Blok dijagram uređaja prikazan je u Dodatku A.

Ovaj mikroprocesorski sustav sastoji se od sljedećih blokova: mikroprocesor, RAM, ROM, programabilno paralelno sučelje, analogno-digitalni pretvarač, mjerač vremena, zaslon.

Analogni signali sa senzora dovode se na ulaze analognog multipleksora ugrađenog u ADC, koji u svakom vremenskom intervalu prebacuje jedan od signala na ulaz analogno-digitalnog pretvarača.

Analogno-digitalni pretvarač koristi se za pretvaranje analognog signala u digitalni kod s kojim radi mikroprocesor.

Mikroprocesor pristupa ADC-u preko programabilnog paralelnog sučelja. Čita informacije s izlaza ADC-a, unosi ih u RAM memorijsku ćeliju. Osim toga, na temelju informacija primljenih od senzora tlaka ulja na izlazu iz stanice, MP izračunava kontrolno djelovanje. Ova vrijednost se prenosi na aktuator u obliku digitalnog koda.

RAM služi za privremeno pohranjivanje informacija primljenih od senzora i međurezultata mikroprocesorskih proračuna.

Softver sustava pohranjen je u ROM (memorija samo za čitanje). Operacijom čitanja upravlja mikroprocesor.

Program, koji je pohranjen u ROM-u, omogućuje sljedeće operacije sustava:

Sekvencijalno ispitivanje senzora;

Upravljanje analogno-digitalnom pretvorbom analognog signala;

Regulacija tlaka ulja;

Indikacija i alarm;

Odgovor na gubitak struje.

Razvoj algoritma sustava

Blok dijagram algoritma prikazan je u Dodatku B.

Inicijalizacija

U ovoj fazi, kontrolne riječi se zapisuju u RSS programabilnog paralelnog sučelja. PPI DD10 radi u nultom modu. Portovi rade na sljedeći način: port A - ulaz, port B - izlaz, port C - izlaz. PPI DD1 radi u nultom modu. Portovi rade na sljedeći način: port A - izlaz, port B - izlaz, port C - izlaz.

Senzori za prozivanje

Analogne senzore proziva ADC. Mikroprocesor ispituje diskretne senzore kroz port A PPI 1.

Spremi u RAM

Rezultati dobiveni nakon anketiranja senzora unose se u memoriju slučajnog pristupa za privremenu memoriju.

Kontrolna radnja

Mikroprocesorski sustav analizira primljene podatke i generira digitalnu upravljačku akciju.

Razvoj koncepta

Shematski dijagram uređaja prikazan je u Dodatku D.

Adresna sabirnica se formira pomoću registra međuspremnika i upravljačkog programa sabirnice. Odabir registra vrši se ALE signalom mikroprocesora. Vozač sabirnice je potreban za povećanje nosivosti visokog bajta adrese.

Sabirnica podataka se formira pomoću upravljačkog programa sabirnice, koji se odabire primjenom DT/R i OE signala.

Sistemska sabirnica se formira kroz dekoder DD10 primjenom kombinacije signala M / IO, WR, RD.

Tablica 1 - Upravljački signali

Odabir ROM-a, RAM-a i drugih uređaja odvija se pomoću linija A13-A15 adresne sabirnice kroz dekoder. ROM ćelije se nalaze od adrese 0000h.

Tablica 2 - Odabir uređaja

			Uređaj

Odabir porta ili registra PPI kontrolne riječi provodi se kroz linije A0, A1 adresne sabirnice. Diskretni senzori se napajaju na ulaze porta A PA0-PA7 PPI DD12; na ulaze priključka B - s ADC-om; LED diode su spojene na ulaze priključka C.

Analogni multiplekser služi za odabir uređaja s kojeg se čitaju informacije. Analogni multipleksor je ugrađen u ADC. Širina bita ADC-a podudara se s širinom bita podatkovne sabirnice i iznosi 8 bita.

Otpornici R2-R4 koriste se za pretvaranje jedinstvenog strujnog signala od 4 ... 20 mA u napon od 1 ... 5 V.

Procesi automatizacije tehničke opreme zahvatili su veliki dio cjelokupne organizacije proizvodnje. Koriste se posvuda u alatnim strojevima, strojevima i mehanizmima, robotskim kompleksima. Nove tehnologije značajno povećavaju produktivnost rada, smanjujući utjecaj ljudskog faktora na rizike u proizvodnji. Također se poboljšava tehnička razina i kvaliteta proizvoda. Mikroprocesorski sustavi - jedno vrijeme bila je inovativna tehnologija. Ali sada je to već uobičajeno, jer uređaji koji su izrađeni pomoću mikroprocesora imaju veće performanse u usporedbi s uređajima napravljenim na zasebnim logičkim sklopovima, uz ekonomsku korist prvih.

Standardizacija procesa razvoja pojednostavljuje analizu i istraživanje u ovom području. To također čini jasnim trenutno stanje i mogući rezultat. Današnje tvrtke koje se bave ugradnjom mikroprocesora koriste logičke integrirane sklopove koji se mogu programirati na terenu (FPGA) i računalno potpomognute proizvodne sustave za brzo i organizirano projektiranje. Uz pomoć FPGA također je moguće otklanjanje pogrešaka i testiranje u stvarnom vremenu. Godišnje ažuriranje CAD-a omogućuje vam da trošite sve manje vremena na monoton i jednosložan rad, a izbjegavate očite pogreške. To vam omogućuje da apstrahirate na više razine sustava i riješite teške probleme.

Proces razvoja ugrađenih mikroprocesorskih sustava može se predstaviti kao dva puta uzastopnih faza projektiranja. Prvi put je razvoj hardvera za ugrađeni mikroprocesorski sustav. Drugi put je dizajn softvera (slika 1).

Slika 1. Faze projektiranja

Ali nisu sve etape rute potrebne. Modeliranje hardvera sustava tijekom razvoja ne smije se provoditi. Stoga se neki koraci mogu isključiti: priprema specifikacije modeliranja, generiranje modela, funkcionalno i vremensko modeliranje. Pritom treba uzeti u obzir da modeliranje hardvera sustava povećava učinkovitost procesa projektiranja u cjelini zbog ranijeg otkrivanja mogućih pogrešaka i njihovog otklanjanja.

Tipični koraci dizajna mikroprocesorskih sustava uključuju:

1. Formalizacija različitih zahtjeva sustava. Potrebno je izraditi vanjske specifikacije, projektni zadatak (TOR) za sustav, bilješke o slici sustava od strane programera u dokumentaciji, navesti funkcije sustava.
2. Razvoj strukture i arhitekture elemenata sustava. Potrebno je utvrditi interakciju između hardvera i softvera, funkcije periferije i programske ljuske, odabrati mikroprocesorska rješenja na temelju kojih će se sustav implementirati, odrediti vremenske karakteristike.
3. Razvoj i proizvodnja hardvera i softvera sustava. Potrebno je razviti strukturu i sklopove, izraditi prototip i debugirati ga u uvjetima osnovnih načina rada. Razvoj softvera trebao bi se sastojati od algoritama, pisanja izvornog koda, prevođenja izvornih programa u objektne programe, otklanjanja pogrešaka softvera i simulacije.
4. Općenito otklanjanje pogrešaka i testovi prihvaćanja u radnim uvjetima.

Ljudski faktor dopušta kvarove i loše dizajnerske odluke. Postoje i hardverski nedostaci na uređajima. Na primjer, mogući su sljedeći izvori pogrešaka u fazama:

Faza 1. Logička nedosljednost zahtjeva, propusti, netočnosti algoritma.

Faza 2. Izostavljanje funkcija, izostavljanje nekih tokova informacija, nedosljednost u protokolu za interakciju hardvera i softvera, netočno definiranje tehničkih zahtjeva, pogrešan odabir mikroprocesorskih rješenja, netočnosti algoritama.

Faza 3. Prilikom razvoja opreme - izostavljanje nekih funkcija, netočno tumačenje projektnog zadatka, nedostaci u shemama sinkronizacije, kršenje pravila dizajna; pri razvoju softvera - propusti nekih funkcija projektnog zadatka, netočnosti u algoritmima, netočnosti u kodiranju; u izradi prototipa - kvarovi komponenti i perifernih uređaja, kvarovi u instalaciji i montaži.

Svaki od navedenih izvora pogreške može dovesti do velikog broja fizičkih ili subjektivnih kvarova koje je potrebno dodatno identificirati i otkloniti. Otkrivanje i lokalizacija kvara komplicirano je iz nekoliko razloga: prvo, zbog kvarova može biti nekoliko; drugo, ujednačenost simptoma raznih problema. Budući da ne postoje modeli subjektivnih grešaka, ovaj zadatak nije formaliziran. Moguće je riješiti uz pomoć ekspertnih sustava – baze podataka s postojećim problemima i njihovo rješavanje na temelju praktičnog iskustva.

Subjektivne greške razlikuju se od fizičkih grešaka po tome što se više ne pojavljuju nakon otkrivanja, lokalizacije i ispravljanja. No subjektivne greške mogu se uvesti tijekom faze razvoja specifikacije sustava, što znači da čak i nakon što je sustav temeljito testiran kako bi zadovoljio svoje specifikacije, može postojati subjektivni kvar u sustavu.

Proces dizajna je iterativni proces, što znači da ako greške nisu u potpunosti eliminirane u jednoj fazi, one se mogu pojaviti u sljedećoj. Neispravnosti je potrebno otkriti što je prije moguće, za to je potrebno kontrolirati ispravnost projekta u svakoj fazi razvoja. Na primjer, kvarovi otkriveni u završnoj fazi prihvaćanja i isporuke projekta mogu dovesti do korekcije specifikacija, a time i do početka projektiranja cijelog sustava. Promjene projektnog zadatka (zbog podcjenjivanja i nedostatka informacija o sustavu) dovode do istih posljedica.

Glavne metode kontrole ispravnosti projektiranja su: provjera, modeliranje i ispitivanje.

Provjera vam omogućuje da otkrijete ne samo trenutne pogreške, već i potencijalne pogreške koje se mogu pojaviti u budućim projektima pomoću blokova. Ali zahtijeva zaseban tehnički zadatak i relevantne vještine i prikladan je za velike projekte. Na malim projektima češće se koristi modeliranje ponašanja objekata i testiranje. ova opcija je isplativa i ne zahtijeva puno sredstava.

Kontrola ispravnosti postiže se u svakoj fazi projektiranja potrebom za provođenjem simulacija na različitim razinama apstrakcije sustava i provjerom ispravnosti implementiranog dijela modela kroz testiranje. Funkcionalna specifikacija može se modelirati i eksperimentalno testirati kako bi se odredio očekivani rezultat. Također ga može analizirati tim stručnjaka. Nakon odobrenja funkcionalne specifikacije počinje izrada funkcionalnih testova sustava koji su namijenjeni utvrđivanju ispravnog funkcioniranja sustava u skladu s njegovom funkcionalnom specifikacijom. Najučinkovitije je razviti testove koji se u potpunosti temelje na ovoj specifikaciji, jer to omogućuje testiranje bilo koje implementacije sustava sposobne za obavljanje funkcija navedenih u specifikaciji. Ova metoda je slična ostalima, gdje se testovi grade u odnosu na specifične implementacije, ali točnije uspoređuje očekivanja i razvojni rezultat.

