При проектировании микро-ЭВМ необходимо обеспечивать: простое наращивание разрядности и производительности; возможность широкого распараллеливания вычислительного процесса; эффективную обработку алгоритмов решения различных задач; простоту технической и математической эксплуатации.
Сама микро-ЭВМ, будучи оснащенной разнообразными устройствами ввода-вывода информации, может применяться в качестве законченного изделия. Однако часто к микро-ЭВМ необходимо кроме устройств ввода-вывода информации подключить сигналы от множества датчиков и исполнительных механизмов какого-либо сложного объекта управления или технологического процесса. В этом случае уже образуется сложная управляющая система, центром которой является микро-ЭВМ.
В управляющих системах используются отдельные микро-ЭВМ, расширенные микро-ЭВМ (за счет наращивания числа микропроцессоров для увеличения разрядности) и системы микро-ЭВМ, образующие вычислительные сети с параметрами, близкими к параметрам развитых мини-ЭВМ.
Микропроцессоры и микро-ЭВМ находят широкое распространение в тестовых и контрольно-измерительных системах; системах управления технологическими процессами; программного управления станками; контроля состояний линий связи; подсистемах первичной обработки информации и управляющих системах промышленного назначения и системах автоматизации научного эксперимента; подсистемах управления периферийным оборудованием вычислительных систем и комплексов; специализированных вычислительных устройствах.
Дешевые микропроцессоры применяют в часах, калькуляторах, кино- и фотокамерах, радиоприемниках и телевизорах. Микропроцессоры (например, однокристальные микропроцессоры серии К580) ставятся в замки и звонки, домашние приборы и устройства.
Более дорогие микропроцессоры успешно конкурируют с механическими и электромеханическими блоками управления “жесткой”, или “аппаратурной”, логики.
Микропроцессоры и микроконтроллеры устанавливаются для регулирования среды в домашних аквариумах и больших водоемах; они осуществляют контроль pH среды, температуры, плотности, содержания кислорода; управляют освещением, подогревом, уровнем воды, дозированием корма и биологических добавок, производят фильтрацию и аэрацию и т.д.
Возьмем, например, обычный и широко распространённый механический инструмент - электрическую дрель. Встроенный в нее микропроцессор позволяет учитывать сопротивление сверлению и автоматически изменять частоту вращения в зависимости от твердости обрабатываемого материала. При использовании дрели для завинчивания винтов и гаек микропроцессор выключает питание электромотора до окончания операции, завершаемой за счет инерции.
Встраивание микропроцессора, например серии К580, в пишущую машинку позволяет обрабатывать текст и запоминать его в памяти. Обработка текста представляет собой развитые операции редактирования от исправления слов и расстановки абзацев до вставки нового текста и формирования фраз из уже написанных словосочетаний. Затем запомненный текст может быть автоматически многократно и безошибочно отпечатан. Подключение внешней памяти на магнитной кассете (ленте, диске) к такой пишущей машинке с микропроцессорным управлением позволяет накапливать архив документов. Это позволяет осуществить в такой системе функции поиска документов по признакам, сортировку документов, ведение архива и т.д.
Бурно развивается производство электронных игр с использованием микропроцессоров и микроконтроллеров. Оно порождает не только интересные средства развлечения, но и дает возможность проверить и развить приемы логических заключений, ловкость и скорость реакции. Игры с телевизионным индикатором или без него обеспечивают выполнение сложных функций вследствие применения логически более мощных, но доступных по стоимости микропроцессоров.
Микропроцессор может выполнять важнейшие функции в автомобилях всех типов. Водитель может вызвать из микро-ЭВМ на индикатор числовые значения скорости, уровня топлива, средний и текущий расход топлива на единицу пройденного пути, время прибытия в заданный пункт при определенных водителем условиях, температуру двигателя и т.д. Ведутся исследования по применению микропроцессорных средств для управления двигателем (подача топлива, зажигание, регулирование частоты вращения, эффективность и контроль отходов при сгорании топлива); управления ходовой частью (управление скоростью и тормозной системой, учет влияния нагрузок и рельефа дорог); управления безопасностью движения (снижение требований к водителю и учет обстановки на дороге); управления комфортом в кабине (салоне).
На основе микропроцессоров серии К587 разработан прибор для контроля психофизического состояния человека типа “Тонус НЦ-01”.
