Blokové schéma zařízení je uvedeno v příloze A.

Tento mikroprocesorový systém se skládá z následujících bloků: mikroprocesor, RAM, ROM, programovatelné paralelní rozhraní, analogově-digitální převodník, časovač, displej.

Analogové signály ze snímačů jsou přiváděny na vstupy analogového multiplexeru zabudovaného v ADC, který v každém časovém intervalu přepne jeden ze signálů na vstup analogově-digitálního převodníku.

Analogově-digitální převodník se používá k převodu analogového signálu na digitální kód, se kterým mikroprocesor pracuje.

Mikroprocesor přistupuje k ADC přes programovatelné paralelní rozhraní. Čte informace z výstupů ADC, zadává je do paměťové buňky RAM. Kromě toho na základě informací přijatých ze snímače tlaku oleje na výstupu ze stanice MP vypočítává regulační akci. Tato hodnota je přenášena do pohonu ve formě digitálního kódu.

RAM slouží k dočasnému uložení informací přijatých ze senzorů a mezivýsledků mikroprocesorových výpočtů.

Systémový software je uložen v paměti ROM (Read Only Memory). Čtení je řízeno mikroprocesorem.

Program, který je uložen v ROM, zajišťuje následující systémové operace:

Sekvenční dotazování senzorů;

Řízení analogově-digitální konverze analogového signálu;

regulace tlaku oleje;

Indikace a alarm;

Reakce na ztrátu napájení.

Vývoj systémového algoritmu

Blokové schéma algoritmu je uvedeno v příloze B.

Inicializace

V této fázi jsou řídicí slova zapsána do RSS programovatelného paralelního rozhraní. PPI DD10 pracuje v nulovém režimu. Porty fungují následovně: port A - vstup, port B - výstup, port C - výstup. PPI DD1 pracuje v nulovém režimu. Porty fungují následovně: port A - výstup, port B - výstup, port C - výstup.

Dotazovací senzory

Analogové senzory jsou dotazovány ADC. Diskrétní senzory přes port A PPI 1 jsou dotazovány mikroprocesorem.

Uložit do RAM

Výsledky získané po dotazování senzorů jsou uloženy do paměti s náhodným přístupem pro dočasné uložení.

Kontrolní akce

Mikroprocesorový systém analyzuje přijatá data a generuje digitální řídicí akci.

Vývoj koncepce

Schematické schéma zařízení je uvedeno v příloze D.

Adresová sběrnice je tvořena pomocí registru vyrovnávací paměti a ovladače sběrnice. Výběr registru se provádí signálem ALE mikroprocesoru. Ovladač sběrnice je potřebný pro zvýšení zatížitelnosti vysokého bytu adresy.

Datová sběrnice je tvořena pomocí ovladače sběrnice, který je vybrán aplikací signálů DT/R a OE.

Systémová sběrnice je tvořena přes dekodér DD10 aplikací kombinace signálů M/IO, WR, RD.

Tabulka 1 - Řídicí signály

Volba ROM, RAM a dalších zařízení se provádí pomocí linek A13-A15 adresové sběrnice přes dekodér. ROM buňky jsou umístěny od adresy 0000h.

Tabulka 2 - Výběr zařízení

			přístroj

Výběr portu nebo registru řídicího slova PPI se provádí prostřednictvím řádků A0, A1 adresové sběrnice. Diskrétní snímače jsou napájeny na vstupy portu A PA0-PA7 PPI DD12; na vstupy portu B - s ADC; LED jsou připojeny ke vstupům portu C.

Analogový multiplexer se používá k výběru zařízení, ze kterého jsou čteny informace. Analogový multiplexer je zabudován do ADC. Bitová šířka ADC se shoduje s bitovou šířkou datové sběrnice a je 8 bitů.

Rezistory R2-R4 se používají k převodu jednotného proudového signálu 4 ... 20 mA na napětí 1 ... 5V.

Procesy automatizace technických zařízení zachytily velkou část celé organizace výroby. Používají se všude v obráběcích strojích, strojích a mechanismech, robotických komplexech. Nové technologie výrazně zvyšují produktivitu práce, snižují vliv lidského faktoru na rizika ve výrobě. Zlepšuje se také technická úroveň a kvalita výrobků. Mikroprocesorové systémy - svého času to byla inovativní technologie. Ale nyní je to již běžné, protože zařízení, která jsou vyrobena pomocí mikroprocesorů, mají vyšší výkon ve srovnání se zařízeními vyrobenými na samostatných logických obvodech s ekonomickým přínosem prvního.

Standardizace procesu vývoje zjednodušuje analýzu a výzkum v této oblasti. Také objasňuje aktuální stav a možný výsledek. Dnešní společnosti vyrábějící vestavěné mikroprocesory používají pro rychlý a organizovaný návrh integrované logické obvody (FPGA) a počítačem podporované výrobní systémy. S pomocí FPGA je také možné ladění a testování v reálném čase. Každoroční aktualizace CAD vám umožňuje trávit stále méně času monotónní a jednoslabičnou prací a přitom se vyvarovat zjevným chybám. To vám umožní abstrahovat do vyšších úrovní systému a řešit složité problémy.

Proces vývoje vestavěných mikroprocesorových systémů lze reprezentovat jako dvě cesty po sobě jdoucích fází návrhu. První cestou je vývoj hardwaru vestavěného mikroprocesorového systému. Druhou cestou je návrh softwaru (obr. 1).

Obrázek 1. Fáze návrhu

Ale ne všechny etapy trasy jsou nutné. Modelování hardwaru systému během vývoje nesmí být prováděno. Lze tedy vyloučit některé kroky: příprava specifikace modelování, generování modelů, funkční a časové modelování. Zároveň je třeba vzít v úvahu, že modelování hardwaru systému zvyšuje efektivitu procesu návrhu jako celku díky dřívějšímu odhalení případných chyb a jejich odstranění.

Typické kroky návrhu mikroprocesorových systémů zahrnují:

1. Formalizace různých systémových požadavků. Je nutné vypracovat externí specifikace, referenční podmínky (TOR) systému, poznámky k obrazu systému vývojářem v dokumentaci, seznam funkcí systému.
2. Vývoj struktury a architektury prvků systému. Je nutné určit interakci mezi hardwarem a softwarem, funkce periferií a softwarových shellů, zvolit mikroprocesorová řešení, na jejichž základě bude systém implementován, určit časové charakteristiky.
3. Vývoj a výroba hardwaru a softwaru systému. Je nutné vyvinout strukturu a schémata zapojení, vyrobit prototyp a odladit jej v podmínkách základních provozních režimů. Vývoj softwaru by se měl skládat z algoritmů, psaní zdrojového kódu, překladu zdrojových programů do objektových programů, ladění softwaru a simulace.
4. Obecné ladění a akceptační testy v pracovních podmínkách.

Lidský faktor umožňuje poruchy a špatná rozhodnutí o návrhu. V zařízeních jsou také hardwarové závady. Například jsou možné následující zdroje chyb ve fázích:

Fáze 1. Logická nekonzistence požadavků, opomenutí, nepřesnosti algoritmu.

Fáze 2. Vynechání funkcí, vynechání některých informačních toků, nekonzistence v protokolu pro interakci hardwaru a softwaru, nesprávná definice technických požadavků, nesprávná volba mikroprocesorových řešení, nepřesnosti algoritmů.

Fáze 3. Při vývoji zařízení - vynechání některých funkcí, nesprávná interpretace zadání, nedostatky ve schématech synchronizace, porušení pravidel návrhu; při vývoji softwaru - vynechání některých funkcí zadání, nepřesnosti v algoritmech, nepřesnosti v kódování; při výrobě prototypu - poruchy součástí a periferií, poruchy instalace a montáže.

