1 Основные направления применения микропроцессорных систем 1
Скачать 44.9 Mb.
|
319.Гарвардская архитектура подразумевает хранение пpoграмм и данных в двух раздельных запоминающих устройствах. Соответственно, на кристалле имеются раздельные шины адреса и данных (в некоторых процессорах — несколько раздельных шин адреса и данных). Это позволяет совмещать во времени выборку и исполнение команд. 26 320.Короткий командный цикл требуется для обеспечения высокой производительности процессора при работе в реальном времени. С развитием полупроводниковой технологии длительность командного цикла снижается. 26 321.Для сокращения командного цикла используется уже известный конвейерный режим. Обычно применяется двух- или трехкаскадный конвейер, что позволяет на разных стадиях выполнения одновременно обрабатывать две или три инструкции. 26 322.Система команд сигнальных процессоров включает команды, оптимизированные для выполнения базовых задач цифровой обработки сигналов: умножение с накоплением, битовые операции (для графиков), инверсию бит адреса (для БПФ), кольцевые буфера (для фильтратов и многое другое. 26 323. В развитии ЦПОС выделяют три поколения. Наиболее ярким представителем сигнальных ЦПОС первого поколения является МП TMS32010 фирмы Texas Instruments (TI), выпуск которого начался в 1982 г. TMS32010 оперирует 16-разрядными словами и способен выполнять 5 млн операций умножения или сложения в секунду. Основными характеристиками МП первого поколения семейства TMS являются: 26 324.— длительность командного цикла 160-280 нс; 26 325.— - ОЗУ объемом 144 или 256 слов; 26 326.— ПЗУ программ объемом 1,5 или 4К слов; 26 327.— разрядность арифметико-логического устройства и аккумулятора 32; 26 328.— умножитель 1616 с 32-разрядным результатом; 26 329.— восемь 16-разрядных портов для устройств ввода-вывода. 26 330.В середине 80-х гг. появились сигнальные ЦПОС второго поколения. Повышение степени интеграции микросхем позволило значительно расширить функции ЦПОС. Особо следует отметить увеличение скорости выполнения команд и распараллеливание обработки данных. Ко второму поколению изделий фирмы Т1 относятся МП ТМS32020, TMS320C25 и их модификации. МП TMS320C25 может выполнять 10 млн. операций в секунду. Объем встроенного ОЗУ составляет 544 16-разрядных слова. Предусмотрена возможность подключения внешней памяти программ и внешней памяти данных объемом до 128К слов. По сравнению со своими предшественниками процессоры второго поколения обладают в 2-4 раза большим быстродействием. 26 331.Ко второму поколению относятся также выпущенные позже 16-разрядные ЦПОС TMS320C5X фирмы TI и ADSP21xx фирмы Analog Devices. Указанные процессоры имеют архитектуру, в основном похожую на своих предшественников, но расширенную дополнительными возможностями. В этих процессорах реализованы три режима энергопотребления: активный, периферийный и «спящий>. Активный режим энергопотребления является основным, потребление в этом режиме составляет 1,5 мА/MlPS для 3 В процессора. В перифирийном режиме центральный процессор останавливается, работают только периферийные устройства, при этом энергопотребление составляет приблизительно 0,25 мА/MIPS. В спящем режиме все узлы МП «засыпают» до возникновения внешнего прерывания, потребление снижается до 5 мкА. 27 332.В конце 80-х гг. ведущие фирмы-производители ЦПОС, освоив субмикронную технологию, почти одновременно вышли на рынок с сигнальными МП третьего поколения, реализующими арифметику с плавающей запятой: TMS320C30 фирмы TI, DSP96002 фирмы Motorola, АDSP-21U20) фирмы Analog Devices. МП TMS320C30 по производительности (33 MIPS) значительно превзошел своих конкурентов. 27 333.Фирма TI в 1994 году выпустила новый ЦПОС TMS320C80, который имеет второе название Мultimedia Video Processor (MVP). Эти МП имеют десятикратное увеличение производительности по сравнению с лучшими из существовавших ранних сигнальных МП - 2 млрд операций/с). МП представляет собой комбинацию из пяти процессоров, двух видеоконтроллеров и контроллера пересылок. Четыре процессора имеют 32-разрядную архитектуру с фиксированной точкой, пятый процессор является управляющим, имеет 32-разрядную RISС-архитектуру и содержит встроенный блок плавающей арифметики. 27 334.Рассмотрим принципы построения каждого из блоков микропроцессора, представленных на упрощенной схеме (рис. 3.1). При этом будем стремиться к обобщенному подходу, который позволил бы выделить самые общие черты, свойственные всем микропроцессорам независимо от сложности их структуры и от совершенства их технологической и конструктивной реализации. 27 3.2. Основные устройства микропроцессора 27 335.Устройство обработки данных (УОД) является одним из основных блоков микропроцессора, в котором непосредственно осуществляется вся необходимая арифметическая и логическая обработка информации. Все остальные блоки и устройства выполняют хотя и весьма важные, но вспомогательные функции. 