Микропроцессоры эффективно встраиваются в дисплеи, экранные пульты и терминалы, где на них возложены функции редактирования данных, управления, генерации символов и хранения и воспроизведения изображений.
Микропроцессоры и микро-ЭВМ берут на себя функции предварительной обработки информации внешних устройств, преобразования форматов данных, контроллеров электромеханических внешних устройств. Для этих целей применяют микропроцессоры серий К580, К536, К1803.
Микропроцессоры в аппаратуре связи дают возможность производить контроль ошибок, кодирование - декодирование информации и управлять приемопередающими устройствами. Применение микропроцессоров позволит в несколько раз сократить необходимую ширину телевизионного и телефонного каналов, создать новое поколение оборудования связи. Для этих целей пригодны микропроцессорные средства на основе микро-ЭВМ типа “Электроника С5”, “Электроника НЦ-32” и др.
Использование микропроцессоров в контрольно-измерительных приборах и в качестве контрольных средств радиоэлектронных систем дает возможность проводить калибровку, испытание и поверку приборов; коррекцию и температурную компенсацию; контроль и управление измерительными комплексами; преобразование и обработку, индикацию и представление данных; диагностику и локализацию неисправностей. Микро-ЭВМ типа “Электроника С5” успешно обрабатывают данные измерений.
Микропроцессорные средства решают сложную техническую проблему разработки различных систем сбора и обработки информации, где общие функции сводятся к передаче множества сигналов в один центр для оценки и принятия решения. Например, в медицине для круглосуточного контроля состояния тяжелобольных необходимо периодически замерять кровяное давление, частоту биения сердца и дыхания, параметры электрокардиограмм и т.д. Централизованная система на основе большой или мини-ЭВМ для этих целей получается громоздкой и достаточно дорогой. Распределенная диагностическая система на основе микропроцессора имеет высокую живучесть, проста по организации и позволяет получить хорошие экономические показатели. Микропроцессорные распределенные системы на основе микро-ЭВМ типа “Электроника-60” решают успешно эти задачи.
Обобщая рассмотренные примеры использования микропроцессоров, можно выделить четыре основных направления в применении микропроцессоров и микропроцессорных систем: 1) встроенные системы контроля и управления; 2) локальные системы накопления и обработки информации; 3) распределенные системы управления сложными объектами; 4) распределенные высокопроизводительные системы параллельных вычислений.
Встроенные системы контроля и управления
Встраивание, т.е. постановка микропроцессора в любую, даже простейшую схему (пульт) управления, принципиально изменяет качество функционирования отдельных инструментов, приборов, разнообразных устройств, отдельных агрегатов технологической линии и т.д. Встраивание микропроцессора позволяет оптимизировать режимы работы управляемых объектов или процессов и за счет этого получать и прямой и косвенный технико-экономический эффект. Прямой технико-экономический эффект выражается в экономии потребляемой энергии, повышении срока службы и снижении расхода сверл, фрез, нагревательных элементов и т.д. Косвенный технико-экономический эффект связан со снижением требований к обслуживающему персоналу и повышением производительности. Опыт показывает, что практически во всех случаях встраивания микропроцессора только экономия электроэнергии обеспечивает окупаемость микропроцессорного управления за 1-1,5 года.
Управление оборудованием на основе встроенных систем контроля и управления создает реальные предпосылки осуществления полностью автоматизированных производств. Встраивание микропроцессора повышает качество работы и производительность оборудования, существенно снижает требования к персоналу, работающему на оборудовании. Цифровое управление отдельными единицами оборудования позволяет легко собирать информацию (или вызвать его) с нижних контуров на верхние уровни иерархической системы управления.
Управляющие встроенные микропроцессоры предназначены для решения локальных задач управления объектами и могут выполнять функции контроллеров устройств, подключаемых к ЭВМ, более высоких контуров управления или быть центром управляющих систем нижних контуров управления.
Микропроцессоры, встраиваемые в оборудование, в большинстве случаев не комплектуются внешними устройствами и содержат только упрощенный специализированный пульт управления и ПЗУ управляющих программ. Лишь для некоторых применений, требующих частой замены управляющих программ, необходим загрузчик, выполненный на основе простейших технических средств.
