
- •Архитектура вычислительных систем. Вычислительные машины, системы и сети
- •1. Основные понятия вычислительной техники и принципы организации вычислительных систем
- •1.1. Основные понятия и определения
- •1.2. Принципы организации вычислительных машин и систем
- •1.3. Основные характеристики вычислительных машин и систем
- •1.4. Многоуровневая организация вычислительных процессов
- •Вопросы для самопроверки
- •2. Простейшие типовые элементы вычислительных машин
- •2.1. Комбинационные схемы
- •1. Конъюнкция (логическое умножение) .
- •2. Дизъюнкция (логическое сложение) .
- •3. Отрицание (инверсия) .
- •4. Конъюнкция и инверсия (Штрих Шеффера) .
- •5. Дизъюнкция и инверсия (Стрелка Пирса) .
- •6. Эквивалентность .
- •7. Отрицание эквивалентности .
- •2.2. Автоматы с памятью
- •2.3. Триггеры
- •2.4. Проблемы и перспективы развития элементной базы вычислительных машин
- •Вопросы для самопроверки
- •3. Функциональные узлы комбинационного и последовательного типов
- •3.1. Функциональные узлы последовательного типа
- •3.1.1. Регистры
- •3.1.2. Счётчики
- •3.1. Функциональные узлы комбинационного типа
- •3.2.1 Шифраторы и дешифраторы
- •3.2.2 Компараторы
- •3.2.3 Сумматоры
- •Вопросы для самопроверки
- •4. Функциональная организация процессора
- •4.1. Основные характеристики и классификация процессоров
- •4.2. Физическая и функциональная структура процессора
- •4.2.1 Операционное устройство процессора
- •4.2.2 Шинный интерфейс процессора
- •4.3. Архитектурные принципы организации risc-процессоров
- •4.4. Производительность процессоров и архитектурные способы её повышения
- •Вопросы для самопроверки
- •5. Организация работы процессора
- •5.1 Классификация и структура команд процессора
- •5.2. Способы адресации данных и команд
- •5.2.1 Способы адресации данных
- •5.2.2 Способы адресации команд
- •5.3. Поток управления и механизм прерываний
- •Вопросы для самопроверки
- •6 Современное состояние и тенденции развития процессоров
- •6.1. Архитектурные особенности процессоров Pentium
- •6.2. Программная модель процессоров Pentium
- •6.2.1. Прикладная программная модель процессоров Pentium
- •6.2.2. Системная программная модель процессоров Pentium
- •6.2.3. Система команд и режимы адресации процессоров
- •6.3. Аппаратная организация защиты в процессорах Pentium
- •6.4. Аппаратные средства поддержки многозадачности
- •6.5. Перспективы развития процессоров
- •Вопросы для самопроверки
- •7. Память. Организация памяти
- •7.1. Иерархическая организация памяти
- •7.2. Классификация запоминающих устройств
- •7.3. Структура основной памяти
- •7.4. Память с последовательным доступом
- •7.5. Ассоциативная память
- •7.6. Организация флэш-памяти
- •7.7. Архитектурные способы повышения скорости обмена между процессором и памятью
- •Вопросы для самопроверки
- •8. Управление памятью. Виртуальная память
- •8.1. Динамическое распределение памяти
- •8.2. Сегментная организация памяти
- •8.3. Страничная организация памяти
- •8.4. Сегментно-страничная организация памяти
- •Вопросы для самопроверки
- •9. Организация ввода-вывода информации. Системная шина
- •9.1. Организация шин. Системная шина
- •9.1.1. Структура системной шины
- •9.1.2. Протокол шины
- •9.1.3. Иерархия шин
- •9.2 Организация взаимодействия между периферийными устройствами и процессором и памятью вычислительных машин
- •9.3. Внешние интерфейсы вычислительных машин
- •9.3.1. Параллельный порт lpt и интерфейс Centronics
- •9.3.1. Последовательный порт com и интерфейс rs-232c
- •9.3.3. Универсальная последовательная шина usb
- •9.3.4. Беспроводные интерфейсы
- •Вопросы для самопроверки
- •Модуль 2. Вычислительные системы
- •10. Вычислительные системы параллельной обработки. Многопроцессорные и многоядерные системы
- •10.1. Параллельная обработка информации
- •10.2. Классификация систем параллельной обработки данных
- •10.2.1 Классификация Флинна
- •10.2.2. Классификация Головкина
- •10.2.3. Классификация многопроцессорных систем по
- •10.3. Вычислительные системы на кристалле. Многоядерные системы
- •10.4. Тенденции развития вс
- •Вопросы для самопроверки
- •11. Организация микроконтроллеров и микроконтроллерных систем
- •11.1. Общие сведения о системах управления
- •11.2. Организация микроконтроллеров и микроконтроллерных систем
- •11.3. Области применения и тенденции развития мк
- •Вопросы для самопроверки
- •Модуль 3. Телекоммуникационные сети
- •12. Организация компьютерных сетей
- •12.1. Обобщённая структура компьютерных сетей
- •12.2. Классификация компьютерных сетей
- •Вопросы для самопроверки
- •13. Стандартизация компьютерных сетей. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
- •13.1. Понятие «открытой системы». Взаимодействие открытых систем
- •13.2. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
- •13.3. Структура блоков информации
- •7. Прикладной6. Представительный5. Сеансовый4. Транспортный3. Сетевой2. Канальный1. Физический
- •Вопросы для самопроверки
- •Литература
- •Архитектура вычислительных систем. Вычислительные машины, системы и сети
11. Организация микроконтроллеров и микроконтроллерных систем
Наряду с многоядерными ВС, ещё одним направлением развития ВС на кристалле являются микроконтроллеры (МК) и ВС на их основе – микроконтроллерные системы (МКС), работающие в режиме реального времени. Рассмотрим обобщённую структуру типовой системы управления.
