Blok diagram naprave je predstavljen v Dodatku A.

Ta mikroprocesorski sistem je sestavljen iz naslednjih blokov: mikroprocesor, RAM, ROM, programabilni vzporedni vmesnik, analogno-digitalni pretvornik, časovnik, zaslon.

Analogni signali iz senzorjev se dovajajo na vhode analognega multipleksorja, vgrajenega v ADC, ki v vsakem časovnem intervalu preklopi enega od signalov na vhod analogno-digitalnega pretvornika.

Analogno-digitalni pretvornik se uporablja za pretvorbo analognega signala v digitalno kodo, s katero deluje mikroprocesor.

Mikroprocesor dostopa do ADC prek programabilnega vzporednega vmesnika. Prebere informacije iz izhodov ADC, jih vnese v pomnilniško celico RAM. Poleg tega MP na podlagi informacij, prejetih od senzorja tlaka olja na izhodu iz postaje, izračuna krmilno delovanje. Ta vrednost se prenese na aktuator v obliki digitalne kode.

RAM služi za začasno shranjevanje informacij, prejetih od senzorjev, in vmesnih rezultatov mikroprocesorskih izračunov.

Sistemska programska oprema je shranjena v ROM (pomnilnik samo za branje). Postopek branja nadzoruje mikroprocesor.

Program, ki je shranjen v ROM-u, omogoča naslednje sistemske operacije:

Zaporedno anketiranje senzorjev;

Krmiljenje analogno-digitalne pretvorbe analognega signala;

Regulacija tlaka olja;

Indikacija in alarm;

Odziv na izgubo električne energije.

Razvoj sistemskega algoritma

Blok diagram algoritma je predstavljen v Dodatku B.

Inicializacija

Na tej stopnji se kontrolne besede zapišejo v RSS programabilnega vzporednega vmesnika. PPI DD10 deluje v ničelnem načinu. Vrata delujejo na naslednji način: vrata A - vhod, vrata B - izhod, vrata C - izhod. PPI DD1 deluje v ničelnem načinu. Vrata delujejo na naslednji način: vrata A - izhod, vrata B - izhod, vrata C - izhod.

Poklicni senzorji

Analogne senzorje pokliče ADC. Mikroprocesor izprašuje diskretne senzorje skozi vrata A PPI 1.

Shrani v RAM

Rezultati, dobljeni po anketiranju senzorjev, se vnesejo v pomnilnik z naključnim dostopom za začasno shranjevanje.

Nadzorni ukrep

Mikroprocesorski sistem analizira prejete podatke in ustvari digitalno krmilno dejanje.

Razvoj koncepta

Shematski diagram naprave je predstavljen v Dodatku D.

Naslovno vodilo se oblikuje z uporabo registra medpomnilnika in gonilnika vodila. Izbira registra se izvede s signalom ALE mikroprocesorja. Gonilnik vodila je potreben za povečanje nosilnosti visokega bajta naslova.

Podatkovno vodilo se oblikuje s pomočjo gonilnika vodila, ki se izbere z uporabo signalov DT/R in OE.

Sistemsko vodilo se oblikuje preko dekoderja DD10 z uporabo kombinacije signalov M / IO, WR, RD.

Tabela 1 - Krmilni signali

Izbira ROM-a, RAM-a in drugih naprav poteka z uporabo linij A13-A15 naslovnega vodila skozi dekoder. Celice ROM se nahajajo od naslova 0000h.

Tabela 2 – Izbira naprave

			Naprava

Izbira vrat ali registra kontrolne besede PPI se izvede preko vrstic A0, A1 naslovnega vodila. Diskretni senzorji se napajajo na vhode vrat A PA0-PA7 PPI DD12; na vhode vrat B - z ADC; LED diode so priključene na vhode vrat C.

Analogni multiplekser se uporablja za izbiro naprave, iz katere se berejo informacije. Analogni multiplekser je vgrajen v ADC. Bitna širina ADC sovpada z bitno širino podatkovnega vodila in je 8 bitov.

Upori R2-R4 se uporabljajo za pretvorbo enotnega tokovnega signala 4 ... 20 mA v napetost 1 ... 5 V.

Procesi avtomatizacije tehnične opreme so zajeli velik del celotne organizacije proizvodnje. Uporabljajo se povsod v strojnih orodjih, strojih in mehanizmih, robotskih kompleksih. Nove tehnologije znatno povečajo produktivnost dela in zmanjšajo vpliv človeškega dejavnika na tveganja v proizvodnji. Izboljšata se tudi tehnična raven in kakovost izdelkov. Mikroprocesorski sistemi - nekoč je bila inovativna tehnologija. Toda zdaj je to že nekaj vsakdanjega, saj imajo naprave, ki so izdelane z uporabo mikroprocesorjev, večjo zmogljivost v primerjavi z napravami, izdelanimi na ločenih logičnih vezjih, z gospodarsko koristjo prvih.

Standardizacija razvojnega procesa poenostavlja analize in raziskave na tem področju. Pojasni tudi trenutno stanje in možni rezultat. Današnja podjetja vgrajenih mikroprocesorjev za hitro in organizirano načrtovanje uporabljajo logična integrirana vezja, ki jih je mogoče programirati (FPGA) in računalniško podprte proizvodne sisteme. S pomočjo FPGA je možno tudi odpravljanje napak in testiranje v realnem času. Letna posodobitev CAD vam omogoča, da porabite vedno manj časa za monotono in enosložno delo, hkrati pa se izognete očitnim napakam. To vam omogoča abstrahiranje na višje ravni sistema in reševanje težkih problemov.

Proces razvoja vgrajenih mikroprocesorskih sistemov lahko predstavimo kot dve poti zaporednih stopenj načrtovanja. Prva pot je razvoj strojne opreme za vgrajeni mikroprocesorski sistem. Druga pot je načrtovanje programske opreme (slika 1).

Slika 1. Faze načrtovanja

Vendar niso potrebne vse etape poti. Modeliranje strojne opreme sistema med razvojem se ne sme izvajati. Zato je mogoče nekatere korake izključiti: pripravo specifikacije modeliranja, generiranje modelov, funkcionalno in časovno modeliranje. Hkrati je treba upoštevati, da modeliranje strojne opreme sistema povečuje učinkovitost procesa projektiranja kot celote zaradi zgodnejšega odkrivanja morebitnih napak in njihovega odpravljanja.

Tipični koraki načrtovanja mikroprocesorskih sistemov vključujejo:

1. Formalizacija različnih sistemskih zahtev. Treba je sestaviti zunanje specifikacije, naloge (TOR) za sistem, opombe o podobi sistema s strani razvijalca v dokumentaciji, našteti funkcije sistema.
2. Razvoj strukture in arhitekture elementov sistema. Treba je določiti interakcijo med strojno in programsko opremo, funkcije perifernih naprav in programskih lupin, izbrati mikroprocesorske rešitve, na podlagi katerih bo sistem implementiran, določiti časovne značilnosti.
3. Razvoj in izdelava strojne in programske opreme sistema. Potrebno je razviti strukturo in sheme vezja, izdelati prototip in ga odpraviti v pogojih osnovnih načinov delovanja. Razvoj programske opreme naj obsega algoritme, pisanje izvorne kode, prevajanje izvornih programov v objektne programe, odpravljanje napak programske opreme in simulacijo.
4. Splošno odpravljanje napak in prevzemni testi v delovnih pogojih.

Človeški faktor omogoča okvare in slabe oblikovalske odločitve. Na napravah so tudi okvare strojne opreme. Možni so na primer naslednji viri napak v fazah:

Faza 1. Logična nedoslednost zahtev, opustitve, netočnosti algoritma.

Faza 2. Opustitve funkcij, izpuščanje nekaterih informacijskih tokov, nedoslednost v protokolu za interakcijo strojne in programske opreme, napačna opredelitev tehničnih zahtev, napačna izbira mikroprocesorskih rešitev, netočnosti algoritmov.

Faza 3. Pri razvoju opreme - opustitev nekaterih funkcij, napačna razlaga nalog, napake v sinhronizacijskih shemah, kršitev pravil oblikovanja; pri razvoju programske opreme - opustitve nekaterih funkcij nalog, netočnosti v algoritmih, netočnosti v kodiranju; pri izdelavi prototipa - okvare komponent in zunanjih naprav, okvare pri vgradnji in montaži.

Vsak od naštetih virov napak lahko povzroči veliko število fizičnih ali subjektivnih okvar, ki jih je treba dodatno prepoznati in odpraviti. Odkrivanje in lokalizacija okvare je zapletena iz več razlogov: prvič, zaradi okvar je lahko več; drugič, enotnost simptomov različnih težav. Ker modelov subjektivnih napak ni, ta naloga ni formalizirana. Reševanje je mogoče s pomočjo ekspertnih sistemov – baze podatkov z obstoječimi problemi in njihovo reševanje na podlagi praktičnih izkušenj.

Subjektivne napake se od fizičnih napak razlikujejo po tem, da se po odkrivanju, lokalizaciji in popravljanju ne pojavljajo več. Toda subjektivne napake se lahko uvedejo v fazi razvoja specifikacije sistema, kar pomeni, da lahko tudi po tem, ko je bil sistem temeljito preizkušen, da izpolnjuje svoje specifikacije, v sistemu obstajajo subjektivne napake.

Proces načrtovanja je iterativen proces, kar pomeni, da če napake v eni fazi niso popolnoma odpravljene, se lahko pojavijo v naslednji. Napake je treba odkriti čim prej, za to je treba nadzorovati pravilnost projekta na vsaki stopnji razvoja. Na primer, napake, odkrite v končni fazi sprejema in predaje projekta, lahko privedejo do popravka specifikacij in posledično do začetka načrtovanja celotnega sistema. Spremembe nalog (zaradi podcenjenosti in pomanjkanja informacij o sistemu) vodijo do enakih posledic.

Glavne metode za nadzor pravilnosti načrtovanja so: preverjanje, modeliranje in testiranje.

Preverjanje vam omogoča odkrivanje ne le trenutnih napak, temveč tudi morebitne napake, ki se lahko pojavijo v prihodnjih projektih z uporabo blokov. Vendar pa zahteva ločeno tehnično nalogo in ustrezne veščine in je primeren za velike projekte. Pri majhnih projektih se pogosteje uporablja modeliranje obnašanja objektov in testiranje. ta možnost je stroškovno učinkovita in ne zahteva veliko sredstev.

Kontrola pravilnosti se doseže v vsaki fazi načrtovanja s potrebo po izvajanju simulacij na različnih ravneh sistemske abstrakcije in preverjanju pravilnosti implementiranega dela modela s testiranjem. Funkcionalno specifikacijo je mogoče modelirati in eksperimentalno preizkusiti, da se določi pričakovani rezultat. Lahko ga analizira tudi skupina strokovnjakov. Po potrditvi funkcionalne specifikacije se prične razvoj funkcionalnih testov sistema, namenjenih ugotavljanju pravilnega delovanja sistema v skladu z njegovo funkcionalno specifikacijo. Najbolj učinkovito je razviti teste, ki v celoti temeljijo na tej specifikaciji, saj je tako mogoče preizkusiti katero koli implementacijo sistema, ki lahko izvaja funkcije, določene v specifikaciji. Ta metoda je podobna drugim, kjer so testi zgrajeni glede na specifične izvedbe, vendar natančneje primerja pričakovanja in rezultat razvoja.

Ko je napaka zaznana, je treba njen izvor lokalizirati, da se popravi na ustrezni ravni abstraktne predstavitve sistema in na ustreznem mestu. Nepravilna določitev vira napake ali prilagajanje na drugi ravni abstraktne predstavitve sistema vodi v dejstvo, da informacije o sistemu na najvišji ravni postanejo napačne in jih ni mogoče uporabiti za nadaljnje odpravljanje napak med izdelavo in delovanjem sistema. sistem.