Nakon što se otkrije pogreška, njen izvor se mora lokalizirati kako bi se ispravio na odgovarajućoj razini apstraktnog prikaza sustava i na odgovarajućem mjestu. Netočno određivanje izvora pogreške ili prilagođavanje na drugoj razini apstraktnog prikaza sustava dovodi do činjenice da informacije o sustavu na najvišoj razini postaju pogrešne i ne mogu se koristiti za daljnje otklanjanje pogrešaka tijekom proizvodnje i rada sustava. sustav.

Automatizacija ponavljajućeg rada na razvoju testnih programa skraćuje razdoblje izgradnje i otklanjanja pogrešaka tako što se testovi dobivaju ranije (jer se mogu generirati čim se generiraju zahtjevi sustava) i omogućuje dizajneru promjenu specifikacija bez ponovnog pisanja svih testnih programa. U praksi je razvoj testova manjeg prioriteta od projekta, pa se testni programi pojavljuju puno kasnije od njegovog završetka.

Dakle, uzimajući u obzir nijanse dizajna mikroprocesora, lako se mogu zaobići "zamke" tijekom razvoja. Korištenje programabilnih logičkih integriranih sklopova (FPGA) olakšava otklanjanje pogrešaka u seriji koja još nije objavljena i omogućuje vam testiranje projekta i ispravljanje grešaka. A računalno potpomognuta proizvodnja (CAD) sustavi pojednostavljuju razvoj, omogućujući vam da racionalnije preraspodijelite resurse.

Bibliografija:

1. SibGUTI [Elektronički izvor] / Projektiranje mikroprocesora na FPGA - način pristupa: http://ict.sibsutis.ru/sites/csc.sibsutis.ru/files/courses/mps/mp.pdf-free. - glava. sa ekrana. - Jezik ruski (pristupljeno 22.12.2017.).
2. Zotov V. Embedded Development Kit je sustav za projektiranje ugrađenih mikroprocesorskih sustava baziranih na FPGA serije FPGA iz Xilinxa. 2004. broj 3.

1. funkcioniranje,dizajn i arhitekturamikroprocesorski uređajii sustavi

1.1. Su čestiinformacije o mikroprocesorskoj tehnologiji

Osnovni pojmovi idefinicijemikroprocesorska tehnologija

Mikroprocesori i mikroračunala masovni su proizvodi elektroničke industrije. Poznavanje osnova mikroprocesorske tehnologije potrebno je inženjerima bilo kojeg profila, a posebno sistemskim inženjerima, projektantima, procesnim inženjerima računalnih sustava (CS).

Mikroprocesori (MP) imaju široku primjenu u modernim zrakoplovima i radioelektroničkim uređajima (REU), tehnološkim sustavima upravljanja, fleksibilnim automatiziranim i drugim industrijama. Korištenje MP ima pozitivan učinak na povećanje produktivnosti rada, poboljšava kvalitetu opreme za različite svrhe. Zahvaljujući korištenju MP i mikroračunala u tehničkim sustavima, proširena je funkcionalnost opreme, povećana njezina pouzdanost i stabilnost rada te poboljšana kvaliteta obrade informacija.

Izgledi i mogućnosti korištenja MP-a i mikroračunala u računalnim sustavima još nisu u potpunosti razotkriveni. Proizvodne tehnologije i arhitektura MP-a stalno se poboljšavaju. Dakle, dubina bita modernog MP-a s jednim čipom doseže 64 bita. Kada koriste MP i mikroračunala, programeri moraju biti sposobni procijeniti mogućnosti svoje arhitekture i tehničkih karakteristika, kao i biti vješt u programskim jezicima različitih razina. Jezik asemblera se naširoko koristi za stvaranje softvera sustava. Kako bi se osigurala visoka produktivnost programera, zadaci obrade podataka rješavaju se pomoću jezika visoke razine (na primjer, C). Suvremenim inženjerima - stručnjacima za računalnu tehnologiju potrebna su znanja iz područja MP arhitekture i programiranja elektroničkih uređaja na jezicima različitih razina.

Osnovni koncepti mikroprocesorske tehnologije su pojmovi kao što su: "mikroprocesor", "IC", "IC", "LSI", "VLSI", "mikroprocesorski skup LIS", "mikroprocesorski uređaj", "mikroprocesorski sustav", "mikroprocesor oprema”, „mikroračunalo” (opće namjene i specijalizirano), „ugrađeno mikroračunalo”, „osobno računalo”, „osobno računalo za kućanstvo”, „profesionalno osobno računalo”, „mikrokontroler” itd.

Osim toga, u mikroprocesorskoj tehnologiji koriste se pojmovi vezani uz računalnu tehnologiju, a posebno "kralježnica", "sabirnica", "sučelje", "sučelje sustava", "periferno sučelje", "adapter", "protokoli", "sučelje linija" i sl.

Prilikom proučavanja softvera u mikroprocesorskoj tehnici koriste se opći pojmovi koji se po nazivu podudaraju s pojmovima opisa softvera u računalnoj tehnici, a posebno "algoritam", "program", "softver" itd.

Jedan od glavnih, temeljnih pojmova mikroprocesorske tehnologije je "mikroprocesor".

Mikroprocesor- to komplekssoftverski kontrolirani uređaj,dizajniran za obradu digitalnih informacija iprocesna kontrola ove obrade, izrađena u obliku jednog ili više integralnihmikro krugovi povećanog stupnja integracije (BIC ili SBIS).

Integrirani krug (IMS) je mikroelektronički uređaj koji obavlja određenu funkciju pretvaranja, obrade signala i (ili) nakupljanja informacija, koji ima visoku unutarnju gustoću pakiranja električnih spojenih elemenata (ili elemenata i komponenti) i (ili) kristala i razmatra se u aspektu zahtjevi za ispitivanje, isporuku i rad elektroničkih proizvoda u cjelini.

Poluvodički IC- integrirani mikro krug, čiji su svi elementi i međuelementne veze izvedene unutar i na površini poluvodiča.

Digitalni IC- integrirani sklop dizajniran za pretvaranje i obradu signala koji se mijenjaju prema zakonu diskretne funkcije.

Stupanj integracije- pokazatelj stupnja složenosti IC-a, koji je karakteriziran brojem elemenata i komponenti koje se nalaze u njemu. Stupanj integracije određuje se formulom k= log N, gdje k- koeficijent koji određuje stupanj integracije, čije su vrijednosti zaokružene na najveći cijeli broj; N- broj elemenata i komponenti IC-a.

Veliki integrirani krug (DVOS)- integrirani krug koji sadrži 500 ili više elemenata proizvedenih bipolarnom tehnologijom, ili 1000 ili više elemenata proizvedenih korištenjem MOS tehnologije, izuzetno velikih sastavnishema (SBIS)sadrži nad elementima.

SetBIS- skup tipova LSI koji obavljaju različite funkcije koje su kompatibilne u arhitekturi, dizajnu, električnim parametrima i pružaju mogućnost njihove zajedničke uporabe u proizvodnji mikroprocesorske tehnologije.

komplet mikroprocesora (IPC)- skup mikroprocesorskih i drugih IC-a koji su kompatibilni po arhitekturi, dizajnu i električnim parametrima i daju mogućnost njihove zajedničke uporabe.

Mikroprocesor je opisan brojnim parametrima svojstvenim oba elektronička uređaja (brzina, potrošnja energije, dimenzije, težina, broj razina snage, pouzdanost, cijena, vrsta paketa, temperaturni raspon, itd.), broj internih registara, prisutnost razina mikroprograma, vrsta memorije steka, sastav softvera itd.).

mikroprocesorski uređaj ( MPU) - funkcionalna i konstruktivnagotov proizvod, koji je shematski i konstruktivanspajanje nekoliko mikro krugova, uključujući jedan ili više mikroprocesoradizajniran za izvođenje jednog iliviše funkcija: primanje, liječenje,prijenos, transformacija informacija i upravljanje.

MPU ima jedinstvene karakteristike povezivanja (sučelje, dizajn, itd.) i funkcionira kao dio specifičnog tehničkog sustava.

Mikroprocesorski sustav ( MPS) - to veliki brojfunkcionalni uređaji, jedan odkoji imaju mikroprocesor.

Mikroprocesor je jezgra ovog sustava i obavlja funkcije središnjeg upravljačkog uređaja i uređaja za pretvorbu aritmetičko-logičkih podataka. Svi MPS uređaji imaju standardno sučelje i povezani su na jednu informacijsku magistralu.

Mikroprocesorska tehnologija - mikroprocesori i računalni uređajitehnologije (VT) i automatizacije, izrađene na njihovoj osnovi.

Ovo su najopćenitiji koncepti računalne tehnologije. Danas je gotovo sav VT izgrađen na bazi mikroprocesorskih uređaja.

Mikroračunalo opće namjene - to mikroračunala koja imaju velikeoperativni resursi prilagođeni za rukovanje raznimnumeričke i tekstualne podatke i namijenjene za korištenje u računalstvucentrima.

Ovo je najčešća klasa mikroračunala, koja je osnova za osobna računala.

Specijalizirana računala - to računala dizajnirana za provedbu određenogspecifični algoritam:Fourierove transformacije, korelacijski izračunifunkcije idrugi

To su računala uskog profila s ograničenim brojem naredbi sustava.

ugrađeni mikroračunalo (mikroprocesorski uređaj) - jedinica za obradupodataka ikontrole namijenjene za korištenje u kućanstvuinstrumente, sustave upravljanja procesima ilikontrola, računalna periferija, uredska oprema itd.

Većina ovih računala koristi se u kućanskim aparatima (TV, radio, perilice rublja itd.)

Osobno računalo (osobno računalo) - sustav dijalogaza osobnu upotrebu, implementirano nabaziran na mikroprocesoruznači, vanjska pohrana male veličineuređaji i uređaji za snimanje podataka,koji omogućuju pristup svim računalnim resursima koristeći razvijeni programski sustav na jezicima visoke razine.

Ovo je univerzalno mikroračunalo male veličine i cijene dizajnirano za individualnu upotrebu. Osobna računala za kućanstvo djeluje kao kućni informativni centar. Profesionalno osobnoračunala dizajniran za automatizaciju različitih operacija obrade velikih količina informacija na radnom mjestu stručnjaka.

mikrokontroler- kontrolirani uređaj, izrađen na jednom ili više čipova, čije su funkcije logička analiza i kontrola.

Klasifikacija mikroprocesora i njihovi glavni parametri

Po broju LSI-a razlikuju se MP-ovi s jednim čipom, više čipova i multi-chip secirani.

MP s jednim čipom implementirati sav hardver procesora u obliku jednog LSI ili VLSI. MP s jednim čipom ima fiksnu dubinu bita, skup naredbi i strukturno je izrađen u obliku jednog integriranog sklopa (IC). Sve operacije koje obavlja određene su skupom MP naredbi. Značajka MP-a s jednim čipom je prisutnost interne autoceste za prijenos internih informacijskih podataka i kontrolnih signala. Mogućnosti ovih MP-a ograničene su hardverskim resursima kristala i paketa, ali s povećanjem stupnja kristalne integracije i broja pinova paketa, parametri MP-a se kontinuirano poboljšavaju.

V mnogokristalna MP logička struktura je podijeljena na funkcionalno cjelovite dijelove, koji su implementirani kao zasebni LSI i VLSI ili zasebni kristali u jednom VLSI.

Multichip particionirani MP sastoji se od skupa mikroprocesorskih sekcija.

mikroprocesorska sekcija- to integriran mikroprocesorsklop koji implementira dio MP i ima sredstva jednostavnog funkcionalnogudrugamas istim tipom ili drugim mikroprocesorskim dijelovima za izgradnju kompletnih MP, MPU ili mikroračunala.

