Методические указания по микропроцессорным системам

длину связей на кристалле, сократить время топологического и

схемотехнического проектирования БИС и СБИС, уменьшить число пересечений и

типов функциональных и конструктивных элементов.

При разработке архитектуры МПС (системный этап) необходимо решить

следующие задачи:

- дать описание концептуальной структуры функционального поведения

системы с позиций учета интересов пользователя при ее построении и

организации вычислительного процесса в ней;

- определить структуру, номенклатуру и особенности построения

программных и микропрограммных средств;

- описать характеристики внутренней организации потоков данных и

управляющей информации;

- провести анализ функциональной структуры и особенности физической

реализации устройств системы с позиции сбалансированности программных,

микропрограммных и аппаратурных средств.

Основные этапы проектирования МПС приведены на рис. 3.1.

На начальной стадии проектирования МПС может быть описана на одном из

следующих концептуальных уровней: “черный ящик”, структурный, программный,

логический, схемный.

На уровне “черного ящика” МПС описывается внешними спецификациями, где

перечисляются внешние характеристики.

[pic]

Рис. 3.1. Этапы проектирования МПС

Структурный уровень создается аппаратными компонентами МПС, которая

описывается функциями отдельных устройств, их взаимосвязью и

информационными потоками.

Программный уровень разделяется на два подуровня (команд процессора и

языковый) и МПС интерпретируется как последовательность операторов или

команд, вызывающих то или иное действие над некоторой структурой данных.

Логический уровень присущ исключительно дискретным системам и

разделяется на два подуровня: переключательных схем и регистровых

пересылок. Первый подуровень образуется вентилями (комбинационные схемы и

элементы памяти) и построенными на их основе операторами обработки данных.

Второй подуровень характеризуется более высокой степенью абстрагирования и

представляет собой описание регистров и передачу данных между ними. Он

включает в себя две части: информационную и управляющую: первая образуется

регистрами, операторами и путями передачи данных, вторая обеспечивает

зависящие от времени сигналы, инициирующие пересылку данных между

регистрами.

Схемный уровень базируется на описании работы элементов дискретных

устройств.

В жизненном цикле МПС, как и любой дискретной системы, выделяются три

стадии: проектирование, изготовление и эксплуатация. Каждая из стадий

подразделяется на несколько фаз, для которых существуют вероятности

возникновения конструктивных или физических неисправностей. Неисправности

классифицируют в соответствии с их причинами: физическая, если причиной ее

служат дефекты элементов, и субъективная, если ее причиной служат ошибки

проектирования.

Субъективные неисправности делят на проектные и интерактивные.

Проектные неисправности вызваны недостатками, вносимыми в систему на

различных стадиях реализации исходного задания. Интерактивные неисправности

возникают в процессе работы по вине обслуживающего персонала (оператора).

Результатом проявления неисправности является ошибка, причем одна

неисправность может служить причиной целого ряда ошибок, а одна и та же

ошибка может быть вызвана множеством неисправностей.

Существует также понятие дефекта - физическое изменение параметров

компонентов системы, выходящих за допустимые пределы. Дефекты называют

сбоями, если они носят временный характер, и отказами, если они постоянны.

Дефект не может быть обнаружен до тех пор, пока не будут созданы условия

для возникновения из-за него неисправности, результат которой должен быть,

в свою очередь, передан на выход исследуемого объекта для того, чтобы

сделать неисправность наблюдаемой.

Диагностика неисправности – процесс определения причины появления

ошибки по результатам тестирования. Отладка – процесс обнаружения ошибок и

определения источников их появления по результатам тестирования при

проектировании МПС. Средствами отладки являются приборы, комплексы и

программы. Иногда под отладкой понимают обнаружение, локализацию и

устранения неисправности. Успех отладки зависит от того, как спроектирована

система, предусмотрены ли свойства, делающие ее удобной для отладки, а

также от средств, используемых для отладки. Для проведения отладки

проектируемая МПС должна обладать свойствами управляемости, наблюдаемости и

предсказуемости.

