Принципы организации микропроцессорных систем

Классификация микропроцессоров и особенности их использования в измерительной аппаратуре.

Стремительное развитие цифровых методов обработки информации обусловлено успехами интегральной технологии, позволяющей изготавливать на сегодняшний день цифровые микросхемы, содержащие сотни тысяч и даже миллионы логических элементов в одном кристалле. Использование микросхем повышенной степени интеграции позволяет существенно улучшить основные технико-экономические характеристики цифровой аппаратуры в целом и измерительной в частности. Во-первых, значительно уменьшается число внешних соединений в аппаратуре из-за большей функциональной сложности самих микросхем. Поскольку в микроэлектронной аппаратуре внешние соединения являются одной из основных причин ее отказов, то их уменьшение при использовании микросхем повышенной степени интеграции позволяет повысить надежность аппаратуры. Во-вторых, сокращается общая длина соединений между элементами. Задержка сигнала на каждые 30 см соединений равна 1 нс. Отсюда следует, что создание устройств со сверхвысоким быстродействием принципиально возможно только на базе микросхем повышенного уровня интеграции, в которых общую длину межсоединений между соседними функциональными элементами можно довести до величины, не превышающей 1 см, что обеспечивает задержку распространения сигнала между элементами не более 0,03 нс. Кроме того, микросхемы повышенного уровня интеграции имеют по сравнению с микросхемами малого уровня интеграции меньшие размеры и более низкую стоимость в расчете на один функциональный элемент. Аппаратура, построенная на микросхемах высокой степени интеграции, является энергоэкономичной, что не маловажно при эксплуатации устройств с автономным электропитанием.

Отмеченные преимущества стали причиной активного развития технологии иготовления микросхем повышенного уровня интеграции (микросхем БИС и СБИС) в начале 70-х годов прошлого века. Однако появление БИС и СБИС на начальном этапе поставило поблемы перед разработчиками микросхем и аппаратуры на их основе. Дело в том, что на начальном этапе БИС и СБИС были узкоспециализированными и представляли собой устройства жесткой логики с неизменяемыми структурой и функциональностью. По этой причине выпуск таких микросхем оставался небольшим и их себистоимость была высока из-за больших первоначальных затрат, обусловленных разработкой их логической структуры, изготовлением фотошаблонов и технологической подготовкой производства при малых объемах выпуска. Решение проблемы было достигнуто разработкой БИС, функции которых задаются путем подачи внешних электрических сигналов, изменяющихся по определенной программе. Такие БИС получили название микропроцессоров.

Микропроцессор - это программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное в виде одной или нескольких БИС. Качественным отличием микропроцессора от других типов микросхем является возможность их функциональной перестройки путем изменения внешней программы. В зависимости от программы микропроцессор может быть использован для решения самых разных задач и в этом способен заменить многие типы интегральных схем с "жесткой" логикой. Подобная универсальность микропроцессоров обусловила массовость их выпуска, что привело к снижению их стоимости, в результате чего экономически выгодным стало их использование в промышленной автоматике, транспорте, бытовой технике и т.д. Создание дешевых микропроцессоров с широкими функциональными возможностями обеспечило дополнительные преимущества цифровым методам обработки информации, что стимулировало их внедрение в такие отрасли, как телефония, радиосвязь, измерительная техника.

Существует множество классификационных признаков микропроцессоров, вплоть до их поколений. Отметим лишь те признаки, которые исторически сформировались как основные и отражают состояние микропроцессорной техники на современном этапе.

По разрядности обрбатываемых операндов на сегодняшний день можно выделить 8-, 16-, 32- и 64- разрядные микропроцессоры. Микропроцессоры с высокой разрядностью используются в основном в персональных и суперЭВМ. Использование таких микропроцессоров в специализированных измерительных задачах неоправданно из-за их высокой стоимости и избыточности разрядности в отношении точности обработки и округления результатов. Достаточно широко в измерительных приборах и системах на сегодняшний день используются 8-разрядные микропроцессоры и микроконтроллеры. Объясняется это главным образом их широкой номенклатурой и низкой ценой. Даже при необходимости многоразрядной обработки, когда ее приходится выполнять по частям программно, быстродействие таких микропроцессоров оказывается достаточным в силу невысокой динамики большинства измерительных задач и контролируемых процессов.