Avtomatizacija ponavljajočega se dela pri razvoju testnih programov skrajša obdobje gradnje in odpravljanja napak, tako da prejme teste (ker jih je mogoče ustvariti takoj, ko so ustvarjene sistemske zahteve) in omogoča oblikovalcu, da spremeni specifikacije, ne da bi ponovno napisal vse testne programe. V praksi je razvoj testov manjše prioritete kot projekt, zato se testni programi pojavljajo veliko pozneje kot njegov zaključek.

Tako lahko ob upoštevanju odtenkov zasnove mikroprocesorjev zlahka zaobidemo "pasti" med razvojem. Uporaba programirljivih logičnih integriranih vezij (FPGA) olajša odpravljanje napak serije, ki še ni bila izdana, in vam omogoča testiranje projekta in odpravljanje napak. Sistemi računalniško podprte proizvodnje (CAD) poenostavljajo razvoj in vam omogočajo racionalnejšo prerazporeditev virov.

Bibliografija:

1. SibGUTI [Elektronski vir] / Oblikovanje mikroprocesorja na FPGA - način dostopa: http://ict.sibsutis.ru/sites/csc.sibsutis.ru/files/courses/mps/mp.pdf-free. - glava. z zaslona. - jezik ruski (dostop 22. 12. 2017).
2. Zotov V. Embedded Development Kit je sistem za načrtovanje vgrajenih mikroprocesorskih sistemov, ki temeljijo na FPGA serije FPGA podjetja Xilinx. 2004. št.3.

1. delovanje,oblikovanje in arhitekturamikroprocesorske napravein sistemi

1.1. So pogostiinformacije o mikroprocesorski tehnologiji

Osnovni pojmi indefinicijemikroprocesorska tehnologija

Mikroprocesorji in mikroračunalniki so množični izdelki elektronske industrije. Poznavanje osnov mikroprocesorske tehnologije je potrebno za inženirje katerega koli profila, predvsem sistemske inženirje, projektante, procesne inženirje računalniških sistemov (CS).

Mikroprocesorji (MP) se pogosto uporabljajo v sodobnih letalskih in elektronskih napravah (REU), tehnoloških krmilnih sistemih, fleksibilnih avtomatiziranih in drugih industrijah. Uporaba MP pozitivno vpliva na povečanje produktivnosti dela, izboljšuje kakovost opreme za različne namene. Zahvaljujoč uporabi MP in mikroračunalnikov v tehničnih sistemih se je funkcionalnost opreme razširila, povečala se je njena zanesljivost in stabilnost delovanja ter izboljšala kakovost obdelave informacij.

Možnosti in možnosti uporabe MP in mikroračunalnikov v računalniških sistemih še niso v celoti razkrite. Proizvodne tehnologije in arhitektura MP se nenehno izboljšujejo. Torej, bitna globina sodobnega MP z enim čipom doseže 64 bitov. Pri uporabi MP-jev in mikroračunalnikov morajo biti razvijalci sposobni oceniti zmožnosti svoje arhitekture in tehničnih lastnosti ter obvladati programske jezike različnih ravni. Jezik montaže se pogosto uporablja za ustvarjanje sistemske programske opreme. Da bi zagotovili visoko produktivnost programerjev, se naloge obdelave podatkov rešujejo z uporabo jezikov visoke ravni (na primer C). Sodobni inženirji - strokovnjaki za računalniško tehnologijo potrebujejo znanje na področju arhitekture MP in programiranja elektronskih naprav v jezikih različnih ravneh.

Osnovni koncepti v mikroprocesorski tehnologiji so koncepti, kot so: "mikroprocesor", "IC", "IC", "LSI", "VLSI", "mikroprocesorski niz LIS", "mikroprocesorska naprava", "mikroprocesorski sistem", "mikroprocesor oprema”, “mikroračunalnik” (splošni in specializirani), “vgrajeni mikroračunalnik”, “osebni računalnik”, “gospodinjski osebni računalnik”, “profesionalni osebni računalnik”, “mikrokrmilnik” itd.

Poleg tega se v mikroprocesorski tehnologiji uporabljajo koncepti, povezani z računalniško tehnologijo, in zlasti "hrbtenica", "vodilo", "vmesnik", "sistemski vmesnik", "periferni vmesnik", "adapter", "protokoli", "vmesnik vrstica" itd.

Pri preučevanju programske opreme v mikroprocesorski tehnologiji se uporabljajo splošni koncepti, ki po imenu sovpadajo s koncepti opisovanja programske opreme v računalniški tehnologiji, zlasti "algoritem", "program", "programska oprema" itd.

Eden glavnih, osnovnih konceptov mikroprocesorske tehnologije je "mikroprocesor".

Mikroprocesor- to zapletenoprogramsko nadzorovana naprava,zasnovan za obdelavo digitalnih informacij inprocesni nadzor te obdelave, izdelan v obliki enega ali več integriranihmikrovezja povečane stopnje integracije (BIC ali SBIZ).

Integrirano vezje (IGOSPA) je mikroelektronska naprava, ki opravlja določeno funkcijo pretvorbe, obdelave signalov in (ali) kopičenja informacij, ki ima visoko notranjo gostoto pakiranja električno povezanih elementov (ali elementov in komponent) in (ali) kristalov in se obravnava z vidika zahteve za testiranje, dostavo in delovanje elektronskih izdelkov kot celote.

Polprevodniški IC- integrirano mikrovezje, katerega vsi elementi in medelementne povezave so narejeni znotraj in na površini polprevodnika.

Digitalna IC- integrirano vezje, zasnovano za pretvarjanje in obdelavo signalov, ki se spreminjajo po zakonu diskretne funkcije.

Stopnja integracije- kazalnik stopnje kompleksnosti IC, za katerega je značilno število elementov in komponent, ki jih vsebuje. Stopnja integracije je določena s formulo k= dnevnik N, kje k- koeficient, ki določa stopnjo integracije, katerega vrednosti so zaokrožene na največje celo število; N- število elementov in komponent IC.

Veliko integrirano vezje (BIZ)- integrirano vezje, ki vsebuje 500 ali več elementov, izdelanih z bipolarno tehnologijo, ali 1000 ali več elementov, izdelanih s tehnologijo MOS, izjemno velikih integralnishema (SBIZ)vsebuje nad elementi.

SetBIS- niz tipov LSI, ki opravljajo različne funkcije, ki so združljive v arhitekturi, dizajnu, električnih parametrih in zagotavljajo možnost njihove skupne uporabe pri izdelavi mikroprocesorske tehnologije.

komplet mikroprocesorjev (IPC)- nabor mikroprocesorskih in drugih IC, ki so arhitekturno, oblikovno in električnih parametrov kompatibilne in omogočajo njihovo skupno uporabo.

Mikroprocesor opisujejo številni parametri, ki so značilni za obe elektronski napravi (hitrost, poraba energije, dimenzije, teža, število stopenj moči, zanesljivost, cena, vrsta ohišja, temperaturno območje itd.), število notranjih registrov, prisotnost raven mikroprograma, vrsta pomnilnika sklada, sestava programske opreme itd.).

mikroprocesorska naprava ( MPU) - funkcionalno in konstruktivnokončni izdelek, ki je shematičen in konstruktivenpovezava več mikrovezij, vključno z enim ali več mikroprocesorjinamenjen izvajanju enega ozveč funkcij: sprejemanje, zdravljenje,prenos, transformacija informacij in upravljanje.

MPU ima enotne povezovalne lastnosti (vmesnik, dizajn itd.) in deluje kot del specifičnega tehničnega sistema.

Mikroprocesorski sistem ( MPS) - to veliko številofunkcionalne naprave, ena odki imajo mikroprocesor.

Mikroprocesor je jedro tega sistema in opravlja funkcije centralne krmilne naprave in naprave za pretvorbo aritmetično-logičnih podatkov. Vse MPS naprave imajo standardni vmesnik in so povezane na enotno informacijsko avtocesto.

Mikroprocesorska tehnologija - mikroprocesorji in računalniške napravetehnologija (VT) in avtomatizacija, izdelana na njihovi podlagi.

To so najbolj posplošeni koncepti računalniške tehnologije. Danes je skoraj ves VT zgrajen na osnovi mikroprocesorskih naprav.

Splošni mikroračunalnik - to mikroračunalniki, ki imajo velikeoperativni viri, prilagojeni za obvladovanje različnihštevilčni in besedilni podatki ter namenjeni uporabi v računalništvacentrov.

To je najpogostejši razred mikroračunalnikov, ki je osnova za osebne računalnike.

Specializirani računalniki - to računalniki, zasnovani za izvajanje določenegaposeben algoritem:Fourierjeve transformacije, korelacijski izračunifunkcije indrugi

So računalniki ozkega profila z omejenim številom sistemskih ukazov.

vgrajeno mikroračunalnik (mikroprocesorska naprava) - procesna enotapodatki inkontrole, namenjene uporabi v gospodinjstvuinstrumenti, sistemi za vodenje procesov oznadzor, računalniške periferne naprave, pisarniška oprema itd.

Večina teh računalnikov se uporablja v gospodinjskih aparatih (televizorji, radijski sprejemniki, pralni stroji itd.)

Osebni računalnik (osebni računalnik) - dialog sistemza osebno uporabo, implementirano natemelji na mikroprocesorjupomeni, majhen zunanji pomnilniknaprave in naprave za zapisovanje podatkov,ki omogočajo dostop do vseh računalniških virov z uporabo razvitega programskega sistema v jezikih visoke ravni.

To je majhen in cenovno univerzalni mikroračunalnik, zasnovan za individualno uporabo. Gospodinjski osebni računalniki deluje kot domači informacijski center. Strokovno osebnoračunalniki zasnovan za avtomatizacijo različnih operacij obdelave velikih količin informacij na delovnem mestu specialista.

mikrokrmilnik- nadzorovana naprava, izdelana na enem ali več čipih, katerih funkcije sta logična analiza in nadzor.

Klasifikacija mikroprocesorjev in njihovi glavni parametri

Po številu LSI se razlikujejo MP z enim čipom, z več čipi in z več čipi.

MP z enim čipom implementirati vso strojno opremo procesorja v obliki enega samega LSI ali VLSI. MP z enim čipom ima fiksno bitno globino, nabor ukazov in je strukturno izdelan v obliki enega samega integriranega vezja (IC). Vse operacije, ki jih izvaja, so določene z nizom ukazov MP. Značilnost MP z enim čipom je prisotnost notranje avtoceste za prenos notranjih informacijskih podatkov in krmilnih signalov. Zmogljivosti teh MP so omejene s strojnimi viri kristala in paketa, vendar se s povečanjem stopnje integracije kristala in števila zatičev paketa parametri MP nenehno izboljšujejo.

V velikokristalni MP logična struktura je razdeljena na funkcionalno zaključene dele, ki so izvedeni kot ločeni LSI in VLSI ali ločeni kristali v enem VLSI.

Veččipni particionirani MP sestavljen iz sklopa mikroprocesorskih odsekov.

mikroprocesorski odsek- to integriran mikroprocesorvezje, ki izvaja del MP in ima sredstva enostavne funkcionalnostizdruženjaz enakim tipom ali drugimi mikroprocesorskimi odseki za gradnjo popolnih MP, MPU ali mikroračunalnikov.

Sekcije MP so nadzorovane z vdelano programsko opremo. Sekcionirani MPC vključujejo serije LSI: K1800, KR1802, KM1804 itd. Njihov glavni namen je izdelava visoko zmogljivih večbitnih MP in MPC, na podlagi katerih se izvajajo različni krmilni računalniški sistemi.