Sekcionirani MP-ovi kontrolirani su firmverom. Sekcionirani MPC-ovi uključuju LSI serije: K1800, KR1802, KM1804 itd. Njihova glavna namjena je stvaranje visokoučinkovitih multi-bitnih MPC-a i MPC-a na temelju kojih se implementiraju različiti upravljački računalni sustavi.

Osnova IPC BIS-a je osnovni skup IC-a jedne serije. Može se sastojati od MP IC-a s jednim čipom s fiksnom dubinom bita i skupa naredbi ili skupa MP LSI s jednim čipom. Kako bi se proširila funkcionalnost MP-a, osnovni MPC LSI dopunjen je drugim vrstama LSI-a: RAM, ROM, PROM, integrirani krugovi sučelja, kontroleri vanjskih uređaja itd.

Prema vrsti obrađenih signala razlikuju se digitalni i analogni MP. U oba tipa MT-a obrada informacija je digitalna. U digitalnim MP-ima se obrađuju isključivo digitalni signali, dok su u analognim MP-ima ugrađeni analogno-digitalni uređaj (ADC) i digitalno-analogni pretvarač (DAC) za obradu analognih signala. U njima se ulazni analogni signali prenose na MP preko ADC-a, obrađuju se u digitalnom obliku, pretvaraju u analogni oblik u DAC-u i izlaze.

Izbor kompleta mikroprocesora

za projektiranje računalnih uređajai sustavi

Odabir IPC-a za određeni računalni uređaj ili sustav najteži je zadatak. To je zbog stalnog povećanja broja IPC-a i LSI-a u njima.

Prilikom odabira MPC-a, oprema mora zadovoljiti određene zahtjeve: rad u stvarnom vremenu; povećana pouzdanost; otpornost na buku; jednostavnost održavanja; prisutnost fiksnog skupa zadataka koji se više puta rješavaju tijekom životnog vijeka opreme.

Izbor IPC-a provodi se prema tri glavna kriterija:

1) u aspektu razvoja softvera potrebno je analizirati dubinu bita, broj registara opće namjene dostupnih za korištenje, skup naredbi i metoda adresiranja, prisutnost i organizaciju steka;

2) u pogledu dizajna sustava potrebno je odrediti: tip arhitekture MP (sekcionirana ili single-chip), vrstu organizacije upravljanja (mikroprogram ili s tvrdom logikom), prisutnost logički spojenih LSI iz drugih skupova, brzinu MP-a, mogućnost prekida i izravnog pristupa memoriji, dostupnost automatiziranog dizajna;

3) sa stajališta razvoja MPS hardvera potrebno je uzeti u obzir: električnu kompatibilnost LSI-a, broj izvora napajanja i rasipanje snage, veličinu i vrstu paketa, broj pinova, raspon radne temperature itd.

Odabir RPC-a za određenu primjenu često se vrši na temelju tehnologije po kojoj je proizveden.

Pitanja i zadaci

1. Koji čimbenici određuju korištenje MP i mikroračunala u proizvodnim sustavima?

2. Po čemu se MP-ovi s jednim čipom razlikuju od onih s više čipova (ne-sekcionirani i podijeljeni)?

3. Koji su opći parametri koji karakteriziraju MP, MPU i MPS?

4. Po čemu se karakteriziraju zastupnici?

5. Navedite glavne parametre modernog MT-a.

6. Koji su kriteriji za odabir mikroprocesorskih skupova pri projektiranju računalnih uređaja i sustava?

1.2. Opća pitanjaorganizacije ifunkcioniranjemikroprocesorski uređajii sustavi

Struktura mikroprocesorskih uređajai sustavi

Bilo koji MPS sastoji se od MP-a, memorijskog sustava, informacijskog ulazno-izlaznog sustava i sustava za povezivanje s objektom kontrole ili upravljanja.

mikroprocesor i igra ulogu središnjeg upravljačkog uređaja i uređaja za aritmetičko-logičke transformacije podataka.

Memorija fizički je implementiran kao sustav koji se sastoji od nekoliko razina.

Trajni uređaji za pohranu (ROM) namijenjeni su za dugotrajnu pohranu unaprijed snimljenih podataka i koriste se samo u načinu čitanja. Oni su energetski neovisni.

RAM memorija (OZP) rad u načinima online pisanja i čitanja podataka brzinom koja se približava brzini procesora. Oni su energetski ovisni.

Vanjski uređaji za pohranu (Inmemorija) obavljaju funkcije pohranjivanja velikih količina informacija, sadrže pogone na disketnim i tvrdim magnetskim diskovima, kompakt diskove (laser) itd.

Uređajiunos podataka (ID) dizajniran za prijenos podataka izvana u MP registre ili memoriju. Među njima su tipkovnica, razne upravljačke ploče, magnetski i laserski diskovi itd.

Uređaji za izlaz podataka (UVv) dizajniran za prihvaćanje podataka prenesenih iz MP registara ili memorijskih ćelija. To su displeji, uređaji za ispis, VZU, upravljačke ploče, ploteri (ploteri) itd.

Za povezivanje objekta upravljanja ili upravljanja s MPU-om ili MPS-om, oprema mora uključivati ​​senzore i aktuatore. Da biste ih spojili na MPU, bez obzira koristi li se MPS blokovakonjugacija, koji obavljaju funkcije podudaranja sučelja. Ponekad se ti blokovi nazivaju komunikacijskim uređajima s objektom (USO).

Sučelja mikroprocesorskih uređajai sustavi

Arhitektonske mogućnosti MPS-a uvelike ovise o vrsti sučelja.

Unificirano sučelje je skup pravila kojijedinstveni principi interakcije između MPS uređaja.

Sučelje uključuje hardver za spajanje uređaja (konektora, spojeva), specifikaciju nomenklature i karakteristika priključaka, softver, opise prirode signala sučelja i njihovih vremenskih dijagrama, kao i opis elektrofizičkih parametara signala.

Glavni zadatak sučelja je, na temelju objedinjavanja, osigurati kompatibilnost hardvera, softvera i konstruktivnih sredstava koja unaprijed određuju određenu kvalitetu automatske interakcije različitih funkcionalnih elemenata u jedinstvenom procesu obrade informacija u MPS-u u fazama prikupljanje, pretvaranje, spremanje i izdavanje rezultata i kontrolnih radnji.

MPS arhitektura je uglavnom definirana s tri sloja sučelja: sustav, stroj-stroj i malo sučelje (sučelje perifernog uređaja).

Sučelje sustava osigurava integraciju glavnih modula (blokova) MPS-a u jedinstveni sustav za ravnopravnu razmjenu informacija s procesorom i OZP-om.

Sučelja sustava dijele se na koncentrirana (PC sučelja), lokalno koncentrirana (Q-bus) i lokalna (Unibus).

Sučelje stroj-stroj osigurava izgradnju višeprocesorskih sustava te lokalnih i distribuiranih sustava i mreža.

Mala sučelja uzeti u obzir razliku u fizičkim principima rada skupina perifernih uređaja i ROM-a. Mali kontroleri sučelja omogućuju pristup sučelju sustava. U tom slučaju, kontroleri perifernih uređaja i ROM-a idu na odgovarajuće malo sučelje.

Upravljanje mikroprocesoromuređaji (sustavi)

Vremenska koordinacija informacijskih signala u MPU-u provodi se pomoću posebnih signala koji dolaze iz MP upravljačkog uređaja. MPU ili MPS radi sinkrono s pojavom taktnih signala. Najjednostavnija radnja koja se izvodi u MPU (MPS) zove se država. Pokriva jedno razdoblje signala sata - taktiranointerval ili takt.

Određeni broj taktnih intervala je mašinaciklus. Pristup jednoj memoriji ili I/O uređaju zahtijeva jedan strojni ciklus. U jednom ciklusu se dohvaća instrukcija ili podaci, kao i adresni kod (moguće bajt instrukcije ili podataka i bajt adresnog koda).

Strojni ciklus- dio tima (ponekad cijeli tim). S početkom svakog strojnog ciklusa, signal sinkronizacije pojavljuje se na sinkronizacijskom pinu MP-a. Prenosi se na uređaj za pohranu (memoriju) i (ili) na ulazno/izlazni uređaj (I/O) i "obavještava" o početku novog strojnog ciklusa, uslijed čega se vremenski raspored djelovanja ovih uređaja s radom MP se postiže.

Shema 1. Struktura tima

Timski ciklus- vremenski interval potreban da se naredba dohvati iz memorije i izvrši. Sastoji se od jednog ili više strojnih ciklusa. njihov je broj, u pravilu, jednak broju MT pristupa memoriji ili jednom od ICU-a. Struktura naredbe prikazana je na dijagramu 1.

kontrolni uređaj obavlja funkcije kontrole i sinkronizacije, odnosno kontrolira promjenu stanja MP u traženom slijedu, usklađujući ih sa signalima generatora takta. Sastoji se od kontrolnog konačnog automata dizajniranog za upravljanje procesima unutar MP-a i sklopa koji, primajući signale izvana, generira signale koji upravljaju sustavom.

Kod naredbe se dešifrira, pretvarajući se u binarne signale koji djeluju na MP module i blokove uključene u izvršenje ove naredbe.

Naredbeni ciklus podijeljen je u dvije faze: fazu dohvaćanja i fazu izvršavanja.

Faza uzorkovanja- automat postavlja početak sljedećeg ciklusa, prema kojem se broj u programskom brojaču prenosi u registar adresnog međuspremnika. Odatle, preko adresne sabirnice, adresni kod instrukcije se šalje u memoriju, gdje se dešifrira. Nakon signala “čitanja” iz memorijske ćelije, naredbena riječ se čita i prenosi preko sabirnice podataka u registar podataka međuspremnika, iz kojeg se prenosi u registar naredbi, a zatim dešifrira.

Faza izvršenja- upravljački uređaj generira slijed signala potrebnih za izvršenje naredbe. Za to vrijeme podaci brojača se povećavaju za jedan. Ovo tvori adresu sljedeće instrukcije koja će se izvršiti.

Čitanje ili pisanje riječi događa se u određenom vremenskom intervalu, koji se naziva vrijeme pristupa. Vremenski interval koji se troši na pristup memoriji i primanje signala spremnosti od nje naziva se ciklus čekanja spremnosti. On je dio strojnog ciklusa.

Razmjena informacija između MP, memorije i zračne eksplozije provodi se uglavnom u tri načina: programski kontrolirana razmjena, razmjena u načinu prekida, razmjena u načinu izravnog pristupa.

Softverski kontrolirana razmjena. U ovom načinu rada MP određuje je li memorija ili periferni uređaj (PU) spreman za izvođenje I/O operacije, za pokretanje softverskog prijenosa podataka. Air-blasteri moraju imati hardver za generiranje signala o unutarnjem stanju. MP čita te informacije i na temelju analize rezultata zaključuje da je uređaj spreman za razmjenu informacija. U budućnosti se, sukladno protokolu sučelja, razmjenjuju podaci.

način prekida. Koristi se kada je potrebno odmah prenijeti podatke između zračne eksplozije i MP (reakcija na neočekivanu pojavu vanjskih uvjeta). U tom slučaju MP mora prekinuti rad glavnog programa i započeti s izvršavanjem programa za servisiranje vanjskog uređaja. Ovaj način rada naziva se prekid. MP prekidi su mogući samo kada je MP-u dopušteno odgovoriti na zahtjeve za prekid.