Každý z uvedených zdrojů chyb může vést k velkému počtu fyzických nebo subjektivních poruch, které je třeba dále identifikovat a odstranit. Detekce a lokalizace poruchy je komplikovaná z několika důvodů: za prvé, kvůli poruchám jich může být několik; za druhé, jednotnost příznaků různých problémů. Protože neexistují žádné modely subjektivních chyb, není tento úkol formalizován. Je možné řešit pomocí expertních systémů - databáze s existujícími problémy a jejich řešení na základě praktických zkušeností.

Subjektivní závady se od fyzických závad liší tím, že se po zjištění, lokalizaci a nápravě již nevyskytují. Subjektivní chyby však mohou být zavedeny ve fázi vývoje specifikace systému, což znamená, že i poté, co byl systém důkladně otestován, aby splnil své specifikace, mohou v systému existovat subjektivní chyby.

Proces návrhu je iterativní proces, což znamená, že pokud chyby nejsou zcela odstraněny v jedné fázi, mohou se objevit v další fázi. Poruchy je nutné odhalit co nejdříve, k tomu je nutné v každé fázi vývoje kontrolovat správnost projektu. Například závady zjištěné v závěrečné fázi přejímky a předání projektu mohou vést k opravě specifikací a následně k zahájení návrhu celého systému. Změny v zadání (kvůli podhodnocení a nedostatku informací o systému) vedou ke stejným důsledkům.

Hlavní metody kontroly správnosti návrhu jsou: verifikace, modelování a testování.

Verifikace umožňuje pomocí bloků odhalit nejen aktuální chyby, ale také potenciální chyby, které se mohou objevit v budoucích projektech. Vyžaduje však samostatný technický úkol a příslušné dovednosti a je vhodný pro velké projekty. Na malých projektech se častěji používá modelování chování objektů a testování. tato možnost je nákladově efektivní a nevyžaduje mnoho zdrojů.

Řízení správnosti je dosahováno v každé fázi návrhu potřebou provádět simulace na různých úrovních abstrakce systému a ověřovat správnost implementované části modelu pomocí testování. Funkční specifikaci lze modelovat a experimentálně testovat, aby se určil očekávaný výsledek. Může být také analyzován týmem odborníků. Po schválení funkční specifikace začíná vývoj funkčních testů systému, jejichž cílem je stanovit správné fungování systému v souladu s jeho funkční specifikací. Nejefektivnější je vyvinout testy založené výhradně na této specifikaci, protože to umožňuje testovat jakoukoli implementaci systému schopnou vykonávat funkce specifikované ve specifikaci. Tato metoda je podobná jako u jiných, kde jsou testy stavěny ve vztahu ke konkrétním implementacím, ale přesněji porovnává očekávání a výsledek vývoje.

Jakmile je chyba detekována, musí být její zdroj lokalizován, aby mohl být opraven na příslušné úrovni abstraktní reprezentace systému a na příslušném místě. Nesprávné určení zdroje chyby nebo provedení úprav na jiné úrovni abstraktní reprezentace systému vede k tomu, že informace o systému na nejvyšší úrovni se stanou chybnými a nelze je použít pro další ladění při výrobě a provozu systému. Systém.

Automatizace opakující se práce na vývoji testovacích programů zkracuje dobu sestavení a ladění tím, že se testy získávají dříve (protože mohou být generovány, jakmile jsou vygenerovány systémové požadavky) a umožňuje návrháři měnit specifikace bez přepisování všech testovacích programů. V praxi má vývoj testů menší prioritu než projekt, takže testovací programy se objevují mnohem později než jeho dokončení.

S přihlédnutím k nuancím návrhu mikroprocesoru lze tedy snadno obejít „úskalí“ během vývoje. Použití programovatelných logických integrovaných obvodů (FPGA) usnadňuje ladění dávky, která ještě nebyla vydána, a umožňuje testovat projekt a opravovat chyby. A systémy počítačově podporované výroby (CAD) zjednodušují vývoj a umožňují vám racionálněji přerozdělovat zdroje.

Bibliografie:

1. SibGUTI [Elektronický zdroj] / Návrh mikroprocesoru na FPGA - Režim přístupu: http://ict.sibsutis.ru/sites/csc.sibsutis.ru/files/courses/mps/mp.pdf-free. - hlava. z obrazovky. - Jazyk ruština (vstupeno 22.12.2017).
2. Zotov V. Embedded Development Kit je systém pro návrh vestavěných mikroprocesorových systémů založených na FPGA řady FPGA od společnosti Xilinx. 2004. č. 3.

1. fungování,design a architekturamikroprocesorová zařízenía systémy

1.1. Jsou běžnéinformace o mikroprocesorové technologii

Základní pojmy adefinicemikroprocesorové technologie

Mikroprocesory a mikropočítače jsou masovými produkty elektronického průmyslu. Znalost základů mikroprocesorové techniky je nezbytná pro inženýry jakéhokoli profilu, zejména systémové inženýry, konstruktéry, 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 mikropočítačů v technických systémech se rozšířila funkčnost zařízení, zvýšila se jeho spolehlivost a stabilita provozu a zlepšila se kvalita zpracování informací.

Perspektivy a možnosti využití MPs a mikropočítačů ve výpočetních systémech nejsou dosud plně odhaleny. Výrobní technologie a architektura MP se neustále zdokonalují. Bitová hloubka moderního jednočipového MP tedy dosahuje 64 bitů. Při používání MP a mikropočítačů musí být vývojáři schopni vyhodnotit možnosti jejich architektury a technických charakteristik a také být zběhlí v programovacích jazycích různých úrovní. Jazyk symbolických instrukcí 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 inženýři - specialisté na výpočetní techniku ​​potřebují znalosti v oblasti architektury MP a programování elektronických zařízení v jazycích různých úrovní.

Základními pojmy v mikroprocesorové technice jsou pojmy jako: „mikroprocesor“, „IC“, „IC“, „LSI“, „VLSI“, „mikroprocesorová sada LIS“, „mikroprocesorové zařízení“, „mikroprocesorový systém“, „mikroprocesor zařízení“, „mikropočítač“ (univerzální a specializovaný), „vestavěný mikropočítač“, „osobní počítač“, „domácí osobní počítač“, „profesionální osobní počítač“, „mikrokontrolér“ atd.

Kromě toho se v mikroprocesorové technice používají pojmy související s výpočetní technikou, a to zejména "páteř", "sběrnice", "rozhraní", "systémové rozhraní", "periferní rozhraní", "adaptér", "protokoly", "rozhraní" řádek" atd.

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

Jedním z hlavních, základních pojmů mikroprocesorové techniky je „mikroprocesor“.

Mikroprocesor- to komplexsoftwarově ovládané zařízení,určené ke zpracování digitálních informací aprocesní řízení tohoto zpracování, provedené ve formě jednoho nebo více integrálůmikroobvody se zvýšeným stupněm integrace (BIC nebo SBIS).

Integrovaný obvod (ISLEČNA) je mikroelektronické zařízení, které plní určitou funkci přeměny, zpracování signálů a (nebo) akumulace informací, které má vysokou vnitřní hustotu elektricky spojených prvků (nebo prvků a součástí) a (nebo) krystalů a je uvažováno z hlediska požadavky na testování, dodávku a provoz elektronických výrobků jako celku.

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

Digitální IC- integrovaný obvod určený k převodu a zpracování signálů, které se mění podle zákona diskrétní funkce.

Stupeň integrace- ukazatel stupně složitosti IC, který je charakterizován počtem prvků a součástí, které jsou v něm obsaženy. Stupeň integrace je určen vzorcem k= log 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 obvod, který obsahuje 500 nebo více prvků vyrobených bipolární technologií nebo 1000 nebo více prvků vyrobených technologií MOS, extra velký integrálníschéma (SBIS)obsahuje nad živly.