Локальные системы накопления и обработки информации
Для любого специалиста или руководителя необходимо всегда иметь “под рукой” достаточно большой объем специфичной информации. Сегодня эта информация доступна лишь в библиотеке, записной книжке или на экране терминала, подключенного к большой ЭВМ. Последнее средство является наиболее приемлемым, но дорогостоящим и имеющим большие ограничения из-за чрезмерной централизации информации. Локальные, т.е. расположенные на рабочем месте, микропроцессорные системы накопления и обработки информации технически просто и экономически доступно осуществляют информационное обеспечение специалистов и руководителей, инженеров и врачей. Объединение локальных систем между собой в сеть и дистанционное подключение этой сети к большой ЭВМ с громадным информационным архивом позволяют создать завершенную автоматизированную систему информационного обеспечения.
Внешние устройства локальных вычислительных систем могут встраиваться в корпус микро-ЭВМ. Их комплект содержит устройства, минимально необходимые для вычислительных работ и обработки данных: цифровую, алфавитно-цифровую и функциональную клавиатуру; алфавитно-цифровой индикатор; печатающее устройство; внешние запоминающие устройства.
В комплект более сложных микро-ЭВМ, ориентированных на решение инженерных и научных задач, могут входить разнообразные внешние устройства, например устройства ввода-вывода и печати, визуального отображения, внешней памяти, комплексирования, пульты операторов общего назначения и т.д.
Распределенные системы управления сложными объектами. Альтернативой распространенным системам с центральным процессором становятся распределенные микропроцессорные управляющие системы. В этом случае микропроцессоры и связанные с ними схемы обработки данных физически располагаются вблизи мест возникновения информации, что позволяет вести обработку информации в месте ее возникновения, например, вблизи двигателя, рулей управления, тормозной системы и т.д. Связь таких локальных систем обработки с центральной системой обработки и накопления данных и создает пространственно распределенную систему управления.
В распределенных системах достигается значительная экономия в количестве и распределении линий связи, повышается живучесть, существенно развиваются возможности оптимизации режимов управления и функционирования.
Распределенные высокопроизводительные системы параллельных вычислений
Микропроцессоры открыли новые возможности решения сложных вычислительных задач, алгоритмы вычисления которых допускают распараллеливание, т.е. одновременные (параллельные) вычисления на многих микропроцессорах.
Системы параллельных вычислений на основе десятков, сотен, тысяч одинаковых или специализированных на определенные задачи микропроцессоров при значительно меньших затратах дают такую же производительность, как и вычислительные системы на основе мощных процессоров конвейерного типа. Микропроцессоры в распределенной вычислительной системе могут быть одинаковыми и универсальными или специализированными на определенные функции. Создание микропроцессорных систем с большим количеством специализированных по функциональному назначению процессоров позволяет проектировать мощные вычислительные системы нового типа по сравнению с традиционными развитыми большими вычислительными машинами.
Современные микропроцессорные системы являются универсальным и исключительно эффективным средством при решении самых различных проблем в области сбора и преобразования информации, автоматического и автоматизированного управления, выработки и преобразования энергии.
В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры. Сфера применения микропроцессоров постоянно расширяется.
Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными и микропроцессорными устройствами управления. Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось бы без использования электроники и микропроцессорной техники.
Они применяются при вычислениях, они выполняют функции управления, они используются при обработке звука и изображения.
В зависимости от области применения микропроцессора меняются требования к нему. В сфере промышленного производства микро-ЭВМ могут использоваться в составе информационно-управляющих вычислительных систем (ИУВС).
В системах технического управления объектами и технологическими процессами и в системах организационно-технического управления цехами, предприятиями, отраслями и т.п. В таких системах микро-ЭВМ используются для сбора и обработки данных, выполнения сложных экономических и технических расчетов, планирования, управления и контроля.
В управлении сложными техническими системами микро-ЭВМ чаще всего используются в составе встроенных средств управления и контроля. Замена высокопроизводительной и дорогостоящей ЭВМ, используемой в качестве центрального управляющего органа, сетью микро-ЭВМ повышает надежность, эффективность и гибкость управления сложной технической системой, позволяет организовать управление в реальном времени и снижает стоимость общих затрат на управление.
Применение микро-ЭВМ в машиностроении позволяет перейти от существующих конструкций станков с числовым программным управлением к более совершенным высокопроизводительным робототехническим конвейерным системам и к организации на их основе гибких автоматизированных производств.