Osnova IPC BIS je osnovni sklop IC ene serije. Lahko je sestavljen iz enočipne MP IC s fiksno bitno globino in nizom ukazov ali nabora MP LSI z enim čipom. Za razširitev funkcionalnosti MP je osnovni MPC LSI dopolnjen z drugimi vrstami LSI: RAM, ROM, PROM, vmesniška integrirana vezja, krmilniki zunanjih naprav itd.

Glede na vrsto obdelanih signalov se razlikujejo digitalno in analogni MP. Pri obeh vrstah MT je obdelava informacij digitalna. V digitalnih MP se obdelujejo izključno digitalni signali, v analognih MP pa sta za obdelavo analognih signalov vgrajena analogno-digitalna naprava (ADC) in digitalno-analogni pretvornik (DAC). V njih se vhodni analogni signali prenašajo na MP preko ADC, obdelajo v digitalni obliki, pretvorijo v analogno obliko v DAC in izhodijo.

Izbira kompleta mikroprocesorjev

za načrtovanje računalniških napravin sistemi

Izbira IPC-ja za določeno računalniško napravo ali sistem je najtežja naloga. To je posledica nenehnega povečanja števila IPC in LSI v njih.

Pri izbiri MPC mora oprema izpolnjevati določene zahteve: delo v realnem času; povečana zanesljivost; odpornost proti hrupu; enostavnost vzdrževanja; prisotnost določenega nabora nalog, ki se večkrat rešujejo skozi celotno življenjsko dobo opreme.

Izbira IPC poteka po treh glavnih merilih:

1) z vidika razvoja programske opreme je treba analizirati bitno globino, število splošnih registrov, ki so na voljo za uporabo, nabor ukazov in metod naslavljanja, prisotnost in organizacijo sklada;

2) pri načrtovanju sistema je treba določiti: vrsto arhitekture MP (sekcionirana ali enočipna), vrsto organizacije krmiljenja (mikroprogram ali s trdo logiko), prisotnost logično združenih LSI iz drugih sklopov, hitrost MP, možnost prekinitve in neposrednega dostopa do pomnilnika, razpoložljivost avtomatizirane zasnove;

3) z vidika razvoja strojne opreme MPS je treba upoštevati: električno združljivost LSI, število virov energije in porazdelitev moči, velikost in vrsto paketa, število nožic, temperaturno območje delovanja itd.

Izbira RPC za določeno uporabo je pogosto narejena na podlagi tehnologije, po kateri je izdelan.

Vprašanja in naloge

1. Kateri dejavniki določajo uporabo MP in mikroračunalnikov v proizvodnih sistemih?

2. V čem se MP-ji z ​​enim čipom razlikujejo od tistih z več čipi (ne-sekcionirani in sekcijski)?

3. Kateri splošni parametri so značilni za MP, MPU in MPS?

4. Na podlagi česa so značilni poslanci?

5. Poimenujte glavne parametre sodobnega MT.

6. Kakšna so merila za izbiro mikroprocesorskih sklopov pri načrtovanju računalniških naprav in sistemov?

1.2. Splošna vprašanjaorganizacije indelovanjemikroprocesorske napravein sistemi

Zgradba mikroprocesorskih napravin sistemi

Vsak MPS je sestavljen iz MP, pomnilniškega sistema, informacijskega vhodno-izhodnega sistema in sistema za povezovanje s predmetom nadzora ali nadzora.

mikroprocesor in igra vlogo centralne krmilne naprave in naprave za aritmetično-logične transformacije podatkov.

Spomin je fizično izveden kot sistem, ki je sestavljen iz več nivojev.

Trajne naprave za shranjevanje (ROM) so namenjeni za dolgotrajno shranjevanje vnaprej posnetih podatkov in se uporabljajo samo v načinu branja. So energijsko neodvisni.

Pomnilnik z naključnim dostopom (OZP) delo v načinih spletnega pisanja in branja podatkov s hitrostjo, ki se približuje hitrosti procesorja. So energijsko odvisni.

Zunanje pomnilniške naprave (Inspomin) opravljajo funkcije shranjevanja velikih količin informacij, vsebujejo pogone na disketnih in trdih magnetnih diskih, zgoščenke (laser) itd.

Napravevnos podatkov (ID) zasnovan za prenos podatkov od zunaj v MP registre ali pomnilnik. Med njimi so tipkovnica, različne nadzorne plošče, magnetni in laserski diski itd.

Naprave za izpis podatkov (UVv) zasnovan za sprejemanje podatkov, ki se prenašajo iz MP registrov ali pomnilniških celic. To so zasloni, tiskalne naprave, VZU, nadzorne plošče, risalniki (risalniki) itd.

Za povezavo med objektom nadzora ali krmiljenja z MPU ali MPS mora oprema vključevati senzorje in aktuatorje. Če jih želite povezati z MPU, ne glede na to, ali MPS uporablja blokovkonjugacija, ki izvajajo funkcije ujemanja vmesnikov. Včasih se ti bloki imenujejo komunikacijske naprave z objektom (USO).

Vmesniki mikroprocesorskih napravin sistemi

Arhitekturne zmogljivosti MPS so v veliki meri odvisne od vrste vmesnika.

Poenoten vmesnik je niz pravil, kienotna načela interakcije med napravami MPS.

Vmesnik vključuje strojno opremo za povezovanje naprav (konektorji, priključki), specifikacijo nomenklature in značilnosti povezav, programsko opremo, opise narave vmesniških signalov in njihovih časovnih diagramov ter opis elektrofizičnih parametrov signalov.

Glavna naloga vmesnika je na podlagi poenotenja zagotoviti združljivost strojne, programske in konstruktivnih sredstev, ki vnaprej določajo določeno kakovost avtomatske interakcije različnih funkcionalnih elementov v enotnem procesu obdelave informacij v MPS na stopnjah zbiranje, pretvarjanje, shranjevanje in izdajanje rezultatov in nadzornih dejanj.

Arhitektura MPS je v glavnem opredeljena s tremi vmesniškimi plastmi: sistem, stroj-stroj in majhen vmesnik (vmesnik periferne naprave).

Sistemski vmesnik zagotavlja integracijo glavnih modulov (blokov) MPS v enoten sistem za enakopravno izmenjavo informacij s procesorjem in OZP.

Sistemske vmesnike delimo na koncentrirane (PC vmesniki), lokalno koncentrirane (Q-bus) in lokalne (Unibus).

Vmesnik stroj-stroj zagotavlja gradnjo večprocesorskih sistemov ter lokalnih in porazdeljenih sistemov in omrežij.

Majhni vmesniki upoštevati razliko v fizikalnih principih delovanja skupin perifernih naprav in ROM-a. Majhni krmilniki vmesnikov omogočajo dostop do sistemskega vmesnika. V tem primeru gredo krmilniki perifernih naprav in ROM na ustrezen majhen vmesnik.

Upravljanje mikroprocesorjanaprave (sistemi)

Časovna koordinacija informacijskih signalov v MPU se izvaja s posebnimi signali, ki prihajajo iz nadzorne naprave MP. MPU ali MPS deluje sinhrono s pojavom urnih signalov. Najenostavnejše dejanje, ki se izvede v MPU (MPS), se imenuje država. Pokriva eno obdobje signala ure - urointerval ali utrip.

Določeno število urnih intervalov je strojcikel. Za dostop do enega samega pomnilnika ali V/I naprave je potreben en strojni cikel. V enem ciklu se pridobi ukaz ali podatki, pa tudi naslovna koda (morda bajt ukaza ali podatkov in bajt naslovne kode).

Strojni cikel- del ekipe (včasih celotna ekipa). Z začetkom vsakega strojnega cikla se na sinhronizacijskem zatiču MP-ja pojavi sinhronizacijski signal. Prenese se v pomnilniško napravo (pomnilnik) in (ali) v vhodno/izhodno napravo (I/O) in "obvesti" o začetku novega strojnega cikla, zaradi česar se časovno razporedi delovanje teh naprave z delovanjem MP je dosežen.

Shema 1. Struktura ekipe

Ekipni cikel- časovni interval, potreben za pridobivanje ukaza iz pomnilnika in njegovo izvedbo. Sestavljen je iz enega ali več strojnih ciklov. njihovo število je praviloma enako številu dostopov MT do pomnilnika ali enega od ICU. Struktura ukaza je prikazana na diagramu 1.

nadzorna naprava opravlja funkcije nadzora in sinhronizacije, to pomeni, da nadzoruje spremembo stanj MP v zahtevanem zaporedju in jih usklajuje s signali generatorja ure. Sestavljen je iz krmilnega končnega avtomata, zasnovanega za nadzor procesov znotraj MP, in vezja, ki ob sprejemanju signalov od zunaj generira signale, ki nadzorujejo sistem.

Koda ukaza se dešifrira in se spremeni v binarne signale, ki delujejo na MP module in bloke, ki sodelujejo pri izvajanju tega ukaza.

Ukazni cikel je razdeljen na dve fazi: fazo pridobivanja in fazo izvajanja.

Faza vzorčenja- avtomat nastavi začetek naslednjega cikla, po katerem se številka v programskem števcu prenese v register naslovnega medpomnilnika. Od tam se preko naslovnega vodila naslovna koda navodila pošlje v pomnilnik, kjer se dešifrira. Po signalu »branje« iz pomnilniške celice se ukazna beseda prebere in prenese preko podatkovnega vodila v register podatkov medpomnilnika, iz katerega se prenese v ukazni register in nato dešifrira.

Faza izvedbe- krmilna naprava generira zaporedje signalov, potrebnih za izvedbo ukaza. V tem času se podatki števca povečajo za eno. To tvori naslov naslednjega ukaza, ki ga je treba izvesti.

Branje ali pisanje besede se zgodi v določenem časovnem intervalu, ki se imenuje čas dostopa. Časovni interval, ki se porabi za dostop do pomnilnika in prejemanje signala pripravljenosti iz njega, se imenuje cikel pripravljenosti. Je del strojnega cikla.

Izmenjava informacij med MP, pomnilnikom in IUV se izvaja predvsem v treh načinih: programsko vodena izmenjava, izmenjava v načinu prekinitve, izmenjava v načinu neposrednega dostopa.

Programsko nadzorovana izmenjava. V tem načinu MP določi, ali je pomnilnik ali periferna naprava (PU) pripravljena za izvedbo operacije V/I, za začetek prenosa podatkov programske opreme. Air-blasters morajo imeti strojno opremo za generiranje signalov o notranjem stanju. MP te informacije prebere in na podlagi analize rezultata zaključi, da je naprava pripravljena na izmenjavo informacij. V prihodnje se v skladu s protokolom vmesnika izmenjujejo podatki.

način prekinitve. Uporablja se, kadar je treba nemudoma prenesti podatke med zračnim udarom in MP (reakcija na nepričakovan pojav zunanjih pogojev). V tem primeru mora MP prekiniti delovanje glavnega programa in začeti izvajati program za servisiranje zunanje naprave. Ta način se imenuje prekinitev. Prekinitve MP so možne le, če je MP dovoljeno odgovoriti na zahteve za prekinitev.

Po prejemu prekinitvenega signala MP zaključi trenutno operacijo, prenese vse informacije notranjih podatkov in kontrolnih registrov v pomnilnik in nadaljuje s servisno rutino prekinitve. Po koncu izmenjave informacij o prekinitvi se vzpostavi stanje MP, ki je obstajalo na začetku prekinitve.

Obstajajo tri vrste prekinitev: preproste, vektorske in prednostne.

Preprosta prekinitev obvesti, da nekatere vhodno/izhodne naprave zahtevajo storitev MP.

