Реферат: Методические указания по микропроцессорным системам

Реферат: Методические указания по микропроцессорным системам

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Таганрогский государственный радиотехнический университет

В.Ф. Гузик, А. Н. Гармаш, Г.Н. Евтеев

Микропроцессорные системы

Учебное пособие

Таганрог    2003

УДК 681.3(07.07)

Гузик В.Ф., Гармаш А.Н., Евтеев Г.Н. Микропроцессорные системы: Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. 71 с.

Является обобщением опыта преподавания кафедрой вычислительной техники курса «Микропроцессорные системы» студентам специальности 220100 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», обучающимся по дистанционной технологии.

Излагаются: архитектура микроЭВМ и микропроцессорных систем, организация и особенности проектирования микропроцес-сорных систем на основе однокристальных микроЭВМ, рассматриваются архитектура мультимикропроцессорных и транспьютерных систем, средства разработки и отладки микропроцессорных систем.

Предназначено для студентов специальности 220100 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» заочной формы обучения. Может быть полезно студентам всех форм обучения по специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», а также студентам всех специальностей направления «Информатика и вычислительная техника».

Печатается по решению редакционно-издательского совета Таганрогского государственного радиотехнического университета.

Рецензенты:

Конструкторское бюро морской электроники «Вектор», А.Н. Долгов, канд. техн. наук, директор.

ТФ ОАО “НИИ системотехники”, А.И. Гречишников, канд. техн. наук, директор.  

©Таганрогский государственный радиотехнический университет, 2003

Содержание

стр.

Список сокращений. 4

ВВЕДЕНИЕ.. 6

1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СРЕДСТВ.. 8

Упражнения. 23

Контрольные вопросы.. 24

2. АРХИТЕКТУРА МИКРОЭВМ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ    24

Контрольные вопросы.. 29

3. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ... 30

Контрольные вопросы.. 35

4. ОРГАНИЗАЦИЯ И ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МПС НА ОСНОВЕ ОДНОКРИСТАЛЬНЫХ МИКРОЭВМ... 35

4.1. Общие принципы организации однокристальных микроЭВМ.. 35

4.2. Особенности проектирования МПC на основе однокристальных микроЭВМ и контроллеров. 40

4.3. Обзор перспективных проектов МПС на основе однокристальных комплектов БИС.. 44

Контрольные вопросы.. 51

5. МУЛЬТИМИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ... 51

5.1. Обзор развития ММПС и их архитектур. 51

5.2. Основные перспективные проекты высокопроизводительных ММПС.. 59

Контрольные вопросы.. 65

6. ТРАНСПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ... 65

Контрольные вопросы.. 69

7. СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ И ОТЛАДКИ МПС.. 70

7.1. Автономная и комплексная отладка МПС.. 70

7.2. Средства отладки МПС.. 72

Контрольные вопросы.. 78

Библиографический список. 79

АЛУ            – арифметико-логическое устройство

АЦП            – аналого-цифровой преобразователь

БА               – буфер адреса

БД               – буфер данных

БИС            – большая интегральная схема  

БПр             – бенчмарковская программа

БПФ           – быстрое преобразование Фурье

БР               – буферный регистр

ВЗУ             – внешнее запоминающее устройство

ВСЭ            – внутрисхемный эмулятор

ЗУ                – запоминающее устройство

ЗУПВ          – запоминающее устройство с произвольной выборкой

И2Л             – инжекционная логика (технология изготовления БИС)

ИС               – интегральная схема

КПД            – канал прямого доступа

КСНК         – компьютер с сокращенным набором команд

ЛА               – логический анализатор

МА              – магистраль адреса

МД              – магистраль данных

МК              – микрокоманда

МКМД        – Много потоков Команд – Много потоков Данных

МКОД        – Много потоков Команд – Один поток Данных

МОП           – металл – окисел – проводник (технология изготовления БИС)

ММПС       – мультимикропроцессорная система

МП              – микропроцессор

МПК           – микропроцессорный комплект

МПС           – микропроцессорная система

МУ              – магистраль управления

ОКОД         – Один поток Команд – Один поток Данных

ОКМД        – Один поток Команд – Много потоков Данных

ПДП            – прямой доступ к памяти

ПО               – программное обеспечение

ППЗУ         – программируемое ПЗУ

ПС               – программный счетчик

РК               – регистр команд

РР               – регистр результата

РОН            – регистр общего назначения

СБИС         – сверхбольшая интегральная схема

ТТЛШ         – транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки   (технология изготовления БИС)