Расширению сферы использования ЭВМ (особенно в последние годы) способствовало появление нового класса микро-ЭВМ - персональных ЭВМ (ПЭВМ).
Под ПЭВМ подразумевается микро-ЭВМ, предназначенная для индивидуального пользования (подобно пишущей машинке, телевизору, магнитофону), но со значительно более широкими функциональными возможностями, позволяющими использовать ее для решения самых разнообразных задач - от сложнейших профессиональных расчетов до самых мелких бытовых. Обычно ПЭВМ так и классифицируются: профессиональные и бытовые.
Профессиональные ПЭВМ используются профессионалами-конструкторами, технологами, инженерами, научными работниками, журналистами, редакторами и т.п. Они оказываются полезными при индивидуальной обработке технической, экономической, медицинской и другой информации, в преподавательской деятельности; позволяют обеспечить оперативный доступ к отраслевым, региональным информационным источникам через локальные сети ЭВМ.
Бытовые ПЭВМ могут быть использованы в качестве домашнего информационного центра. С их помощью можно проводить развлекательные и познавательные игры, организовывать учебные курсы (например, по изучению иностранных языков или курсов по школьной программе), обеспечивать доступ к справочной информации: адресам, телефонам, рецептам и т.п.
Микро-ЭВМ, выпускаемые промышленностью, являются слишком сложными, чтобы брать их за образец при попытке самостоятельного построения.
ФСПО. «МК и МП» Конспект лекции №1.1
Введение: микропроцессоры, микропроцессорные системы,
микроконтроллеры
План лекции:
Микропроцессоры, микропроцессорные системы, микроконтроллеры
Области применения
Семейства микроконтроллеров
1.Микропроцессоры, микропроцессорные системы, микроконтроллеры
За все время существования и применения электронно-вычислительных машин (ЭВМ) их важнейшие параметры быстродействие, потребляемая мощность, надежность определялись, прежде всего, применяемой элементной базой, то есть теми электронными «кирпичиками», из которых строится большое и сложное «здание» – сама ЭВМ. В машинах первого поколения применялись электровакуумные приборы (радиолампы), обеспечивающие быстродействие ЭВМ в сотни или тысячи операций в секунду. Эти машины были громоздки, часто выходили из строя, и для обеспечения их нормальной работы требовалась сложная система охлаждения.
Изобретение транзистора позволило довести быстродействие ЭВМ до десятков и сотен тысяч операций в секунду при существенном увеличении плотности упаковки (компоновки) элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов. Такие ЭВМ относились к машинам второго поколения.
Появление интегральных микросхем, включающих большое количество электронных элементов, и применения их в ЭВМ третьего и дальнейших поколений еще более увеличило быстродействия последних, позволило упростить процедуру общения человека с ЭВМ, максимально приблизило ее к объекту управления и контроля.
Микропроцессор (МП) - это устройство, которое осуществляет прием, обработку и выдачу информации. Конструктивно МП содержит одну или несколько интегральных схем и выполняет действия, определенные программой, записанной в памяти.
Универсальные МП – это такие МП, в системе команд которых заложена алгоритмическая универсальность. Последнее означает, что выполняемый машиной состав команд позволяет получить преобразование информации в соответствии с любым заданным алгоритмом.
Специализированные МП - предназначены для решения определенного класса задач, а иногда только для решения одной конкретной задачи. Их существенными особенностями являются простота управления, компактность аппаратурных средств, низкая стоимость и малая мощность потребления.
Микропроцессорная система - это вычислительная, контрольно-измерительная или управляющая система, основным устройством обработки информации в которой является МП. Микропроцессорная система строится из набора микропроцессорных БИС.
Замечательным свойством микропроцессорных систем является их высокая гибкость, возможность быстрой перенастройки при необходимости даже значительных изменений алгоритмов управления. Перенастройка осуществляется программным путем без существенных производственных затрат. Создание микропроцессоров позволяет уменьшить стоимость и размеры технических средств обработки информации, увеличить их быстродействие, снизить энергопотребление.