Vektorska prekinitev omogoča prepoznavanje vrste (raven) prekinitve, ki jo zahteva periferna naprava. Vektor določa poseben naslov naprave.

Prednostna prekinitev je v tem, da se poleg prepoznavanja prekinitev določi prednost pri servisiranju prekinjevalnih naprav.

Neposredni načindostop do pomnilnika. Včasih je potrebna izmenjava informacij zunaj MP. To je posledica zmanjšanja časa, porabljenega za izmenjavo podatkovnih nizov. V tem primeru strojna oprema MPP ali MMS vključuje krmilnik za neposredni dostop do pomnilnika, ki upravlja prenos podatkov in MPU osvobodi teh funkcij.

DMA so povezani vzporedno s procesorjem. Ločitev teh kanalov se izvede z uporabo tristate logike nadzora stanja vodil MPS. MP med neposrednim dostopom do pomnilnika prenese svoja originalna vezja v stanje z visoko impedanco in je izolirana od sistema, kar je podobno kot prekinitev informacijskega kanala. Stanje notranjih registrov je ohranjeno, kot je bilo v času zahteve za kanal za neposredni dostop.

Obstaja več načinov za izvajanje neposrednega dostopa do pomnilnika. Vsi zagotavljajo najvišjo hitrost izmenjave podatkov v primerjavi s programsko vodenim načinom izmenjave. Najpogosteje se način neposrednega dostopa do pomnilnika izvaja z zaustavitvijo MP in povečanjem (časovno podaljšanjem) cikla MP.

Stop metoda temelji na dejstvu, da je v tem stanju MP odklopljen od sistemskih vodil za čas trajanja prenosa podatkov. Pred preklopom v stanje zaustavitve MP zaključi izvajanje trenutnega ukaza in se v tem stanju zadržuje več ciklov, dokler se gume ne sprostijo. Po tej shemi neposrednega dostopa do pomnilnika se MP, ki je odklopljen od vodil, ne odziva na prekinitve, kar je v nekaterih primerih lahko nesprejemljivo za MPS.

Metoda zajemanja sestoji iz serijske izmenjave podatkov. Visokohitrostni zračni blasterji izmenjajo samo eno besedo; njihova servisna zahteva se zadovolji z zamudo pri izvajanju trenutnega ukaza za en strojni cikel, medtem ko je MP v stanju prehoda iz enega strojnega cikla v drugega. V tem načinu DMA se MP začasno ustavi samo za en strojni cikel, da prenese vsako podatkovno besedo, nato pa se nadzor vrne na MP.

naslovni prostor. Mehanizem in metode naslavljanja

Naslovni prostor MPU (MPS) - niz operativnih naslovovspomin inROM, ki je na voljo programom, ki jih izvaja MP.

Velikost naslovnega prostora MP RAM-a je ena od veličin, ki pomembno vplivajo na delovanje MPS kot celote.

Velikost naslovnega prostora - vrednost,ki je določena z maksimumomvelikost naslova in je izražena v minimalnih enotahštevilo pomnilniških elementov, ki so naslovljeni - v bajtih ali v velikihenote (KB, MB, GB).

Če je naslov v MPU oblikovan v obliki 16-bitne besede, potem je naslovni prostor 64 KB, 20-bitna beseda 1 MB itd. Včasih za poenostavitev informacijskih povezav med komponentami MPU in olajšajo programiranje V/I postopkov, registrski naslovi so postavljeni v naslovni prostor MP in UVV. Vhodno/izhodnih ukazov kot takih ni. Naslovi registrov MP in UVV so enaki dostopu do pomnilniških celic.

Ko se oblikuje beseda, 2-bajtni naslov, se bajt s sodim (nižjim) naslovom imenuje nižji, bajt z lihim naslovom pa višji.

Pogosto je naslovni prostor LPA predstavljen kot diagram, ki označuje splošni obseg naslovov. Ta obseg lahko razdelimo na podrazpone, ki ustrezajo standardnim velikostim strukturnih modulov, čipov, različnim vrstam pomnilnika (RAM, ROM itd.) ali njihovemu posebnemu namenu.

V ukaznem sistemu MP imajo ukazi naslovov pomembno mesto.

Ukaz naslova - ekipa, v katerieden ali oba njegova operanda stav delovnem spominu.

Eden od razlogov za takšno organizacijo ukaza je, da v en operand ukaza zaradi omejitev dolžine ukaza ni mogoče neposredno zapisati celotnega fizičnega naslova. Zato je v operand postavljena le določena vrednost, s pomočjo katere se izračuna dejanski naslov ukaza.

Na splošno je mehanizem naslavljanja v veliki meri določen z zmožnostmi MPU (MPS) za učinkovito obdelavo informacij z minimalnim številom dostopov do RAM-a. V MPU (MPS) se pogosto uporabljajo ukazi iz dveh ali več besed.

Za omejitev dolžine naslovne besede se uporabljajo različne metode naslavljanja, ki omogočajo:

1) določi polni naslov pomnilniške celice z manj biti, kot se zmanjša dolžina ukaza;

2) dostop do pomnilniških celic, katerih naslovi se izračunajo med obdelavo, kar omogoča dostop do naprav za razširitev pomnilnika;

3) izračunati naslove podatkov glede na položaj (trenutni naslov) ukaza, tako da se lahko program naloži v katero koli pomnilniško mesto, ne da bi spremenili naslov v programu.

Vse načine naslavljanja lahko razdelimo v dve skupini:

1) načini, v katerih je izvršilni naslov določen z eno vrednostjo kode v ukazu;

2) ukazi, ki uporabljajo vsebino naslovnega dela ukaza in enega ali več registrov za oblikovanje izvršilnega naslova.

Prva skupina vključuje neposredno, neposredno registrsko, posredno, posredno registrsko naslavljanje, neposredno, samodejno inkrementirano in samodejno dekrementirano naslavljanje, v drugo skupino pa osnovno, relativno, skladovno, virtualno naslavljanje.

neposredno naslavljanje. Operandi se pridobivajo iz pomnilnika (registrov) na naslovu, ki je zapisan v navodilu. Vendar pa določanje neposrednega naslova zahteva veliko bitov za opis v velikem navodilu za naslov. Da bi jo zmanjšali, nekateri mikroračunalniki uporabljajo kratko neposredno naslavljanje, ki zagotavlja dostop do omejenega dela naslovnega prostora. Če naslovi v ukazu niso simbolični (določeni s povezavami), ampak absolutni, se takšno neposredno naslavljanje imenuje absolutno.

Neposredno registrsko naslavljanje. V Koda navodil shrani ime registra, v katerem se nahaja operand. Neposredno naslavljanje ni dovolj prilagodljivo, ker vam ne omogoča izvajanja postopka spreminjanja naslova, ki je potreben za zagotovitev premikanja programov v pomnilniku in udobja dela z nizi.

posredno naslavljanje. Operand iz pomnilnika je izbran posredno - prek pomnilniške celice. Koda navodil vsebuje kazalec pomnilniškega naslova. Pri izvajanju navodil s takšnim naslavljanjem se do pomnilnika dostopa dvakrat: najprej se izbere naslov in nato operand. Tako je brez spreminjanja ukazne kode mogoče spremeniti naslov, shranjen v pomnilniku, na katerega kaže polje kode ukaza.

Posredno registrsko naslavljanje. Po hitrosti se približuje neposrednemu naslavljanju, saj je posredni naslov izbran iz notranjega registra procesorja in ne zahteva dodatnega pomnilniškega cikla. V tej shemi naslavljanja register ali registrski par vsebuje naslov operanda. Registri se naložijo z ukazi z neposrednim naslavljanjem. Uporaba načina posrednega registrskega naslavljanja omogoča izračun pomnilniškega naslova med izvajanjem programa, kar je potrebno v postopkih prenosa podatkov, pri ogledu elementov matrike itd.

neposredno naslavljanje. Operand je v kodi navodil. Ukazi v tem primeru so lahko sestavljeni iz dveh ali treh besed.

Samodejno povečevanje in samodekrementiranje naslavljanja. Izvedljivi naslov se izračuna na enak način kot pri posrednem registrskem naslavljanju, nato pa se vsebina registra poveča. V mikroračunalniku z bajtnim naslovom je treba vsebino registra povečati za 1 za označevanje naslednjega bajta in za 2 za označevanje naslova naslednje besede, pri čemer je velikost operanda določena z operacijsko kodo. V načinu samodejnega zmanjševanja se naslov operanda oblikuje tako, da se iz naslovnega registra odšteje 1 ali 2. Razlika od naslavljanja s samodejnim prirastkom je v tem, da se odštevanje zgodi, preden se vsebina registra uporabi kot izvršilni naslov. Kombinacija načinov samodejnega povečanja in samodejnega zmanjšanja omogoča učinkovito uporabo katerega koli registra kot kazalca sklada. To naslavljanje se uporablja tudi pri organiziranju zank in pri operacijah s spremenljivkami niza.

osnovni naslov. Programov, ki vsebujejo navodila z absolutnimi naslovi, ni mogoče premakniti v pomnilnik brez spreminjanja naslovov. Gibanje programov v pomnilniku lahko zagotovite z osnovnim naslavljanjem, s pomočjo katerega se izračuna naslov operanda tako, da se sešteje vsebina osnovnega registra - pozitiven ali negativen odmik in naslov, ki se nahaja v kodi ukaza.

Relativno naslavljanje. Izvedljivi naslov se oblikuje z dodajanjem osnovnega naslova v naslovno polje navodila. Kot osnovni naslov se uporablja vsebina programskega števca. Uporaba relativnega naslavljanja omogoča gradnjo programov, ki se neodvisno premikajo v pomnilniku, saj vedno določajo odmik glede na vsebino programskega števca. Odmik se razlaga kot predznačeno celo število komplementa z dvema, ki zagotavlja skok v katero koli smer.

naslavljanje sklada. Posredno naslavljanje registra s samodejnim inkrementom ali samodekrementom (samodejno povečanje ali samodejno zmanjšanje), pri katerem je register s kazalcem naslova operanda določen implicitno (obstajajo takšna navodila, kjer je lokacija operandov in rezultat fiksiran - implicitno naslavljanje). Pokliče se pomnilniška lokacija, na katero kaže vsebina implicitno definiranega registra (kazalca sklada). vrh sklad. Naslavljanje sklada zagotavlja poseben dostop do dela pomnilnika, imenovanega kup, ki temelji na principu »zadnji noter, prvi ven«. Za dostop do sklada se uporabljajo navodila, ki zapisujejo informacije v sklad in iz njega. Če navodila, ki zapisujejo informacije v sklad, zmanjšajo vsebino kazalca sklada, in navodila, ki odstranijo informacije iz sklada, povečajo, potem pravimo, da sklad deluje na zmanjšanje, sicer - na povečanje.

virtualno naslavljanje. Vsak uporabnik pomnilnika (operacijski sistem ali oseba) pri reševanju uporabljenega problema manipulira z navideznimi naslovi, kar ustvarja iluzijo pomnilnika neomejene zmogljivosti, čeprav ima resnični RAM sistema omejeno zmogljivost. Iluzija nastane zaradi mehanizma navideznega naslavljanja, ki temelji na dinamični prerazporeditvi pomnilniških strani med glavnim pomnilnikom sistema (OZP) in zunanjim pomnilnikom.