27 336.К блоку интерфейса относят узлы микропроцессора, обеспечивающие его взаимодействие со всеми внешними устройствами. В их число входят: узел управления шинами, буферные схемы, узел формирования адресов памяти и некоторые другие вспомогательные узлы. 28 337..Передача всех сигналов от микропроцессора по всем его шинам производится через буферные схемы, т.е. достаточно мощные выходные каскады. Совокупность буферных схем, топологически расположенных по периферии кристалла, можно рассматривать как отдельный узел микропроцессора. При этом каждая из буферных схем выполняет следующие функции: 28 338.- обеспечивает необходимую нагрузочную способность выходов микропроцессора как по активному току нагрузки IН, так и по паразитной емкости нагрузки СH; 28 339.- согласовывает внутренние логические уровни сигналов с внешними стандартными уровнями. 28 340.Подавляющее большинство современных микропроцессоров, за исключением тех, которые выполнены с использованием технологии и схемотехники ЭСЛ, используют в качестве внешних стандартных уровней сигналов уровни схем ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики): 28 341.Практически все выходные буферные каскады микропроцессоров построены с использованием схемотехники трех состояний. Перевод выходных каскадов микропроцессора путем подачи соответствующих управляющих сигналов в третье состояние позволяет отключить микропроцессор от общей магистрали микропроцессорной системы, т.е. реализовать так называемый магистрально - модульный принцип построения аппаратуры. 28 342.Устройство управления является наиболее сложным блоком микропроцессора. Рассмотрение этого раздела начнем с определения некоторых общих понятий и функционального назначения устройства управления. Определим прежде всего понятие микрокоманды, а также взаимосвязанных с ним понятий микрооперации и микропрограммы. Для общности напомним также вначале о понятиях программы, команды, операции. 28 343.Программа представляет собой совокупность команд, записанных в определенной последовательности, которая обеспечивает решение данной конкретной задачи на ЭВМ. 28 344.Команда - это инструкция для выполнения очередного этапа в вычислениях ЭВМ, а также соответствующее обозначение этой инструкции. 28 345.Операция - действие, выполняемое в ЭВМ или микропроцессоре под воздействием команды. При этом каждой команде соответствует операция, выполняемая ЭВМ. 28 346.Практически в любой ЭВМ операция не является элементарным действием. Она состоит из последовательности нескольких других элементарных действий, которые называют микрооперациями. При этом одна или несколько совместимых во- времени микроопераций выполняются за один элементарный интервал времени, представляющий собой период синхронизирующих (тактовых) импульсов и называемый тактом. 29 347.Таким образом, операция, выполняемая в ЭВМ под воздействием какой-либо команды, представляет собой ряд микроопераций. Каждая из микроопераций или несколько из них, выполняемых в один такт, реализуется в устройствах ЭВМ или микропроцессора под воздействием микрокоманды. Следовательно, каждой команде соответствует своя совокупность микрокоманд. Эту совокупность микрокоманд или микроинструкций, реализующих данную команду, называют микропрограммой. 29 348.Из изложенного видно, что в каждом такте в любом микропроцессоре, в любой ЭВМ должна быть сформирована своя микрокоманда или микроинструкция, которая и обеспечивает выполнение необходимых микроопераций. На рис. 3.3 представлена диаграмма, на которой по горизонтальной оси отображена последовательность тактов, а по вертикальной - номера цепей управления микропроцессора при выполнении им некой команды. Каждому такту и каждой цепи управления поставлен в соответствие определенный уровень управляющего сигнала. 29 349.Примером, что единичный уровень сигнала является разрешающим, а нулевой - запрещающим. (Следует заметить, что для некоторых цепей за разрешающий может быть принят и нулевой уровень). 29 351. 30 354.Из диаграммы видно, что в каждом такте на управляющие цепи микропроцессора (общее число их может составлять 40 - 60 и более) должна быть подана своя совокупность сигналов управления, разрешающих или запрещающих какую-то микрооперацию. Эту совокупность сигналов управления и называют микрокомандой или управляющим словом. Считают, что в тех тактах, в которых имеется несколько разрешающих сигналов, одновременно выполняется несколько элементарных действий - микроопераций. Но при этом в каждом. такте имеется только одно управляющее слово, т.е. реализуется одна микрокоманда. 30 355.