikroprogramu. Na 1. stupni vypracovávají schémata fungování MPU nebo MPS, určují úkoly, které bude řešit mikroprocesorová část MPS, plánují softwarových systémů a vyvíjet vývojové diagramy. V budoucnu jsou vyvíjeny softwarové moduly.

Hlavním úkolem 2. (architektonické) úrovně je volba architektury mikroprocesorové části MPS. Někdy je to považováno za jeden z úkolů systémové úrovně, to znamená, že spojují architektonickou a systémovou úroveň do jednoho aspektu funkčního designu.

Stůl 1.Horizontální a vertikální yúroveň designu

Horizontální úroveň

Aspekty (vertikální úrovně)

Funkční

Algoritmické

Design

Technologický

Vývoj zákonů pro fungování LPA (MPS); navrhování algoritmů; programovací moduly

systémové (strukturální)

Architektonický (stroj)

Stoupačka, pa-nel

Vytvoření schematického diagramu technologický postup

Funkčně-logické

Mikro-software

TEZ, modul

Vývoj tras technologických procesů

Schematic-component-ny

IC krystaly

Projektování technologických operací

3. (mikroprogramová) úroveň je určena pro návrh mikroprogramů operací a procedur, které jsou hardwarově prováděny v mikroprocesoru MPU nebo MPS.

Designový aspekt obsahuje horizontální hierarchické úrovně návrhu stoupaček, panelů, TEZ_v, modulů a krystalů (ch_p_v) IC (2., 3., 4. stejný).

Technologický aspekt se skládá ze tří horizontálních úrovní – 2., 3. a 4. Na 2. úrovni se vypracuje schéma technologického postupu výroby MPU nebo MPS, to znamená, že se určí složení a sled fází výroby MPS (MPS). Na 3. úrovni se rozvíjejí trasy technologického procesu výroby MPU (MPS), to znamená, že se určuje skladba a sled operací pro výrobu produktu, vybírají se typy a skupiny technologických zařízení. Na 4. úrovni jsou navrženy technologické výrobní operace součástky MPU (MPS).

Hlavní úkoly konstrukčních úrovní

Systémové a architektonickédesignové rovnosti:

1) stanovení zásad organizace LPA (IPU);

2) vývoj strukturální schéma, to znamená stanovení složení zařízení nebo systému a způsobu interakce komponentů během provozu zařízení;

3) výběr mikroprocesorové (mikroprocesorové) sady LSI (VLSI);

4) stanovení požadavků na parametry zařízení nebo systému a vytvoření technického úkolu (TOR) pro vývoj jednotlivých MPS zařízení.

Zadávací podmínky pro vývoj jednotlivých zařízení MPS obsahuje: výčet všech funkcí prováděných každým zařízením; provozní podmínky zařízení; požadavky na jeho vstupní a výstupní parametry; údaje o obsahu a formě informací vyměňovaných s jinými zařízeními; elementová základna pro vytvoření zařízení.

Funkční logika a firmwareúroveň designu:

1) podrobný popis funkcí každého zařízení;

2) algoritmická implementace funkcí, které jsou prováděny programově, a prezentace algoritmů v jednom z akceptovaných algoritmických jazyků;

3) výběr principů organizace LPA (MPS) a vývoj jeho koncepčního diagramu;

4) vývoj mikroprogramů, které slouží jako základ pro každý příkaz nebo sadu mikroinstrukcí a pořadí jejich provádění;

5) syntéza funkčních a schematická schémata digitální zařízení, která jsou součástí MPS;

6) syntéza kontrolních a diagnostických testů pro MPP nebo MPE;

7) formulace technických specifikací pro úroveň návrhu obvodu.

Hlavní kritéria návrhu pro komplexní MPP aMPS:

1) kvalita designu;

2) náklady na projektování;

3) podmínky vývoje;

4) počet zaměstnaných vývojových specialistů.

Podle možností formalizace procesu návrhu a jeho iterativnosti je dávána přednost volbě počítačově podporovaného návrhu MPP nebo MPS. V dnešní době je vzhledem k velké složitosti MPP a MPS úplný vývoj mikroprocesorové části obecně nemožný bez použití metod počítačově podporovaného návrhu.

Otázka. Úkol

1. Vysvětlete podstatu blokově-hierarchického přístupu k návrhu WFP a MPS.

2. Co představují aspekty v simulovaném schématu návrhu PPM?

3. Na které z horizontálních úrovní je MPP navržena ve formě TEZ a které hledisko tomu odpovídá?

4. Jaké jsou hlavní úkoly návrhu WFP na systémové úrovni.

5. Jaké jsou rysy architektonické úrovně designu WFP?

6. Co je podstatou funkčně-logické úrovně návrhu MPP a MPS?

7. Jaké jsou hlavní úkoly řešené na mikroprogramové úrovni MPP?

1.4. Architekturamikroprocesorzařízení a systémy

Podstata architektury a principů

vývoj mikroprocesorových zařízení a systémů

Podstata architekturyLPA a ministerstvo železnic.

Architektura mikroprocesoru odráží ve funkčnosti jeho základních elektronických součástek používaných k reprezentacidata, strojní operace,popisy algoritmů a výpočetních procesů.

Architektura sjednocuje hardware, firmware a software výpočetní techniky a umožňuje jasně rozlišit, co musí uživatel při tvorbě konkrétního MPS implementovat v softwaru a doplňkovém hardwaru.

Jinak je architektura MP její logickou organizací, vzhledem k možnostem MP s ohledem na hardwarovou nebo softwarovou implementaci funkcí, které jsou přiřazeny navrženému MPU nebo MPU. Zobrazuje strukturu MT, způsoby prezentace a datové formáty, sadu příkazů, formáty řídicích slov, způsoby přístupu ke všem prvkům struktury, které má uživatel k dispozici, reakce MT na vnější signály.

Na architekturu MT lze pohlížet jako na soubor jejích vlastností a charakteristik z pohledu uživatele. Popisuje metodiku pro optimální kombinaci sady hardwaru, softwaru a mikroprogramovacích prostředků MPU nebo MPS ve vztahu k vlastnostem, které používají vývojáři a uživatelští programátoři.