Za vsakega uporabnika operacijski sistem ustvari tabelo korespondence med virtualnimi in fizičnimi stranmi. Če se dostopa do fizične strani, ki ni v glavnem pomnilniku, se ta odstrani iz zunanjega pomnilnika in naloži v glavnega, nepotrebna stran pa se »skrije« v zunanjem pomnilniku. Virtualni pomnilnik ali preprosto sistemski pomnilnik lahko razdelimo na segmente, v katerih so shranjene informacije glede na funkcionalne značilnosti. Na primer, v enem segmentu - ukazi, v drugem - podatki, v tretjem - del sklada. Ali pa v enem segmentu, v katerem je pisanje prepovedano, - jedro operacijskega sistema, in v drugem, v katerem je dovoljeno pisanje in branje, - uporabniški programi. Tako se s pomočjo mehanizma segmentacije rešujejo problemi zaščite pomnilnika.

Segmentacija je bila implementirana v K1810VM86 MP, virtualno naslavljanje pa je bilo implementirano v IAPX286 MP (Intel) in 68010 (Motorola).

ukazni sistem. Na splošno se ukaz razume kot en sam korak v delovanju izvršilne naprave v obliki ukaza v strojnem jeziku. Ukaz definira operacijo, ki jo je treba izvesti, in njene atribute: vrsto operacije, ki bo izvedena v danem delovnem ciklu; naslov enega ali dveh operandov, vključenih v operacijo; lokacija rezultata operacije; mesto naslednjega ukaza. Zaradi majhne zmogljivosti MP je takšne informacije težko, včasih pa tudi nemogoče navesti z eno strojno besedo. Zato je lahko ukaz sestavljen iz več strojnih besed.

Na splošno se razlikujejo naslednje vrste ukazov:

1) prenos - enosmerni (register-register, pomnilnik-register, register-pomnilnik, pomnilnik-pomnilnik), izmenjava (register-register, spomin-register, pomnilnik-pomnilnik), vhodni / izhodni ukazi;

2) aritmetika;

3) logično;

4) bite za obdelavo;

5) tisti, ki spreminjajo zaporedje izračunov - skoki (brezpogojni, pogojni), klici podprogramov, vrnitve iz podprogramov, programske prekinitve.

Vprašanja za samopregledovanje

1. Opišite posplošeno strukturo MP in MPS.

2. Na podlagi česa sta razvrščena vmesnika MPU in MPS?

3. Katere funkcije opravlja MP pri obdelavi ukaza (ukaza) v fazi vzorčenja, fazi izvajanja?

4. V kakšnih okoliščinah se izmenjava informacij med MP in pomnilniškimi napravami izvaja v načinu prekinitve ali neposrednega dostopa do pomnilnika?

5. Od katerih parametrov MP je odvisna velikost naslovnega prostora?

6. S pomočjo dodatka 1 navedite primere naslovnih navodil z neposrednim, posrednim, neposrednim, osnovnim, relativnim, samodejnim prirastkom, skladom in virtualnim naslavljanjem.

7. Katere informacije nosi ukazna koda v sistemu za upravljanje MP?

1.3. Formalizacija procesaoblikovanjemikroprocesorske napravein sistemi

Vidiki in ravni oblikovanja

Pri oblikovanju MPU in MPS se v mnogih primerih uporabljajo blokovsko-hierarhični pristop, pri katerem Sistem, ki ga načrtujemo, je razdeljen na hierarhične ravni. Na najvišji ravni je uporabljena najbolj nepodrobna predstavitev, kjer so prikazane le splošne značilnosti in značilnosti sistema, ki se načrtuje. Na naslednjih ravneh se stopnja podrobnosti poveča. V tem primeru se MPS obravnava kot niz posameznih blokov. Na vsaki ravni se oblikujejo in rešujejo naloge določene kompleksnosti, ki se izvajajo z uporabo orodij za načrtovanje, ki so na voljo na tej ravni. Razporeditev blokov mora biti taka, da je dokumentacija za vsak posamezen blok razumljiva enemu oblikovalcu.

Blokhierarhični pristop torej omogoča razporeditev kompleksnih nalog oblikovanja velikega MPS v skupine manjših nalog, znotraj skupine pa je mogoče vzporedno reševati različne naloge.

V skladu z ESKD se pri načrtovanju naprav in sistemov uporabljajo strukturni, funkcionalni in shematski diagrami.

V simulirani načrtovalni shemi je pogojno mogoče razlikovati horizontalne in vertikalne nivoje (tabela 1). Navpične ravni se imenujejo vidiki. Obstajajo takšni vidiki zasnove MPU in MPS: funkcionalni, algoritemski, oblikovalski in tehnološki.

Funkcionalni vidik sestavljajo trije horizontalni nivoji (2., 3. in 4.): sistemski (strukturni), funkcionalno-logični in vezno-komponentni. Na sistemski ravni je zasnovan blokovni diagram MPU oz., MPS, na funkcionalno-logični ravni - funkcionalni in shematski diagrami MPU oziroma vseh naprav, ki so del MPS.

Na podravni vezja na nivoju vezja-komponente se oblikujejo diagrami vezij integriranih vezij ali fragmentov LSI (VLSI). Elementi so v tem primeru komponente elektronskih vezij: upori, kondenzatorji, diode, tranzistorji itd. Na komponentni podravni se razvijejo posamezne komponente IC, ki so sestavljene iz elementov-odsekov polprevodniškega kristala.

Algoritemski vidik vsebuje tudi tri horizontalne ravni (1., 2. in 3.): raven razvoja sheme delovanja MPU ali MPS, arhitekturni nivo in nivo vdelane programske opreme. Na 1. stopnji razvijajo sheme za delovanje MPU ali MPS, določajo naloge, ki jih bo reševal mikroprocesorski del MPS, načrtujejo programske sisteme in razvijajo blokovne diagrame algoritmov. Nadaljnji razvoj programskih modulov.

Glavna naloga 2. (arhitekturne) ravni je izbira arhitekture mikroprocesorskega dela MPS. Včasih se šteje za eno od nalog sistemske ravni, to pomeni, da sta arhitekturna in sistemska raven združena v en vidik funkcionalnega oblikovanja.

Tabela 1.Vodoravno in navpičnoravni oblikovanja

Horizontalna raven

Vidiki (navpične ravni)

Delujoč

algoritemski

Oblikovanje

tehnološko

Razvoj zakonov za delovanje LPA (MPS); načrtovanje algoritma; programiranje modulov

sistemsko (strukturno)

Arhitekturni (strojni)

Dvigalnik, plošča

Razvoj shematskega diagrama tehnološkega procesa

Funkcionalno-logično

mikro programska oprema

TEZ, modul

Razvoj poti tehnoloških procesov

Vezje-tehnična-komponenta-ny

IC kristali

Načrtovanje tehnoloških operacij

3. (mikroprogramski) nivo je namenjen oblikovanju mikroprogramov operacij in postopkov, ki se izvajajo v mikroprocesorju MPU ali MPS v strojni opremi.

Oblikovni vidik vsebuje horizontalne hierarhične nivoje oblikovanja dvižnikov, panelov, TEZ_v, modulov in kristalov (chip_v) ІС (2., 3., 4. enak).

Tehnološki vidik je sestavljen iz treh horizontalnih nivojev - 2., 3. in 4. Na 2. stopnji se razvije shema tehnološkega procesa za izdelavo MPU ali MPS, to je, določena sestava in zaporedje stopenj za izdelavo MPU (MPS). Na 3. stopnji se razvijejo poti tehnološkega procesa za izdelavo MPU (MPS), to pomeni, da določijo sestavo in zaporedje operacij za izdelavo izdelka, izberejo vrste in skupine tehnološke opreme. Na 4. stopnji so zasnovane tehnološke operacije za izdelavo komponent MPU (MPS).

Glavne naloge ravni oblikovanja

Sistemsko in arhitekturnoravni oblikovanja:

1) določitev načel organizacije LPA (MPS);

2) razvoj blokovnega diagrama, to je opredelitev sestave naprave ali sistema in načina interakcije njegovih komponent v procesu delovanja opreme;

3) izbor mikroprocesorske (mikroprocesorske) sklope LSI (VLSI);

4) določitev zahtev za parametre naprave ali sistema in oblikovanje tehnične naloge (TZ) za razvoj posameznih MPS naprav.

Pooblastilo za razvoj posameznih MPS naprav vsebuje: naštevanje vseh funkcij, ki jih izvaja vsaka naprava; pogoji delovanja naprave; zahteve za njegove vhodne in izhodne parametre; podatki o vsebini in obliki informacij, izmenjanih z drugimi napravami opreme; bazo elementov za ustvarjanje naprave.

Funkcionalno-logična in vdelana programska opremaravni oblikovanja:

1) podrobnosti o funkcijah vsake naprave;

2) algoritemsko izvajanje funkcij, ki se izvajajo programsko, in predstavitev algoritmov v enem od sprejetih algoritemskih jezikov;

3) izbiro načel za organizacijo LPA (MPS) in razvoj njenega koncepta;

4) razvoj mikroprogramov, ki služijo kot osnova za vsak ukaz ali sklop mikroukazov in zaporedje njihovega izvajanja;

5) sinteza funkcionalnih in vezijnih shem digitalnih naprav, ki so del MPS;

6) sinteza nadzornih in diagnostičnih testov za MPP ali MPS;

7) oblikovanje TOR za raven načrtovanja vezja.

Glavna merila za načrtovanje kompleksnih MPP inMPS:

1) kakovost oblikovanja;

2) stroški oblikovanja;

3) pogoje razvoja;

4) število zaposlenih specialistov-razvijalcev.

Glede na možnosti formalizacije procesa načrtovanja in njegovo iterativno naravo se daje prednost izbiri računalniško podprtega oblikovanja MPP ali MPS. Danes je zaradi velike kompleksnosti MPP in MPS popoln razvoj mikroprocesorskega dela praviloma nemogoč brez uporabe metod računalniško podprtega načrtovanja.

vprašanje. Naloga

1. Razložite bistvo blokovsko-hierarhičnega pristopa k oblikovanju MPP in MPS.

2. Kaj predstavljajo vidiki v simulirani shemi načrtovanja MPP?

3. Na kateri od horizontalnih ravni je MPP zasnovan kot TK in kateri vidik temu ustreza?

4. Poimenujte glavne naloge sistemske ravni oblikovanja MPP.

5. Kakšne so značilnosti arhitekturne ravni zasnove MPP?

6. Kaj je bistvo funkcionalno-logične ravni oblikovanja MPP in MPS?

7. Katere so glavne naloge, ki se rešujejo na mikroprogramski ravni MPP?

1.4. arhitekturamikroprocesornaprave in sistemi

Bistvo arhitekture in principi

razvoj mikroprocesorskih naprav in sistemov

Bistvo arhitektureMPU in MPS.

mikroprocesorska arhitektura se odraža v funkcionalnosti njegovih sestavnih elektronskih komponent, ki se uporabljajo za predstavljanjepodatki, strojne operacije,opisi algoritmov in računskih procesov.

Arhitektura združuje strojno, strojno in programsko opremo računalniške tehnologije ter omogoča jasno opredelitev, kaj mora uporabnik pri izdelavi določenega MPS implementirati v programsko in dodatno strojno opremo.

Sicer pa je arhitektura MP njegova logična organizacija, zaradi zmogljivosti MP glede strojne ali programske izvedbe funkcij, ki so dodeljene zasnovanemu MPU ali MPS. Prikazuje strukturo MP, načine predstavitve in formate podatkov, nabor ukazov, formate kontrolnih besed, načine dostopa do vseh elementov strukture, ki so dostopni uporabniku, in odziv MP na zunanje signale.

Arhitekturo MP lahko gledamo kot niz njenih lastnosti in značilnosti z vidika uporabnika. Opisuje metodologijo za optimalno kombinacijo kombinacije strojne, programske in strojno-programske opreme LPU ali MPU glede na lastnosti, ki jih uporabljajo razvijalci in uporabniški programerji.