SouborBIS- soubor typů LSI, které plní různé funkce, které jsou kompatibilní architekturou, designem, elektrickými parametry a poskytují možnost jejich společného využití při výrobě mikroprocesorové techniky.

sada mikroprocesoru (IPC)- sada mikroprocesorových a dalších IO, které jsou kompatibilní architekturou, designem a elektrickými parametry a poskytují možnost jejich společného použití.

Mikroprocesor je popsán řadou parametrů, které jsou součástí obou elektronických zařízení (rychlost, spotřeba, rozměry, hmotnost, počet úrovní výkonu, spolehlivost, cena, typ pouzdra, teplotní rozsah atd.), počet vnitřních registrů, přítomnost úroveň mikroprogramu, typ zásobníkové paměti, skladba softwaru atd.).

mikroprocesorové zařízení ( MPU) - funkční a konstruktivníhotový výrobek, který je schematický a konstruktivnípřipojení několika mikroobvodů, včetně jednoho nebo více mikroprocesorůurčený k provedení jednoho respvíce 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) - to velký početfunkční zařízení, jeden zkteré mají mikroprocesor.

Mikroprocesor je jádrem tohoto systému a plní funkce centrálního řídicího zařízení a aritmeticko-logického převodníku dat. Všechna zařízení MPS mají standardní rozhraní a jsou připojena k jediné informační dálnici.

Mikroprocesorová technologie - mikroprocesory a výpočetní zařízenítechnologie (VT) a automatizace, vyrobené na jejich základě.

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

Univerzální mikropočítač - to mikropočítače, které mají velképrovozní zdroje přizpůsobené pro zvládnutí různýchnumerická 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 - to počítače určené k realizaci konkrétníhokonkrétní algoritmus:Fourierovy transformace, korelační výpočtyfunkce aostatní

Jsou to úzkoprofilové počítače s omezeným počtem systémových příkazů.

vestavěný mikropočítač (mikroprocesorové zařízení) - zpracovatelská jednotkaúdaje aovládací prvky určené pro použití v domácnostipřístrojů, systémů řízení procesů popřovládání, počítačové periferie, kancelářské vybavení atd.

Většina těchto počítačů se používá v domácích spotřebičích (televizory, rádia, pračky atd.)

Osobní počítač (osobní počítač) - dialogový systémpro osobní potřebu, implementováno nana bázi mikroprocesoruznamená malé externí úložištězařízení a zařízení pro záznam dat,které poskytují přístup ke všem počítačovým zdrojům pomocí vyvinutého programovacího systému ve vyšších jazycích.

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

mikrokontrolér- řízené zařízení, vyrobené na jednom nebo více čipech, 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 ve formě jediného LSI nebo VLSI. Jednočipový MP má pevnou bitovou hloubku, sadu příkazů a je konstrukčně vyroben ve formě jediného integrovaného obvodu (IC). Všechny operace, které provádí, jsou určeny sadou MP příkazů. Charakteristickým rysem jednočipového MP je přítomnost vnitřní dálnice pro přenos interních informačních dat a řídicích signálů. Možnosti těchto MP jsou omezeny hardwarovými zdroji krystalu a pouzdra, ale se zvýšením stupně integrace krystalu a počtu pinů pouzdra se parametry MP neustále zlepšují.

PROTI hodněkrystal MP logická struktura je rozdělena na funkčně kompletní části, které jsou implementovány jako samostatné LSI a VLSI nebo samostatné krystaly v jednom VLSI.

MP rozdělený na více čipů sestávají ze sady mikroprocesorových sekcí.

mikroprocesorová sekce- to integrovaný mikroprocesorobvod, který implementuje část MP a má prostředky jednoduchého funkcionálusdruženíse stejným typem nebo jinými mikroprocesorovými sekcemi pro stavbu kompletních MP, MPU nebo mikropočítačů.

Sekované MP jsou řízeny firmwarem. Sekční MPC zahrnují řady LSI: K1800, KR1802, KM1804 atd. Jejich hlavním účelem je vytvářet 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 IC s pevnou bitovou hloubkou a sadou příkazů nebo sady jednočipových MP LSI. Pro rozšíření funkčnosti MP je základní MPC LSI doplněn o další typy LSI: RAM, ROM, PROM, 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 se zpracovávají čistě digitální signály, zatímco v analogových MP je zabudováno analogově-digitální zařízení (ADC) a digitálně-analogový převodník (DAC) pro zpracování analogových signálů. V nich jsou vstupní analogové signály přenášeny do MP přes ADC, zpracovány v digitální formě, převedeny do analogové formy v DAC a vystupovány.

Výběr mikroprocesorové sady

pro návrh výpočetních zařízenía systémy

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

Při výběru MPC musí zařízení splňovat určité požadavky: pracovat v reálném čase; zvýšená spolehlivost; odolnost proti hluku; snadná údržba; přítomnost pevné sady úkolů, které jsou opakovaně řešeny 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 k použití, sadu příkazů a metod adresování, přítomnost a organizaci zásobníku;

2) ohledně návrhu systému je nutné určit: typ architektury MP (sekce nebo jednočip), typ organizace řízení (mikroprogram nebo s tvrdou logikou), přítomnost logicky spojených LSI z jiných sad, rychlost MP, možnost přerušení a přímý přístup do paměti, dostupnost automatizovaného návrhu;

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

Volba RPC pro konkrétní aplikaci se často provádí na základě technologie, kterou je vyroben.

Otázky a úkoly

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

2. Jak se liší jednočipové MP od vícečipových (bez sekcí a sekcí)?

3. Jaké jsou obecné parametry charakterizující MP, MPU a MPS?

4. Na jakém základě jsou poslanci charakterizováni?

5. Vyjmenujte hlavní parametry moderního MT.

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

1.2. Obecné otázkyorganizací afungovánímikroprocesorová zařízenía systémy

Struktura mikroprocesorových zařízenía systémy

Každý MPS se skládá z MP, paměťového systému, informačního vstupního a výstupního systému a systému pro propojení s objektem kontroly nebo kontroly.

mikroprocesor a plní roli centrálního řídicího zařízení a zařízení pro aritmeticko-logické transformace dat.

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

Trvalá úložná zařízení (ROM) jsou určeny pro dlouhodobé uchování předem nahraných dat a používají se pouze v režimu čtení. Jsou energeticky nezávislé.

Paměť s náhodným přístupem (OZP) pracovat v režimech online zápisu a čtení dat rychlostí, která se blíží rychlosti procesoru. Jsou energeticky závislé.

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

Zařízenízadávání dat (ID) navržený pro přenos dat zvenčí do MP registrů nebo paměti. Mezi nimi je klávesnice, různé ovládací panely, magnetické a laserové disky atd.

Zařízení pro výstup dat (UVv) navržený pro přijímání dat přenášených z MP registrů nebo paměťových buněk. Jedná se o displeje, tisková zařízení, VZU, ovládací panely, plotry (plotry) atd.

Pro rozhraní objektu ovládání nebo ovládání s MPU nebo MPS musí zařízení obsahovat senzory a akční členy. Chcete-li je připojit k MPU, ať už MPS používá blokyčasování, které provádějí funkce přizpůsobení rozhraní. Někdy se těmto blokům říká komunikační zařízení s objektem (USO).

Rozhraní mikroprocesorových zařízenía systémy

Architektonické schopnosti MPS do značné míry závisí na typu rozhraní.

Jednotné rozhraní je soubor pravidel, kterájednotné principy interakce mezi MPS zařízeními.

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 konstruktivních prostředků, které předurčují zadanou kvalitu automatické interakce různých funkčních prvků v jediném procesu zpracování informací v MPS ve fázích shromažďování, převádění, ukládání a vydávání výsledků a kontrolní akce.