Nakon primanja signala prekida, MP dovršava trenutnu operaciju, prenosi sve informacije internih podataka i kontrolnih registara za pohranu u memoriju i nastavlja na rutinu usluge prekida. Nakon završetka razmjene informacija o prekidu, vraća se stanje MP-a koje je postojalo na početku prekida.

Postoje tri vrste prekida: jednostavni, vektorski i prioritetni.

Jednostavan prekid obavještava da neki ulazno/izlazni uređaj zahtijeva MP servis.

Vektorski prekid omogućuje prepoznavanje vrste (razine) prekida koji zahtijeva periferija. Vektor određuje specifičnu adresu uređaja.

Prioritetni prekid sastoji se u tome da se uz prepoznavanje prekida određuje prioritet u servisiranju prekidačkih uređaja.

Izravni način radapristup memoriji. Ponekad postoji potreba za razmjenom informacija izvan MP. To je zbog smanjenja vremena utrošenog na razmjenu nizova podataka. U ovom slučaju, hardver MPP-a ili MMS-a uključuje kontroler izravnog pristupa memoriji koji upravlja prijenosom podataka, oslobađajući MPU od ovih funkcija.

DMA-ovi su povezani paralelno s procesorom. Razdvajanje ovih kanala provodi se pomoću tri-state logike upravljanja stanjem MPS sabirnica. MP tijekom izravnog pristupa memoriji prenosi svoje izvorne sklopove u stanje visoke impedancije i izolira se od sustava, što je slično prekidu informacijskog kanala. Stanje internih registara je sačuvano kakvo je bilo u vrijeme zahtjeva za kanalom izravnog pristupa.

Postoji nekoliko načina za implementaciju izravnog pristupa memoriji. Svi oni pružaju najveću brzinu razmjene podataka u usporedbi s programski kontroliranim načinom razmjene podataka. Najčešće se način izravnog pristupa memoriji provodi sa zaustavljanjem MP-a i povećanjem (vremenskim produljenjem) MP ciklusa.

Stop metoda temelji se na činjenici da je u ovom stanju MP isključen sa sabirnica sustava za vrijeme trajanja prijenosa podataka. Prije prelaska u stanje zaustavljanja, MP dovršava izvršenje trenutne naredbe i zadržava se u tom stanju nekoliko ciklusa, dok se gume ne oslobode. Prema ovoj shemi izravnog pristupa memoriji, MP, budući da je isključen sa sabirnica, ne reagira na prekide, što u nekim slučajevima može biti neprihvatljivo za MPS.

Metoda hvatanja sastoji se u serijskoj razmjeni podataka. Brzi zračni blasteri razmjenjuju samo jednu riječ; njihov zahtjev za uslugom je zadovoljen odgađanjem izvršenja trenutne instrukcije za jedan strojni ciklus dok je MP u stanju prijelaza iz jednog strojnog ciklusa u drugi. U ovom DMA načinu rada, MP pauzira samo jedan strojni ciklus za prijenos svake podatkovne riječi, nakon čega se kontrola vraća na MP.

adresni prostor. Mehanizam i metode obraćanja

Adresni prostor MPU (MPS) - skup operativnih adresapamćenje iROM koji je dostupan programima koje izvršava MP.

Veličina adresnog prostora MP RAM-a jedna je od veličina koje značajno utječu na performanse MPS-a u cjelini.

Veličina adresnog prostora - vrijednost,koji je određen maksimumomveličine adrese i izražava se u jedinicama minimumabroj memorijskih elemenata koji se adresiraju - u bajtovima ili u velikimjedinice (KB, MB, GB).

Ako je adresa u MPU-u formirana u obliku 16-bitne riječi, tada je adresni prostor 64 KB, 20-bitna riječ je 1 MB, itd. Ponekad, da bi se pojednostavile informacijske veze između komponenti MPU-a i olakšavaju programiranje I/O procedura, adrese registra se postavljaju u adresni prostor MP i UVV. Ne postoje naredbe za unos/izlaz kao takve. Adrese MP i UVV registra identične su pristupu memorijskim ćelijama.

Kada se formira riječ, 2-bajtna adresa, bajt s parnom (nižom) adresom naziva se niži, a bajt s neparnom adresom višim.

Često je LPA adresni prostor predstavljen kao dijagram, koji označava opći raspon adresa. Ovaj raspon se može podijeliti na podopsege koji odgovaraju standardnim veličinama strukturnih modula, čipova, različitim vrstama memorije (RAM, ROM, itd.) ili njihovoj specifičnoj namjeni.

U sustavu zapovijedanja MP značajno mjesto zauzimaju adresne naredbe.

Naredba adrese - tim u kojemjedan ili oba njegova operanda suu radnoj memoriji.

Jedan od razloga takve organizacije instrukcije je taj što je nemoguće upisati punu fizičku adresu izravno u jedan operand instrukcije zbog ograničenja duljine instrukcije. Stoga se u operand stavlja samo određena vrijednost uz pomoć koje se izračunava stvarna adresa instrukcije.

Općenito, mehanizam adresiranja uvelike je određen sposobnostima MPU-a (MPS) za učinkovitu obradu informacija s minimalnim brojem pristupa RAM-u. U MPU (MPS) se često koriste naredbe od dvije ili više riječi.

Kako bi se ograničila duljina adresne riječi, koriste se različite metode adresiranja koje omogućuju:

1) odrediti punu adresu memorijske ćelije s manje bitova nego što je duljina naredbe smanjena;

2) pristupiti memorijskim ćelijama čije se adrese izračunavaju tijekom obrade, što omogućuje pristup uređajima za proširenje memorije;

3) izračunati adrese podataka u odnosu na poziciju (trenutnu adresu) instrukcije tako da se program može učitati u bilo koju memorijsku lokaciju bez promjene adrese u programu.

Svi načini adresiranja mogu se podijeliti u dvije grupe:

1) načini u kojima je adresa izvršenja određena jednom vrijednošću koda u naredbi;

2) naredbe koje koriste sadržaj adresnog dijela naredbe i jedan ili više registara za formiranje adrese izvršenja.

Prva skupina uključuje izravno, izravno registrsko, neizravno, neizravno adresiranje registra, izravno, auto-inkrementno i autodekrementno adresiranje, a druga skupina uključuje osnovno, relativno, stog, virtualno adresiranje.

izravno oslovljavanje. Operandi se dohvaćaju iz memorije (registra) na adresi zapisanoj u instrukciji. Međutim, specificiranje izravne adrese zahtijeva mnogo bitova za opisivanje u velikoj adresi instrukcija. Kako bi ga smanjili, neka mikroračunala koriste kratko izravno adresiranje, osiguravajući pristup ograničenom dijelu adresnog prostora. Ako adrese u naredbi nisu simbolične (određene vezama), već apsolutne, tada se takvo izravno adresiranje naziva apsolutna.

Izravno adresiranje registra. V Kod instrukcije pohranjuje naziv registra u kojem se nalazi operand. Izravno adresiranje nije dovoljno fleksibilno, jer vam ne dopušta izvođenje postupka modifikacije adrese koji je neophodan kako bi se osiguralo kretanje programa u memoriji i praktičnost rada s nizovima.

neizravno oslovljavanje. Operand iz memorije odabire se neizravno - kroz memorijsku ćeliju. Kod instrukcije sadrži pokazivač memorijske adrese. Prilikom izvršavanja instrukcija s takvim adresiranjem memoriji se pristupa dvaput: prvo se odabire adresa, a zatim operand. Dakle, bez promjene koda naredbe, moguće je promijeniti adresu pohranjenu u memorijskom području na koje ukazuje polje koda naredbe.

Neizravno adresiranje registra.Što se tiče brzine, približava se izravnom adresiranju, budući da se neizravna adresa bira iz internog registra procesora i ne zahtijeva dodatni memorijski ciklus. U ovoj shemi adresiranja, registar ili registarski par sadrži adresu operanda. Registri se učitavaju pomoću naredbi s izravnim adresiranjem. Korištenje načina adresiranja neizravnog registra omogućuje izračunavanje memorijske adrese tijekom izvršavanja programa, što je neophodno u postupcima prijenosa podataka, pri pregledu elemenata niza itd.

izravno oslovljavanje. Operand se nalazi u kodu instrukcije. Naredbe se u ovom slučaju mogu sastojati od dvije ili tri riječi.

Autoinkrement i autodekrement adresiranje. Izvršna adresa se izračunava na isti način kao kod neizravnog adresiranja registra, a zatim se povećava sadržaj registra. U mikroračunalu s bajtskom adresom, sadržaj registra mora se povećati za 1 da bi se označio sljedeći bajt, i za 2 da bi se naznačila adresa sljedeće riječi, s veličinom operanda određena kodom operacije. U načinu automatskog smanjivanja, adresa operanda se formira oduzimanjem 1 ili 2 iz adresnog registra. Razlika od adresiranja s automatskim povećanjem je u tome što se oduzimanje događa prije nego što se sadržaj registra koristi kao adresa izvršenja. Kombinacija načina automatskog povećanja i automatskog smanjivanja omogućuje učinkovito korištenje bilo kojeg registra kao pokazivača na stog. Ovo adresiranje se također koristi pri organiziranju petlji i u operacijama s varijablama niza.

bazna adresa. Programi koji sadrže upute s apsolutnim adresama ne mogu se premjestiti u memoriju bez izmjene adresa. Kretanje programa u memoriji možete osigurati korištenjem osnovnog adresiranja, uz pomoć kojeg se izračunava adresa operanda zbrajanjem sadržaja osnovnog registra – pozitivnog ili negativnog pomaka i adrese koja se nalazi u kodu instrukcije.

Relativno adresiranje. Izvršna adresa se formira dodavanjem osnovne adrese u polje adrese instrukcije. Kao osnovna adresa koristi se sadržaj programskog brojača. Korištenje relativnog adresiranja omogućuje izgradnju programa koji se neovisno kreću u memoriji zbog činjenice da uvijek specificiraju pomak u odnosu na sadržaj programskog brojača. Pomak se tumači kao cijeli broj s predznakom komplementa dvojke koji omogućuje skok u bilo kojem smjeru.

stog adresiranja. Neizravno adresiranje registra s auto-inkrementom ili auto-dekrementom (auto-inkrement ili auto-dekrement), u kojem je registar s pokazivačem adrese operanda specificiran implicitno (postoje takve upute gdje je lokacija operanada i rezultat fiksiran - implicitno adresiranje). Poziva se memorijska lokacija na koju ukazuje sadržaj implicitno definiranog registra (pokazivač stoga). vrh stog. Adresiranje stoga pruža poseban pristup dijelu memorije tzv stog, koji se temelji na principu “zadnji ušao, prvi izašao”. Za pristup stogu koriste se upute koje zapisuju informacije u sto i iz njega. Ako upute koje zapisuju informaciju u stog smanjuju sadržaj pokazivača steka, a upute koje uklanjaju informaciju iz stoga povećavaju, onda kažemo da stog radi na smanjenje, inače - na povećanje.

virtualno adresiranje. Svaki korisnik memorije (operacijski sustav ili osoba) tijekom rješavanja primijenjenog problema manipulira virtualnim adresama, što stvara iluziju memorije neograničenog kapaciteta, iako stvarna RAM sustava ima ograničen kapacitet. Iluzija se stvara zahvaljujući virtualnom mehanizmu adresiranja, koji se temelji na dinamičkoj preraspodjeli memorijskih stranica između glavne memorije sustava (OZP) i vanjske memorije.