Характерные особенности микропроцессорных информационно-управляющих систем, предназначенных для автоматизации технологических процессов:
Наличие ограниченного набора четко сформулированных задач;
Работа в реальном масштабе времени, т.е. обеспечение минимального времени реакции на изменение внешних условий;
Наличие развитой системы внешних устройств, их большое разнообразие;
Существенное различие функциональных задач;
Высокие требования по надежности с учетом большой продолжительности непрерывной работы;
Сложные условия эксплуатации;
Обеспечение автоматического режима работы или режима с участием оператора как элемента системы.
Дальнейший рост степени интеграции позволил разместить в кристалле микросхемы уже не отдельные простые узлы или фрагменты устройств ЭВМ, а целые устройства и даже целые ЭВМ. Это привело к созданию микроконтроллера (МК) – изделия микроэлектроники и вычислительной техники принципиально нового класса, способного вести обработку и хранение информации в одном или нескольких корпусах микросхем.
Использование микроконтроллеров в изделиях не только приводит к повышению технико-экономических показателей (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и позволяет сократить время разработки изделий и делает их модифицируемыми, адаптивными. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при низкой стоимости.
Микроконтроллеры представляют собой эффективное средство автоматизации разнообразных объектов и процессов.
Можно считать что микроконтроллер – это компьютер, разместившийся в одной микросхеме. Отсюда и его основные привлекательные качества: малые габариты; высокие производительность, надежность и способность быть адаптированным для выполнения самых различных задач.
Однокристальный микроконтроллер представляет собой устройство, выполненное конструктивно в одном корпусе БИС и содержащее все основные составные части микропроцессорного комплекта.
Микроконтроллер помимо центрального процессора (ЦП) содержит память и многочисленные устройства ввода/вывода:
Универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод;
Различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;
Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
Компараторы;
Широтно-импульсные модуляторы;
Таймеры;
Контроллеры бесколлекторных двигателей;
Контроллеры дисплеев и клавиатур;
Радиочастотные приемники и передатчики;
Массивы встроенной флеш-памяти;
Встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер;
^ 2.Области применения
В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры. Они применяются при вычислениях, они выполняют функции управления, они используются при обработке звука и изображения. В зависимости от области применения микропроцессора меняются требования к нему. Это накладывает отпечаток на внутреннюю структуру микропроцессора. В настоящее время определилось три направления развития микропроцессоров:
Универсальные микропроцессоры
Микроконтроллеры
С
Суперкомпьютеры
игнальные микропроцессоры
Универсальные микропроцессоры используются для построения вычислительных машин. В них используются самые передовые решения по повышению быстродействия, не обращая особого внимания на габариты, стоимость и потребляемую энергию. В технике связи компьютеры используются для управления системами связи или устройствами связи, обладающими большими габаритами и стоимостью. Такие компьютеры называются контроллерами.
^ С
Мобильные устройства
игнальные процессоры используются для решения задач, которые традиционно решала аналоговая схемотехника. К сигнальным процессорам предъявляются специфические требования. От них требуются максимальное быстродействие, малые габариты, легкая стыковка с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, большая разрядность обрабатываемых данных и небольшой набор математических операций, обязательно включающий операцию умножения-накопления и аппаратную организацию циклов. В этих процессорах тоже важны такие параметры как стоимость габариты и потребляемая мощность, но здесь приходится мириться с большими значениями этих характеристик по сравнению с микроконтроллерами.
Микроконтроллеры используются для управления малогабаритными и дешёвыми устройствами связи они раньше назывались однокристальными микроЭВМ. В микроконтроллерах, в отличие от универсальных микропроцессоров, максимальное внимание уделяется именно габаритам, стоимости и потребляемой энергии.
И
Бытовая техника
спользование в современном микроконтроллере достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств. Используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:
В вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD;
Электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления - стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах;
В промышленности:
Устройств промышленной автоматики - от программируемого реле и встраиваемых систем до ПЛК,
Систем управления станками.
В то время как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие больши́ми вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры.
В настоящее время существует огромная номенклатура (более 10000) различных микроконтроллеров, различающихся сферой применения, параметрами, встроенными в кристалл периферийными узлами. Выпуском микроконтроллеров занимается более десятка производителей.