Při vývoji architekturaLPU, stejně jako pro MT, jsou určeny datové a příkazové formáty, příkazový systém a způsoby adresování, jsou zdůvodněny typy adresování, požadavky na rozhraní. Správná volba architektura umožňuje optimalizovat výpočetní proces, který implementuje algoritmy pro fungování MPU.

Architektura mikropočítač - abstraktní pojem mikropočítač z hlediska funkčních celků, základních počítačových modulů, datových struktur. Architektura konkrétně nedefinuje vlastnosti hardwaru, dobu provádění instrukcí, míru paralelismu při implementaci programu a další podobné vlastnosti. Zobrazuje aspekty struktury mikropočítače, zejména: příkazový systém, režimy adresování, datové formáty, sadu registrů dostupných uživateli. Termín "architektura" se používá k popisu schopností, které mikropočítač poskytuje, a termín "organizace" definuje, jak jsou tyto schopnosti implementovány.

Popis architektury je model mikropočítače, jehož pochopení je důležité nejen pro programátora. Může být použit jako výchozí bod pro potenciálního vývojáře nového mikropočítače: v tomto případě developer transformuje architektonické prvky, které představují určité logické schéma, soubor nezbytných propojených komponent.

Všechny mikropočítače obsahují funkční bloky s vlastní vnitřní mikroarchitekturou: 1) procesor, sestává z aritmeticky logické jednotky a řídicí jednotky; 2) paměť je soubor paměťových prvků (buněk) a řídicí jednotka; 3) zařízení pro vstup a výstup informací jsou také složitá zařízení, která zahrnují mechanické a elektronické moduly. Tyto funkční bloky jsou kombinovány pomocí sběrnicového systému: datová sběrnice, jejímž prostřednictvím dochází k výměně informací mezi mikropočítačovými bloky; adresová sběrnice, která se používá pro přenos adres na softwarově řízená zařízení, a řídicí sběrnice pro přenos řídicích slov.

Definice počítačová architektura, jako univerzální mikropočítač se význam neliší od definice architektury mikropočítače obecně.

Počítačová architektura , z pohledu programátora abstraktní reprezentace (nebo definice) výpočetního systému jako souboru hardwaru a softwaru. Architektura je v podstatě informace o funkční (logické) organizaci počítače.

Architektura IPU - definice funkcí implementovaných systémem na jeho jednotlivých úrovních a přesné vymezení hranic mezi těmito úrovněmi. Definuje principy organizace MPS a funkce jejích součástí, zejména procesor, paměť atd. Architektura MPS nezobrazuje Designové vlastnosti logické struktury a moduly a technologie jejich výroby.

Principy designuLPA a ministerstvo železnic

Od samého počátku se při návrhu a vývoji mikropočítačů uplatňovaly především tyto základní principy: modularita, páteř, mikroprogramovatelnost a pravidelnost struktury.

Zásada modulární organizace zajišťuje konstrukci mikropočítače a MPS na základě sady modulů.

Modul - konstruktivní, funkční aelektricky kompletnípřístroj,což umožňuje samostatně nebo ve spojení s ostatnímimodulyřešit výpočetní nebo řídicí problémydané třídy.

Rozlišovat funkční a konstruktivní moduly. Modulární přístup umožňuje standardizovat prvky vyšší úrovně a snižuje náklady na návrh MPU a MPS, zjednodušuje zvýšení kapacity a rekonfiguraci systémů.

Spojení modulů a jejich prvků mezi sebou se provádí především podle dvou principů: a) princip svévolespojení, která implementuje pravidlo „každý s každým“ a b) zásadaobjednané odkazy- kmen, což umožňuje minimalizovat počet odkazů. Zajišťují výměnu informací mezi funkčními a strukturálními moduly různých úrovní pomocí dálnic spojujících vstupní a výstupní sběrnice.

Většina mikropočítačů a MPS má víceúrovňovou organizaci ovládání programu.

Zásada mikroprogramové ovládání poskytuje největší flexibilitu při organizování multifunkčních mikroprocesorových modulů a určitou kombinací mikroinstrukcí umožňuje realizovat problematickou orientaci mikropočítače. Díky tomuto principu je možné v MPS využívat makrooperace a provádět příkazy a programy efektivněji než při použití podprogramů.

Ovládání firmwaru poskytuje:

Větší flexibilita zařízení díky možnosti měnit firmware,

Zvyšuje pravidelnost struktury zařízení díky širokému použití maticových struktur, jako je paměť,

Poskytuje paralelní řešení problémů s distribuovaným řízením a distribuovanou pamětí,

Zvyšuje spolehlivost zařízení pomocí paměťových čipů,

Zjednodušuje ovládání fungování zařízení, protože ovládání mikroprogramové řídicí jednotky je redukováno na ovládání obsahu paměťového zařízení.

Princip pravidelnosti předurčuje opakovatelnost prvků struktury a spojení mezi nimi.

O pravidelnosti systému se obvykle uvažuje na různých úrovních jeho organizace. Hlavní způsoby, jak zvýšit pravidelnost struktury LBT a LPS, jsou:

1) široké použití zařízení, jako je paměť;

2) odmítnutí přiřadit určité mikrooperace rejstříkům;

3) použití struktur registru;

4) výroba univerzálních registrů a dalších registrů ve formě paměťových buněk;

5) použití hlavní metody výměny informací;

7) využití principu mikroprogramového řízení;

8) vývoj paralelních MPS.

Klasifikace architektur mikroprocesorových zařízení a systémů

Existuje několik klasifikací architektur MPU a MPS, které se většinou shodují s popisy zobecněné počítačové architektury.

KlasifikaceM. Flin. Jedná se o jednu z úspěšných klasifikací, které ukazují architektonické rozdíly mezi počítači. Architektonické vlastnosti počítače jsou popsány z hlediska toku příkazů (instrukcí) a toku dat. Tento přístup umožňuje klasifikovat počítačové architektury do jedné z určitých tříd (tabulka 2, schéma 2).

tabulka 2 Flynnova klasifikace počítačových architektur

Proud příkazů

Jediný datový tok

Vícenásobný datový tok (MD)

Single (OK)

SISD (počítače s jedním procesorem)

OKMD (SIMD) (počítače s paralelními nebo asociativními procesory)

více (MK)

MISD (páteřní počítače dopravníků)

MIMD (MIMD) (multiprocesorové nebo vícestrojové komplexy)

Klasifikace se neprovádí z hlediska struktury strojů, ale z hlediska toho, jak v počítači jeho strojové instrukce interagují s daty. Přesto je Flynnova klasifikace velmi obecná, to znamená, že zařazuje všechny paralelní počítače kromě víceprocesorových do stejné třídy a nenaznačuje žádný rozdíl mezi dopravníkovým počítačem a MP maticí.