Управляемость – свойство системы, при котором ее поведение поддается

управлению, т.е. имеется возможность остановить функционирование системы в

определенном состоянии и заново запустить систему.

Наблюдаемость – свойство системы, позволяющее проследить за поведением

системы, за сменой ее внутренних состояний.

Предсказуемость – свойство системы, позволяющее установить систему в

состояние, из которого все последующие состояния могут быть предсказуемы.

МПС по своей сложности, требованиям и функциям могут значительно

отличаться эксплуатационными параметрами, объемом программных средств,

типом микропроцессорного набора и т.д. В связи с этим процесс

проектирования может видоизменяться в зависимости от требований,

предъявляемых к системе. Например, процесс проектирования МПС, отличающихся

одна от другой содержанием ПЗУ, будет состоять из разработки программ и

изготовления ПЗУ. При проектировании многопроцессорных МПС, содержащих

несколько типов МПК, необходимо решать вопросы организации памяти,

взаимодействия с процессорами, организации обмена между устройствами

системы и внешней средой и т.п.

Наиболее типичными этапами проектирования и разработки МПС являются:

формализация требований к системе; разработка структуры и архитектуры МПС;

разработка и изготовление аппаратурных средств и программного обеспечения

системы; комплексная отладка и приемосдаточные испытания.

Процесс проектирования – итерационный процесс. Неисправности,

обнаруженные на этапе приемосдаточных испытаний, могут привести к коррекции

спецификации, а следовательно, к началу проектирования всей системы.

Обнаруживать неисправности необходимо как можно раньше; для этого надо

контролировать корректность проекта на каждом этапе разработки. Существуют

следующие методы контроля правильности проектирования: верификация

(формальные методы доказательства корректности проекта); моделирование;

тестирование.

В последнее время появилось много работ по верификации программного

обеспечения, микропрограмм, аппаратуры. Однако эти работы пока носят

теоретический характер. Поэтому на практике чаще используют моделирование

поведения объекта и тестирование на различных уровнях абстрактного

представления системы.

На этапе формализации требований к системе контроль корректности

проекта особо необходим, поскольку многие цели проектирования не

формализуются или не могут быть формализованы в принципе. Функциональная

спецификация может анализироваться коллективом экспертов или моделироваться

и проверяться в опытном порядке для выявления достижения желаемых целей.

После утверждения функциональной спецификации начинается разработка

тестовых программ, предназначенных для установления правильности работы

системы в соответствии с ее спецификацией. В идеальном случае

разрабатываются тесты, целиком основанные на этой спецификации и дающие

возможность проверки любой реализации системы, которая объявляется

способной выполнять функции, оговоренные в спецификации. Этот способ –

полная противоположность другим, где тесты строятся применительно к

конкретным реализациям. Однако на практике разработке тестов часто

присваивают более низкий приоритет по сравнению с проектом, поэтому

тестовые программы появляются значительно позже его завершения.

Контрольные вопросы

1. Поясните понятия модульности, магистральности и

микропрограммируемости МПС при проектировании.

2. Перечислите задачи, решаемые разработчиками при проектировании МПС.

3. Перечислите основные этапы проектирования МПС.

4. Назовите концептуальные уровни описания МПС при проектировании и

разработке.

5. Перечислить основные методы контроля правильности проектирования

МПС.

6. Какими свойствами должна обладать проектируемая МПС для выполнения

этапа ее отладки?

7. Перечислите виды неисправности при проектировании МПС.

8. Назовите причины физической и субъективной неисправностей МПС.

9. Поясните понятия: диагностика неисправности, отладка.