УВВ             – устройство ввода-вывода

УУ                – устройство управления

ЦАП            – цифроаналоговый преобразователь

ЦОС            – цифровая обработка сигналов

ЦП               – центральный процессор

ЦПУ            – центральное процессорное устройство

ЭЛС             – эммитерно-связанная логика (технология изготовления БИС)

ЭМП            – эмулятор микропроцессора

Появление и бурное развитие микропроцессоров (МП), микроЭВМ и систем на их основе стало возможным благодаря значительным достижениям микроэлектронной технологии изготовления средств ВТ. Успехи полупроводниковой электроники привели к появлению больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС) с  плотностью размещения компонентов от десятков до сотен тысяч транзисторов на кристалле. Использование этих схем позволяет значительно повысить эффективность цифровых систем: увеличить их производительность и надежность, уменьшить габариты, массу, потребляемую мощность и стоимость. Так, за два последних десятилетия скорость работы ЭВМ возросла на 6-7 порядков, объем оперативной памяти увеличился на 5-6 порядков.

Еще более динамичным является развитие микропроцессорных систем. Первое поколение микропроцессорных комплектов БИС представляло набор модулей с жесткой структурой, ориентированных на применение в конкретных системах с большим объемом выпуска. Последующие комплекты благодаря использованию принципов микропрограммирования нашли широкие области применения ввиду появившейся возможности проблемной ориентации. Высокими темпами развивается интегральная технология. Степень интеграции БИС удваивается ежегодно, стоимость вентиля – элементарного функционального элемента БИС – уменьшается каждые 10 лет в 103 - 104 раз, стоимость выполнения элементарной функции ежегодно снижается в 2 раза.

МП, микроЭВМ и системы на их основе имеют два направления применения:

- традиционное для средств ВТ;

- нетрадиционное (вместо устройств с жесткой структурой), в котором до появления МП использование средств ВТ и не предполагалось.

Говоря о месте и роли МП и микроЭВМ в иерархии средств ВТ, необходимо иметь в виду оба эти направления.

Значительные успехи в микропроцессорной технике привели к появлению и развитию на рубеже 70-80-х годов ХХ столетия весьма перспективных и обладающих большим быстродействием по сравнению с традиционными ЭВМ мультимикропроцессорных систем (ММПС), которые весьма значительно повлияли на развитие современной науки и техники.

Благодаря сверхвысокой производительности ММПС стало возможным достижение больших успехов в решении таких важных научных и технических задач, как нейрокомпьютинг и робототехника, стенография и теория полей, радио- и гидролокация, распознавания образов, геофизика, цифровая обработка сигналов и многие другие.

С другой стороны, развитие микропроцессорных средств влияет на достижения в области теории проектирования вычислительной техники: появляются все более перспективные архитектуры МПС и  их компонентов (RISK – процессоры, транспьютеры, сигнальные процессоры и т.п.).

Неоценимое значение современные МПС имеют в теории и практике проектирования локальных и глобальных вычислительных сетей, расширяя тем самым области эффективного применения современных средств ВТ.    

Множество областей применения МП и микроЭВМ позволяет классифицировать МПС на системном уровне следующим образом:

-    встроенные системы контроля и управления;

-    локальные системы накопления и обработки информации;

-    распределенные системы управления сложными объектами;

- распределенные высокопроизводительные системы параллельных вычислений.

Исходя из этого, в настоящее время определились следующие приоритетные области применения МПС:

-    системы управления;

-    контрольно-измерительная аппаратура;

-    техника связи;

-    бытовая и торговая аппаратура;

-    транспорт;

-    военная техника;

-    вычислительные машины, системы, комплексы и сети.

Перспективность применения МПС в различных системах управления обусловлена, в первую очередь, такими достоинствами МП, как малые габариты, низкая потребляемая мощность, возможность подключения большого количества процессоров к каналам управления, простота программной настройки и перестройки.