11.1. Общие сведения о системах управления
Согласно [2], в состав типовой системы управления (контроллера), представленной на рис. 61, входят следующие компоненты:
Рис.61. Обобщённая структура типового контроллера
1. Объект управления (ОУ), содержащий собственно объект или процесс, исполнительные устройства (ИУ) и систему датчиков контролируемых параметров объекта.
2. Устройство сопряжения с объектом (УСО). Используется для связи цифрового регулятора с датчиками и ИУ, а также обеспечивает согласование сигналов (управляющих и информационных) цифрового регулятора и ОУ.
3. Пульт управления. Предоставляет оператору возможность контролировать параметры ОУ и при необходимости вносить в него коррективы.
4. Цифровой регулятор. Устройство, которое получает необходимую информацию о текущем состоянии ОУ от датчиков, и, в соответствии с заложенным в него алгоритмом управления, вырабатывает управляющие воздействия, поступающие на ОУ через ИУ. Конкретная реализация цифрового регулятора определяется типом системы управления и зависит от сложности ОУ. Большинство цифровых регуляторов реализуются на базе МК, более сложные регуляторы – на базе ВМ, вычислительных комплексов. Существенной особенностью работы цифровых регуляторов в контроллерах является то, что все операции, связанные с ОУ, должны выполняться в реальном масштабе времени при постоянном информационном взаимодействии регулятора с ОУ.
Сложные системы управления включают в контур управления не только ВМ, но и человека и являются не автоматическими, а автоматизированными.
Во всех случаях в системах управления существуют несколько параллельно протекающих процессов. Требования ко времени выполнения у различных процессов различны, а для их выполнения используются общие ресурсы системы, поэтому необходимо чёткое упорядочение выполнения процессов. Для этого установлены абсолютные приоритеты.
В основу организации
управления заложена модель реально
протекающего дискретного процесса.
Реальное непрерывное время делится на
кванты τ,
длительность кванта задаётся в зависимости
от инерционности объекта. В цифровых
регуляторах деление времени на кванты
осуществляет таймер. Последовательность
квантов, отражающая течение времени,
нумеруется:
Для программного управления объектом
при работе с моделью минимально необходимы
три компонента: 1) идентификация текущего
состояния моделиq(i)
на основе показаний датчиков; 2) расчёты,
связанные с определением следующего
состояния q(i+1);
3) формирование управляющих воздействий
на ИУ, обеспечивающих переход в состояние
q(i+1).
По сигналу от таймера происходит
прерывание выполняемой в фоновом режиме
программы, и осуществляется переход к
программам идентификации состояния
объекта, расчёта следующего состояния,
формирования управляющих воздействий
и вывода их на объект. Выполнение этих
программ должно завершиться раньше,
чем закончится квант. В оставшуюся часть
кванта времени выполняются программы,
имеющие более низкий приоритет. Процессы
периодически повторяются. Привязка
инициализации приведённых выше процессов
к сигналам от таймера и обеспечивает
работу системы управления объектом в
режиме реального времени.
Для управления сложными распределёнными в пространстве объектами организуют аппаратно-программные управляющие комплексы с иерархической (двух- или трёхуровневой) структурой. На верхнем уровне находятся ВМ, выполняющие роль пультов управления. На нижних уровнях находятся ВМ, непосредственно осуществляющие сбор информации от датчиков, её обработку и формирование управляющих сигналов. Если ОУ находится на значительном расстоянии, то помощью встраиваемых систем на базе МК осуществляется первичная обработка сигналов в непосредственной близости от ОУ, и реализуются алгоритмы локального управления без выхода на ВМ. Обмен между МК и ВМ более высокого уровня выполняется с использованием передачи сообщений на базе стандартных каналов связи.
Далее остановимся на вопросах организации МКС и структуре МК.