Диаграмма позволяет увидеть, таким образом, что при выполнении любой команды в микропроцессоре должна быть сформирована , совокупность управляющих сигналов, распределенных в пространстве (по цепям: управления) и, во времени (по тактам). Эта совокупность управляющих сигналов и представляет собой микропрограмму, реализующую данную команду. 30 356.Формирование управляющих сигналов для всех цепей управления в каждом такте осуществляется устройством управления микропроцессора. Как,, видим, задача формирования управляющих сигналов является достаточно сложной и громоздкой, если принять во, внимание при этом, что в микропроцессоре имеется достаточно большое число цепей управления-(как упоминалось выше, до 40 - 60 и более) и значительное число команд (до 130 и более), причем каждая команда выполняется за несколько тактов (до 5 - 10 и более). Кроме того, устройство управления должно реагировать также на внешние сигналы управления. 31 Устройство управления с «жесткой» логикой 31 357.Известно большое количество схемных реализаций устройств управления на основе «жесткой» логики. В качестве примера можно было бы привести упрощенную структуру одного из простейших вариантов УУ, построенного на базе ПЛМ и счетчика тактов (рис. 3.4). 31 358.Счетчик тактов (СТ) загружается числом, на единицу меньшим числа тактов в данной команде. При этом счетчик ведет счет в обратном направлении. По достижении нуля счетчик останавливается, пройдя таким образом число своих состояний, которое равно числу тактов в данной команде. 31 359.Основным узлом рассматриваемого устройства управления является ПЛМ, на которую в качестве входной информации подаются: 31 360.- информация непосредственно с ДшК, которая характеризует данную выполняемую команду; 31 361.- изменяющаяся в каждом такте информация со счетчика тактов; 31 362.- логические условия из АЛУ, сигналы о прерываниях. 31 363.Таким образом, в каждом такте на ПЛМ поступает такая совокупность входных сигналов, которая необходима и достаточна для однозначного определения всех выходных управляющих сигналов в каждом такте выполняемой команды. Совокупность выходных сигналов ПЛМ и является сигналами управления МП. 31 364.Среди других схемных реализаций устройства управления с "жесткой" логикой можно также назвать устройства на основе: ПЛМ и регистра, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) с произвольной выборкой и счетчика тактов; 32 365.ПЗУ с произвольной выборкой и регистра и др. 32 366. 32 367.Рис. 3.4. Упрощенная структурная схема варианта реализации устройства управления на основе ПЛМ и счетчика тактов 32 Устройство управления на основе микропрограммной реализации. 32 369.Упрощенную структурную схему устройства управления на основе "гибкой" логики можно представить в виде рис. 3.5. Двумя главными узлами этого устройства являются узел формирования адреса микрокоманды (УФАМК) и постоянное запоминающее устройство микрокоманд (ПЗУМК). Основной принцип действия такого устройства управления состоит в следующем. Вся совокупность микрокоманд, или управляющих слов, необходимых для реализации всего списка команд микропроцессора на каждом такте их выполнения, хранится в постоянном запоминающем устройстве микрокоманд (хранилище микрокоманд). При выполнении любой команды в каждом такте просто извлекаются из ПЗУ уже готовые для использования очередные микрокоманды. Каждая микрокоманда, или управляющее слово, имеет в ПЗУ свой адрес. Таким образом, чтобы выбрать микрокоманду, необходимую в очередном тахте выполняемой команды, требуется сформировать ее адрес. Эту функцию выполняет узел формирования адреса УФАМК- Исходными данными для формирования адреса МК помимо кода команды, логических условий из АЛУ и сигналов о прерываниях является также информация, заключенная в адресной части предшествующей микрокоманды. При этом адресная часть предшествующей микрокоманды содержит в себе не только указания о том, как сформировать адрес очередной микрокоманды, но в необходимых случаях и сам адрес, если по условиям выполнения команды необходимо совершить переход в новую область ПЗУ. 32 370.Помимо основных узлов - ПЗУМК и УФАМК на структурной схеме на рис. 3.5 указан также ряд регистров: РАМК, РОЧМК, РАЧМК, которые выполняют вспомогательные функции временного хранения информации. 33 371.Рассмотрим несколько подробнее основные узлы структурной схемы - ПЗУМК и УФАМК. Микропрограммное устройство управления, как правило, реализуется в виде отдельного блока по отношению к собственно процессору и конструктивно выполняется на одной или нескольких отдельных микросхемах. Это дает возможность выбрать для реализации ПЗУМК различные залы микросхем, различающихся как по организации, так и па принципу программирования. Среди имеющихся стандартных микросхем ПЗУ для рассматриваемого устройства управления могут быть выбраны: 33 372.