Architektura MPS je definována především třemi vrstvami rozhraní: systém, stroj-stroj a malé rozhraní (rozhraní periferního zařízení).

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

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

Rozhraní mezi stroji 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.

Řízení mikroprocesoruzařízení (systémy)

Časová koordinace informačních signálů v MPU se provádí pomocí speciálních signálů přicházejících z řídicího zařízení MP. MPU nebo MPS pracuje synchronně s příchodem hodinových signálů. Nejjednodušší akce, která se provádí v MPU (MPS), se nazývá Stát. Pokrývá jednu periodu hodinového signálu - taktovanýinterval nebo takt.

Určitý počet hodinových intervalů je strojcyklus. Přístup k jedné paměti nebo I/O zařízení vyžaduje jeden strojový cyklus. V jednom cyklu je načtena instrukce nebo data a také adresový kód (případně bajt instrukce 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 do paměťového zařízení (paměti) a (nebo) do vstupně/výstupního zařízení (I/O) a „upozorňuje“ na začátek nového strojového cyklu, v důsledku čehož je načasování činnosti těchto zařízení zařízení s prací MP je dosaženo.

Schéma 1 Struktura týmu

Týmový cyklus- časový interval potřebný k načtení příkazu z paměti a jeho provedení. Skládá se z jednoho nebo více strojových cyklů. jejich počet se zpravidla rovná počtu přístupů MT do paměti nebo na jednu z JIP. Struktura příkazu je znázorněna na obrázku 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 konečného 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 působí na moduly MP a bloky zapojené do provádění tohoto příkazu.

Příkazový cyklus je rozdělen do dvou fází: fáze načítání a fáze provádění.

Fáze odběru vzorků- automat nastaví začátek dalšího cyklu, podle kterého se přenese číslo v programovém čítači do registru vyrovnávací paměti adres. Odtud je přes adresovou sběrnici odeslán adresový kód instrukce do paměti, kde je dešifrován. Po signálu „přečtení“ z paměťové buňky je příkazové slovo načteno a přeneseno přes datovou sběrnici do datového registru vyrovnávací paměti, ze kterého je přeneseno do příkazového registru a poté dešifrováno.

Fáze provádění- řídicí zařízení generuje sekvenci signálů nezbytných k provedení příkazu. Během této doby se údaje počítadla zvýší o jedničku. To tvoří adresu další instrukce, která má být provedena.

Čtení nebo psaní slova probíhá v určitém časovém intervalu, který se nazývá přístupová doba. Časový interval, který je strávený přístupem do paměti a přijímáním signálu připravenosti z ní, se nazývá cyklus čekání na připravenost. Tvoří součást strojního cyklu.

Výměna informací mezi MP, pamětí a IUV je realizována především ve třech režimech: programově řízená výměna, výměna v režimu přerušení, výměna v režimu přímého přístupu.

Softwarově řízená výměna. V tomto režimu MP určuje, zda je paměť nebo periferní zařízení (PU) připraveno provést I/O operaci a zahájit softwarový přenos dat. Air-blastery 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. V budoucnu dochází v souladu s protokolem rozhraní k výměně dat.

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

Po obdržení signálu přerušení MP dokončí aktuální operaci, přenese všechny informace vnitřních dat a řídicích registrů pro uložení do paměti a přejde k rutině obsluhy přerušení. Po ukončení výměny informací o přerušení se obnoví stav MP, který existoval na začátku přerušení.

Existují tři typy přerušení: jednoduché, vektorové a prioritní.

Jednoduché přerušení upozorní, že některé vstupní/výstupní zařízení vyžaduje službu MP.

Vektorové přerušení umožňuje rozpoznat typ (úroveň) přerušení požadovaného periferií. 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 potřeba vyměňovat si informace mimo MP. To je způsobeno snížením času stráveného výměnou datových polí. V tomto případě hardware MPP nebo MMS obsahuje řadič přímého přístupu do paměti, který řídí přenos dat a osvobozuje MPU od těchto funkcí.

DMA jsou připojeny paralelně k procesoru. Oddělení těchto kanálů se provádí pomocí třístavové logiky řízení stavu sběrnic MPS. MP během přímého přístupu do paměti 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 je zachován tak, jak byl v době požadavku kanálu přímého přístupu.

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

Metoda zastavení vychází ze skutečnosti, že v tomto stavu je MP po dobu přenosu dat odpojen od systémových sběrnic. Před přepnutím do stavu zastavení MP dokončí provádění aktuálního příkazu a setrvá v tomto stavu několik 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 sériové výměně dat. Vysokorychlostní air-blastery si vyměňují pouze jedno slovo; jejich požadavek na službu je uspokojen zpožděním provádění aktuální instrukce o jeden strojový cyklus, zatímco MP je ve stavu přechodu z jednoho strojového cyklu do druhého. V tomto režimu DMA se MP zastaví pouze na jeden strojový cyklus pro přenos každého datového slova, po kterém se řízení vrátí na MP.

adresní prostor. Mechanismus a metody oslovování

Adresní prostor MPU (MPS) - sada provozních adrespaměť aROM, která je dostupná pro programy spouštěné MP.

Velikost adresního prostoru MP RAM je jednou z veličin, které výrazně ovlivňují výkon MPS 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 adresový prostor 64 KB, 20bitové slovo 1 MB atd. Někdy pro zjednodušení informačních vazeb mezi komponentami MPU a usnadňují programování I/O procedur, adresy registrů jsou umístěny v adresním prostoru MP a UVV. Neexistují žádné vstupní/výstupní příkazy jako takové. Adresy do registrů MP a UVV jsou shodné s přístupem k paměťovým buňkám.

Když se vytvoří slovo, 2bajtová adresa, bajt se sudou (nižší) adresou se nazývá nižší a bajt s lichou adresou se nazývá vyšší.

Adresový prostor LPA je často reprezentován jako diagram, který označuje obecný rozsah adres. Tento rozsah lze rozdělit do podrozsahů, které odpovídají standardním velikostem konstrukčních modulů, čipů, různým typům pamětí (RAM, ROM atd.) nebo jejich specifickému účelu.

V systému příkazů MP zaujímají adresní příkazy významné místo.

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

Jedním z důvodů takové organizace instrukce je nemožnost zapsat celou fyzickou adresu přímo 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 MPU (MPS) efektivně zpracovávat informace s minimálním počtem přístupů do RAM. V MPU (MPS) se často používají příkazy dvou nebo více slov.

Pro omezení délky adresového slova se používají různé způsoby adresování, které umožňují:

1) určení úplné adresy paměťové buňky s méně bity, než je délka příkazu zkrácena;

2) přístup k paměťovým buňkám, jejichž adresy se vypočítávají během zpracování, což poskytuje přístup k zařízením pro rozšíření paměti;

3) vypočítat datové adresy vzhledem k pozici (aktuální adrese) instrukce 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 prováděcí adresa určena jednou kódovou hodnotou v příkazu;

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

První skupina zahrnuje adresování s přímým, přímým registrem, nepřímým, s nepřímým registrem, přímým, s automatickým přírůstkem a automatickým snižováním a do druhé skupiny s základním, relativním, zásobníkovým a virtuálním adresováním.

přímé oslovování. Operandy se načítají z paměti (registrů) na adrese zapsané v instrukci. Určení přímé adresy však vyžaduje mnoho bitů k popisu v instrukci velké adresy. 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 Kód instrukce ukládá jméno registru, ve kterém je operand umístěn. 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 instrukce obsahuje ukazatel adresy paměti. Při provádění instrukcí s takovým adresováním se do paměti přistupuje dvakrát: nejprve se vybere adresa a poté operand. Beze změny příkazového kódu je tedy možné 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. V tomto schématu adres obsahuje registr nebo dvojice registrů adresu operandu. Registry se načítají pomocí příkazů s přímým adresováním. Použití režimu nepřímého adresování registru umožňuje vypočítat adresu paměti během provádění programu, což je nezbytné v procedurách přenosu dat, při prohlížení prvků pole atd.

přímé oslovování. Operand je v kódu instrukce. Příkazy se v tomto případě mohou skládat ze dvou nebo tří slov.