^ 3.Семейства микроконтроллеров
Микроконтроллеры объединяются в семейства. К одному семейству относят изделия, имеющие одинаковое ядро – совокупность таких понятий, как система команд, циклограмма работы ЦП, организация памяти программ и памяти данных, система прерываний и базовый набор периферийных устройств. Отличия между различными представителями одного семейства заключаются, в основном, в составе периферийных устройств и объеме памяти программ или данных. Наиболее важная особенность семейства - программная совместимость на уровне двоичного кода всех входящих него МК.
^ Известные семейства:
Intel 8051 - это однокристальный микроконтроллер (не путать с процессором) гарвардской архитектуры, который был впервые произведен Intel в 1980 году, для использования во встраиваемых системах. В течение 1980-ых и начале 1990-ых годов был чрезвычайно популярен. Однако, в настоящее время устарел и вытеснен более современными устройствами, с 8051-совместимыми ядрами, производимыми более чем 20 независимыми производителями, такими как Atmel, Maxim IC (дочерняя компания Dallas Semiconductor), NXP (ранее Philips Semiconductor), Winbond, Silicon Laboratories, Texas Instruments и Cypress Semiconductor. Существует также советский клон данной микросхемы, КР1816ВЕ51. Официальное название 8051-семейства микроконтроллеров Intel - MCS-51.
PIC (Microchip)
PIC - микроконтроллеры Гарвардской архитектуры, производимые американской компанией Microchip Technology Inc. Название PIC является сокращением от Peripheral Interface Controller, что означает «периферийный интерфейсный контроллер».
В основу концепции PIC, единую для всех выпускаемых семейств, была положена RISC-архитектура (Reduced Instruction Set Computer – архитектура с сокращенным набором команд) с системой простых однословных команд, применение встроенной памяти программ и данных и малое энергопотребление.
В основе RISC-архитектуры лежат основополагающие принципы:
Любая операция выполняется за один такт;
Система команд должно содержать минимальное число инструкций одинаковой длины;
Операции обработки данных реализуются только в формате «регистр-регистр»;
Результаты должны формироваться со скоростью одно слово за такт.
В номенклатуре Microchip Technology Inc. представлен широкий спектр 8-и, 16-и и 32-битных микроконтроллеров и цифровых сигнальных контроллеров под маркой PIC. Отличительной особенностью PIC-контроллеров является хорошая преемственность различных семейств. Это и программная совместимость (единая бесплатная среда разработки MPLAB IDE), и совместимость по выводам, по периферии, по напряжениям питания, по средствам разработки, по библиотекам и стекам наиболее популярных коммуникационных протоколов. Номенклатура насчитывает более 500 различных контроллеров со всевозможными вариациями периферии, памяти, количеством выводов, производительностью, диапазонами питания и температуры и т. д.
AVR (Atmel)
Концепция новых скоростных микроконтроллеров была разработана группой разработчиков исследовательского центра ATMEL в Норвегии, инициалы которых затем сформировали марку AVR (Alf Bogen / Vergard Wollan / Risc architecture). Первые микроконтроллеры AVR AT90S1200 появились в середине 1997 г. и быстро снискали расположение потребителей.
AVR-архитектура, на основе которой построены микроконтроллеры семейства AT90S, объединяет мощный гарвардский RISC-процессор с раздельным доступом к памяти программ и данных, 32 регистра общего назначения, каждый из которых может работать как регистр- аккумулятор, и развитую систему команд фиксированной 16-бит длины. Большинство команд выполняются за один машинный такт с одновременным исполнением текущей и выборкой следующей команды, что обеспечивает производительность до 1 MIPS на каждый МГц тактовой частоты.
Достоинства:
Высокий показатель быстродействие/энергопотребление;
Удобные режимы программирования;
Широкая номенклатура;
Доступность программно-аппаратных средств поддержки;
Высокая нагрузочная способность выходов.
ARM (ARM Limited)
Архитектура ARM (Advanced RISC Machine, Acorn RISC Machine, усовершенствованная RISC-машина) - семейство лицензируемых 32-битных и 64-битных микропроцессорных ядер разработки компании ARM Limited. Компания занимается исключительно разработкой ядер и инструментов для них (компиляторы, средства отладки и т. п.), зарабатывая на лицензировании архитектуры сторонним производителям.