По назначению различают микропроцессоры универсальные и специализированные. Универсальные микропроцессоры применяются для построения систем решения широкого круга задач. Производительность решения задачи в этом случае слабо зависит от специфики самой задачи. Примером универсального микропроцессора является центральный процессор (CPU) персонального компьютера. Для повышения производительности системы, обусловленной именно спецификой задачи, стараются применять специализированные микропроцессоры, ориентированные на решение конкретной задачи. К таким микропроцессорам можно отнести математические, сигнальные, медийные, контроллеры устройств. Математические микропроцессоры имеют, как правило, развитую систему команд для выполнения не только элементарных математических операций, но и поддерживают на аппаратном уровне операции возведения в степень, нахождения тригонометрических, логарифмических и прочих функций. Такие процессоры выполняют обработку числовой информации в формате с плавающей запятой. Сигнальные микропроцессоры представляют важный класс микропроцессорной техники, используемой в измерительной технике. Они ориентированы на обработку в реальном времени оцифрованных значений аналоговых сигналов по специальным алгоритмам цифровой обработки сигналов (ЦОС) или в английской аббревиатуре «digital signal processing» (DSP). К таким алгоритмам можно отнести цифровую фильтрацию, дискретное преобразование Фурье для задач спектрального анализа сигналов, корреляционный анализ и пр. Все эти алгоритмы широко используются в измерительных методиках. В качестве примера бытового использования можно привести процессоры аудиообработки в системах воспроизведения звука, формирующих эффекты реверберации, эха и пр. Медийные микропроцессоры ориентированы на обработку в реальном времени аудио и видео потоков. Примером может служить графический процессор (GPU) видеосистемы персонального компьютера. Такой процессор имеет систему команд для формирования двухмерных и псевдотрехмерных изображений по специальным инструкциям стандартов DirectX и OpenGL, применяемых в трехмерной графике современных персональных компьютеров. Контроллеры устройств являются, пожалуй, самым широким классом микропроцессорных микросхем в силу большого количества самих устройств – объектов управления. Такие контроллеры выполняют функции местного управления исполнительными устройствами, задают режимы и функции работы периферии, осуществляют опрос датчиков при их наличии. Примерами могут служить процессоры управления бытовой техникой, бортовые компьютеры автомобилей, контроллеры управления внешними накопителями информации в компьютерах и многие подобные устройства. Нельзя путать контроллеры устройств с микроконтроллерами. Контроллеры устройств являются специализированными микросхемами и разрабатываются под конкретное устройство или под определенный класс устройств. Микроконтроллеры же представляют интегрированную в едином кристалле микропроцессорную систему и могут быть как специализированными, так и универсальными.

По числу и типу команд микропроцессоры бывают с CISC-архитектурой и с RISC-архитектурой. CISC-процессоры – это микропроцессоры с полным набором команд. Как правило, CISC-процессорами являются универсальные микропроцессоры. Объясняется это тем, что универсальные микропроцессоры используются для решения широкого круга задач. А значит необходимо, чтобы как можно большее количество операций поддерживалось на аппаратном уровне соответствующими командами. Поскольку различные по сложности операции требуют для своего выполнения различного времени, то для CISC-процессоров характерно, что разные их команды выполняются в течение разного времени. Работа микропроцессора синхронизируется сигналами тактового генератора. А значит, разное время выполнения команд можно интерпретировать как разное количество тактов сигналов синхронизации. В специализированных задачах CISC-процессор является функционально избыточным, сложным, дорогим и потребляет неоправданно большую энергию от источника питания. Для многих специализированных задач нет необходимости использовать и разрабатывать микропроцессор с развитой системой команд. Достаточно иметь только те команды, которые нужны для решения данной задачи. Характерно это, например, для микропроцессоров сетевых маршрутизаторов, в задачу которых не входит обработка графики или выполнение каких-либо сложных математических расчетов. Между тем, для них важна скорость обработки запросов от пользователей сети и скорость пересылки больших потоков данных, т.е. выполнение достаточно простых команд пересылки с максимальным быстродействием. Поэтому было предложено создать класс микропроцессоров, имеющих ограниченный набор простых команд, но выполняемых в течение минимально короткого времени, а именно одного такта сигнала синхронизации. Такие микропроцессоры получили название RISC-процессоров. RISC-процессоры – это микропроцессоры с сокращенным набором простых команд. Изначально для них характерна была более простая аппаратная реализация и система команд типа регистр-регистр. Но со временем принцип минимизации времени выполнения команд стали использовать и для достаточно сложных команд путем распараллеливания в микропроцессоре действий по их выполнению. Такой принцип называется конвейеризацией. Согласно этому принципу в микропроцессоре организуются конвейеры, представляющие собой очереди, между которыми обмен осуществляется через буферы. Такая организация позволяет начинать выполнение следующей команды, не дожидаясь результата предыдущей, если для нее результат предыдущей команды не нужен. Поэтому, несмотря на то, что команда может выполняться в течение нескольких тактов, при выполнении нескольких команд «в нахлест» друг на друга в общем потоке команд, среднее время окажется минимальным для отдельной команды. На сегодняшний день в качестве основного отличия CISC- и RISC-процессоров является не уровень сложности и развитости системы команд, а среднее время выполнения на одну команду. В RISC-процессорах оно минимально и по возможности одинаковое для всех команд.