Autoincrement a autodecrement adresování. Adresa spustitelného souboru se vypočítá stejným způsobem jako u nepřímého adresování registru a poté se obsah registru inkrementuje. V mikropočítači s bajtovou adresou musí být obsah registru zvýšen o 1 pro označení dalšího bajtu a o 2 pro označení adresy dalšího slova, přičemž velikost operandu je určena operačním kódem. V režimu automatického dekrementování je adresa operandu tvořena odečtením 1 nebo 2 od registru adres. Rozdíl od adresování s automatickým přírůstkem je v tom, že k odečítání dochází předtím, než je obsah registru použit jako prováděcí adresa. Kombinace režimů automatického zvýšení a automatického snížení umožňuje efektivně používat jakýkoli registr jako ukazatel zásobníku. Toto adresování se také používá při organizování smyček a při operacích s řetězcovými proměnnými.

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

Relativní adresování. Spustitelná adresa je vytvořena přidáním základní adresy do adresního pole instrukce. Jako základní adresa je použit obsah programového čítače. Použití relativního adresování umožňuje vytvářet programy, které se v paměti pohybují nezávisle, protože vždy určují offset vzhledem k obsahu programového čítače. Posun je interpretován jako celé číslo se znaménkem doplněné dvojkou, které poskytuje skok v obou směrech.

adresování zásobníku. Adresování nepřímého registru s automatickým přírůstkem nebo automatickým dekrementem (auto-inkrementace nebo auto-dekrementace), ve kterém je registr s ukazatelem adresy operandu specifikován implicitně (existují takové instrukce, kde je umístění operandů a výsledek fixní - implicitní adresování). Zavolá se paměťové místo, na které ukazuje obsah implicitně definovaného registru (ukazatel zásobníku). summit zásobník. Stack addressing poskytuje speciální přístup k části paměti tzv zásobník, který je založen na principu „poslední dovnitř, první ven“. Pro přístup k zásobníku se používají instrukce, které zapisují informace do zásobníku a ze zásobníku. Pokud instrukce, které zapisují informace do zásobníku, snižují obsah ukazatele zásobníku a instrukce, které odebírají informace ze zásobníku, zvyšují, pak říkáme, že zásobník pracuje na snížení, v opačném případě - na zvýšení.

virtuální adresování. Každý uživatel paměti (operační systém nebo osoba) při řešení aplikovaného problému manipuluje s virtuálními adresami, což vytváří iluzi paměti neomezené kapacity, ačkoli skutečná RAM systému má omezenou kapacitu. Iluze vzniká díky mechanismu virtuálního adresování, který je založen na dynamickém přerozdělování paměťových stránek mezi hlavní pamětí systému (OZP) a externí pamětí.

Pro každého uživatele operační systém vytvoří tabulku shody mezi virtuálními a fyzickými stránkami. Pokud je otevřena fyzická stránka, která není v hlavní paměti, 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 vlastností. Například v jednom segmentu - příkazy, ve druhém - data, ve třetím - část zásobníku. Nebo v jednom segmentu, ve kterém je zápis zakázán, - jádro operačního systému a ve druhém, ve kterém je povolen zápis a čtení, - uživatelské programy. S pomocí segmentačního mechanismu se tak řeší problémy ochrany paměti.

Segmentace byla implementována v K1810VM86 MP a virtuální adresování bylo implementováno v IAPX286 MP (Intel) a 68010 (Motorola).

příkazový systém. Obecně 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, která má být provedena v daném pracovním cyklu; adresa jednoho nebo dvou operandů zapojených do operace; umístění výsledku operace; umístění dalšího příkazu. Vzhledem k malé kapacitě MP je obtížné a někdy nemožné uvést takové informace 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) bity zpracování;

5) ty, které mění posloupnost výpočtů - skoky (nepodmíněné, podmíněné), volání do podprogramů, návraty z podprogramů, softwarová přerušení.

Otázky k samovyšetření

1. Popište zobecněnou strukturu MP a MPS.

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

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

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

5. Na jakých parametrech MP závisí velikost adresního prostoru?

6. Pomocí dodatku 1 uveďte příklady adresových instrukcí s přímým, nepřímým, okamžitým, základním, relativním, automatickým přírůstkem, zásobníkem a virtuálním adresováním.

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

1.3. Formalizace procesudesignmikroprocesorová zařízenía systémy

Aspekty a úrovně designu

Při navrhování MPU a MPS v mnoha případech využívají blokově-hierarchický přístup, ve kterém Navrhovaný systém je rozdělen do hierarchických úrovní. Na nejvyšší úrovni se používá nejvíce nedetailní zobrazení, kde jsou zobrazeny pouze obecné vlastnosti a vlastnosti navrhovaného systému. Na dalších úrovních se úroveň detailů zvyšuje. V tomto případě je MPS považován za soubor jednotlivých bloků. Na každé úrovni jsou formulovány a řešeny úkoly určité složitosti, které jsou realizovány pomocí návrhových nástrojů dostupných na této úrovni. Zadání bloku by mělo být takové, aby dokumentace ke každému jednotlivému bloku byla srozumitelná jednomu projektantovi.

Blokově-hierarchický přístup tedy umožňuje rozdělit složité úkoly návrhu rozsáhlého MPS do skupin úkolů malého rozsahu a v rámci skupiny lze paralelně řešit různé úkoly.

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 (strukturální), funkčně-logické a obvodově-komponentní. Na systémové úrovni je navrženo blokové schéma MPU nebo, MPS, na funkčně logické úrovni - funkční a schematická schémata MPU nebo všech zařízení, která jsou součástí MPS.

Na podúrovni obvodů na úrovni obvod-komponenta jsou navržena obvodová schémata integrovaných obvodů nebo fragmentů 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 činnosti MPU nebo MPS, úroveň architektury a úroveň firmwaru. Na 1. stupni vypracovávají schémata fungování MPU nebo MPS, určují úlohy, které bude řešit mikroprocesorová část MPS, plánují softwarové systémy a vypracovávají bloková schémata algoritmů. Další vývoj softwarových modulů.

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

Stůl 1.Horizontální a vertikálníkonstrukční úrovně

Horizontální úroveň

Aspekty (vertikální úrovně)

Funkční

Algoritmické

Design

Technologický

Vývoj zákonů pro fungování LPA (MPS); návrh algoritmu; programování modulu

systémové (strukturální)

Architektonický (stroj)

Stoupačka, pa-nel

Vypracování schematického diagramu technologického procesu

Funkčně-logické

mikro software

TEZ, modul

Vývoj tras technologických procesů

Obvod-technicka-komponenta-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 projektování stoupaček, panelů, TEZ_v, modulů a krystalů (chip_v) ІС (2., 3., 4. stejný).

Technologický aspekt se skládá ze tří horizontálních úrovní - 2., 3. a 4. Na 2. úrovni je vypracováno schéma technologického postupu výroby MPU nebo MPS, to znamená, že je stanoveno složení a sled fází výroby MPU (MPS). Na 3. úrovni jsou vypracovány trasy technologického procesu výroby MPU (MPS), to znamená, že určují složení a sled operací pro výrobu produktu, vybírají typy a skupiny technologických zařízení. Na 4. úrovni jsou navrženy technologické operace pro výrobu součástek MPU (MPS).