Za svakog korisnika operativni sustav kreira tablicu korespondencije između virtualnih i fizičkih stranica. Ako se pristupi fizičkoj stranici koja nije u glavnoj memoriji, tada se ona uklanja iz vanjske memorije i učitava u glavnu, a nepotrebna stranica se “skriva” u vanjskoj memoriji. Virtualna memorija, ili jednostavno memorija sustava, može se podijeliti u segmente u kojima se pohranjuju informacije prema funkcionalnim značajkama. Na primjer, u jednom segmentu - naredbe, u drugom - podaci, u trećem - dio snopa. Ili, u jednom segmentu, u kojem je pisanje zabranjeno, - kernel operativnog sustava, au drugom, u kojem je pisanje i čitanje dopušteno, - korisnički programi. Tako se uz pomoć mehanizma segmentacije rješavaju problemi zaštite memorije.

Segmentacija je implementirana u K1810VM86 MP, a virtualno adresiranje implementirano u IAPX286 MP (Intel) i 68010 (Motorola).

zapovjedni sustav. Općenito, naredba se shvaća kao jedan korak u radu izvršnog uređaja u obliku instrukcije u strojnom jeziku. Naredba definira operaciju koju treba izvesti i njezine atribute: vrstu operacije koja se izvodi u zadanom radnom ciklusu; adresa jednog ili dva operanda uključena u operaciju; mjesto rezultata operacije; mjesto sljedeće naredbe. Zbog malog kapaciteta MP-a takve je informacije teško, a ponekad i nemoguće, naznačiti jednom strojnom riječi. Stoga se naredba može sastojati od nekoliko strojnih riječi.

Općenito, razlikuju se sljedeće vrste naredbi:

1) prijenos - jednosmjerni (registar-registar, memorija-registar, registar-memorija, memorija-memorija), razmjena (registar-registar, memorija-registar, memorija-memorija), ulazne/izlazne naredbe;

2) aritmetika;

3) logično;

4) obrada bitova;

5) oni koji mijenjaju slijed proračuna - skokovi (bezuvjetni, uvjetni), pozivi potprograma, povrati iz potprograma, softverski prekidi.

Pitanja za samoispitivanje

1. Opišite generaliziranu strukturu MP i MPS.

2. Po čemu se klasificiraju MPU i MPS sučelja?

3. Koje funkcije MP obavlja prilikom obrade naredbe (instrukcije) tijekom faze uzorkovanja, faze izvršenja?

4. U kojim okolnostima se razmjena informacija između MP i uređaja za pohranu vrši u načinu prekida ili izravnog pristupa memoriji?

5. O kojim parametrima MP ovisi veličina adresnog prostora?

6. Koristeći dodatak 1, navedite primjere naredbi adresa s izravnim, neizravnim, neposrednim, osnovnim, relativnim, automatskim povećanjem, stogom i virtualnim adresiranjem.

7. Koje informacije nosi zapovjedni kod u sustavu zapovijedanja MP?

1.3. Formalizacija procesaoblikovatimikroprocesorski uređajii sustavi

Aspekti i razine dizajna

Prilikom projektiranja MPU i MPS, u mnogim slučajevima koriste blok-hijerarhijski pristup, u kojem Sustav koji se projektira podijeljen je na hijerarhijske razine. Na najvišoj razini koristi se najnedetaljniji prikaz, gdje su prikazane samo opće značajke i značajke sustava koji se projektira. Na sljedećim razinama razina detalja se povećava. U ovom slučaju, MPS se smatra skupom pojedinačnih blokova. Na svakoj razini formuliraju se i rješavaju zadaci određene složenosti koji se provode pomoću alata za dizajn koji su dostupni na ovoj razini. Dodjela blokova treba biti takva da je dokumentacija za svaki pojedinačni blok razumljiva jednom dizajneru.

Dakle, blok-hijerarhijski pristup omogućuje raspodjelu složenih zadataka projektiranja velikog MPS-a u skupine zadataka manjeg razmjera, a unutar grupe se mogu paralelno rješavati različiti zadaci.

U skladu s ESKD-om, pri projektiranju uređaja i sustava koriste se strukturni, funkcionalni i shematski dijagrami.

U simuliranoj shemi projektiranja uvjetno je moguće razlikovati horizontalne i vertikalne razine (tablica 1). Vertikalne razine nazivaju se aspekti. Postoje takvi aspekti dizajna MPU-a i MPS-a: funkcionalni, algoritamski, dizajnerski i tehnološki.

Funkcionalni aspekt sastoji se od tri horizontalne razine (2., 3. i 4.): sustavne (strukturne), funkcionalno-logičke i sklopovske-komponentne. Na razini sustava izrađuje se blok dijagram MPU-a ili, MPS-a, na funkcionalno-logičkoj razini - funkcionalni i shematski dijagrami MPU-a ili svih uređaja koji su dio MPS-a.

Na podrazini sklopa na razini sklopovske komponente projektiraju se sheme sklopova integriranih sklopova ili fragmenata LSI (VLSI). Elementi su u ovom slučaju komponente elektroničkih sklopova: otpornici, kondenzatori, diode, tranzistori itd. Na komponentnoj podrazini razvijaju se pojedine komponente IC-a koje se sastoje od elemenata-presječaka poluvodičkog kristala.

Algoritamski aspekt također sadrži tri horizontalne razine (1., 2. i 3.): razinu razvoja sheme rada MPU-a ili MPS-a, arhitektonsku razinu i razinu firmware-a. Na 1. razini razvijaju sheme za funkcioniranje MPU-a ili MPS-a, određuju zadatke koje će rješavati mikroprocesorski dio MPS-a, planiraju softverske sustave i razvijaju blok dijagrame algoritama. Daljnji razvoj softverskih modula.

Glavni zadatak 2. (arhitektonske) razine je izbor arhitekture mikroprocesorskog dijela MPS-a. Ponekad se to smatra jednim od zadataka razine sustava, odnosno, arhitektonska i sustavna razina se kombiniraju u jedan aspekt funkcionalnog dizajna.

Stol 1.Horizontalno i okomitorazine dizajna

Horizontalna razina

Aspekti (vertikalne razine)

Funkcionalni

Algoritamski

Oblikovati

tehnološke

Izrada zakona za funkcioniranje LPA (MPS); dizajn algoritma; programiranje modula

sustavno (strukturno)

Arhitektonski (stroj)

Riser, pa-nel

Izrada shematskog dijagrama tehnološkog procesa

Funkcionalno-logički

mikro softver

TEZ, modul

Izrada ruta tehnoloških procesa

Krug-tehnička-komponenta-ny

IC kristali

Projektiranje tehnoloških operacija

3. (mikroprogramska) razina je namijenjena za projektiranje mikroprograma operacija i postupaka koji se izvode u MPU mikroprocesoru ili MPS-u u hardveru.

Dizajnerski aspekt sadrži horizontalne hijerarhijske razine projektiranja uspona, panela, TEZ_v, modula i kristala (chip_v) ÍS (2., 3., 4. jednaka).

Tehnološki aspekt sastoji se od tri horizontalne razine - 2., 3. i 4. Na 2. razini razvija se shema tehnološkog procesa proizvodnje MPU ili MPS, odnosno utvrđuje se sastav i slijed faza za proizvodnju MPU (MPS). Na 3. razini razvijaju se rute tehnološkog procesa za proizvodnju MPU (MPS), odnosno određuju sastav i redoslijed operacija za proizvodnju proizvoda, odabiru vrste i skupine tehnološke opreme. Na 4. razini projektiraju se tehnološke operacije za izradu MPU (MPS) komponenti.

Glavni zadaci razina dizajna

Sustavno i arhitektonskorazine dizajna:

1) utvrđivanje načela organizacije LPA (MPS);

2) razvoj blok dijagrama, odnosno određivanje sastava uređaja ili sustava i metode interakcije njegovih sastavnih dijelova tijekom rada opreme;

3) izbor mikroprocesorskog (mikroprocesorskog) skupa LSI (VLSI);

4) utvrđivanje zahtjeva za parametre uređaja ili sustava i formiranje tehničkog zadatka (TZ) za izradu pojedinih MPS uređaja.

Projektni zadatak za razvoj pojedinačnih MPS uređaja sadrži: nabrajanje svih funkcija koje svaki uređaj obavlja; radni uvjeti uređaja; zahtjevi za njegove ulazne i izlazne parametre; podatke o sadržaju i obliku informacija koje se razmjenjuju s drugim uređajima opreme; baza elemenata za stvaranje uređaja.

Funkcionalno-logički i firmwarerazine dizajna:

1) detaljan opis funkcija svakog uređaja;

2) algoritamska implementacija funkcija koje se izvode programski, te prikaz algoritama na jednom od prihvaćenih algoritamskih jezika;

3) izbor principa za organizaciju LPA (MPS) i razvoj njegovog koncepta;

4) razvoj mikroprograma koji služe kao osnova za svaku naredbu ili skup mikronaredbi i redoslijed njihovog izvršavanja;

5) sintezu funkcionalnih i sklopnih shema digitalnih uređaja koji su dio MPS-a;

6) sinteza nadzornih i dijagnostičkih testova za MPP ili MPS;

7) formulacija TOR-a za razinu projektiranja kruga.

Glavni kriteriji projektiranja za složeni MPP iMPS:

1) kvaliteta dizajna;

2) trošak projektiranja;

3) uvjeti razvoja;

4) broj zaposlenih stručnjaka-programera.

Prema mogućnostima formaliziranja procesa projektiranja i njegovoj iterativnoj prirodi, prednost se daje izboru računalno potpomognutog projektiranja MPP-a ili MPS-a. Danas je, zbog velike složenosti MPP-a i MPS-a, potpuni razvoj mikroprocesorskog dijela općenito nemoguć bez primjene metoda računalno potpomognutog projektiranja.

Pitanje. Zadatak

1. Objasniti bit blok-hijerarhijskog pristupa projektiranju MPP-a i MPS-a.

2. Što aspekti predstavljaju u simuliranoj shemi dizajna MPP-a?

3. Na kojoj je od horizontalnih razina MPP projektiran kao TK i koji aspekt tome odgovara?

4. Navedite glavne zadatke na razini sustava projektiranja MPP-a.

5. Koje su značajke arhitektonske razine projektiranja MPP-a?

6. Koja je bit funkcionalno-logičke razine projektiranja MPP i MPS?

7. Koji su glavni zadaci rješavani na mikroprogramskoj razini MPP-a?

1.4. Arhitekturamikroprocesoruređaja i sustava

Bit arhitekture i principi

razvoj mikroprocesorskih uređaja i sustava

Bit arhitektureMPU i MPS.

arhitektura mikroprocesora ogleda se u funkcionalnosti njegovih sastavnih elektroničkih komponenti koje se koriste za predstavljanjepodaci, rad strojeva,opisi algoritama i računskih procesa.

Arhitektura objedinjuje hardver, firmware i softver računalne tehnologije te omogućuje jasno identificiranje što, prilikom kreiranja određenog MPS-a, korisnik mora implementirati u softver i dodatni hardver.

Inače, arhitektura MP-a je njegova logična organizacija, zbog mogućnosti MP-a u pogledu hardverske ili softverske implementacije funkcija koje su dodijeljene projektiranom MPU-u ili MPS-u. Prikazuje strukturu MP-a, metode predstavljanja i formate podataka, skup naredbi, formate kontrolnih riječi, metode pristupa svim elementima strukture dostupnih korisniku, te odgovor MP-a na vanjske signale.