Používají se i další klasifikace architektur, zejména systematika F. Shary, strukturální systematika R. Hockneyho a C. Jesshopea, která používá speciální strukturální zápisy.

Strukturní taxonomie R.Hockney a K. Jesshope. Na první úrovni jsou všechny výpočetní systémy rozděleny podle principu multiplicity (množství) na jednopočítačové a vícepočítačové systémy. Výpočetní systémy s jedním počítačem se zase dělí na počítače s jedním dopravníkem MP a mnoha MP.

První z nich jsou tradiční sekvenční počítače a druhý tvoří třídu paralelních počítačů, které se dělí na zřetězené, nezřetězené a mikroprocesorové matice.

Schéma 2 Flynn klasifikační ilustrace počítačových architektur

Příklad jednoho z prvních non-potrubí počítacích strojů paralelismus může být počítač CDC-6600 postavený na bázi několika skalárních procesorů.

Dopravníkové počítače se dělí na ty, které provádějí pouze skalární instrukce, například počítače CDC-7800, FPC AP-120B, a ty, které provádějí vektorové instrukce. Počítače, které používají vektorové instrukce, se zase dělí na počítače se specializovaným potrubím, například CRAY-1, a s univerzálním potrubím, počítač CYBER 205.

Počítače strojové třídy s maticí procesorů Jsou klasifikovány podle konektivity procesorů v matici, podle bitové šířky atd. První stroje tohoto typu byly ILLIAC-IV, BSP, STA-RAN, ICL DAP, OMEN atd.

Počítače jsou rozděleny do dvou hlavních skupin podle jejich účelu: univerzální a specializované .

Architekturavon Neumann

Univerzální počítače mají tradiční „von Neumannovu“ architekturu (neboli skalární architekturu).

Základní principy stavby softwarově řízených počítačů.

Slavný americký matematik J. von Neumann v roce 1946 jako první zformuloval základní principy stavby softwarově řízených počítačů, které byly postupem času doplňovány a zpřesňovány:

1) princip naprogramovaného řízení spočívá v tom, že počítač dokáže automaticky transformovat počáteční data v souladu s daným programem;

2) princip podmíněného skoku poskytuje flexibilitu a všestrannost programům a poskytuje příležitost v procesu řešení problému skočit do určité části programu v závislosti na výsledcích mezivýpočtů nebo počátečních dat;

3) principem uchování (zabezpečení) programu je umístění programu do paměti počítače;

4) princip náhodného přístupu k paměťovým prvkům;

5) princip použití binární systém mrtvé zúčtování;

6) princip víceúrovňové (hierarchické) paměti.

Tyto principy jsou relevantní i pro moderní počítače, ale s vytvářením nových generací a rodin strojů byly doplněny a zpřesněny.

V počítači, počínaje třetí generace, kromě toho platí následující zásady:

- multiprogramování- společné provádění různých příkazů stejných nebo různých, nezávisle na jednom, programů, které jsou uloženy v paměti RAM;

- informace a kompatibilita softwaru- umožňuje spouštět stávající programy na různých modelech rodiny;

Vysoký úroveň technické normalizace- stejné pro všechny stroje názvosloví externích a jiných zařízení;

Možnost organizace vícestupňové práce o vytváření a zlepšování počítačů.

Stroje čtvrté generace jsou postaveny podle principů:

- multiprocessing- komutace více procesorů při práci se sdílenou pamětí;

Organizace virtuální paměť- poskytování téměř neomezeného množství adresního prostoru RAM;

Široký použití BIC a VLSI a makromodulární struktura, která je založena na myšlence budování funkčně flexibilních výpočetních systémů z velkých standardizovaných bloků (makromodulů);

Vnitřní použití jazyky na vysoké úrovni.

Stroje páté generace lišit:

Výrazné zvýšení intelektuální úrovně zpracovatelů;

Další vývoj I/O funkce pro grafiku, obrázky, dokumenty, programovací jazyky;

Možnost interaktivního zpracování informací pomocí přirozeného jazyka;

Schopnost samoučení, asociativní konstrukce a vyvozování závěrů.

Programovací jazyky v procesu tvorby programů mohou implementovat přirozené rozhraní mezi člověkem a strojem. Jazyky na velmi vysoké úrovni poskytují:

Vysoká úroveň inteligence při interakci uživatelů s počítačovým systémem na různých úrovních přístupu k databázím pro výběr potřebných informací a znalostních bází pro získání nových nápadů nezbytných k řešení neznámých problémů;

Využití stávajících softwarových fondů, zaměřených na tradiční počítačovou architekturu.

Specializované počítače jsou navrženy tak, aby výrazně zlepšily výkon při řešení určité typyúkoly... Toho bylo nejprve dosaženo použitím paralelního počítání. Postupem času se objevily stroje, které byly založeny na paralelním provádění různých funkcí nebo na duplikaci aritmetických zařízení, zejména procesorových matic.

Paralelní architektury

Paralelismus se vyvíjel dvěma směry:

1) zlepšení struktury počítače snížením rozdílu mezi rychlostí procesoru a rychlostí přístupu k RAM;

2) opakování stejného typu počítačových zařízení, kombinovaných podle určité topologie.

Paralelismus byl aplikován na několika hierarchických úrovních, zejména:

1) úroveň úkolů - mezi úkoly, které jsou prováděny na počítači, nebo mezi fázemi úkolu;

2) úroveň programu - mezi částmi programu (například v rámci hranic cyklů);

3) úroveň příkazu - mezi fázemi provádění příkazu (instrukce procesoru);

4) aritmetické a bitové úrovně - mezi prvky vektorové operace v logických obvodech aritmetického zařízení.

Ředitel školy způsobyzavedení paralelismu v počítačové architektuře lze rozdělit do následujících skupin:

- funkční zpracování- poskytování několika zařízení se schopností vykonávat různé funkce, zejména operace logiky, sčítání, násobení atd.