Pri razvoju arhitekturoMPU, kot tudi za MP so določeni formati podatkov in ukazov, ukazni sistem in metode naslavljanja, vrste naslavljanja, utemeljene so zahteve za vmesnike. Prava izbira arhitekture omogoča optimizacijo računalniškega procesa, ki izvaja algoritme za delovanje MPU.

arhitektura mikroračunalnik - abstraktni koncept mikroračunalnika v smislu funkcionalnih enot, glavnih računalniških modulov, podatkovnih struktur. Arhitektura posebej ne določa značilnosti strojne opreme, časa izvajanja ukazov, stopnje vzporednosti pri izvajanju programa in drugih podobnih značilnosti. Prikazuje vidike strukture mikroračunalnika, zlasti: sistem ukazov, načine naslavljanja, formate podatkov, nabor registrov, ki so na voljo uporabniku. Izraz "arhitektura" se uporablja za opis zmogljivosti, ki jih zagotavlja mikroračunalnik, medtem ko izraz "organizacija" opredeljuje, kako se te zmogljivosti izvajajo.

Opis arhitekture je model mikroračunalnika, katerega razumevanje ni pomembno samo za programerja. Lahko se uporablja kot začetna osnova za potencialnega razvijalca novega mikroračunalnika: v tem primeru razvijalec preoblikuje elemente arhitekture, ki predstavljajo določeno logično shemo, nabor potrebnih medsebojno povezanih komponent.

Vsi mikroračunalniki vsebujejo funkcionalne bloke, ki imajo svojo notranjo mikroarhitekturo: 1) procesor, sestavljen iz aritmetično logične enote in krmilne enote; 2) pomnilnik je niz pomnilniških elementov (celic) in krmilne enote; 3) naprave za vnos in izhod informacij so tudi kompleksne naprave, ki vključujejo mehanske in elektronske module. Ti funkcionalni bloki so združeni s sistemom vodil: podatkovno vodilo, preko katerega se izmenjujejo informacije med mikroračunalniškimi enotami; naslovno vodilo, ki se uporablja za prenos naslovov na programsko krmiljene naprave, in krmilno vodilo za prenos kontrolnih besed.

Opredelitev računalniška arhitektura, kot univerzalni mikroračunalnik, se po pomenu ne razlikuje od definicije arhitekture mikroračunalnika na splošno.

Arhitektura računalnika , z vidika programerja abstraktna predstavitev (ali definicija) računalniškega sistema kot sklopa kompleksne strojne in programske opreme. V bistvu je arhitektura informacija o funkcionalni (logični) organizaciji računalnika.

arhitektura MPS - opredelitev funkcij, ki jih sistem izvaja na posameznih ravneh, in natančna določitev meja med temi nivoji. Opredeljuje načela organizacije MPS in funkcije njegovih komponent, zlasti procesorja, pomnilnika itd. Arhitektura MPS ne odraža oblikovnih značilnosti logičnih struktur in modulov ter tehnologije njihove izdelave.

Načela razvojaMPU in MPS

Že od samega začetka so pri načrtovanju in razvoju mikroračunalnikov uporabljali predvsem naslednja osnovna načela: modularnost, hrbtenica, mikroprogramabilnost in pravilnost strukture.

Načelo modularna organizacija predvideva gradnjo mikroračunalnikov in MPS na podlagi sklopa modulov.

Modul - konstruktivno, funkcionalno in eelektrično dokončannaprava,kar omogoča, samostojno ali v kombinaciji z drugimimodulovreševanje računskih ali krmilnih problemovdani razred.

Razlikovati delujoč in konstruktivno modulov. Modularni pristop omogoča standardizacijo elementov višjih nivojev in zmanjšuje stroške oblikovanja MPU in MPS, poenostavlja gradnjo zmogljivosti in rekonfiguracijo sistema.

Povezava med moduli in njihovimi elementi poteka predvsem po dveh principih: a) načelo arbitrarnostipovezave, ki izvaja pravilo "vsak z vsakim" in b) načelonaročene povezave- prtljažnik, kar omogoča zmanjšanje števila povezav. Omogočajo izmenjavo informacij med funkcionalnimi in konstruktivnimi moduli različnih nivojev z uporabo avtocest, ki povezujejo vhodna in izhodna vodila.

Večina mikroračunalnikov in MPS ima večstopenjsko organizacijo nadzora programa.

Načelo nadzor vdelane programske opreme zagotavlja največjo fleksibilnost pri organizaciji večnamenskih mikroprocesorskih modulov in z določeno kombinacijo mikroukazov omogoča izvedbo problemske orientacije mikroračunalnika. Zahvaljujoč temu principu je mogoče v MPS uporabljati makro operacije in izvajati ukaze in programe učinkoviteje kot pri uporabi podprogramov.

Nadzor vdelane programske opreme zagotavlja:

Večja prilagodljivost naprave zaradi možnosti spreminjanja vdelane programske opreme,

Poveča pravilnost strukture naprav s široko uporabo matričnih struktur, kot so pomnilnik,

Zagotavlja vzporedno rešitev problemov porazdeljenega nadzora in porazdeljenega pomnilnika,

Poveča zanesljivost naprav z uporabo pomnilniških čipov,

Poenostavi nadzor nad delovanjem naprav, saj se nadzor mikroprogramske krmilne enote zmanjša na nadzor vsebine pomnilniške naprave.

Načelo pravilnosti vnaprej določa ponovljivost elementov strukture in odnosov med njimi.

Pravilnost sistema se praviloma upošteva na različnih ravneh njegove organizacije. Glavni načini za povečanje pravilnosti strukture MPP in MPS so:

1) široka uporaba pomnilniških naprav;

2) zavrnitev dodelitve določenih mikrooperacij v registre;

3) uporaba registrskih struktur;

4) izdelava splošnih registrov in drugih registrov v obliki pomnilniških celic;

5) uporaba glavnega načina izmenjave informacij;

7) z uporabo principa mikroprogramskega krmiljenja;

8) razvoj vzporednega MPS.

Klasifikacija arhitektur mikroprocesorskih naprav in sistemov

Obstaja več klasifikacij MPU in MPS arhitektur, ki večinoma sovpadajo z opisi posplošene računalniške arhitekture.

RazvrstitevM. Flyna. To je ena izmed uspešnih klasifikacij, ki prikazuje arhitekturne razlike med računalniki. Arhitekturne značilnosti računalnika so opisane v smislu poteka ukazov (navodil) in pretoka podatkov. Ta pristop omogoča dodelitev računalniških arhitektur v enega od posebnih razredov (tabela 2, shema 2).

tabela 2 Flynnova klasifikacija računalniških arhitektur

Potek ukazov

En tok podatkov

Več podatkovnih tokov (MD)

samski (v redu)

OKOD (SISD) (enoprocesorski računalniki)

SIMD (računalniki z vzporednimi ali asociativnimi procesorji)

Več (MK)

MKOD (MISD) (glavni računalniki tekočega traku)

MKMD (MIMD) (večprocesorski ali večstrojni kompleksi)

Razvrstitev se izvaja ne glede na strukturo strojev, temveč glede na to, kako v računalniku njegova strojna navodila komunicirajo s podatki. Kljub temu je Flynnova klasifikacija zelo splošna, to pomeni, da vse vzporedne računalnike, razen večprocesorskih, nanaša v isti razred in ne kaže nikakršne razlike med cevovodnim računalnikom in matriko MP.

Uporabljajo se tudi druge klasifikacije arhitektur, zlasti taksonomija F. Sharja, strukturna sistematika R. Hockneyja in K. Jeshopa, ki uporablja posebne strukturne zapise.

Strukturna sistematika R.Hockney in C. Jesshope. Na prvi ravni so vsi računalniški sistemi po principu mnogoterosti (kvantitete) razdeljeni na enoračunalniške in večračunalniške sisteme. Računalniške sisteme z enim računalnikom pa delimo na računalnike z enim transportnim MP in več MP.

Prvi med njimi so tradicionalni serijski računalniki, drugi pa tvorijo razred vzporednih računalnikov, ki jih delimo na cevovodne, necevovodne in mikroprocesorske matrike.

Shema 2. Ilustracija Flynnove klasifikacije računalniških arhitektur

Primer enega prvih necevovodnih računalnikov z vzporednostjo je lahko računalnik CDC-6600, zgrajen na osnovi več skalarnih procesorjev.

Pipeline računalniki so razdeljeni na tiste, ki izvajajo samo skalarna navodila, kot so računalniki CDC-7800, FPC AP-120B, in tiste, ki izvajajo vektorska navodila. Računalniki, ki uporabljajo vektorska navodila, so razdeljeni na računalnike s specializiranim cevovodom, kot je CRAY-1, in z univerzalnim cevovodom, računalnik CYBER 205.

Računalniki strojnega razreda z matriko procesorjev razvrščamo jih glede na povezljivost procesorjev v matrici, glede na njihovo zmogljivost itd. Prvi tovrstni stroji so bili ILLIAC-IV, BSP, STA-RAN, ICL DAP, OMEN itd.

Po namenu so računalniki razdeljeni v dve glavni skupini: univerzalna in specializirano .

arhitekturavon Neumanna

Univerzalni računalniki imajo tradicionalno "von Neumannovo" arhitekturo (ali skalarno arhitekturo).

Osnovni principi gradnje programsko vodenih računalnikov.

Leta 1946 je slavni ameriški matematik J. von Neumann prvič oblikoval osnovna načela za konstruiranje programsko vodenih računalnikov, ki so se sčasoma dopolnjevala in izpopolnjevala:

1) načelo programskega nadzora je, da lahko računalnik samodejno pretvori izvorne podatke v skladu z danim programom;

2) načelo pogojnega skoka zagotavlja fleksibilnost in vsestranskost programom, kar omogoča možnost v procesu reševanja težave za izvedbo prehoda na določen del programa, odvisno od rezultatov vmesnih izračunov ali začetnih podatkov;

3) načelo obstojnosti (varnosti) programa je, da se program postavi v pomnilniško napravo računalnika;

4) načelo naključnega dostopa do pomnilniških elementov;

5) načelo uporabe binarnega številskega sistema;

6) načelo večnivojskega (hierarhičnega) pomnilnika.

Ta načela so pomembna tudi za sodobne računalnike, vendar so se z ustvarjanjem novih generacij in družin strojev dopolnjevala in izpopolnjevala.

V računalniku, začenši od tretja generacija, poleg tega veljajo naslednja načela:

- večprogramiranje- skupno izvajanje različnih ukazov istih ali različnih, neodvisno enega od enega, programov, ki so shranjeni v RAM-u;

- združljivost informacij in programske opreme- omogoča izvajanje obstoječih programov na različnih modelih družine;

Visoko stopnjo tehnične standardizacije- enotna nomenklatura zunanjih in drugih naprav za vse stroje;

Priložnost organizacija večstopenjskega dela o ustvarjanju in izboljševanju računalnikov.

Stroji četrte generacije zgrajen po načelih:

- večprocesiranje- preklapljanje več procesorjev pri delu s skupnim pomnilnikom;

organizacije virtualni pomnilnik- zagotavljanje skoraj neomejene količine naslovnega prostora RAM;

širok uporaba BIC in VLSI in makromodularna struktura, ki temelji na ideji gradnje funkcionalno prilagodljivih računalniških sistemov iz velikih standardiziranih blokov (makromodulov);

Uporaba internega jeziki na visoki ravni.

Stroji pete generacije razlikujejo:

Znatno povečanje intelektualne ravni procesorjev;

Nadaljnji razvoj vhodno-izhodne funkcije grafike, slik, dokumentov, programskih jezikov;

Možnost interaktivne obdelave informacij z uporabo naravnega jezika;

Sposobnost samoučenja, asociativnih konstrukcij in sklepanja.