По способу организации памяти микропроцессорной системы различают микрпроцессоры с Фон-Неймановской архитектурой и с Гарвардской архитектурой. В микропроцессорах с Фон-Неймановской архитектурой область памяти является общей и для программ и для данных. Это снижает производительность системы с позиции организации потоков данных и команд, поскольку обеспечивает только последовательное обращение к командам и данным по одной общей шине данных. В микропроцессорах с Гарвардской архитектурой для хранения программы используется область памяти, называемая памятью программ, а для хранения данных – область памяти, называемая памятью данных. Память программ реализуется в виде ПЗУ, поэтому в нее в процессе работы программы невозможно выполнить запись, а память данных - в виде ОЗУ. Причем для памяти программ используется своя независимая магистраль команд. К памяти данных обращение осуществляется по магистрали данных. Такая организация позволяет реализовывать параллельные во времени потоки данных и команд. Также для Гарвардской организации памяти характерно, что адресное пространство обеих видов памяти начинается с нулевых адресов. Гарвардская организация позволяет в значительной степени упростить реализацию конвеерной обработки информации. Но она достаточно сложна в аппаратной реализации, требует большого количества выводов микропроцессора. Поэтому для микропроцессоров обычно характерна Фон-Неймановская организация, а для микроконтроллеров, где вся структура микропроцессорной системы реализована в едином кристалле и, следовательно, вопрос о количестве информационных линий процессорного ядра не встает, характерна Гарвардская организация памяти. Гарвардская организация требует, чтобы рабочая программа находилась в ПЗУ программ, что не позволяет в разное время запускать разные программы и накладывает ограничение на реализацию на ее основе универсальных систем. В Фон-Неймановской организации такого ограничения нет, поскольку нет самого понятия памяти программ и памяти данных. Любые программы в такой системе могут размещаться в любых ячейках оперативной памяти в любой момент времени, что расширяет возможности по реализации универсальных микропроцессорных систем.

Существуют и другие классификационные признаки, которые можно встретить в литературе, но на сегодняшний день они либо потеряли свою актуальность, либо не являются значимо информативными, и по этой причине нами рассматриваться не будут.

Одним из основных потребителей микропроцессоров на мировом рынке становится, в частности, информационно-измерительная техника. Применение микропроцессоров открыло широкие возможности усовершенствования измерительной аппаратуры, расширения функциональных возможностей, позволило увеличить сложность информационно-измерительных систем без существенного увеличения стоимости, улучшить их метрологические характеристики. Так, например, точность может быть увеличена за счет использования цифровых методов коррекции погрешностей и цифровой фильтрации. Надежность может быть повышена путем применения более надежных, но менее прецизионных элементов в аналоговых трактах с последующей минимизацией методами статистической обработки вносимых случайных погрешностей. Применение маикропроцессоров позволяет также улучшить эксплуатационные качества измерительной аппаратуры за счет расширения ее функциональности, организации экранного меню в пользовательской интерфейсной части приборов, автоматизации измерительного процесса, получения функций измеряемой величины, использования методов самоконтроля и самодиагностики. Именно в измерительной технике особенно эффективно проявляется такое важное свойство микропроцессоров, как встраиваемость, возможность приблизить вычислительную технику непосредственно к объекту измерения, а иногда использование микропроцессоров становится целесообразным в конструктивном объединении с первичными преобразователями информации.

Построенная на базе микропроцессоров измерительная аппаратура может быть легко адаптирована под новую задачу без значительного изменения ее аппаратной части. Функции прибора легко меняются изменением рабочей программы. Микропроцессорная организация позволяет измерительному прибру взаимодействовать с большим числом входных и выходных устройств, фиксировать в памяти большое количество данных. При проектировании измерительной техники на базе микропроцессоров следует учитывать, что насколько не был бы быстродействующим микропроцессор, реализация функций в этом случае будет программная, а значит более медленная, чем аппаратная. Поэтому при измерениях в частотном диапазоне радиочастот наиболее эффективным остается аппаратная реализация функций традиционными схемотехническими методами жесткой логики, либо комбинация аппаратного и программного подхода.

Микропроцессор, взятый отдельно, не может выполнять каких-либо полезных функций. Для реальной пользы микропроцессор должен использоваться совместно с памятью и устройствами ввода-вывода, подключаемыми через специальные регистры, называемые портами. Такое объединение микропроцессора с памятью и портами ввода-вывода позволет получить микропроцессорную систему. Рассмотрим организацию микропроцессорных систем с позиций программного управления, типовых структур, режимов ввода-вывода.

Дата добавления: 2014-01-06