4. ОРГАНИЗАЦИЯ И ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МПС НА ОСНОВЕ

ОДНОКРИСТАЛЬНЫХ МИКРОЭВМ

4.1. Общие принципы организации однокристальных микроЭВМ

С повышением степени интеграции микросхем стало возможным реализовать

на одном кристалле сложные функциональные блоки. Зa недолгую историю

развития элементной базы микропроцессорных вычислительных устройств были

разработаны принципиально новые структуры БИС. Такие микросхемы, имеющие

высокую степень интеграции и работающие согласно заданной программе,

получили название микропроцессорных БИС (МП БИС). Стало возможным

реализовать ЭВМ на нескольких типах МП БИС, объединенных в так называемые

микропроцессорные комплекты (МПК) БИС, которые отличаются друг от друга

функциональными возможностями, технологией изготовления, конструктивными

особенностями, быстродействием, потребляемой мощностью и т.п.

Микропроцессорные БИС принято разделять на три основных класса:

секционированные с наращиванием разрядности и микропрограммным управлением;

модульные МП - на основе однокристальных МП БИС с фиксированным набором

команд и разрядностью; однокристальные микроЭВМ.

Секционированные МП БИС включают совместимые микросхемы различного

функционального назначения, на основе которых можно реализовать MПC

различной структуры и разрядности, кратной разрядности секции. В

зависимости от назначения разрабатываемой аппаратуры выбирается структура

секционированных БИС и система команд. Эти БИС широко применяются при

проектировании высокопроизводительных мультимикропроцессорных систем.

МП БИС на основе однокристальных МП и однокристальных микроЭВМ,

обладающие меньшей производительностью, но гибкой системой команд и

большими функциональными возможностями, ориентированы на широкое применение

в различных областях науки, техники и производства - от контроллеров и

калькуляторов, до МПС управления, цифровой обработки сигналов и

интеллектуальных робототехнических систем.

В настоящее время наибольшее распространение получили МП БИС на основе

разновидностей МОП- технологии и интегральной инжекционной логики(И2Л).

Требования к быстродействию предопределили развитие биполярных МП БИС на

основе транзисторно-транзисторной логики с диодами Шотки(ТТЛШ) и эмиттерно-

связанной логики (ЭСЛ).

Следует отметить, что при проектировании МПС для различных применений

обязательным условием эффективного использования МП БИС является

конструктивная и технологическая совместимость всей элементной базы системы

- микросхем малой, средней и большой степени интеграции, используемых в

центральном процессоре, блоках памяти, устройствах ввода-вывода.

Как правило, в состав однокристальных МП БИС, служащих для реализации

однокристальных микроЭВМ и МПС на их основе, входят следующие БИС:

микропроцессор с памятью, последовательный или параллельный интерфейс,

контроллеры (ПДП, прерываний, клавиатуры и т.п.).

В последние годы получила новое развитие номенклатура однокристальных

микроЭВМ и специализированных МПК цифровой обработки сигналов, которые

имеют большую перспективу применения в силу своих функциональных

возможностей и характеристик.

Состав и структура МПК БИС зависят от областей применения и, как

правило, имеют минимально необходимое число БИС для организации микроЭВМ и

МПС.

Типичным представителем МПС с однокристальным МП является

отечественный микропроцессорный комплект серии К1810, в котором реализуются

и находят дальнейшее развитие идеи построения одно- и многопроцессорных

систем на базе МП БИС с фиксированным набором команд. В комплект входят как

универсальные и специализированные процессоры (процессор ввода-вывода,

арифметический процессор), так и схемы, позволяющие сформировать магистрали

микроЭВМ. Комплект может расширяться за счет разработки новых схем,

программно и аппаратно совместимых с МП БИС.

Основной схемой в комплекте является МП БИС К1810ВМ86, которая

представляет собой однокристальный 16-разрядный МП с мультиплексной 20-

разрядной магистралью адреса и 16-разрядной магистралью данных и рассчитана

на работу как в одно-, так и в многопроцессорных системах. Схема

выпускается в 40-выводном корпусе (рис. 5.1). Ряд выводов схемы

используется для выдачи импульсов управления, синхронизирующих работу

микроЭВМ. Питание схемы осуществляется от источника с напряжением 5 В.