Programski jeziki v procesu oblikovanja programov lahko izvajajo naravni vmesnik med osebo in strojem. Jeziki na zelo visoki ravni zagotavljajo:

Visoka raven inteligence interakcije uporabnika z računalniškim sistemom na različnih ravneh dostopa do podatkovnih baz za izbiro potrebnih informacij in do baz znanja za pridobivanje novih idej, potrebnih za reševanje neznanih nalog;

Uporaba obstoječih programskih skladov, usmerjenih v tradicionalno računalniško arhitekturo.

Specializirano računalniki so zasnovani tako, da močno izboljšajo zmogljivost pri reševanju določene vrstenaloge. To je bilo sprva doseženo z uporabo vzporednega računalništva. Sčasoma so se pojavili stroji, ki so temeljili na vzporednem izvajanju različnih funkcij ali na podvajanju aritmetičnih naprav, zlasti procesorskih matrik.

Vzporedne arhitekture

Paralelizem se je razvil v dveh smereh:

1) izboljšanje strukture računalnika z zmanjšanjem razlik med hitrostjo procesorja in hitrostjo dostopa do RAM-a;

2) ponavljanje računalniških naprav istega tipa, kombiniranih po določeni topologiji.

Vzporednost je bila uporabljena na več hierarhičnih ravneh, zlasti:

1) raven nalog - med nalogami, ki se izvajajo na računalniku, ali med fazami naloge;

2) programska raven - med deli programa (na primer znotraj meja ciklov);

3) ukazna raven - med fazami izvajanja ukaza (navodila procesorja);

4) aritmetični in bitni nivoji - med elementi vektorske operacije znotraj logičnih vezij aritmetične enote.

Temeljno načineuvedba paralelizma računalniško arhitekturo lahko razdelimo v naslednje skupine:

- funkcionalna obdelava- zagotavljanje več naprav z možnostjo izvajanja različnih funkcij, zlasti logičnih operacij, seštevanja, množenja itd.

- cevovodna obdelava- uporaba principa transporterja za povečanje učinkovitosti procesorske naprave;

- matrična obdelava- uporaba matrike enakih procesorskih elementov s skupnim krmilnim sistemom, kjer vsi elementi izvajajo isto operacijo, vendar z različnimi podatki;

- večprocesiranje- izvaja več procesorjev, od katerih vsak izvaja svoja navodila in vsi delujejo prek skupnega RAM-a.

Signal in menojni mikroprocesorji

Procesorji signalne matrike - procesorji,ki temeljijo nanačelo upravljanjaob samem potokupodatkov.

Navodila se začnejo izvajati takoj, ko postanejo na voljo njihovi operandi. V tem primeru se prihod podatkov od sosednjih procesorjev interpretira kot sprememba stanja in sproži določeno dejanje.

Procesorji signala delujejo kot širjenje signala. So porazdeljeni globalni asinhroni matrični računalniški sistem.

medijski sistem - procesorsko omrežje,ki delujejo ritmičnoizračuni in prenos podatkov s strani sistema.

Vsak procesor redno črpa podatke v vsakem trenutku in izvaja določene kratke izračune, tako da se tok podatkov redno shranjuje v omrežju. Vsak od teh procesorjev je osredotočen samo na en razred nalog in zato spada v razred specializiranih računalnikov.

Na ravni strojne opreme so ti računalniki neločljivo povezani z globalno sinhronizacijo, ki vnaprej določa pojav takšnih težav, kot so sinhronizacija ure, povečana poraba energije, zmanjšana zanesljivost itd.

Za večprocesorske sisteme splošnega namena so konflikti, povezani z uporabo skupnega pomnilnika in interakcijo procesorjev, pomembni. Te težave smo rešili z zamenjavo pretočnih sistemov z modularnimi in lokalnimi (kar je implementirano v signalnih matričnih procesorjih).

Uporabljajo se številni specializirani računalniki "harvardska arhitektura" , katerega bistvo je to prostor pomnilnika navodilločen od pomnilniškega prostorapodatkov za istočasno pridobivanje ukazov in podatkov.

RISC računalniška arhitektura

Računalniki z zmanjšanim naborom navodil/ukazov ( RISC - računalnik z zmanjšanim naborom navodil).

Osnovne lastnosti računalnikovZ RISC-arhitektura:

1) uporaba ukazov s fiksno dolžino z majhnim številom tipov formatov;

2) pravilnost, ki zaradi preprostosti ukazov omogoča uporabo istih naprav strojne opreme za izvajanje skoraj vseh ukazov;

3) izvedba večine ukazov v enem strojnem ciklu (ciklu);

4) osredotočenost na registre - vse podatkovne operacije se izvajajo v registrih, razen ukazov za nalaganje in pisanje, katerih izvajanje je povezano z dostopom do pomnilnika.

Prednosti RISC- arhitektura:

1) primerljiva preprostost izvedbe strojne opreme;

2) hitro dešifriranje ukazov;

3) kratko trajanje cikla in s tem hitro izvajanje ukazov;

4) sposobnost ustvarjanja učinkovitega ukaznega cevovoda.

Pomanjkljivosti RISC- arhitektura:

1) razmeroma nizek menjalni tečaj operandov in celic RAM;

2) dodatne zahteve programske opreme.

Zmogljivost sodobnih matričnih in vzporednih računalnikov je precej visoka in dosega milijarde operacij na sekundo na 64-bitnih operandih pri izvajanju operacij s plavajočo vejico. Pri reševanju uporabnih problemov se njihova zmogljivost znatno zmanjša in se približa zmogljivosti sodobnih univerzalnih računalnikov.

Med sodobnimi cevovodnimi in matričnimi MPS je treba omeniti superračunalnike, kot je Cray MP in drugi.

vprašanje. Naloga

1. Kaj prikazuje arhitektura MPU (mikroračunalnika) in kako se razlikuje od arhitekture MP?

2. Razložite bistvo načel modularnosti, hrbtenice, mikroprogramabilnosti in pravilnosti strukture, ki se uporabljajo pri razvoju MPU, mikroračunalnika in MPS.

3. Na podlagi česa so razvrščene računalniške arhitekture?

4. Kaj je bistvo von Neumannove računalniške arhitekture?

5. Kaj je bistvo računalniške arhitekture Harvarda?

6. Naštej načine za uvedbo paralelizma v računalniško arhitekturo.

7. Pojasni bistvo večprogramiranje računalniki.

8. Kakšen je princip delovanja medijskega omrežja MP in signalne matrike MP, kakšne so njihove razlike?

9. Kaj je bistvo RISC-arhitekture računalnikov, kakšne prednosti in slabosti ima v primerjavi s prej obravnavanimi arhitekturami?

Literatura.

1. Mikroprocesor in mikroEOM v virobnicheskih sistemih: Posibnik - K.: Vidavnichiy center "Akademiya", 2002. - 368 str. (Alma mater).

2. Kornejev računalniški sistemi.- M.: "Znanje", 199 str.

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

Kvalitativne in kvantitativne spremembe v bazi elementov orodij VT so privedle do

spreminjanje uveljavljenih načel njihovega oblikovanja (npr

struktura, zaporedni centralni nadzor, linijska organizacija

pomnilnika in nezmožnost prilagajanja strukture računalnika funkcijam

problem je rešen).

Klasične von Neumannove principe organiziranja računalniških sistemov so nadomestile ideje problemske orientacije MPS, vzporedne in cevovodne obdelave informacij, uporabe tabeličnih metod obdelave podatkov, načel pravilnosti in homogenosti struktur MPS; postane resnično

možnost ideje o ustvarjanju prilagodljivo nastavljivih sistemov, kot tudi

strojna izvedba funkcij programske opreme. Zato trenutno

čas pri načrtovanju računalniških sistemov na podlagi MPS prejel

uporaba tako imenovanega principa "3M": modularnost, prtljažnik,

mikroprogramabilnost.

Načelo modularne organizacije vključuje konstrukcijo računskih in

nadzor MPS na podlagi niza modulov: strukturno, funkcionalno in

električno dokončane računalniške naprave, ki vam omogočajo samostojno

ali v povezavi z drugimi moduli za reševanje problemov tega razreda. Modularno

pristop pri načrtovanju mikroračunalnikov in sistemov omogoča (če se izvaja kot

univerzalni in specializirani moduli) zagotavljajo ustvarjanje družin

(vrstice) MPS, ki se razlikujejo po funkcionalnosti in značilnostih,

pokriva velik obseg aplikacij, pomaga zmanjšati

stroške načrtovanja, pa tudi poenostavi širitev zmogljivosti in

rekonfiguracijo sistemov, potisne nazaj zastarelost računalništva

Hrbtenična metoda izmenjave informacij drugačna od organizacije

poljubne povezave (po načelu "vsak z vsakim") vam omogočajo racionalizacijo in

za zmanjšanje števila povezav v MPS. Omogoča izmenjavo informacij med

z uporabo funkcionalnih in konstruktivnih modulov različnih nivojev

avtoceste, ki združujejo vhodna in izhodna vodila. Obstajata ena, dva,

tri- in večlinijske komunikacije. Treba je opozoriti na razmerje

vezij in strukturnih rešitev, ki se pojavijo med izvedbo

ta način izmenjave v obliki ustvarjanja posebnega dvosmernega pufra

kaskade s tremi stabilnimi stanji in uporabo začasnih

multipleksiranje izmenjevalnih kanalov.

Nadzor vdelane programske opreme zagotavlja največjo prilagodljivost pri organizaciji

večnamenskih modulov in omogoča orientacijo po problemih

MPS, kot tudi uporabo makro operacij v njih, kar je bolj učinkovito kot uporaba

standardne rutine. Poleg tega prenos nadzorovanih besed v obliki

šifrirana kodna zaporedja ustreza pogojem minimizacije

število zatičev VLSI in zmanjšati število medsebojnih povezav v modulih.

Poleg zgoraj naštetih glavnih značilnosti zasnove MPS bi morala biti

upoštevajte načelo pravilnosti, ki implicira redno

ponovljivost elementov strukture MPS in povezave med njimi. Uporaba tega

načelo vam omogoča, da povečate integralno gostoto, zmanjšate dolžino vezi

na čipu, zmanjšati čas postavitve in načrtovanja vezja

Zasnova LSI in VLSI, zmanjša število križišč in vrste funkcionalnih

in strukturnih elementov.

Pri razvoju arhitekture MPS (sistemska faza) je treba rešiti naslednje

Podajte opis konceptualne strukture funkcionalnega obnašanja sistema z

stališča upoštevanja interesov uporabnika pri njegovi konstrukciji in organizaciji

računalniški proces v njem;

Določite strukturo, nomenklaturo in značilnosti konstrukcije programske opreme in

vdelana programska oprema;

Opišite značilnosti notranje organizacije podatkovnih tokov in nadzora

informacije;

Izvedite analizo funkcionalne strukture in značilnosti fizičnega

implementacija sistemskih naprav z vidika programske uravnoteženosti,

mikroprogram in strojna oprema.

Glavne faze načrtovanja MPS so prikazane na sl. 3.1.

V začetni fazi načrtovanja lahko MPS opišemo v enem od

naslednje konceptualne ravni: »črna skrinjica«, strukturna, programska,

logično, shema.

Na ravni »črne skrinjice« je MPS opisan z zunanjimi specifikacijami, kjer

so navedene zunanje značilnosti.

riž. 3.1. Faze oblikovanja MPS

Strukturno raven ustvarjajo strojne komponente MPS, ki

opisuje funkcije posameznih naprav, njihov odnos in informacije

tokovi.