Внедрение МПС в контрольно-измерительную аппаратуру позволяет повысить точность измерений, надежность, расширить функциональные возможности приборов и обеспечивает выполнение следующих функций: калибровка, коррекция и температурная компенсация, контроль и управление измерительным комплексом, принятие решений и обработка данных, диагностика неисправностей, индикация, испытание и проверка приборов.

Внедрение МПС в системы связи обусловлено все большим вытеснением аналоговых методов цифровыми и привело к их широкому использованию в мультиплексорах, преобразователях кодов, устройствах контроля ошибок, блоках управления передающей и приемной аппаратуры.

Все шире используются МПС в таких устройствах, как контрольно-расчетные терминалы торговых центров, автоматизированные электронные весы,  терминалы и кассовые аппараты для банков и т.п. Применение МП и МПС в бытовой технике открывает также широкие возможности последней с точки зрения повышения надежности, эффективности и разнообразия  применений.

Доля применения МПС в различных областях военной техники растет с каждым годом - от навигационных систем летательных аппаратов до управления движением транспортных роботов.

Если определить все множество применений МПС в процентном отношении, то это будет выглядеть следующим образом: информационно-измерительная техника - 16% , управление производством - 18%, авиация и космос - 15%, системы связи - 14 %, вычислительная техника - 20%,  военная техника - 9%, бытовая техника - 3%, медицина - 3%, транспорт - 2%, другие области - 7 %.

Микропроцессорной системой (МПС) называется система цифровой обработки информации и управления, содержащая в своем составе, по крайней мере, один микропроцессор (МП), один или несколько модулей основной (ОЗУ и ПЗУ) и дополнительной памяти, устройства ввода и вывода, блоки сопряжения (контроллеры) с устройствами ввода и вывода, которые связаны друг с другом с помощью системной магистрали, состоящей, в общем случае, из магистралей (шин) адресов (МА, ША), магистралей (шин) данных (МД, ШД) и магистралей (шин) управления (МУ, ШУ).

Логическая структура МПС приведена на рис.1.1, где ОУ – объект управления, Д – датчики, ИМ – исполнительные механизмы, ИК – информационные контроллеры, БСД – блок сопряжения с датчиками, БСИК – блок сопряжения с информационными контроллерами, ОП – основная память, ДП – дополнительная память. 

Рис. 1.1. Логическая структура МПС

ОЗУ МПС обеспечивает чтение и запись информации и реализуется как энергозависимая память, содержимое которой стирается при выключении МПС. ПЗУ обеспечивает только чтение информации  и реализуется в виде энергонезависимой памяти. Контроллеры представляют собой устройства сопряжения аппаратуры ввода-вывода с системной магистралью и реализуют определенный интерфейс. Магистраль обеспечивает коммуникацию аппаратных средств МПС и представляет собой набор проводников и усилителей сигналов.

В зависимости от областей применения МПС подразделяются на специализированные и универсальные, встроенные и автономные.

Основой любой МПС является микроЭВМ - вычислительная или управляющая система, выполненная на основе МП, в состав которой, как правило, входят: постоянная (программируемая) память программ (ПЗУ), память данных (ОЗУ), генератор тактовых импульсов и информационный контроллер, построенные на основе БИС или СБИС.

По способу реализации микроЭВМ  подразделяются на однокристальные, одноплатные и многоплатные. В одноплатных микроЭВМ МП выполняется в виде кристалла БИС (СБИС), на котором кроме самого МП могут располагаться и другие компоненты микроЭВМ (ПЗУ, ОЗУ, контроллеры и т.п.). 

По назначению микроЭВМ  разделяются на универсальные и специализированные (проблемно-ориентированные).

По организации структуры различают одно- и многомагистральные микроЭВМ (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Общая структура ЭВМ: а – одномагистральная;

б – многомагистральная

В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются данные, адреса и управляющие сигналы. В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали, что позволяет осуществить одновременную передачу по нескольким (или всем) магистралям и тем самым увеличить быстродействие системы.

Центральной частью МПС  является микропроцессор - обрабатывающее устройство, выполненное с использованием технологии БИС (часто на одном кристалле) и обладающее способностью выполнять под программным  управлением обработку информации (включая  ввод-вывод), принятие решений, арифметические и логические операции.