- dopravníkové zpracování- využití principu pipeline za účelem zvýšení účinnosti procesorového zařízení;

- zpracování matrice- použití matice identických prvků zpracování se společným řídicím systémem, kde všechny prvky provádějí stejnou operaci, ale s různými údaji;

- multiprocessing- provádí několik procesorů, z nichž každý provádí své vlastní instrukce a všechny interagují prostřednictvím společné paměti RAM.

Signál a mjednotlivé mikroprocesory

Procesory signálové matice - procesory,na základěprincip řízenísamotným potokemdata.

Příkazy se začnou vykonávat, jakmile budou dostupné jejich operandy. V tomto případě je příchod dat od sousedních procesorů interpretován jako změna stavu a iniciuje určitou akci.

Signálové procesory fungují podobně jako při šíření signálu. Jsou distribuovaným globálním asynchronním maticovým výpočetním systémem.

Mediální systém - síť procesorů,kteří vystupují rytmickyvýpočty a přenos dat systémem.

Každý procesor pravidelně pumpuje data v každém okamžiku a provádí určité krátké výpočty, takže proud dat je pravidelně ukládán v síti. Každý z těchto procesorů je zaměřen pouze na jednu třídu úloh a patří tedy do třídy specializovaných počítačů.

Na hardwarové úrovni se tyto počítače vyznačují globální synchronizací, která předurčuje výskyt takových problémů, jako je synchronizace hodin, zvýšená spotřeba, snížená spolehlivost atd.

Pro univerzální streamovací multiprocesorové systémy jsou významné problémy konfliktů, které jsou spojeny s využíváním sdílené paměti a interakcí procesorů. Tyto problémy byly vyřešeny nahrazením tokových systémů modulárními a lokálními (které jsou implementovány v signálových maticových procesorech).

Používá mnoho specializovaných počítačů "Harvardská architektura" , jehož podstatou je to paměťový prostor instrukcíoddělené od paměťového prostorudata za účelem současného načítání příkazů a dat.

RISC architektura počítačů

Počítače s omezenou sadou instrukcí / příkazů ( RISC - počítač se sníženou instrukční sadou).

Základní vlastnosti počítačůs RISC-architektura:

1) použití příkazů s pevnou délkou s malým počtem typů formátů;

2) pravidelnost, která díky jednoduchosti příkazů umožňuje používat k provádění téměř všech příkazů stejná hardwarová zařízení;

3) provedení většiny příkazů v jednom strojovém cyklu (taktu);

4) zaměření na registry - všechny datové operace se provádějí v registrech, kromě příkazů load a write, jejichž realizace je spojena s přístupem do paměti.

Výhody RISC-architektura:

1) srovnatelná jednoduchost hardwarové implementace;

2) rychlé dešifrování příkazů;

3) krátká doba cyklu a v souladu s tím rychlé provedení příkazu;

4) schopnost vytvářet efektivní potrubí příkazů.

nevýhody RISC-architektura:

1) relativně nízká rychlost výměny operandů a buněk paměti s náhodným přístupem;

2) další požadavky na software.

Výkon moderních maticových a paralelních počítačů je poměrně vysoký a při provádění operací s pohyblivou řádovou čárkou dosahuje miliard operací za sekundu přes 64bitové operandy. Při řešení aplikovaných problémů je jejich výkon výrazně snížen a přibližuje se výkonu moderních univerzálních počítačů.

Mezi moderní pipeline a maticové MPS je třeba jmenovat takové superpočítače jako Cray MP atd.

Otázka. Úkol

1. Co zobrazuje architektura MPU (mikropočítače) a jaký je její rozdíl od architektury MP?

2. Vysvětlete podstatu principů modularity, páteře, mikroprogramovatelnosti a pravidelnosti struktury, které se používají při vývoji MPA, mikropočítače a MPS.

3. Na jakém základě jsou klasifikovány počítačové architektury?

4. Co je podstatou von Neumannovy počítačové architektury?

5. Co je podstatou počítačové harvardské architektury?

6. Vyjmenujte způsoby zavedení paralelismu do architektury počítačů.

7. Vysvětlete podstatu multiprogramování počítače.

8. Jaký je princip fungování sítě MP media a signálové matice MP, jaké jsou jejich rozdíly?

9. Co je podstatou RISC architektury počítačů, jaké má výhody a nevýhody ve srovnání s dříve uvažovanými architekturami?

Literatura.

1. Mikroprocesor a mikroEOM ve virobnických systémech: Posibnik - K .: Vidavnichy centrum "Academy", 2002. - 368 s. (Alma Mater).

2. Kornejevovy výpočetní systémy - M .: "Znalosti", 199. léta.

3., Mikroprocesory Kiselev.- M .: "Znalosti", 199s.

Hlavní fáze vývoje. MPS na bázi MCS se používají nejčastěji jako vestavěné systémy pro řešení problémů řízení určitého objektu. Důležitá vlastnost tato aplikace je práce v reálném čase, tzn. zajištění reakce na vnější události v určitém časovém intervalu. Taková zařízení se nazývají ovladače.

Technologie návrhu regulátorů na bázi MC plně vyhovuje principu průběžného návrhu a ladění hardwaru a softwarové nástroje přijaté v mikroprocesorové technologii. To znamená, že vývojář tohoto druhu MPS stojí před úkolem implementovat celý návrhový cyklus počínaje rozvoj funkčního algoritmu a končí komplexními testy jako součást produktu a případně podporou při výrobě. Současná metodika návrhu regulátoru může být znázorněna na obrázku 6.1.

Obrázek 6.1 - Hlavní fáze vývoje regulátoru

Zadání formuluje požadavky na regulátor z hlediska implementace konkrétní řídicí funkce. Zadání zahrnuje sadu požadavků, které definují, co uživatel od ovladače požaduje a co by mělo vyvíjené zařízení dělat. Zadávací podmínky mohou být ve formě textového popisu, v obecném případě bez vnitřních rozporů.

Na základě požadavků uživatele je vypracována funkční specifikace, která definuje funkce, které regulátor pro uživatele po dokončení návrhu vykonává, a tím objasňuje, jak zařízení splňuje požadavky. Zahrnuje popisy datových formátů, jak vstupních, tak výstupních, a také externích podmínek, které řídí činnost regulátoru.