- по организации – ПЗУ с произвольной выборкой либо программируемые логические матрицы; 33 373.- по принципу программирования – с масочным, однократным или многократным программированием. 33 374.Наиболее удобным для пользователя является вариант, основанный на применении микросхем ПЗУ с произвольной выборкой и возможностью однократного или многократного программирования. 33 375.Общие особенности устройств управления с "гибкой" логикой можно свести к следующим: 33 376.- широкий и практически неограниченный набор команд; внутренне программирование (на уровне микропрограмм), доступное пользователю, что создает возможность эмуляции набора команд любой известной системы или разработки новой системы команд, наилучшим образом удовлетворяющей требованиям решения конкретной технической задачи; 33 377.- увеличение числа используемых микросхем, а также необходимость программирования на уровне микропрограмм, что является недостатком УУ с "гибкой" логикой по сравнению с УУ с "жесткой" логикой, кроме того, УУ с "гибкой" логикой имеет меньшее быстродействие. 33 379. 34 4.1. Микропроцессоры первых пяти поколений 35 387.В развитии однокристальных МП выделяют шесть поколений. История МПС с однокристальными МП начинается с 1971 г., когда фирма Intel объявила о выпуске первого в мире МП — i4004, основными характеристиками которого, да и всех МП 1-го поколения, являются: р-канальная МОП-технология; 4-разрядные внутренние узлы; маломощный, фиксированный набор команд; отсутствие системы прерываний; неразделенные шины адреса и данных; низкая тактовая частота (750 кГц). 35 |
Похожие:
 | Программа дисциплины “Микропроцессорные устройства технических систем” для подготовки инженеров Изучение особенностей применения микропроцессорных устройств в системах автоматики и телеуправления, а также в изделиях электронной... | | Конспект лекций по курсу "Микропроцессоры и микро-эвм в Персональной... Целью настоящего курса является дать понятие о микропроцессорах и однокристальных микро-эвм, области их применения, дать основы функционирования... |
| Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине «Микропроцессорные... Цель работы изучение современных однокристальных микроконтроллеров с cisc- и risc- архитектурой, организации их памяти и функционирования,... | | Проектирование микропроцессорных систем методические указания к курсовому проектированию ... |
| Правительство Российской Федерации Московский институт электроники... Целью курса "Микропроцессорные системы" является ознакомление студентов с микропроцессорными средствами и методами проектирования... | | Реферат на тему: «Основы микропроцессорных систем» Эвм, но имеющие несравнимо меньшие размеры. Микропроцессоры относятся к классу микросхем, особенностью которых является возможность... |
| Рабочая программа учебной дисциплины «основы микропроцессорной техники» Изучение дисциплины направлено на освоение принципов построения и функционирования микропроцессорных систем, а также работы в среде... | | Негосударственное Аккредитованное Частное Образовательное Учреждение... Распределенные объектные архитектуры программных систем. Многоуровневые приложения. Основные понятия архитектуры распределенных систем.... |
| Московский энергетический институт (технический университет) институт электротехники (иэт) Целью дисциплины является изучение физических и математических основ компьютерной и микропроцессорной техники и принципов построения... | | Учебной дисциплины физика (с основами астрономии) для специальности 2201 Изучение дисциплины базируется на знаниях, полученных на уроках по физике и математике в школе, и является базой для изучения цифровой... |
| Рабочая программа учебной дисциплины «электронные промышленные устройства» «Электроника электропривода», «Программные средства пэвм», «Теория автоматического управления», «Основы микропроцессорной техники»... | | Публичный отчёт «сош д. Звягино» в 2010-11 учебном году Основные направления Основные направления, содержание и формы деятельности педагогического коллектива регламентировались нормативными документами |
| Реферат Тема. Парапульпарные штифты Основные вопросы для изучения:... Исходящая информация: необходима для правильного клинического применения парапульпарных штифтов | | Расширенная программа дисциплины “ Экологическая геология Рассматриваются основные направления использования геофизических методов для геолого-экологического мониторинга окружающей среды... |
| Реферат на тему: «Вакансии по специальности экономическая кибернетика» Занимается в области применения информационных систем, решает функциональные задачи, а также управляет информационными, материальными... | | Конспект лекций по дисциплине: теория систем и системный анализ санкт-Петербург... Выбор показателя эффективности, математическая постановка задачи |