МП характеризуется очень большим числом параметров и качеств, поскольку он, с одной стороны, является функционально сложным программно-управлемым  цифровым процессором, т.е. устройством ЭВМ, а с другой стороны – интегральной    схемой с высокой степенью интеграции элементов, т.е. электронным прибором.

МП классифицируются по следующим признакам.

По числу БИС в микропроцессорном комплекте - однокристальные и многокристальные МП.  Однокристальные МП получаются при реализации всех аппаратурных средств процессора в виде одной БИС или СБИС. Для получения многокристального МП необходимо произвести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС.

По назначению различают универсальные и специализированные  МП. По виду обрабатывающих входных сигналов МП делят на цифровые и аналоговые. По характеру временной организации работы - синхронные и асинхронные.

Кроме этого МП, как правило, классифицируются: по технологии изготовления (p-МОП, п-МОП, к-МОП, И2Л и т.д); по числу шин; по разрядности; по способу управления (схемное, микропрограммное); по числу аккумуляторов, уровней прерывания и программных счетчиков; по типу и емкости стека; по числу и длине команд и по видам адресации.

В общем случае в состав МП входят (рис. 1.3): арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок прерываний (БП), дешифратор команд и схема управления (ДСК и СУ), регистр команд (РК), буферы адреса и данных (БА, БД), регистры общего назначения (РОН), индексный регистр (ИР), стек (С), его указатель (УС), программный счетчик (ПС), регистр-аккумулятор (А), регистр признаков (РП), схема инкремент-декремент (ИД), блок прерываний (БП).

Конкретные МП, как правило, не содержат всех узлов и блоков, показанных на рис. 1.3. В этих случаях соответствующие функции могут выполняться программно, а в качестве некоторых специальных регистров

Рис. 1.3. Логическая структура МП

могут использоваться РОН или ячейки памяти. В ряде микропроцессорных комплектов отдельные функциональные узлы и блоки выполняются автономно в виде БИС или схем средней степени интеграции.

При проектировании МПС следует учитывать, что их производительность и функциональные возможности напрямую зависят от организации внутренних шин МП - их число существенно влияет на структуру и характеристики МПС в целом.

При определении оптимального числа шин следует учитывать, что уменьшение числа шин приводит к уменьшению быстродействия МП и сопровождается введением дополнительных буферных регистров, увеличивает площадь на кристалле, отводимую под функциональные элементы, и тем самым увеличивает функциональные возможности МП и МПС.

В трехшинном МП при определенной внутренней организации РОН возможно выполнение операций за один такт, включая выборку операндов из РОН и запись результата в один из регистров. Достоинства: высокое быстродействие и отсутствие буферных регистров, недостаток - большая площадь шин на кристалле.

Двухшинная организация при меньшей площади шин требует введения одного-двух буферных регистров и операции выполняются за два такта.

Организация МП на основе одной шины позволяет максимально усложнить архитектуру МП, однако требует введения двух-трех буферных регистров и трех тактов для выполнения операций.

При использовании магистральной организации МПС возникает сложность в подключении выходов нескольких элементов к одной шине (к одному проводнику общей шины). Известны три следующих способа решения этой задачи.

Логическое объединение  (рис. 1.4, а) - выполняется с помощью схемы ИЛИ, на входы которой поступают сигналы от разных источников информации, предварительно проклапанированные сигналами управления на входах схем И.

Рис. 1.4. Способы подключения устройств к общей шине

Объединение с помощью схем с открытым коллектором (рис. 1.4, б) характеризуется электрическим соединением выходов нескольких логических элементов. Часто этот способ называют «монтажным ИЛИ» или «монтажным И».

Объединение с использованием схем с тремя состояниями (рис. 1.4, в) отличается именно таким характером нагрузки. В отличие от обычных ключевых схем здесь возможен третий режим, при котором оба транзистора одного каскада (VT1 и VT2 или VT3 и VT4) закрыты. В этом случае со стороны выхода каскад обладает высоким  сопротивлением и практически не влияет на состояние общей шины. Если в состоянии высокого сопротивления будут находиться оба каскада, то общая шина может использоваться произвольно любыми внешними по отношению к МП устройствами. Этот способ широко используется при организации прямого доступа к памяти и при построении мультипроцессорных систем.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6