MP arhitektura se može promatrati kao skup njezinih svojstava i karakteristika sa stajališta korisnika. Opisuje metodologiju za optimalnu kombinaciju kombinacije hardvera, softvera i firmwarea LPU-a ili MPU-a s obzirom na svojstva koja koriste programeri i programeri korisnika.

Prilikom razvoja arhitekturaMPU, kao i za MP, određuju se formati podataka i naredbi, sustav naredbi i metode adresiranja, vrste adresiranja, obrazloženi zahtjevi za sučelja. Pravi izbor arhitekture omogućuje optimizaciju računskog procesa koji implementira algoritme za funkcioniranje MPU-a.

Arhitektura mikroračunalo - apstraktni pojam mikroračunala u smislu funkcionalnih jedinica, glavnih računalnih modula, struktura podataka. Arhitektura ne definira posebno značajke hardvera, vrijeme izvršavanja naredbi, stupanj paralelizma u implementaciji programa i druge slične karakteristike. Prikazuje aspekte strukture mikroračunala, posebice: sustav naredbi, načine adresiranja, formate podataka, skup registara dostupnih korisniku. Pojam "arhitektura" koristi se za opisivanje sposobnosti koje mikroračunalo pruža, dok pojam "organizacija" definira kako se te sposobnosti implementiraju.

Opis arhitekture je model mikroračunala čije razumijevanje nije važno samo za programera. Može se koristiti kao početna baza za potencijalnog programera novog mikroračunala: u ovom slučaju programer transformira elemente arhitekture koji predstavljaju određenu logičku shemu, skup potrebnih međusobno povezanih komponenti.

Sva mikroračunala sadrže funkcionalne blokove koji imaju svoju internu mikroarhitekturu: 1) procesor se sastoji od aritmetičko-logičke jedinice i upravljačke jedinice; 2) memorija je skup skladišnih elemenata (ćelija) i upravljačka jedinica; 3) uređaji za unos i izlaz informacija također su složeni uređaji koji sadrže mehaničke i elektroničke module. Ovi funkcionalni blokovi se kombiniraju pomoću sustava sabirnice: podatkovne sabirnice, preko koje se razmjenjuju informacije između mikroračunarskih jedinica; adresnu sabirnicu, koja se koristi za prijenos adresa na softverski kontrolirane uređaje, i kontrolnu sabirnicu, za prijenos kontrolnih riječi.

Definicija arhitektura računala, kao univerzalno mikroračunalo, po značenju se ne razlikuje od definicije arhitekture mikroračunala općenito.

Arhitektura računala , sa stajališta programera, apstraktni prikaz (ili definicija) računalnog sustava kao skupa složenog hardvera i softvera. U biti, arhitektura je informacija o funkcionalnoj (logičkoj) organizaciji računala.

Arhitektura MPS - definiranje funkcija koje sustav provodi na pojedinim razinama, te točno definiranje granica između tih razina. Definira principe organizacije MPS-a i funkcije njegovih komponenti, posebice procesora, memorije itd. MPS arhitektura ne odražava značajke dizajna logičkih struktura i modula i tehnologiju njihove proizvodnje.

Načela razvojaMPU i MPS

Od samog početka, u projektiranju i razvoju mikroračunala, uglavnom su korištena sljedeća osnovna načela: modularnost, okosnica, mikroprogramabilnost i pravilnost strukture.

Načelo modularna organizacija predviđa izgradnju mikroračunala i MPS-a na temelju skupa modula.

Modul - konstruktivno, funkcionalno i eelektrično završenuređaj,što ga čini mogućim, samostalno ili u kombinaciji s drugimmodulariješiti računske ili upravljačke problemedati razred.

Razlikovati funkcionalna i konstruktivnim modula. Modularni pristup omogućuje standardizaciju elemenata viših razina i smanjuje troškove projektiranja MPU-a i MPS-a, pojednostavljuje izgradnju kapaciteta i rekonfiguraciju sustava.

Veza između modula i njihovih elemenata provodi se uglavnom prema dva principa: a) princip proizvoljnostiveze, koji provodi pravilo "svaki sa svakim", i b) načelonaručene veze- deblo, omogućujući minimiziranje broja veza. Omogućuju razmjenu informacija između funkcionalnih i konstruktivnih modula različitih razina korištenjem autocesta koje povezuju ulazne i izlazne sabirnice.

Većina mikroračunala i MPS-a imaju višerazinsku organizaciju upravljanja programom.

Načelo kontrola firmvera pruža najveću fleksibilnost u organizaciji multifunkcionalnih mikroprocesorskih modula te kroz određenu kombinaciju mikronaredbi omogućuje provođenje problemske orijentacije mikroračunala. Zahvaljujući ovom principu, moguće je koristiti makro operacije u MPS-u i izvršavati naredbe i programe učinkovitije nego kada se koriste potprogrami.

Kontrola firmvera omogućuje:

Veća fleksibilnost uređaja zahvaljujući mogućnosti promjene firmware-a,

Povećava pravilnost strukture uređaja kroz raširenu upotrebu matričnih struktura kao što su memorija,

Pruža paralelno rješenje za probleme distribuirane kontrole i distribuirane memorije,

Povećava pouzdanost uređaja korištenjem memorijskih čipova,

Pojednostavljuje kontrolu rada uređaja, budući da se upravljanje mikroprogramskom upravljačkom jedinicom svodi na kontrolu sadržaja uređaja za pohranu podataka.

Načelo pravilnosti predodređuje ponovljivost elemenata strukture i odnosa među njima.

Pravilnost sustava, u pravilu, razmatra se na različitim razinama njegove organizacije. Glavni načini povećanja pravilnosti strukture MPP-a i MPS-a su:

1) široka upotreba memorijskih uređaja;

2) odbijanje dodjele određenih mikrooperacija u registre;

3) korištenje struktura registra;

4) izradu registara opće namjene i drugih registara u obliku memorijskih ćelija;

5) primjena glavnog načina razmjene informacija;

7) korištenjem principa mikroprogramskog upravljanja;

8) razvoj paralelnog MPS-a.

Klasifikacija arhitektura mikroprocesorskih uređaja i sustava

Postoji nekoliko klasifikacija MPU i MPS arhitektura, koje se uglavnom podudaraju s opisima generalizirane arhitekture računala.

KlasifikacijaM. Flyna. Ovo je jedna od uspješnih klasifikacija, koja pokazuje arhitektonske razlike između računala. Arhitektonske značajke računala opisane su u terminima tijeka naredbi (uputa) i toka podataka. Ovaj pristup omogućuje dodjelu arhitekture računala jednoj od specifičnih klasa (tablica 2, shema 2).

tablica 2 Flynnova klasifikacija računalnih arhitektura

Tijek naredbi

Jedan tok podataka

Višestruki tok podataka (MD)

samac (u redu)

OKOD (SISD) (jednoprocesorska računala)

SIMD (računala s paralelnim ili asocijativnim procesorima)

višestruko (MK)

MKOD (MISD) (glavna računala transportera)

MKMD (MIMD) (višeprocesorski ili višestrojni kompleksi)

Klasifikacija se provodi ne u smislu strukture strojeva, već u smislu kako u računalu njegove strojne upute komuniciraju s podacima. Ipak, Flynnova klasifikacija je vrlo općenita, odnosno sva paralelna računala, osim višeprocesorskih, upućuje na istu klasu i ne ukazuje na nikakvu razliku između cjevovodnog računala i MP matrice.

Koriste se i druge klasifikacije arhitektura, posebice sistematika F. Shara, strukturna sistematika R. Hockneyja i C. Jeshopea, koja koristi posebne strukturne oznake.

Strukturna sistematika R.Hockney i C. Jesshope. Na prvoj razini svi su računalni sustavi podijeljeni prema principu višestrukosti (kvantitete) na jednoračunalne i višeračunalne sustave. Računalni sustavi s jednim računalom se pak dijele na računala s jednim transportnim MP i više MP.

Prva od njih su tradicionalna serijska računala, a druga čine klasu paralelnih računala, koja se dijele na cjevovodne, bez cjevovoda i mikroprocesorske matrice.

shema 2. Ilustracija Flynnove klasifikacije računalnih arhitektura

Primjer jednog od prvih računala bez cjevovoda s paralelizmom može biti računalo CDC-6600, izgrađeno na temelju nekoliko skalarnih procesora.

Cjevovodna računala se dijele na ona koja izvode samo skalarne instrukcije, kao što su CDC-7800, FPC AP-120B računala i ona koja izvršavaju vektorske instrukcije. Računala koja koriste vektorske upute podijeljena su, pak, na računala sa specijaliziranim cjevovodom, kao što je CRAY-1, i s univerzalnim cjevovodom - računalom CYBER 205.

Računala klase strojeva s matricom procesora klasificiraju se prema povezanosti procesora u matrici, prema njihovom kapacitetu itd. Prvi strojevi ovog tipa bili su ILLIAC-IV, BSP, STA-RAN, ICL DAP, OMEN itd.

Prema namjeni, računala se dijele u dvije glavne skupine: univerzalni i specijalizirana .

Arhitekturavon Neumanna

Univerzalni računala imaju tradicionalnu "von Neumannovu" arhitekturu (ili skalarnu arhitekturu).

Osnovni principi izgradnje programski upravljanih računala.

Godine 1946. poznati američki matematičar J. von Neumann po prvi je put formulirao osnovne principe za konstruiranje programski upravljanih računala, koji su se vremenom dopunjavali i usavršavali:

1) princip upravljanja programom je da računalo može automatski pretvoriti izvorne podatke u skladu s zadanim programom;

2) načelo uvjetnog skoka pruža fleksibilnost i svestranost programima, pružajući mogućnost u procesu rješavanja problema da se izvrši prijelaz na određeni dio programa, ovisno o rezultatima međuizračunavanja ili početnih podataka;

3) princip postojanosti (sigurnosti) programa je da se program smjesti u uređaj za pohranu računala;

4) princip slučajnog pristupa memorijskim elementima;

5) princip korištenja binarnog brojevnog sustava;

6) princip višerazinskog (hijerarhijskog) pamćenja.

Ova su načela relevantna i za suvremena računala, ali su stvaranjem novih generacija i obitelji strojeva dopunjena i dorađena.

U računalu, počevši od treća generacija, osim toga, primjenjuju se sljedeća načela:

- multiprogramiranje- zajedničko izvršavanje različitih naredbi istih ili različitih, neovisnih od jedne, programa koji su pohranjeni u RAM-u;

- kompatibilnost informacija i softvera- omogućuje pokretanje postojećih programa na različitim modelima obitelji;

Visoko razina tehničke standardizacije- zajednička nomenklatura vanjskih i drugih uređaja za sve strojeve;

Prilika organizacija višefaznog rada o stvaranju i poboljšanju računala.

Strojevi četvrte generacije izgrađen na principima:

- višeprocesna- prebacivanje nekoliko procesora pri radu sa zajedničkom memorijom;

Organizacije virtualna memorija- pružanje gotovo neograničene količine RAM adresnog prostora;

širok korištenje BIC i VLSI i makromodularnu strukturu, koja se temelji na ideji izgradnje funkcionalno fleksibilnih računalnih sustava od velikih standardiziranih blokova (makromodula);

Korištenje internih jezici visoke razine.

Strojevi pete generacije razlikuju se:

Značajno povećanje intelektualne razine procesora;

Daljnji razvoj ulazno-izlazne funkcije grafike, slika, dokumenata, programskih jezika;

Mogućnost interaktivne obrade informacija prirodnim jezikom;

Sposobnost samoučenja, asocijativnih konstrukcija i donošenja zaključaka.