В 2007 году около 98 % из более чем миллиарда мобильных телефонов, продаваемых ежегодно, были оснащены по крайней мере одним процессором ARM. По состоянию на 2009 на процессоры ARM приходится до 90 % всех встроенных 32-разрядных процессоров. Процессоры ARM широко используются в потребительской электронике - в том числе КПК, мобильных телефонах, цифровых носителях и плеерах, портативных игровых консолях, калькуляторах и компьютерных периферийных устройствах, таких как жесткие диски или маршрутизаторы.
Данные процессоры имеют низкое энергопотребление, поэтому находят широкое применение во встраиваемых системах и доминируют на рынке мобильных устройств, для которых важно низкое энергопотребление.
Среди лицензиатов: Analog Devices, Atmel, Xilinx, Altera, Cirrus Logic (англ.), Intel (до 27 июня 2006 года), Marvell (англ.), NXP, STMicroelectronics, Samsung, MediaTek, MStar, Qualcomm, Sony Ericsson, Texas Instruments, nVidia, Freescale, Миландр.
Контрольные вопросы
Что такое микропроцессор? Его назначение?
Какие бывают микропроцессоры?
Что такое микропроцессорная система?
Что такое микроконтроллер? Его назначение?
Чем микропроцессор отличается от микроконтроллера?
Семейства микроконтроллеров.
Темы для сообщений
Логические элементы.
Дешифратор.
Регистр-защелка.
Микросхемы памяти ОЗУ (RAM) статического типа.
Микросхемы памяти ПЗУ (ROM).
Связь устройств ЭВМ между собой осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами.Интерфейс - это совокупность программных и аппаратных средств, предназначенных для передачи информации между компонентами ЭВМ и включающих в себя электронные схемы, линии, шины и сигналы адресов, данных и управления, алгоритмы передачи сигналов и правила интерпретации сигналов устройствами.
В широком смысле интерфейс включает также механическую часть (совместимость по типоразъемам) и вспомогательные схемы, обеспечивающие электрическую совместимость устройств по уровням логических сигналов, входным и выходным токам и т. д.
Подробное изучение интерфейсов и системных шин не входит в задачи данного курса. Поэтому эти вопросы мы будем рассматривать лишь с точки зрения общего представления об организации работы микропроцессорной системы и принципах взаимодействия составляющих ее устройств.
Основным способом организации МПС является магистрально-модульный (рис. 8.1): все устройства, включая и микропроцессор , представляются в виде модулей, которые соединяются между собой общей магистралью . Обмен информацией по магистрали удовлетворяет требованиям некоторого общего интерфейса, установленного для магистрали данного типа. Каждый модуль подключается к магистрали посредством специальных интерфейсных схем.
Рис.
8.1.
На интерфейсные схемы модулей возлагаются следующие задачи :
- обеспечение функциональной и электрической совместимости сигналов и протоколов обмена модулей и системной магистрали;
- преобразование внутреннего формата данных модуля в формат данных системной магистрали и обратно;
- обеспечение восприятия единых команд обмена информацией и преобразование их в последовательность внутренних управляющих сигналов.
Эти интерфейсные схемы могут быть достаточно сложными. Обычно они выполняются в виде специализированных микропроцессорных БИС. Такие схемы принято называть контроллерами .
Контроллеры обладают высокой степенью автономности, что позволяет обеспечить параллельную во времени работу периферийных устройств и выполнение программы обработки данных микропроцессором.
Кроме того, предварительно буферируя данные, контроллеры обеспечивают пересылку сразу для многих слов, расположенных по подряд идущим адресам, что позволяет использование так называемого "взрывного"
( burst ) режима работы шины - 1 цикл адреса и следующие за ним многочисленные циклы данных.
Недостатком магистрально-модульного способа организации ЭВМ является невозможность одновременного взаимодействия более двух модулей, что ставит ограничение на производительность компьютера.
Взаимодействие микропроцессора с оперативной памятью (ОП) и внешними устройствами (ВУ) проиллюстрировано на рис. 8.2 .
Рис. 8.2.
Микропроцессор формирует адрес внешнего устройства или ячейки оперативной памяти и вырабатывает управляющие сигналы - либо IOR/ IOW при обращении на чтение/запись из внешнего устройства, либо MR/MW для чтения/записи из оперативной памяти.