Funkční specifikace a požadavky uživatele jsou kritérii pro hodnocení výkonu regulátoru po dokončení návrhu. Může být vyžadováno několik iterací, včetně prodiskutování požadavků a funkčních specifikací s potenciálními uživateli regulátoru a odpovídající úpravy požadavků a specifikací. V této fázi jsou formulovány požadavky na použitý typ MC, nejčastěji v implicitní podobě.

Etapa rozvoj nejkritičtější je řídicí algoritmus, protože chyby v této fázi jsou obvykle detekovány až při testování hotového výrobku a vedou k nutnosti nákladného zpracování celého zařízení. Vývoj Algoritmus obvykle spočívá ve výběru jednoho z několika možné možnosti algoritmy, které se liší v poměru množství softwaru a Hardware.

V tomto případě je nutné vycházet z toho, že maximální využití Hardware zjednodušuje zpracování a poskytuje vysoký výkon regulátoru jako celku, ale je zpravidla doprovázen zvýšením nákladů a spotřeby energie. To je způsobeno tím, že nárůst podílu Hardware je dosaženo buď volbou složitějšího MC, nebo použitím specializovaných obvodů rozhraní. Obojí vede ke zvýšeným nákladům a spotřebě energie. Zvýšená hustota softwaru snižuje počet ovládacích prvků a náklady Hardware, ale to vede ke snížení výkonu, zvýšení potřebného objemu vnitřní paměť MK, nárůst v termínech rozvoj a ladit software. Kritériem výběru zde a níže je možnost maximální implementace zadaných funkcí pomocí softwaru s minimálními náklady na hardware a za předpokladu, že uvedené ukazatele výkonu a spolehlivosti jsou zajištěny v plném rozsahu provozních podmínek. Často jsou definujícími požadavky schopnost chránit informace (programový kód) regulátoru, potřeba zajistit maximální životnost baterie a další. V důsledku této etapy jsou konečně formulovány požadavky na parametry použitého MC.

Při výběru typu MK se berou v úvahu následující hlavní charakteristiky:

• - bitová hloubka;
• - vysokorychlostní výkon;
• - soubor příkazů a metod adresování;
• - požadavky na napájení a spotřebu energie v různých režimech;
• - množství programů ROM a datové paměti RAM;
• - možnost rozšíření paměti programů a dat;
• - dostupnost a možnosti periferních zařízení, včetně nástrojů podpory v reálném čase (časovače, procesory událostí atd.);
• - možnost přeprogramování jako součást zařízení;
• - dostupnost a spolehlivost prostředků ochrany interních informací;
• - Možnost dodání v různých variantách provedení;
• - náklady v různých verzích;
• - dostupnost kompletní dokumentace;
• - dostupnost a přístupnost účinných programovacích nástrojů a ladit MK;
• - počet a dostupnost dodavatelských kanálů, schopnost nahradit produkty jiných společností.

Tento výčet není vyčerpávající, protože specifika navrženého zařízení mohou posunout důraz požadavků na jiné parametry MC. Například požadavky na přesnost vnitřního komparátoru napětí nebo přítomnost velký počet PWM výstupní kanály.

Nomenklatura v současnosti vyráběných MK je počítána na tisíce druhů výrobků různých firem. Moderní strategie modulárního designu poskytuje spotřebiteli různé modely MCU se stejným procesorovým jádrem. Tato strukturální rozmanitost otevírá vývojářům možnost vybrat si optimální MC, který nemá funkční redundanci, což minimalizuje náklady na součásti.

Pro implementaci možnosti volby optimálního MC v praxi je však zapotřebí dostatečně hluboké prostudování řídicího algoritmu, odhad objemu spustitelný program a počet linií konjugace s objektem ve fázi výběru MK. Špatné výpočty provedené v této fázi mohou následně vést k nutnosti změnit model MK a znovu zapojit desku s plošnými spoji uspořádání regulátoru. V takových podmínkách je vhodné provést předběžné modelování hlavních prvků aplikačního programu pomocí programově logického modelu vybraného MC.

V případě nepřítomnosti MC, která poskytuje charakteristiky navrženého regulátoru požadované TK, je nutné vrátit se na fázi rozvojřídicí algoritmus a revize zvoleného poměru mezi množstvím softwaru a Hardware... Nedostatek vhodného MC nejčastěji znamená, že je potřeba další hardwarová podpora pro implementaci požadovaného množství výpočtů (řídících algoritmů) ve vyhrazeném čase. Negativní výsledek hledání pro MC s požadovanými vlastnostmi může být také spojen s potřebou servisu velkého počtu řídicích objektů. V tomto případě je možné použít externí schémata rámování MK.

Na jevišti rozvoj struktura regulátoru je nakonec určena složením dostupných a rozvíjející se hardwarové moduly, výměnné protokoly mezi moduly, typy konektorů. Probíhá předběžná studie návrhu regulátoru. V části software je určena skladba a vazby programových modulů, programovací jazyk. Ve stejné fázi je výběr nástrojů pro návrh a ladit.

Schopnost přerozdělit funkce mezi Hardware a pomocí softwaru v této fázi existuje, ale je omezena charakteristikami již zvoleného MC. Je třeba mít na paměti, že moderní MCU jsou vyráběny zpravidla v sériích (rodinách) ovladačů, které jsou programově a strukturálně kompatibilní, ale liší se svými schopnostmi (velikost paměti, sada periferních zařízení atd.). To umožňuje vybrat strukturu regulátoru pro nalezení nejoptimálnější možnosti implementace.

Nelze se zde nezmínit o nové ideologii rozvoj zařízení založená na MK nabízená společností Scenix. Je založen na použití vysokorychlostních RISC mikrokontrolérů řady SX s taktovací frekvencí až 100 MHz. Tyto MCU mají minimální sadu vestavěných periferií a jsou emulovány stále složitější periferní moduly pomocí softwaru... Takové softwarové moduly se nazývají „virtuální periferie", Poskytují snížení počtu ovládacích prvků, času rozvoj, zvýšit flexibilitu provádění. K dnešnímu dni byly vyvinuty celé knihovny virtuálních zařízení, které obsahují odladěné softwarové moduly pro taková zařízení, jako jsou moduly PWM a PLL, sériová rozhraní, oscilátory a měřiče frekvence, řadiče přerušení a mnoho dalších.