Синхронизация работы МП БИС осуществляется импульсами внешнего тактового

генератора, подаваемыми на вход CLK.

Эффективность работы МП БИС К1810ВМ86 существенно повышена за счет

введения команд математических операций (включающих умножение и деление)

над 8- и 16-разрядными числами, команд побитовой обработки чисел, команд

работы с массивами данных, расширения видов прерываний работы МП БИС, а

также реализации конвейерного типа выполнения команд в самой БИС.

Микропроцессорная БИС может работать с памятью объемом до 1 Мбайта,

обмениваться информацией с 64 Кбайтами внешних устройств, имеет 256 типов

различных прерываний.

Обычно процесс выполнения команд программы в МП включает в себя

следующие этапы: извлечение кода команды (операндов команды, если этого

требует код команды) из памяти; выполнение команды; запись результата (если

этого требует команда). Как правило, в МП все эти этапы выполняются

последовательно, что приводит к недоиспользованию по временной загрузке

магистралей микроЭВМ. В МП БИС К1810ВМ86 процесс выполнения команд состоит

из тех же этапов, однако проводится в двух раздельных процессорных блоках

(см. рис. 4.1, а): блоке выполнения команд (execution unit – EU) и блоке

сопряжения с магистралями (Bus Interface Unit – BIU). В функции BIU входит

извлечение из памяти кода команд и их операндов, а также запись результата

в память. Блоки могут работать независимо друг от друга, и, следовательно,

процессы преобразования и передачи информации в них могут идти параллельно.

Блок выполнения команд имеет 16-разрядное АЛУ с регистром состояния и

флагами управления, а также регистры общего назначения. Все регистры и

внутренние магистрали блока 16-разрядные. Блок не имеет связи с внешними

магистралями МП БИС. На АЛУ поступают коды команд из конвейера команд,

расположенного в BIU. Если в результате дешифрации кода команд в АЛУ

необходимо получение одного или нескольких операндов по внешним магистралям

МП БИС, то EU запрашивает BIU на получение и размещение необходимых данных

в BIU. Несмотря на то, что все адреса, с которыми оперирует EU, 16-

разрядные, BIU производит необходимое преобразование адресов так, чтобы EU

имел возможность обращаться ко всему возможному адресному пространству (1

Мбайт) микропроцессорной системы.

[pic]

Рис. 4.1. Упрощенная схема МП БИС КР1810 ВМ86

Блок сопряжения с магистралями производит все пересылки данных и кодов

для EU. Пересылки между МП БИС и памятью или внешними устройства-ми

осуществляются по требованию EU. В то время как EU занят выполнением

команды, блок BIU получает последующие в программе коды команд из памяти и

сохраняет их в конвейере команд. В конвейере может быть записано до шести

кодов команд. Это позволяет BIU выдавать в EU сохраненные команды по мере

необходимости без загрузки внешних магистралей МП БИС. Блок BIU организует

получение нового кода команды, как только два байта в конвейере команд

будут переданы в EU. За один цикл получения кода команды в блок BIU

записываются с МД два байта команды.

В большинстве случаев в BIU находится хотя бы одна команда и EU не

ждет, пока очередная команда будет извлечена из памяти.

Коды команд подаются в EU последовательно так, как они записаны в

программе. Если EU выполняет команду передачи управления в другое место

программы, то BIU очищает конвейер команд, получает код команды из нового

адреса, передает его в EU и начинает заполнять конвейер заново. Если EU

требует обращения к памяти или внешнему устройству, то BIU приостанавливает

процесс получения команд в конвейер и организует необходимый цикл обмена

данными.

На рис. 4.2 приведен пример построения однопроцессорной системы.

[pic]

Рис. 4.2. Структура микроЭВМ на базе МП БИС КР1810ВМ86

Основная задача, решаемая в многопроцессорных системах, заключается в

обеспечении распределения времени доступа каждого из процессоров к общей

системной магистрали. Магистрали микроЭВМ представляют собой систему

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7