Для обмена информацией с внешними устройствами в МП имеются только 2 команды:
- команда ввода IN AX , DX записывает в регистр AX число из внешнего устройства, адрес которого находится в регистре DX ; при этом вырабатывается сигнал IOR (INput/OUTput Read ).);
- команда вывода OUT DX , AX выводит информацию из регистра AX во внешнее устройство, адрес которого находится в регистре DX ; при этом вырабатывается сигнал IOW (INput/OUTput Write ).
Сигналы IOR/ IOW формируются при выполнении только этих команд.
Формирование сигналов MR/MW происходит в командах, для которых операнд и/или приемник результата располагаются в оперативной памяти, например, ADD , AX .
В связи с этим возможны два основных способа организации адресного пространства микропроцессорной системы :
- с общим адресным пространством внешних устройств и оперативной памяти;
- с независимыми адресными пространствами.
В первом случае к портам ввода/вывода можно обращаться как к ячейкам оперативной памяти. Достоинством такого подхода является возможность использовать различные режимы адресации при обращении к внешним устройствам, а также выполнять над содержимым портов ввода/вывода различные арифметико-логические операции . Но в то же время при этом сокращается емкость адресуемой ОП и снижается защищенность системы, так как она лишается дополнительных средств защиты, связанных с выполнением команд ввода/вывода (не работает поле IOPL регистра флагов ). К тому же нарушение в логике работы программы (формирование неверного адреса оперативной памяти) может привести к ложному срабатыванию внешнего устройства.
Если первый недостаток не столь существенен при современных объемах запоминающих устройств , то второй может весьма негативно сказаться на работе МПС. Возможность использования сложных режимов адресации при обращении к внешним устройствам для микропроцессорных систем на основе универсальных МП не столь важна. Поэтому в настоящее время при построении МПС предпочтение отдается второму подходу.
Рассмотрим особенности обмена информацией микропроцессора с внешними устройствами. Упрощенная временная диаграмма этого процесса представлена на
Стремительный технический прогресс требует все более тщательного контроля за производственными процессами, в частности, получением точных данных измерения. Для осуществления контроля применяется специальная техника, разнообразные системы на основе микропроцессоров.
Микропроцессорные системы представляют собой управляющие или вычислительные системы, созданные на основе микропроцессорных средств, применяющихся автономно или встраиваемых в управляемый объект. Системы на основе микропроцессоров применяются в разных отраслях промышленности и науки.
Микропроцессорные системы создаются в результате комплектации программно -аппаратных средств. Аппаратная часть представляет собой систему из типовых модулей: центральный процессорный элемент, различные виды памяти, адаптеры, контроллеры и внешние устройства. Основной проблемой при создании микропроцессорных систем остается разработка программного обеспечения.
Существуют различные виды микропроцессорных систем: микропроцессорный блок питания, блок управления, блоки измерения и пр.
Микропроцессорные системы, введенные в состав многофункциональных средств измерения, преобразуют устройства с жесткой логикой работы в программно-управляемые.
Функциональные возможности микропроцессорных систем определяются установленной и выполняемой программой, путем перехода к хранимой в ПЗУ другой программе их можно легко видоизменить. Применение программы для изменения логики работы позволяет гибко перестраивать функционал, наращивая функциональные возможности без существенных изменений в схеме прибора при его модернизации.
Входящие в состав измерительных приборов микропроцессорные системы позволяют, накапливая результаты наблюдений, обрабатывать их по определенной программе.
Основным предназначением микропроцессорных устройств является выполнение таких функций, как передача информации, управление процессами и преобразование полученной информации. Программируя логику работы, микропроцессорные устройства увеличивают эффективность работы оборудования. Поэтому такие системы сегодня весьма востребованы в управлении процессами измерения, для получения итоговых результатов и хранения полученных данных. Микропроцессорные системы чаще всего используются для получения статистических (вероятностных) характеристик.
Одним из основных преимуществ микропроцессорных систем измерения является многофункциональность, которая заключается в возможности замены целого измерительного комплекса одним многофункциональным, что становится осуществимым благодаря добавлению блока программ. Количество добавляемых программ определяется применяемым блоком управления и возможностями ПЗУ.
К числу оборудования, в котором применяются микропроцессорные системы, относятся криостаты.
Данное оборудование применяется для точного измерения температуры жидкости в диапазоне ут ноля до плюс шестидесяти градусов Цельсия, а также в качестве вспомогательного в разных лабораториях.