Programski jezici u procesu formiranja programa mogu implementirati prirodno sučelje između osobe i stroja. Jezici super visoke razine pružaju:

Visoka razina inteligencije interakcije korisnika s računalnim sustavom na različitim razinama pristupa bazama podataka za odabir potrebnih informacija i bazama znanja za dobivanje novih ideja potrebnih za rješavanje nepoznatih zadataka;

Korištenje postojećih softverskih fondova orijentiranih na tradicionalnu arhitekturu računala.

Specijalizirani računala su dizajnirana da uvelike poboljšaju performanse prilikom rješavanja određene vrstezadataka. To je u početku postignuto korištenjem paralelnog računanja. S vremenom su se pojavili strojevi koji su se temeljili na paralelnom izvršavanju različitih funkcija ili na umnožavanju aritmetičkih uređaja, posebice procesorskih matrica.

Paralelne arhitekture

Paralelizam se razvijao u dva smjera:

1) poboljšanje strukture računala smanjenjem razlika između brzine procesora i brzine pristupa RAM-u;

2) ponavljanje računalnih uređaja iste vrste, kombiniranih prema određenoj topologiji.

Paralelizam je primijenjen na nekoliko hijerarhijskih razina, posebno:

1) razina zadataka - između zadataka koji se izvode na računalu ili između faza zadatka;

2) programska razina - između dijelova programa (npr. unutar granica ciklusa);

3) razina naredbe - između faza izvršenja naredbe (procesorske instrukcije);

4) aritmetičke i bitne razine - između elemenata vektorske operacije unutar logičkih sklopova aritmetičke jedinice.

Temeljno načineuvođenje paralelizma Arhitektura računala može se podijeliti u sljedeće grupe:

- funkcionalna obrada- pružanje nekoliko uređaja s mogućnošću obavljanja različitih funkcija, posebice operacija logike, zbrajanja, množenja itd.

- cjevovodna obrada- korištenje principa transportera u cilju povećanja učinkovitosti procesorskog uređaja;

- obrada matrice- korištenje matrice identičnih procesorskih elemenata sa zajedničkim sustavom upravljanja, gdje svi elementi izvode istu operaciju, ali s različitim podacima;

- višeprocesna- provodi nekoliko procesora, od kojih svaki izvršava svoje instrukcije, a svi oni međusobno djeluju putem zajedničkog RAM-a.

Signal i mpojedinačni mikroprocesori

Matrični procesori signala - procesori,koji se temelje naprincip upravljanjauz sam potokpodaci.

Instrukcije se počinju izvršavati čim njihovi operandi postanu dostupni. U ovom slučaju, dolazak podataka od susjednih procesora tumači se kao promjena stanja i pokreće određenu radnju.

Procesori signala rade poput širenja signala. Oni su distribuirani globalni asinkroni matrični računalni sustav.

medijski sustav - procesorska mreža,koji izvode ritmičkiizračuni i prijenos podataka od strane sustava.

Svaki procesor redovito pumpa podatke u svakom trenutku, izvodeći određene kratke izračune tako da se tok podataka redovito pohranjuje u mrežu. Svaki od ovih procesora usmjeren je samo na jednu klasu zadataka i stoga spada u klasu specijaliziranih računala.

Na razini hardvera, ova su računala svojstvena globalnoj sinkronizaciji, što predodređuje pojavu takvih problema kao što su sinkronizacija sata, povećana potrošnja energije, smanjena pouzdanost itd.

Za univerzalne streaming višeprocesorske sustave značajni su problemi sukoba koji su povezani s korištenjem dijeljene memorije i interakcijom procesora. Ti su problemi riješeni zamjenom stream sustava modularnim i lokalnim (što je implementirano u signalne matrične procesore).

Mnoga specijalizirana računala koriste "harvardska arhitektura" , čija je suština to memorijski prostor instrukcijaodvojen od memorijskog prostorapodaci kako bi se istodobno dohvatile upute i podaci.

RISC arhitektura računala

Računala sa smanjenim skupom uputa/naredbi ( RISC - kompjutor sa smanjenim skupom instrukcija).

Osnovna svojstva računalaS RISC-arhitektura:

1) korištenje naredbi fiksne duljine s malim brojem tipova formata;

2) pravilnost, koja omogućuje, zbog jednostavnosti naredbi, korištenje istih hardverskih uređaja za izvršavanje gotovo svih naredbi;

3) izvršenje većine naredbi u jednom strojnom ciklusu (ciklusu);

4) fokus na registre - sve operacije s podacima izvode se u registrima, osim naredbi učitavanja i pisanja, čija je implementacija povezana s pristupom memoriji.

Prednosti RISC-arhitektura:

1) usporediva jednostavnost hardverske implementacije;

2) brzo dešifriranje naredbi;

3) kratko trajanje ciklusa i, sukladno tome, brzo izvršavanje naredbi;

4) sposobnost stvaranja učinkovitog naredbenog cjevovoda.

Nedostaci RISC-arhitektura:

1) relativno nizak tečaj operanada i RAM ćelija;

2) dodatni softverski zahtjevi.

Performanse modernih matričnih i paralelnih računala prilično su visoke i dosežu milijarde operacija u sekundi na 64-bitnim operandima pri izvođenju operacija s pomičnim zarezom. Pri rješavanju primijenjenih problema njihova je izvedba značajno smanjena i približava se performansama suvremenih univerzalnih računala.

Među modernim cevovodnim i matričnim MPS-om treba spomenuti superračunala poput Cray MP i drugih.

Pitanje. Zadatak

1. Što prikazuje arhitektura MPU (mikroračunala) i po čemu se razlikuje od MP arhitekture?

2. Objasniti bit principa modularnosti, okosnice, mikroprogramiranosti i pravilnosti strukture koji se koriste u razvoju MPU-a, mikroračunala i MPS-a.

3. Na temelju čega se klasificiraju računalne arhitekture?

4. Koja je bit von Neumannove arhitekture računala?

5. Koja je bit arhitekture Harvarda računala?

6. Navedite načine uvođenja paralelizma u arhitekturu računala.

7. Objasnite bit multiprogramiranje računala.

8. Koji je princip rada MP medijske mreže i signalne matrice MP, koje su njihove razlike?

9. Koja je bit RISC-arhitekture računala, koje prednosti i nedostatke ima u odnosu na prethodno razmatrane arhitekture?

Književnost.

1. Mikroprocesor i mikroEOM u virobnicheskih sustavima: Posíbnik - K.: Vidavnichiy centar "Akademiya", 2002. - 368 str. (Alma mater).

2. Kornejevski računalni sustavi.- M.: "Znanje", 199 str.

3., Mikroprocesori Kiselev.- M.: "Znanje", 199 str.

Kvalitativne i kvantitativne promjene u bazi elemenata VT alata dovele su do

mijenjanje utvrđenih principa njihovog dizajna (kao što su kruti

struktura, sekvencijalna središnja kontrola, linijska organizacija

memorija i nemogućnost prilagodbe strukture računala značajkama

problem koji se rješava).

Klasična von Neumannova načela organiziranja računalnih sustava zamijenjena su idejama problemske orijentacije MPS-a, paralelne i cjevovodne obrade informacija, uporabe tabličnih metoda obrade podataka, načela pravilnosti i uniformnosti MPS struktura; postaje stvarna

mogućnost ideje stvaranja prilagodljivo podesivih sustava, kao i

hardverska implementacija softverskih funkcija. Stoga, trenutno

vrijeme u projektiranju računalnih sustava temeljenih na MPS primljeno

primjena tzv. "3M" principa: modularnost, prtljažnik,

mikroprogramabilnost.

Princip modularne organizacije uključuje izgradnju računskih i

upravljanje MPS-om na temelju skupa modula: strukturno, funkcionalno i

električni kompletni računalni uređaji koji vam omogućuju da samostalno

ili u kombinaciji s drugim modulima za rješavanje problema ove klase. Modularni

pristup u dizajnu mikroračunala i sustava omogućuje (kada se implementira kao

univerzalni i specijalizirani moduli) osiguravaju stvaranje obitelji

(redovi) MPS-a, koji se razlikuju po funkcionalnosti i karakteristikama,

pokrivajući značajan raspon primjena, pomaže u smanjenju

troškove dizajna, kao i pojednostavljuje proširenje kapaciteta i

rekonfiguracija sustava, potiskuje zastarjelost računalstva

Glavni način razmjene informacija različita od organizacije

proizvoljne veze (prema principu "svaki sa svakim") omogućuju vam da pojednostavite i

kako bi se minimizirao broj veza u MPS-u. Omogućuje razmjenu informacija između

funkcionalnih i konstruktivnih modula različitih razina korištenjem

autoceste koje kombiniraju ulazne i izlazne sabirnice. Ima jedan, dva,

tro- i višelinijske komunikacije. Treba napomenuti odnos

sklopovska i strukturna rješenja koja se pojavljuju tijekom implementacije

ovaj način razmjene u obliku stvaranja posebnog dvosmjernog međuspremnika

kaskade s tri stabilna stanja i korištenje privremenih

multipleksiranje kanala razmjene.

Kontrola firmvera pruža najveću fleksibilnost u organizaciji

višenamjenski moduli i omogućuje orijentaciju prema problemu

MPS, kao i korištenje makro operacija u njima, što je učinkovitije od korištenja

standardne rutine. Osim toga, prijenos kontroliranih riječi u obliku

šifrirani kodni nizovi odgovaraju uvjetima minimizacije

broj VLSI pinova i smanjiti broj interkonekcija u modulima.

Uz gore navedene glavne značajke MPS dizajna, trebao bi biti

primijetiti načelo pravilnosti, što podrazumijeva regularnost

ponovljivost elemenata strukture MPS-a i veze među njima. Primjena ovoga

princip vam omogućuje povećanje integralne gustoće, smanjenje duljine veza

na čipu, smanjiti vrijeme izgleda i dizajna sklopa

LSI i VLSI dizajn, smanjiti broj raskrižja i vrste funkcionalnih

i strukturnih elemenata.

Prilikom izrade arhitekture MPS-a (faza sustava) potrebno je riješiti sljedeće

Dajte opis konceptualne strukture funkcionalnog ponašanja sustava s

pozicije uzimanja u obzir interesa korisnika u njegovoj konstrukciji i organizaciji

računalni proces u njemu;

Odrediti strukturu, nomenklaturu i značajke konstrukcije softvera i

firmware;

Opišite karakteristike unutarnje organizacije tokova podataka i kontrole

informacija;

Provesti analizu funkcionalne strukture i obilježja tjelesnog

implementacija sistemskih uređaja sa stajališta softverske ravnoteže,

mikroprograma i hardvera.

Glavne faze projektiranja MPS-a prikazane su na sl. 3.1.

U početnoj fazi projektiranja, MPS se može opisati u jednom od

sljedeće konceptualne razine: “crna kutija”, strukturna, programska,

logično, shema.

Na razini "crne kutije", MPS je opisan vanjskim specifikacijama, gdje

navedene su vanjske karakteristike.

Riža. 3.1. Faze projektiranja MPS-a

Strukturnu razinu stvaraju hardverske komponente MPS-a, koje

opisuje funkcije pojedinih uređaja, njihov odnos i informacije

potoci.

Softverska razina podijeljena je na dvije podrazine (upute za procesor i

jezik) i MPS se tumači kao slijed operatora odn

naredbe koje uzrokuju jednu ili drugu radnju na nekoj strukturi podataka.