Hlavní úkoly konstrukčních úrovní

Systémové a architektonickéúrovně designu:

1) stanovení zásad organizace LPA (MPS);

2) vývoj blokového diagramu, tj. definice složení zařízení nebo systému a způsobu interakce jeho součástí v procesu fungování 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.

ToR 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 zařízení; základnu prvků pro vytvoření zařízení.

Funkčně-logický a firmwarekonstrukční úrovně:

1) podrobný popis funkcí každého zařízení;

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

3) volba principů pro organizaci LPA (MPS) a rozvoj její koncepce;

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

5) syntéza funkčních a obvodových schémat číslicových zařízení, která jsou součástí MPS;

6) syntéza monitorovacích a diagnostických testů pro MPP nebo MPS;

7) formulace TOR pro úroveň návrhu obvodu.

Hlavní kritéria návrhu pro komplexní MPP aMPS:

1) kvalita designu;

2) náklady na design;

3) podmínky vývoje;

4) počet zaměstnaných specialistů-vývojářů.

Podle možností formalizace procesu navrhování a jeho iterativní povahy se dává přednost volbě počítačově podporovaného navrhování 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 MPP a MPS.

2. Co představují aspekty v simulovaném schématu návrhu MPP?

3. Na které z horizontálních úrovní je MPP navržena jako TK a jaké hledisko tomu odpovídá?

4. Vyjmenujte hlavní úkoly systémové úrovně projektování MPP.

5. Jaké jsou rysy architektonické úrovně návrhu MPP?

6. Co je podstatou funkčně-logické roviny projektování MPP a MPS?

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

1.4. Architekturamikroprocesorzařízení a systémy

Podstata architektury a principy

vývoj mikroprocesorových zařízení a systémů

Esence architekturyMPU a MPS.

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

Architektura kombinuje hardware, firmware a software výpočetní techniky a umožňuje jasně identifikovat, co musí uživatel při tvorbě konkrétní MPS implementovat v softwaru a doplňkovém hardwaru.

Jinak je architektura MP její logickou organizací, vzhledem k možnostem MP ohledně hardwarové nebo softwarové implementace funkcí, které jsou přiřazeny navrženému MPU nebo MPS. Zobrazuje strukturu MP, způsoby zobrazení a datové formáty, sadu příkazů, formáty řídicích slov, způsoby přístupu ke všem prvkům struktury přístupným uživateli a odezvu MP na vnější signály.

Na architekturu MP lze nahlížet jako na soubor jejích vlastností a charakteristik z pohledu uživatele. Popisuje metodiku pro optimální kombinaci kombinace hardwaru, softwaru a firmwaru LPU nebo MPU s ohledem na vlastnosti, které používají vývojáři a uživatelští programátoři.

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

Architektura mikropočítač - abstraktní pojem mikropočítače z hlediska funkčních celků, hlavních počítačových modulů, datových struktur. Architektura konkrétně nedefinuje vlastnosti hardwaru, dobu provádění příkazů, míru paralelismu při implementaci programu a další podobné vlastnosti. Zobrazuje aspekty struktury mikropočítače, zejména: systém příkazů, režimy adresování, datové formáty, sadu registrů dostupných uživateli. Termín "architektura" se používá k popisu schopností, které mikropočítač poskytuje, zatímco 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 základ pro potenciálního vývojáře nového mikropočítače: v tomto případě vývojář transformuje prvky architektury, které představují určité logické schéma, soubor nezbytných propojených komponent.

Všechny mikropočítače obsahují funkční bloky, které mají vlastní vnitřní mikroarchitekturu: 1) procesor, sestává z aritmetické logické jednotky a řídicí jednotky; 2) paměť je soubor paměťových prvků (buněk) a řídicí jednotka; 3) informační vstupní a výstupní zařízení jsou také složitá zařízení, která obsahují mechanické a elektronické moduly. Tyto funkční bloky jsou kombinovány pomocí sběrnicového systému: datová sběrnice, jejímž prostřednictvím dochází k výměně informací mezi mikropočítačovými jednotkami; 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 významem neliší od definice architektury mikropočítačů obecně.

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

Architektura MPS - definice funkcí implementovaných systémem na jeho jednotlivých úrovních a přesné vymezení hranic mezi těmito úrovněmi. Definuje principy organizace MPS a funkce jeho součástí, zejména procesor, paměť atd. Architektura MPS neodráží konstrukční vlastnosti logických struktur a modulů a technologii jejich výroby.

Principy rozvojeMPU a MPS

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 mikropočítačů a MPS na bázi sady modulů.

Modul - konstruktivně, funkčně a eelektricky hotovépřístroj,což to umožňuje, samostatně nebo v kombinaci s jinýmimodulyřešit výpočetní nebo řídicí problémydaná třída.

Rozlišovat funkční a konstruktivní moduly. Modulární přístup umožňuje standardizovat prvky vyšších úrovní a snižuje náklady na návrh MPU a MPS, zjednodušuje budování kapacit a rekonfiguraci systému.

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

Většina mikropočítačů a MPS má víceúrovňovou organizaci řízení programu.

Zásada ovládání firmwaru poskytuje největší flexibilitu v organizaci multifunkčních mikroprocesorových modulů a určitou kombinací mikropříkazů umožňuje provádět problémovou 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 distribuovaného řízení a distribuované paměti,

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 vztahů mezi nimi.

Pravidelnost systému je zpravidla posuzována na různých úrovních jeho organizace. Hlavní způsoby, jak zvýšit pravidelnost struktury MPP a MPS, jsou:

1) široké použití paměťových zařízení;

2) odmítnutí přiřadit určité mikrooperace rejstříkům;

3) použití struktur registru;

4) výroba obecných 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. Flyna. Jedná se o jednu z úspěšných klasifikací, která ukazuje architektonické rozdíly mezi počítači. Architektonické vlastnosti počítače jsou popsány z hlediska toku příkazů (instrukcí) a toku dat. Tento přístup umožňuje přiřadit počítačové architektury do jedné ze specifických tříd (tabulka 2, schéma 2).

tabulka 2 Flynnova klasifikace počítačových architektur

Tok příkazů

Jeden datový tok

Vícenásobný datový tok (MD)

Single (OK)

OKOD (SISD) (jednoprocesorové počítače)

SIMD (počítače s paralelními nebo asociativními procesory)

více (MK)

MKOD (MISD) (hlavní počítače dopravníků)

MKMD (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 všechny paralelní počítače kromě víceprocesorových odkazuje do stejné třídy a nenaznačuje žádný rozdíl mezi zřetězeným počítačem a maticí MP.

Používají se i další klasifikace architektur, zejména taxonomie F. Shara, strukturální systematika R. Hockneyho a K. Jeshopa, která používá speciální strukturní zápisy.

Strukturní systematika R.Hockney a C. 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 sériové počítače a druhý tvoří třídu paralelních počítačů, které se dělí na zřetězené, nezřetězené a mikroprocesorové matice.

Schéma 2 Ilustrace Flynnovy klasifikace počítačových architektur

Příkladem jednoho z prvních nezřetězených počítačů s paralelismem může být počítač CDC-6600, postavený na bázi několika skalárních procesorů.

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

Počítače strojové třídy s maticí procesorů jsou klasifikovány podle konektivity procesorů v matici, podle jejich kapacity atd. Prvními stroji tohoto typu byly ILLIAC-IV, BSP, STA-RAN, ICL DAP, OMEN ad.

Podle účelu jsou počítače rozděleny do dvou hlavních skupin: univerzální a specializované .

Architekturavon Neumann

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

Základní principy stavby programově řízených počítačů.