Raven programske opreme je razdeljena na dve podravni (navodila za procesor in

jezik) in MPS interpretiramo kot zaporedje operaterjev oz

ukazi, ki povzročijo eno ali drugačno dejanje na neki podatkovni strukturi.

Logična raven je lastna izključno diskretnim sistemom in je razdeljena na

dve podravni: stikalna vezja in registrski prenosi.

Prvo podnivo tvorijo vrata (kombinirana vezja in pomnilniški elementi) in na njihovi podlagi zgrajeni operaterji za obdelavo podatkov. Za drugo podnivo je značilna višja stopnja abstrakcije in je opis registrov in prenosa podatkov med njimi. Vključuje dva

deli: informacije in nadzor: prvi tvorijo registri,

operaterjev in poti prenosa podatkov, drugi zagotavlja odvisno od

časovni signali, ki sprožijo prenos podatkov med registri.

Nivo vezja temelji na opisu delovanja elementov diskretnih naprav.

V življenjskem ciklu MPS, tako kot vsakega diskretnega sistema, obstajajo tri stopnje:

načrtovanje, izdelava in delovanje.

Vsaka od stopenj je razdeljena na več faz, za katere obstajajo verjetnosti nastanka strukturnih ali fizičnih okvar. Napake so razvrščene glede na njihove vzroke: fizične, če so posledica napak elementov, in subjektivne, če so posledica napak pri načrtovanju.

Subjektivne napake delimo na oblikovne in interaktivne. Oblikovanje

okvare nastanejo zaradi pomanjkljivosti, ki se vnesejo v sistem na različnih stopnjah

izvajanje prvotne naloge. Interaktivne napake se pojavljajo v

proces dela po krivdi servisnega osebja (operaterja). rezultat

manifestacija okvare je napaka, ena okvara pa lahko

povzročajo številne napake in lahko povzročijo isto napako

veliko napak.

Obstaja tudi koncept okvare - fizična sprememba parametrov

komponente sistema, ki so izven dosega. Napake se imenujejo

neuspehi, če so začasni, in neuspehi, če so trajni.

Napake ni mogoče zaznati, dokler zanjo niso ustvarjeni pogoji

pojav okvare zaradi tega, katere posledica bi morala biti sama po sebi

čakalna vrsta, posredovana na izhod preiskovanega predmeta, da se naredi

opazna napaka.

Odpravljanje težav je postopek ugotavljanja vzroka napake z

Rezultati testov.

Odpravljanje napak je postopek odkrivanja in ugotavljanja napak

vire njihovega pojavljanja glede na rezultate testiranja pri načrtovanju MPS.

Orodja za odpravljanje napak so naprave, kompleksi in programi. Včasih pod

razhroščevanje razumeti odkrivanje, lokalizacijo in odpravljanje napak. uspeh

odpravljanje napak je odvisno od tega, kako je sistem zasnovan, ali

lastnosti, ki olajšajo odpravljanje napak, ter uporabljena orodja

za odpravljanje napak.

Za odpravljanje napak mora imeti zasnovan MPS

lastnosti obvladljivosti, opazljivosti in predvidljivosti.

Obvladljivost - lastnost sistema, v katerem je njegovo vedenje sprejemljivo

upravljanje, tj. je možno ustaviti delovanje sistema v

določeno stanje in znova zaženite sistem.

opaznost- lastnost sistema, ki vam omogoča sledenje vedenju

sistema, po spremembi njegovih notranjih stanj.

Predvidljivost– lastnost sistema, ki vam omogoča namestitev sistema

stanje, iz katerega je mogoče predvideti vsa naslednja stanja.

MPS se lahko bistveno razlikujejo po svoji kompleksnosti, zahtevah in funkcijah.

delovni parametri, količina programske opreme, vrsta

mikroprocesorski komplet itd. Posledično lahko proces oblikovanja

spreminjajo glede na zahteve sistema.

Proces oblikovanja je iterativni proces. Motnje, odkrite med fazo sprejemnega preskusa, lahko vodijo do popravka specifikacije in

torej do začetka načrtovanja celotnega sistema. Najti

okvara je potrebna čim prej; to je treba nadzorovati

pravilnost projekta v vsaki fazi razvoja. Obstajajo naslednje metode

nadzor načrtovanja: preverjanje (formalne metode

dokazilo o pravilnosti projekta); modeliranje; testiranje.

V zadnjem času se je pojavilo veliko dela na področju preverjanja programske opreme.

programska oprema, strojna programska oprema, strojna oprema. Vendar so ta dela še vedno

teoretični značaj. Zato se v praksi pogosteje uporablja modeliranje

vedenje objekta in testiranje na različnih ravneh abstraktnega

predstavitev sistema.

V fazi formalizacije zahtev za sistem nadzor nad pravilnostjo projekta

še posebej nujno, ker številni cilji oblikovanja niso formalizirani oz

načeloma ni mogoče formalizirati. Funkcionalna specifikacija lahko

analizira skupina strokovnjakov ali modelira in testira v

eksperimentalni red za ugotavljanje doseganja želenih ciljev. Po odobritvi

funkcionalna specifikacija začne razvoj testnih programov,

zasnovan za vzpostavitev pravilnega delovanja sistema v skladu z

njegova specifikacija. V idealnem primeru so testi razviti v celoti

na podlagi te specifikacije in omogoča preverjanje katerega koli

izvajanje sistema, ki je razglašen za sposobnega opravljati funkcije

določeno v specifikaciji. Ta metoda je pravo nasprotje drugih.

kjer so izdelani testi za posebne izvedbe. Vendar v praksi

razvoju testov se pogosto daje nižja prednost kot

projekt, zato se testni programi pojavijo veliko pozneje kot on

Zasnova mikroprocesorskega sistema

Struktura

Blok diagram sistema je prikazan na sliki 3.2.

Slika 3.2 - Blok diagram MPS

MP je osrednji blok MPS. Nadzira vsa mikrovezja in izvaja obdelavo podatkov.

Poslanec si ustvari naslov v ZDA in izmenja s SDS.

RAM je zasnovan za shranjevanje vmesnih podatkov.

ROM je zasnovan za shranjevanje programske kode in različnih konstant.

PPI je zasnovan za povezovanje zunanjih naprav. ADC, diskretni signali in PP so povezani na PPI.

ADC je zasnovan za pretvarjanje analognega signala iz senzorjev v digitalno kodo.

PP je zasnovan tako, da organizira izmenjavo po serijskem kanalu med kontrolno sobo in MP.

Shematsko oblikovanje

MPS mora zagotoviti:

• - zaslišanje 7 analognih senzorjev;
• - zbiranje 8 diskretnih signalov;
• - oblikovanje 4 diskretnih krmilnih dejanj.

Zahtevana količina podatkovnega pomnilnika se izračuna s formulo

kjer in - število analognih in diskretnih vhodnih signalov; in - bitna globina analognih in diskretnih signalov.

V našem primeru in

Zato je za shranjevanje podatkov o anketiranju senzorjev potrebno

Za osrednjo enoto sistema je bil izbran mikrokrmilnik KM1816BE51. Njegove glavne prednosti so:

• - razpoložljivost rezidenčnega pomnilnika programov in podatkov;
• - prisotnost vgrajene programske opreme;
• - 4 vrata;
• - nizka poraba energije;
• - vgrajeni časovniki-števci.

Vgrajenega 128 bajtov programskega pomnilnika MK se uporablja za shranjevanje podatkov. Program bo shranjen v rezidenčnem programskem pomnilniku.

Za zaslišanje analognih senzorjev se uporablja čip K572PV4. Prednosti mikročipa vključujejo:

• - prisotnost vgrajenega multipleksorja;
• - avtomatsko zaslišanje senzorjev brez sodelovanja mikroprocesorja;
• - shranjevanje rezultatov pretvorbe za vsak kanal v vgrajenem statičnem pomnilniku.

Ker MK nima izhodov generatorja, se za generiranje taktnega signala uporablja generatorski čip K531GG1.

Za organizacijo izmenjave informacij s kontrolno sobo se uporablja oddajnik, vgrajen v MC. Vendar pa programska oprema KM1816BE51 prenaša podatke s pomočjo pet-voltnih logičnih signalov: ena predstavlja napetostni nivo od 2,4 V do 5 V, nič pa od 0 do 0,8 V. Pri prenosu preko kanala RS-232 sta nič in ena kodirani z isto vrednostjo (od 5 do 12 V), vendar z različnimi predznaki.

Ker je treba pet-voltne logične signale pretvoriti v drugo raven za prenos RS-232, MPS uporablja Maximov čip MAX202E. Vsebuje napetostni pretvornik od +5 V do ±10 V in stopnje, ki pretvarjajo logične signale standardnega pet-voltnega nivoja po standardu RS-232. Vsebuje pretvornike logičnih nivojev za dva sprejemnika in dva oddajnika, od katerih se uporablja samo en oddajno-sprejemni kanal.

Shematski diagram MPS je podan v Dodatku B.

12 MHz kvarčni resonator ZQ1 je priključen na zatiča XTAL1 in XTAL2 mikrokrmilnika DD1. Za stabilnejši zagon so izhodi kvarčnega resonatorja povezani s skupno žico prek kondenzatorjev C1 in C2 z zmogljivostjo 21 pF.

Ko je na mikrokrmilnik priključena napajalna napetost, je potrebno mikrokrmilnik ponastaviti. V ta namen je vhod RST povezan na napajalno vodilo preko 6 μF kondenzatorja C3 in na skupno žico preko 100 kΩ upora R1. V trenutku vklopa se kondenzator izprazni, vhod za ponastavitev pa je pri potencialu blizu napajalne napetosti. Kljub zmanjšanju tega potenciala zaradi polnjenja C3 deset milisekund ostane raven signala na vhodu za ponastavitev enotna in mikrokrmilnik se pravilno zažene.

Na vhod je uporabljena logična enota, ker mikrokrmilnik bo program izvedel iz rezidenčnega pomnilnika.

Diskretni vhodni signali DDAT1-DDAT8 so priključeni na linije vrat P0 MK DD1. ACS DA1 je priključen na linije vrat P1. Diskretna krmilna dejanja DOUT1-DOUT4 so oblikovana na linijah P1.0-P1.3.

Ker morajo analogni senzorji, priključeni na ACS DA1, imeti parameter izhodne napetosti v območju od 0V do 2,5V. Upori R2-R13 se uporabljajo za pretvorbo tokovnih signalov senzorjev v napetostni signal.

Specifikacija elementov je predstavljena v Dodatku D.

Razvoj algoritma delovanja MPS

MPS deluje v naslednjem zaporedju:

• a) inicializacija sistema;
• b) zaslišanje senzorjev;
• c) krmiljenje črpalne enote;
• d) izmenjava podatkov s kontrolno sobo;
• e) pojdite na korak b.

Blok diagrami algoritmov delovnega programa MPS so predstavljeni v Dodatku E, del programske kode je v Dodatku E.

Izračun porabe energije

Moč, ki jo porabi celoten sistem, je opredeljena kot vsota moči, ki jo porabijo vsi deli sistema.

Izračun moči je povzet v tabeli 3.4.

Tabela 3.1 - Izračun porabe energije

Sistem porablja energijo.

Komunikacijska naprava

Za izmenjavo z kontrolno sobo se uporablja vmesnik vmesnika MI 486. Omogoča sprejemanje/prenos podatkov preko ethernetnega omrežja iz računalnika s hitrostjo do 112 kbaud.

Vmesniški pretvornik je prikazan na sliki 3.3.

Slika 3.3 - Vmesniški pretvornik MI 486

Specifikacije:

• - izhodni vmesnik: RS-232;
• - max. hitrost - do 112 kbaud;
• - vhodni vmesnik Ethernet 10BaseT/100BaseT;
• - konektor RJ45.