Návrh mikroprocesorového systému

Struktura

Blokové schéma systému je na obrázku 3.2.

Obrázek 3.2 - Blokové schéma MPS

MP je ústředním blokem ministerstva železnic. Řídí všechny mikroobvody a provádí zpracování dat.

MP vygeneruje adresu ve Spojených státech a provede výměnu s SDS.

RAM je pro ukládání mezilehlých dat.

ROM je navržena pro uložení programového kódu a různých konstant.

PPI je určen pro připojení externích zařízení. ADC, diskrétní signály a PP jsou připojeny k PPI.

ADC je navržen tak, aby konvertoval analogový signál ze senzorů do digitálního kódu.

PP je určen pro organizování výměny přes sériový kanál mezi dispečinkem a MT.

Navrhování schematického diagramu

MPS by měla poskytovat:

• - dotazování 7 analogových senzorů;
• - sbírka 8 diskrétních signálů;
• - vytvoření 4 diskrétních ovládacích akcí.

Potřebné množství datové paměti se vypočítá pomocí vzorce

kde a - počet analogových a diskrétních vstupních signálů; a - kapacita číslic analogových a diskrétních signálů.

V našem případě a.

V důsledku toho je nutné ukládat data dotazování senzoru

Jako centrální jednotka systému byl zvolen mikrokontrolér KM1816BE51. Jeho hlavní výhody jsou:

• - dostupnost rezidentní paměti programů a dat;
• - přítomnost vestavěné desky plošných spojů;
• - 4 porty;
• - nízká spotřeba energie;
• - vestavěné časovače-čítače.

Pro ukládání dat slouží vestavěná 128bytová programová paměť MK. Program bude uložen v rezidentní programové paměti.

K dotazování analogových senzorů se používá mikroobvod K572PV4. Mezi výhody mikroobvodu patří:

• - přítomnost vestavěného multiplexeru;
• - automatické dotazování senzorů bez zapojení mikroprocesoru;
• - ukládání výsledků převodu pro každý kanál do vestavěné statické paměti.

Protože MK nemá výstupy generátoru, používá se ke generování hodinového signálu mikroobvod generátoru K531GG1.

Pro organizaci výměny informací s řídícím centrem se používá transceiver zabudovaný do MC. PP KM1816VE51 však přenáší data pomocí pětivoltových logických signálů: jednička je reprezentována úrovní napětí od 2,4 V do 5 V a nula - od 0 do 0,8 V. Při přenosu přes kanál RS-232 jsou nula a jedna kódované se stejnou hodnotou (od 5 do 12 V), ale signály s jiným znaménkem.

Protože 5V logické signály musí být pro přenos RS-232 převedeny na jinou úroveň, používá MPS čip Maxim MAX202E. Obsahují měnič napětí z +5 V na ± 10 V a stupně, které převádějí logické signály standardní pětivoltové úrovně podle standardu RS-232. Obsahuje převodníky logické úrovně pro dva přijímače a dva vysílače, z nichž je použit pouze jeden kanál transceiveru.

Schematický diagram MPS je uveden v příloze B.

K pinům XTAL1 a XTAL2 mikrokontroléru DD1 je připojen 12 MHz krystalový rezonátor ZQ1. Pro stabilnější start jsou vývody křemenného rezonátoru připojeny ke společnému vodiči přes kondenzátory C1 a C2 o kapacitě 21 pF.

Po přivedení napájecího napětí na mikrokontrolér je nutné mikrokontrolér resetovat. Za tímto účelem je vstup RST připojen k napájecí sběrnici přes kondenzátor C3 6 μF a ke společnému vodiči přes odpor R1 100 kΩ. V okamžiku zapnutí je kondenzátor vybitý a resetovací vstup je na potenciálu blízkém napájecímu napětí. I přes pokles tohoto potenciálu vlivem náboje C3 zůstává úroveň signálu na resetovacím vstupu po desítky milisekund jednotná a mikrokontrolér se spustí správně.

Na vstup je přivedena logická jednotka, od mikrokontrolér spustí program z rezidentní paměti.

Diskrétní vstupní signály DDAT1-DDAT8 jsou připojeny k linkám portu P0 MK DD1. ACS DA1 je připojen k linkám portu P1. Diskrétní řídicí akce DOUT1-DOUT4 jsou generovány na řádcích P1.0-P1.3.

Protože analogové snímače připojené k DA1 ACS musí mít výstupní napětí v rozsahu od 0V do 2,5V. Rezistory R2-R13 slouží k převodu proudových signálů snímačů na napěťový signál.

Specifikace prvků je uvedena v příloze D.

Vývoj algoritmu pro provoz MPS

MPS pracuje v následujícím pořadí:

• a) inicializace systému;
• b) senzory dotazování;
• c) ovládání čerpací jednotky;
• d) výměna dat s dispečinkem;
• e) přejděte ke kroku b.

Blokové diagramy algoritmů pracovního programu MPS jsou uvedeny v příloze D, fragmentu programového kódu - v příloze E.

Výpočet příkonu

Výkon spotřebovaný celým systémem je definován jako součet výkonu spotřebovaného všemi částmi systému.

Výpočet výkonu je shrnut v tabulce 3.4.

Tabulka 3.1 - Výpočet spotřeby energie

Systém spotřebovává energii.

Zařízení pro přenos dat

K zajištění výměny s dispečinkem slouží převodník rozhraní MI 486. Umožňuje příjem / přenos dat po síti Ethernet z počítače rychlostí až 112 kbaud.

Převodník rozhraní je znázorněn na obrázku 3.3.

Obrázek 3.3 - Převodník rozhraní MI 486

Specifikace:

• - výstupní rozhraní: RS-232;
• - max. rychlost - až 112 kbaud;
• - vstupní rozhraní Ethernet 10BaseT / 100BaseT;
• - konektor RJ45.

Kvalitativní a kvantitativní změny v základně hardwarových prvků vedly ke změně zavedených principů jejich návrhu (jako je rigidní struktura, konzistentní centrální řízení, lineární organizace paměti a neschopnost přizpůsobit strukturu počítače zvláštnostem řešeného problému vyřešeno).