V roce 1946 slavný americký matematik J. von Neumann poprvé formuloval základní principy pro konstrukci programově řízených počítačů, které byly časem doplňovány a zpřesňovány:

1) princip programového řízení spočívá v tom, že počítač dokáže automaticky převádět zdrojová data v souladu s daným programem;

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

3) principem perzistence (zabezpečení) programu je, že program je umístěn v paměťovém zařízení počítače;

4) princip náhodného přístupu k paměťovým prvkům;

5) princip používání binární číselné soustavy;

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, navíc platí následující zásady:

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

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

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

Příležitost organizace vícestupňové práce o vytváření a zlepšování počítačů.

Stroje čtvrté generace postavena na principech:

- multiprocessing- přepínání 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);

Použití vnitřní jazyky na vysoké úrovni.

Stroje páté generace lišit:

Výrazné zvýšení intelektuální úrovně zpracovatelů;

Další rozvoj vstupně-výstupní funkce grafiky, obrázků, dokumentů, programovacích jazyků;

Možnost interaktivního zpracování informací pomocí přirozeného jazyka;

Schopnost samoučení, asociativních konstrukcí a vyvozování závěrů.

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

Vysoká úroveň inteligence uživatelské interakce s výpočetním systémem na různých úrovních přístupu k databázím pro výběr potřebných informací a znalostních bází pro získání nových nápadů nezbytných k řešení neznámých úkolů;

Využití stávajících softwarových fondů orientovaných 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 rozdílů mezi rychlostí procesoru a rychlostí přístupu k RAM;

2) opakování počítačových zařízení stejného typu, 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 aritmetické jednotky.

Základní způsobyzavedení paralelismu Počítačovou architekturu lze rozdělit do následujících skupin:

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

- zpracování potrubí- využití principu dopravníku za účelem zvýšení účinnosti procesorového zařízení;

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

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

Signál a mjednotlivé mikroprocesory

Signální maticové procesory - procesory,které jsou založeny naprincip řízenísamotným potokemdata.

Instrukce se začnou provádět, 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 jako šíření signálu. Jsou distribuovaným globálním asynchronním maticovým výpočetním systémem.

mediální systém - procesorová síť,které vystupují rytmickyvýpočty a přenos dat systémem.

Každý procesor pravidelně pumpuje data v každém okamžiku a provádí určité krátké výpočty, aby se datový tok pravidelně ukládal v síti. Každý z těchto procesorů je zaměřen pouze na jednu třídu úloh a patří tedy do třídy specializovaných počítačů.

Na hardwarové úrovni jsou tyto počítače vlastní globální synchronizaci, která předurčuje výskyt takových problémů, jako je synchronizace hodin, zvýšená spotřeba energie, snížená spolehlivost atd.

U víceprocesorových systémů s univerzálním streamováním jsou významné konflikty spojené s používáním sdílené paměti a interakcí procesorů. Tyto problémy byly vyřešeny nahrazením proudových 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.

Architektura počítače RISC

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 (cyklu);

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) krátké trvání cyklu, a tedy rychlé provádění příkazů;

4) schopnost vytvářet efektivní příkazový kanál.

Nedostatky RISC-architektura:

1) relativně nízký směnný kurz operandů a buněk RAM;

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 na 64bitových operandech. Při řešení aplikovaných problémů se jejich výkon výrazně snižuje a blíží se výkonu moderních univerzálních počítačů.

Z moderních zřetězených a maticových MPS je třeba zmínit superpočítače jako Cray MP a další.

Otázka. Úkol

1. Co zobrazuje architektura MPU (mikropočítač) a jak se liší od architektury MP?

2. Vysvětlete podstatu principů modularity, páteře, mikroprogramovatelnosti a pravidelnosti struktury, které se používají při vývoji MPU, 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 mediální sítě MP a matice signálu 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 v systémech virobnicheskih: Posіbnik - K.: Vidavnichiy center "Akademiya", 2002. - 368 s. (Alma mater).

2. Korneev výpočetní systémy.- M.: "Znalosti", 199s.

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

Kvalitativní a kvantitativní změny v elementové základně nástrojů VT vedly k

změnou zavedených principů jejich návrhu (jako jsou tuhé

struktura, sekvenční centrální řízení, liniová organizace

paměti a nemožnosti přizpůsobit strukturu počítače funkcím

problém se řeší).

Klasické von Neumannovy principy organizování počítačových systémů byly nahrazeny myšlenkami problémové orientace MPS, paralelního a zřetězeného zpracování informací, používání tabulkových metod zpracování dat, principů pravidelnosti a jednotnosti struktur MPS; se stává skutečným

možnost myšlenky na vytvoření adaptivně laditelných systémů, stejně jako

hardwarová implementace softwarových funkcí. Proto v současnosti

čas při návrhu výpočetních systémů založených na MPS obdržel

aplikace tzv. principu "3M": modularita, kufr,

mikroprogramovatelnost.

Princip modulární organizace zahrnuje konstrukci výpočtových a

ovládání MPS na základě sady modulů: konstrukčně, funkčně a

elektricky kompletní výpočetní zařízení, která vám umožní samostatně

nebo ve spojení s jinými moduly k řešení problémů této třídy. Modulární

přístup v návrhu mikropočítačů a systémů umožňuje (při implementaci jako

univerzální a specializované moduly) zajišťují tvorbu rodin

(řady) MPS, lišících se funkčností a vlastnostmi,

pokrývající významnou škálu aplikací, pomáhá snižovat

náklady na design a také zjednodušuje rozšíření kapacity a

rekonfigurace systémů, posouvá zastaralost výpočetní techniky

Páteřní metoda výměny informací odlišná od organizace

libovolné spojení (podle zásady „každý s každým“) umožňuje zefektivnit a

minimalizovat počet odkazů v MPS. Poskytuje výměnu informací mezi

pomocí funkčních a konstruktivních modulů různých úrovní

dálnice, které kombinují vstupní a výstupní autobusy. Jsou jeden, dva,

tří- a vícelinkové komunikace. Je třeba poznamenat vztah

obvodová a konstrukční řešení, která se objeví během realizace

tento způsob výměny ve formě vytvoření speciálního obousměrného bufferu

kaskád se třemi stabilními stavy a využitím dočasných

multiplexování výměnných kanálů.

Ovládání firmwaru poskytuje největší flexibilitu při organizování

multifunkční moduly a umožňuje orientaci v problémech

MPS, stejně jako v nich používat makrooperace, což je efektivnější než používání

standardní rutiny. Navíc přenos řízených slov ve formě

zašifrované kódové sekvence odpovídá podmínkám minimalizace

počet pinů VLSI a snížení počtu propojení v modulech.

Kromě hlavních rysů designu MPS uvedených výše by to mělo být

všimněte si zásady pravidelnosti, která znamená pravidelnost

opakovatelnost prvků struktury MPS a vazeb mezi nimi. Aplikace tohoto

princip umožňuje zvýšit integrální hustotu, snížit délku vazeb

na čipu, zkraťte čas rozvržení a návrhu obvodu

LSI a VLSI design, snížit počet křižovatek a typy funkční

a konstrukční prvky.

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

Uveďte popis pojmové struktury funkčního chování systému s

pozice zohlednění zájmů uživatele při jeho konstrukci a organizaci

výpočetní proces v něm;

Určit strukturu, názvosloví a rysy konstrukce softwaru a

firmware;

Popište charakteristiku vnitřní organizace datových toků a řízení

informace;

Proveďte analýzu funkční struktury a vlastností fyzického

implementace systémových zařízení z hlediska softwarové rovnováhy,

mikroprogram a hardware.

Hlavní fáze návrhu MPS jsou znázorněny na Obr. 3.1.

V počáteční fázi návrhu může být MPS popsán v jednom z

tyto koncepční úrovně: „black box“, strukturální, program,

logické, schéma.

Na úrovni „černé skříňky“ je MPS popsán externími specifikacemi, kde

jsou uvedeny vnější charakteristiky.