Logička razina svojstvena je isključivo diskretnim sustavima i dijeli se na

dvije podrazine: sklopni krugovi i prijenosi registra.

Prvu podrazinu čine vrata (kombinacijski sklopovi i memorijski elementi) i na njihovoj osnovi izgrađeni operatori za obradu podataka. Drugu podrazinu karakterizira viši stupanj apstrakcije i predstavlja opis registara i prijenosa podataka između njih. Uključuje dva

dijelovi: informacija i kontrola: prvi se formira registrima,

operatore i putove prijenosa podataka, drugi pruža ovisno o

vremenski signali koji pokreću prijenos podataka između registara.

Razina sklopa temelji se na opisu rada elemenata diskretnih uređaja.

U životnom ciklusu MPS-a, kao i svakog diskretnog sustava, postoje tri faze:

dizajn, proizvodnja i rad.

Svaka od faza podijeljena je na nekoliko faza, za koje postoje vjerojatnosti nastanka strukturnih ili fizičkih kvarova. Greške se dijele prema uzrocima: fizičke, ako su uzrokovane defektima elemenata, i subjektivne, ako su uzrokovane pogreškama u projektiranju.

Subjektivne greške dijele se na dizajn i interaktivne. Oblikovati

kvarovi su uzrokovani nedostacima unesenim u sustav u različitim fazama

provedbu izvornog zadatka. Interaktivni kvarovi se javljaju u

proces rada krivnjom uslužnog osoblja (operatera). proizlaziti

manifestacija kvara je greška, a jedan kvar može

uzrokuju brojne pogreške, a ista greška može biti uzrokovana

mnoge greške.

Postoji i koncept defekta – fizičke promjene parametara

komponente sustava koje su izvan dometa. Nedostaci se nazivaju

neuspjesi ako su privremeni, a neuspjesi ako su trajni.

Nedostatak se ne može otkriti dok se ne stvore uvjeti za to

pojava kvara zbog toga, čiji bi rezultat trebao, sam po sebi

queue, proslijeđen na izlaz istraživanog objekta kako bi se napravio

uočljivi neuspjeh.

Rješavanje problema je proces utvrđivanja uzroka pogreške pomoću

rezultate ispitivanja.

Otklanjanje pogrešaka je proces otkrivanja i utvrđivanja pogrešaka

izvori njihove pojave prema rezultatima ispitivanja u projektiranju MPS-a.

Alati za otklanjanje pogrešaka su uređaji, kompleksi i programi. Ponekad ispod

debugging razumjeti otkrivanje, lokalizaciju i uklanjanje grešaka. Uspjeh

otklanjanje pogrešaka ovisi o tome kako je sustav dizajniran, da li

svojstva koja olakšavaju otklanjanje pogrešaka, kao i korištene alate

za otklanjanje pogrešaka.

Za otklanjanje pogrešaka projektirani MPS mora imati

svojstva upravljivosti, uočljivosti i predvidljivosti.

Upravljivost - svojstvo sustava u kojem je njegovo ponašanje podložno

upravljanje, tj. moguće je zaustaviti rad sustava u

određeno stanje i ponovno pokrenite sustav.

uočljivost- svojstvo sustava koje vam omogućuje praćenje ponašanja

sustava, nakon promjene njegovih unutarnjih stanja.

Predvidljivost– svojstvo sustava koje vam omogućuje da instalirate sustav

stanje iz kojeg se mogu predvidjeti sva sljedeća stanja.

MPS se može značajno razlikovati po svojoj složenosti, zahtjevima i funkcijama.

radni parametri, količina softvera, vrsta

mikroprocesorski set itd. Kao rezultat toga, proces dizajna može

mijenjati ovisno o zahtjevima sustava.

Proces dizajna je iterativni proces. Neispravnosti otkrivene tijekom faze prijamnog testiranja mogu dovesti do ispravke specifikacije, i

dakle do početka projektiranja cijelog sustava. Pronaći

kvar je nužan što je prije moguće; treba ga kontrolirati

ispravnost projekta u svakoj fazi razvoja. Postoje sljedeće metode

kontrola dizajna: verifikacija (formalne metode

dokaz o ispravnosti projekta); modeliranje; testiranje.

U posljednje vrijeme pojavilo se dosta posla na verifikaciji softvera.

softver, firmver, hardver. Međutim, ti radovi su još uvijek

teorijski karakter. Stoga se u praksi češće koristi modeliranje

ponašanje objekta i testiranje na različitim razinama apstraktnog

predstavljanje sustava.

U fazi formaliziranja zahtjeva za sustav, kontrola ispravnosti projekta

posebno potrebno jer mnogi ciljevi dizajna nisu formalizirani ili

ne može se u načelu formalizirati. Funkcionalna specifikacija može

biti analiziran od strane tima stručnjaka ili modeliran i testiran u

eksperimentalni red kako bi se utvrdilo postizanje željenih ciljeva. Nakon odobrenja

funkcionalna specifikacija započinje razvoj testnih programa,

dizajniran za uspostavljanje ispravnog rada sustava u skladu sa

njegova specifikacija. U idealnom slučaju, testovi se razvijaju u potpunosti

na temelju ove specifikacije i omogućuje provjeru bilo kojeg

implementacija sustava koji je deklariran sposobnim za obavljanje funkcija

navedeno u specifikaciji. Ova metoda je sušta suprotna od ostalih.

gdje se izrađuju testovi za specifične implementacije. Međutim, u praksi

razvoju testa se često daje niži prioritet od

projekt, pa se testni programi pojavljuju mnogo kasnije od njega

Projektiranje mikroprocesorskog sustava

Struktura

Blok dijagram sustava prikazan je na slici 3.2.

Slika 3.2 - Blok dijagram MPS-a

MP je središnji blok MPS-a. Upravlja svim mikro krugovima i obavlja obradu podataka.

Poslanik generira adresu u SAD-u i razmjenjuje sa SDS-om.

RAM je dizajniran za pohranjivanje međupodataka.

ROM je dizajniran za pohranjivanje programskog koda i raznih konstanti.

PPI je dizajniran za povezivanje vanjskih uređaja. ADC, diskretni signali i PP spojeni su na PPI.

ADC je dizajniran za pretvaranje analognog signala sa senzora u digitalni kod.

PP je dizajniran za organiziranje razmjene preko serijskog kanala između kontrolne sobe i MP-a.

Shematski dizajn

MPS mora osigurati:

• - ispitivanje 7 analognih senzora;
• - prikupljanje 8 diskretnih signala;
• - formiranje 4 diskretne upravljačke akcije.

Potrebna količina memorije podataka izračunava se pomoću formule

gdje i - broj analognih i diskretnih ulaznih signala, redom; i - dubina bita analognih i diskretnih signala.

U našem slučaju i

Kao rezultat toga, potrebno je pohraniti podatke o ispitivanju senzora

Za središnju jedinicu sustava odabran je mikrokontroler KM1816BE51. Njegove glavne prednosti su:

• - dostupnost rezidentne memorije programa i podataka;
• - prisutnost ugrađenog softvera;
• - 4 priključka;
• - niska potrošnja energije;
• - ugrađeni mjerači vremena.

Za pohranu podataka koristi se ugrađena 128 bajtova MK programske memorije. Program će biti pohranjen u stalnu programsku memoriju.

Za ispitivanje analognih senzora koristi se čip K572PV4. Prednosti mikročipa uključuju:

• - prisutnost ugrađenog multipleksora;
• - automatsko ispitivanje senzora bez sudjelovanja mikroprocesora;
• - pohranjivanje rezultata konverzije za svaki kanal u ugrađenoj statičkoj memoriji.

Budući da MK nema izlaze generatora, generatorski čip K531GG1 koristi se za generiranje taktnog signala.

Za organiziranje razmjene informacija s kontrolnom sobom koristi se primopredajnik ugrađen u MC. Međutim, softver KM1816BE51 prenosi podatke pomoću pet-voltnih logičkih signala: jedan je predstavljen razinom napona od 2,4 V do 5 V, a nula - od 0 do 0,8 V. Prilikom prijenosa preko RS-232 kanala, nula i jedan su kodirani istom vrijednošću (od 5 do 12 V), ali s različitim predznacima.

Budući da se pet-voltni logički signali moraju pretvoriti u drugu razinu za prijenos preko RS-232, MPS koristi Maximov MAX202E čip. Sadrži pretvarač napona od +5 V do ±10 V i stupnjeve koji pretvaraju logičke signale standardne pet-voltne razine prema RS-232 standardu. Sadrži pretvarače logičke razine za dva prijemnika i dva odašiljača, od kojih se koristi samo jedan primopredajni kanal.

Shematski dijagram MPS-a dat je u Dodatku B.

Kvarcni rezonator od 12 MHz ZQ1 spojen je na pinove XTAL1 i XTAL2 mikrokontrolera DD1. Za stabilniji početak, izlazi kvarcnog rezonatora povezani su na zajedničku žicu preko kondenzatora C1 i C2 kapaciteta 21 pF.

Kada se na mikrokontroler dovede napon napajanja, potrebno je resetirati mikrokontroler. U tu svrhu RST ulaz je spojen na sabirnicu napajanja preko kondenzatora od 6 μF C3 i na zajedničku žicu preko otpornika R1 od 100 kΩ. U trenutku uključivanja kondenzator se prazni, a ulaz za resetiranje je na potencijalu blizu napona napajanja. Unatoč smanjenju ovog potencijala zbog naboja C3, tijekom deset milisekundi razina signala na ulazu za resetiranje ostaje jednostruka, a mikrokontroler se ispravno pokreće.

Na ulaz se primjenjuje logička jedinica, jer mikrokontroler će izvršiti program iz rezidentne memorije.

Diskretni ulazni signali DDAT1-DDAT8 spojeni su na linije porta P0 MK DD1. ACS DA1 je spojen na linije priključka P1. Diskretne upravljačke akcije DOUT1-DOUT4 formiraju se na linijama P1.0-P1.3.

Budući da analogni senzori spojeni na ACS DA1 moraju imati parametar izlaznog napona u rasponu od 0V do 2,5V. Otpornici R2-R13 služe za pretvaranje strujnih signala senzora u signal napona.

Specifikacija elemenata prikazana je u Dodatku D.

Razvoj algoritma rada MPS

MPS radi u sljedećem redoslijedu:

• a) inicijalizacija sustava;
• b) ispitivanje senzora;
• c) upravljanje crpnom jedinicom;
• d) razmjena podataka s kontrolnom sobom;
• e) idite na korak b.

Blok dijagrami algoritama radnog programa MPS prikazani su u Dodatku E, fragment programskog koda je u Dodatku E.

Proračun potrošnje energije

Snaga koju troši cijeli sustav definira se kao zbroj snaga koje troše svi dijelovi sustava.

Proračun snage sažet je u tablici 3.4.

Tablica 3.1 - Proračun potrošnje energije

Sustav troši energiju.

Komunikacijski uređaj

Za razmjenu s kontrolnom sobom koristi se pretvarač sučelja MI 486. Omogućuje primanje/prijenos podataka putem Ethernet mreže s računala brzinom do 112 kbauda.

Pretvarač sučelja prikazan je na slici 3.3.

Slika 3.3 - Pretvarač sučelja MI 486

Tehnički podaci:

• - izlazno sučelje: RS-232;
• - max. brzina - do 112 kbaud;
• - ulazno sučelje Ethernet 10BaseT/100BaseT;
• - RJ45 konektor.