Klasické von Neumannovy principy organizování výpočetních systémů byly nahrazeny myšlenkami problémové orientace MPS, paralelního a pipeline zpracování informací, využití tabulkových metod zpracování dat, principů pravidelnosti a homogenity struktur MPS; myšlenka vytvoření adaptivně rekonfigurovatelných systémů, stejně jako hardwarová implementace softwarových funkcí, se stává reálnou možností. Proto se v současnosti při návrhu výpočetních systémů na bázi MPS uplatňuje tzv. princip „3M“: modularita, páteř, mikroprogramovatelnost.

Princip modulární organizace předpokládá konstrukci výpočetního a řídicího MPS na základě sady modulů: konstrukčně, funkčně a elektricky kompletních výpočetních zařízení, která umožňují samostatně nebo v kombinaci s dalšími moduly řešit problémy této třídy. Modulární přístup k návrhu mikropočítačů a systémů umožňuje (při implementaci univerzálních i specializovaných modulů) zajistit vytváření rodin (řad) MPS, které se liší funkčnost a charakteristiky, které pokrývají značnou škálu aplikací, pomáhají snižovat náklady na návrh, stejně jako zjednodušují zvýšení kapacity a rekonfiguraci systémů, oddalují dobu zastarávání výpočetních zařízení.

Hlavní způsob výměny informací, na rozdíl od způsobu uspořádání libovolných odkazů (podle zásady „každý s každým“), umožňuje zefektivnit a minimalizovat počet odkazů v MPS. Zajišťuje výměnu informací mezi funkčními a konstrukčními moduly různých úrovní pomocí dálnic spojujících vstupní a výstupní sběrnice. Rozlišujte mezi jedno-, dvou-, tří- a vícelinkovou komunikací. Je třeba poznamenat vztah mezi obvodovým a konstrukčním řešením, který se projevuje při realizaci tato metoda výměnu formou vytvoření speciálních obousměrných vyrovnávacích stupňů se třemi stabilními stavy a využitím časového multiplexování výměnných kanálů.

Firmwarové ovládání poskytuje největší flexibilitu při organizování multifunkčních modulů a umožňuje problémovou orientaci MPS i využití makrooperací v nich, což je efektivnější než použití standardních podprogramů. Přenos řízených slov ve formě zakódovaných kódových sekvencí navíc splňuje podmínky pro minimalizaci počtu pinů VLSI a snížení počtu propojení v modulech.

Kromě hlavních rysů návrhu MPS uvedených výše je třeba poznamenat zásadu pravidelnosti, která předpokládá pravidelné opakování prvků struktury MPS a vazeb mezi nimi. Aplikace tohoto principu umožňuje zvýšit integrovanou hustotu, snížit délku spojů na čipu, zkrátit čas pro topologický a obvodový návrh LSI a VLSI a snížit počet průniků a typů funkčních a konstrukčních prvků.

Při vývoji architektury MPS (system stage) je nutné řešit následující úkoly:

Popište koncepční strukturu funkčního chování systému z hlediska zohlednění zájmů uživatele při jeho konstrukci a organizaci výpočetního procesu v něm;

Určit strukturu, nomenklaturu a vlastnosti stavebního softwaru a firmwaru;

Popište charakteristiky vnitřní organizace datových toků a řídicích informací;

Analyzovat funkční strukturu a vlastnosti fyzické implementace systémových zařízení z hlediska rovnováhy softwaru, mikroprogramu a hardwaru.

Hlavní fáze návrhu MPS jsou znázorněny na Obr. 3.1.

V počáteční fázi návrhu lze MPS popsat na jedné z následujících koncepčních úrovní: „černá skříňka“, strukturální, softwarová, logická a schematická.

Na úrovni „černé skříňky“ je MPS popsán externími specifikacemi, které vyjmenovávají vnější charakteristiky.

Rýže. 3.1. Fáze návrhu MPS

Strukturální úroveň je tvořena hardwarovými komponenty MPS, která je popsána funkcemi jednotlivých zařízení, jejich propojením a informačními toky.

Softwarová úroveň je rozdělena do dvou podúrovní (procesorové instrukce a jazyk) a MPS je interpretována jako sekvence operátorů nebo příkazů, které způsobují tu či onu akci na určité datové struktuře.

Logická úroveň je vlastní výhradně diskrétním systémům a je rozdělena do dvou podúrovní: spínací obvody a přenosy registrů. První podúroveň tvoří hradla (kombinační obvody a paměťové prvky) a na jejich základě postavené operátory zpracování dat. Druhá podvrstva se vyznačuje vyšší mírou abstrakce a představuje popis registrů a přenos dat mezi nimi. Zahrnuje dvě části: informační a řídicí: první je tvořena registry, operátory a cestami přenosu dat, druhá poskytuje časově závislé signály, které iniciují přenos dat mezi registry.

Úroveň obvodu je založena na popisu činnosti prvků diskrétních zařízení.

V životním cyklu MPS, jako každého diskrétního systému, existují tři fáze: návrh, výroba a provoz. Každá z fází je rozdělena do několika fází, u kterých existuje pravděpodobnost strukturálních nebo fyzických poruch. Poruchy jsou klasifikovány podle jejich příčin: fyzické, pokud jsou způsobeny vadami prvků, a subjektivní, pokud jsou způsobeny chybami návrhu.

Subjektivní chyby se dělí na projektové a interaktivní. Chyby návrhu jsou způsobeny nedostatky zavedenými do systému v různých fázích realizace původního úkolu. Interaktivní poruchy vznikají v průběhu práce vinou personálu údržby (obsluhy). Výsledkem poruchy je chyba, kdy jedna porucha může způsobit řadu chyb a stejná chyba může být způsobena mnoha poruchami.

Existuje také pojem defekt – fyzická změna parametrů komponent systému, která přesahuje přijatelné meze. Vady se nazývají poruchy, pokud jsou dočasné, a poruchy, pokud jsou trvalé. Vadu nelze odhalit, dokud nejsou vytvořeny podmínky pro vznik poruchy z ní, jejíž výsledek musí být naopak přenesen na výstup studovaného objektu, aby byla porucha pozorovatelná.