Rýže. 3.1. Etapy návrhu MPS

Strukturální úroveň tvoří hardwarové komponenty MPS, které

popisuje funkce jednotlivých zařízení, jejich vztah a informace

proudy.

Úroveň softwaru je rozdělena do dvou podúrovní (procesorové instrukce a

jazyk) a MPS je interpretován jako sekvence operátorů resp

příkazy, které způsobují tu či onu akci na nějaké datové struktuře.

Logická úroveň je vlastní výhradně diskrétním systémům a dělí se na

dvě podúrovně: spínací obvody a převody registrů.

První podúroveň tvoří hradla (kombinační obvody a paměťové prvky) a na jejich základě postavené operátory zpracování dat. Druhá podúroveň se vyznačuje vyšší mírou abstrakce a jedná se o popis registrů a přenos dat mezi nimi. Zahrnuje dva

části: informace a řízení: první je tvořena registry,

operátory a cesty přenosu dat, druhý poskytuje závislé na

časové 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:

design, výroba a provoz.

Každá z etap je rozdělena do několika fází, u kterých existuje pravděpodobnost výskytu 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 designové a interaktivní. Design

poruchy jsou způsobeny nedostatky zavedenými do systému v různých fázích

provedení původního úkolu. Interaktivní poruchy se vyskytují v

postup práce vinou servisního personálu (operátora). výsledek

projevem poruchy je chyba a jedna porucha může

způsobit řadu chyb a může být způsobena stejná chyba

mnoho chyb.

Existuje také pojem defekt – fyzická změna parametrů

součásti systému, které jsou mimo dosah. Závady se nazývají

selhání, pokud jsou dočasné, a selhání, pokud jsou trvalá.

Vadu nelze detekovat, dokud pro ni nejsou vytvořeny podmínky

výskyt poruchy v důsledku toho, jejíž výsledek by měl být sám o sobě

fronty, předán na výstup zkoumaného objektu za účelem provedení

pozorovatelné selhání.

Odstraňování problémů je proces určování příčiny chyby

výsledky testů.

Ladění je proces zjišťování a určování chyb

zdroje jejich výskytu podle výsledků testování při návrhu MPS.

Nástroje pro ladění jsou zařízení, komplexy a programy. Někdy pod

ladění rozumí detekci, lokalizaci a odstraňování poruch. Úspěch

ladění závisí na tom, jak je systém navržen, zda

vlastnosti, které usnadňují ladění, a také použité nástroje

pro ladění.

Pro ladění musí mít navržený MPS

vlastnosti ovladatelnosti, pozorovatelnosti a předvídatelnosti.

ovladatelnost - vlastnost systému, ve které je jeho chování přístupné

řízení, tzn. je možné zastavit provoz systému v

určitý stav a restartujte systém.

pozorovatelnost- vlastnost systému, která umožňuje sledovat chování

systému, po změně jeho vnitřních stavů.

Předvídatelnost– vlastnost systému, která umožňuje instalaci systému do

stav, ze kterého lze předvídat všechny následující stavy.

MPS se mohou výrazně lišit svou složitostí, požadavky a funkcemi.

provozní parametry, množství softwaru, typ

sada mikroprocesorů atd. V důsledku toho může proces návrhu

měnit v závislosti na požadavcích systému.

Proces návrhu je iterativní proces. Poruchy zjištěné během fáze přejímacího testování mohou vést k opravě specifikace a

tedy do začátku návrhu celého systému. Nalézt

porucha je nutná co nejdříve; je potřeba to ovládat

správnost projektu v každé fázi vývoje. Existují následující metody

kontrola návrhu: verifikace (formální metody

doklad o správnosti projektu); modelování; testování.

V poslední době se objevila spousta práce na ověřování softwaru.

software, firmware, hardware. Tyto práce jsou však stále

teoretický charakter. Proto se v praxi častěji využívá modelování

chování objektů a testování na různých úrovních abstraktu

reprezentace systému.

Ve fázi formalizace požadavků na systém kontrola správnosti projektu

zvláště nutné, protože mnoho cílů návrhu není formalizováno resp

nelze v zásadě formalizovat. Funkční specifikace může

být analyzován týmem odborníků nebo modelován a testován

experimentální pořadí k identifikaci dosažení požadovaných cílů. Po schválení

funkční specifikace zahajuje vývoj testovacích programů,

navrženy tak, aby zajistily správný provoz systému v souladu s

jeho specifikace. V ideálním případě jsou testy plně vyvinuty

na základě této specifikace a umožňující ověření jakékoli

implementace systému, který je deklarován jako schopný vykonávat funkce

specifikováno ve specifikaci. Tato metoda je přesným opakem ostatních.

kde jsou testy sestaveny pro konkrétní implementace. Nicméně v praxi

vývoj testů má často nižší prioritu než

projekt, takže testovací programy se objeví mnohem později

Návrh mikroprocesorového systému

Struktura

Blokové schéma systému je na obrázku 3.2.

Obrázek 3.2 - Blokové schéma MPS

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

MP vygeneruje adresu v USA a vymění ji s SDS.

RAM je navržena 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 převáděl analogový signál ze senzorů na digitální kód.

PP je navržen tak, aby organizoval výměnu přes sériový kanál mezi velínem a MP.

Schematický návrh

MPS musí poskytnout:

• - 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 - bitová hloubka 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 vestavěného softwaru;
• - 4 porty;
• - malá 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 čip K572PV4. Mezi výhody mikročipu patří:

• - přítomnost vestavěného multiplexeru;
• - automatický dotaz senzorů bez účasti mikroprocesoru;
• - ukládání výsledků převodu pro každý kanál do vestavěné statické paměti.

Protože MK nemá výstupy generátoru, je pro generování hodinového signálu použit generátorový čip K531GG1.

Pro organizaci výměny informací s dispečinkem se používá transceiver zabudovaný v MC. Software KM1816BE51 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 stejnou hodnotou (od 5 do 12 V), ale s různými znaménky.

Protože pětivoltové logické signály musí být převedeny na jinou úroveň pro přenos přes RS-232, používá MPS čip Maxim MAX202E. Obsahuje 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.

Na piny XTAL1 a XTAL2 mikrokontroléru DD1 je připojen 12 MHz quartzový rezonátor ZQ1. Pro stabilnější start jsou výstupy křemenného rezonátoru připojeny na společný vodič přes kondenzátory C1 a C2 o kapacitě 21 pF.

Když je na mikrokontrolér přivedeno napájecí napětí, je nutné mikrokontrolér resetovat. Za tímto účelem je vstup RST připojen k napájecí sběrnici přes kondenzátor C3 6 μF a ke společnému vodiči přes rezistor R1 100 kΩ. V okamžiku zapnutí je kondenzátor vybitý a resetovací vstup je na potenciálu blízkém napájecímu napětí. Navzdory poklesu tohoto potenciálu v důsledku náboje C3 po dobu deseti milisekund zůstává úroveň signálu na resetovacím vstupu jediná a mikrokontrolér se spustí správně.

Na vstup je aplikována logická jednotka, protože 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 vytvořeny na řádcích P1.0-P1.3.

Protože analogové snímače připojené k ACS DA1 musí mít parametr výstupního 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 provozního algoritmu MPS

MPS pracuje v následujícím pořadí:

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

Blokové diagramy algoritmů pracovního programu MPS jsou uvedeny v příloze E, fragment kódu programu je v příloze E.

Výpočet spotřeby energie

Výkon spotřebovaný celým systémem je definován jako součet výkonů spotřebovaných všemi částmi systému.

Výpočet výkonu je shrnut v tabulce 3.4.

Tabulka 3.1 - Výpočet spotřeby energie

Systém spotřebovává energii.

Komunikační zařízení

Pro zajištění výměny s dispečinkem je použit převodník rozhraní MI 486. Umožňuje příjem / přenos dat přes síť 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.