Diagnostika chyb je proces určení příčiny chyby na základě výsledků testů. Ladění je proces odhalování chyb a určování zdrojů jejich výskytu na základě výsledků testů při návrhu MPS. Nástroje pro ladění jsou zařízení, komplexy a programy. Ladění je někdy označováno jako detekce, lokalizace a oprava problému. Úspěch ladění závisí na tom, jak je systém navržen, zda jsou poskytovány vlastnosti, které usnadňují ladění, a na nástrojích používaných pro ladění. Pro provádění ladění musí mít navržený MPS vlastnosti ovladatelnosti, pozorovatelnosti a předvídatelnosti.

Kontrolovatelnost je vlastnost systému, ve které je jeho chování kontrolovatelné, tzn. je možné zastavit fungování systému v určitém stavu a restartovat systém.

Pozorovatelnost je vlastnost systému, která umožňuje sledovat chování systému, změnu jeho vnitřních stavů.

Předvídatelnost je vlastnost systému, která umožňuje uvést systém do stavu, ze kterého lze předvídat všechny následující stavy.

MPS se z hlediska své složitosti, požadavků a funkcí může výrazně lišit v provozních parametrech, množství softwaru, typu mikroprocesorové sestavy atd. V tomto ohledu lze proces návrhu upravit v závislosti na požadavcích na systém. Například proces navrhování MPS, které se od sebe liší obsahem ROM, bude sestávat z vývoje programů a výroby ROM. Při návrhu víceprocesorových IPM obsahujících několik typů IPC je nutné řešit otázky organizace paměti, interakce s procesory, organizace výměny mezi systémovými zařízeními a vnějším prostředím atd.

Nejtypičtější fáze návrhu a vývoje MPS jsou: formalizace systémových požadavků; vývoj struktury a architektury MPS; Vývoj a výroba hardwaru a softwaru pro systém; komplexní ladění a akceptační testy.

Proces návrhu je iterativní proces. Poruchy odhalené ve fázi přejímacího testu mohou vést k nápravě specifikace, a tedy k zahájení návrhu celého systému. Poruchy je nutné odhalit co nejdříve; k tomu je nutné v každé fázi vývoje kontrolovat správnost projektu. Pro kontrolu správnosti návrhu existují tyto metody: verifikace (formální metody prokázání správnosti projektu); modelování; testování.

PROTI V poslední době objevilo se hodně práce na ověřování softwaru, firmwaru, hardwaru. Tyto práce jsou však stále teoretického charakteru. Proto v praxi často využívají modelování chování objektu a testování na různých úrovních abstraktní reprezentace systému.

Ve fázi formalizace požadavků na systém je zvláště nutná kontrola správnosti projektu, protože mnoho návrhových cílů není formalizováno nebo je nelze v zásadě formalizovat. Funkční specifikace může být přezkoumána týmem odborníků nebo simulována a ověřena na experimentální bázi, aby se zjistilo, zda bylo dosaženo požadovaných cílů. Po schválení funkční specifikace začíná vývoj testovacích programů pro zajištění správné funkce systému v souladu s jeho specifikací. V ideálním případě jsou vyvinuty testy, které jsou zcela založeny na této specifikaci a poskytují možnost otestovat jakoukoli implementaci systému, která je deklarována jako schopná vykonávat funkce specifikované ve specifikaci. Tato metoda je úplným opakem ostatních, kde jsou testy stavěny ve vztahu ke konkrétním implementacím. V praxi má však vývoj testů často nižší prioritu než projekt, takže testovací programy se objevují mnohem později než dokončení projektu.

Kontrolní otázky

1. Vysvětlete pojmy modularita, páteř a mikroprogramovatelnost MPS při návrhu.

2. Uveďte úkoly, které vývojáři řešili při návrhu MPS.

3. Vyjmenujte hlavní fáze návrhu MPS.

4. Jaké jsou koncepční úrovně popisu MPS při návrhu a vývoji.

5. Vyjmenujte hlavní způsoby kontroly správného návrhu MPS.

6. Jaké vlastnosti by měl mít navržený MPS k provedení fáze jeho ladění?

7. Vyjmenujte typy poruch v konstrukci MPS.

8. Vyjmenujte příčiny fyzických a subjektivních poruch MPS.

9. Vysvětlete pojmy: diagnostika chyb, ladění.

Mikroprocesorové systémy sběru dat musí splňovat následující požadavky: poskytovat vysoký výkon a být snadno implementovatelné, musí zajišťovat stabilní a bezproblémový provoz, být relativně levné a spotřebovávat málo zdrojů. Mikrokontrolér řady K1816BE51 je vhodný pro provádění úloh a v souladu se základními požadavky.

Obrázek 3 - Blokové schéma mikroprocesorového systému sběru dat.

mikroprocesor program algorithm microcircuit

Mikroprocesorový systém (MPS) se skládá z následujících jednotek: mikrokontrolér (MC), paměť s náhodným přístupem (RAM), paměť pouze pro čtení (ROM), programovatelný časovač (PT), paralelní programovatelné rozhraní (PPI), analogově-digitální převodník (ADC), digitálně-analogový převodník (DAC), multiplexer (MUX), programovatelný řadič přerušení (SCP).

MK tvoří adresovou sběrnici (ША), datovou sběrnici (ШД) a řídicí sběrnici (ШУ). Na sběrnice jsou připojeny bloky RAM, ROM, PT, PPI, ovládací panel.

RAM je určena pro ukládání dat dotazování senzoru, stejně jako mezilehlých dat. ROM je navržena pro uložení programového kódu a různých konstant.

PT je navržen tak, aby počítal časový interval, který bude nutný k provedení příkazů MC. Před provedením operace se spustí PT. Pokud je operace úspěšná, MC resetuje PT. Pokud MC neobdrží příkaz k vynulování počítání (došlo k zavěšení), PT na konci odpočítávání časového intervalu vygeneruje signál resetování MC.

PPI je určen pro připojení externích zařízení. K PPI jsou připojeny ADC, diskrétní multiplexer a DAC.

ADC je navržen pro převod analogového signálu ze senzorů a digitálního kódu, který je přiváděn do MC přes PPI. Analogové senzory jsou připojeny k ADC přes analogový multiplexer.

Data z diskrétních senzorů jsou přijímána přes diskrétní multiplexer.

DAC je navržen tak, aby tvořil kontrolní akci.

Ovládací panel je navržen tak, aby zvládal externí přerušení.