ЦСРС_1 / Grebeshkov_Tehnika_mikroproz_sistem_v_kommutazii_uchebnik_dlya_vuzov_2011

Техника микропроцессорных систем в коммутации

можно быстро сохранить текущие значения внутренних регистров в один из теневых регистров, а потом практически мгновенно восстановить текущее состояние всех внутренних регистров за минимальное число тактов. Напротив, в МПр общего назначения содержимое каждого регистра в случае прерывания по очереди переписывается в стек, за каждый такт – по одному регистру, что снижает быстродействие микропроцессорной системы.

Итак, благодаря описанным особенностям архитектуры, всего за один машинный цикл SHARC ПЦОС на рис. 4.4 может выполнить умножение (действие 11), сложение (действие 12), два перемещения данных (действия 7 и 9), обновление двух указателей круговых буферов (действия 8 и 10), управление циклом (действие 6). Потребуются дополнительные такты, связанные с началом и окончанием цикла (действия 3, 4, 5 и 13, плюс перемещение начальных значений), однако, это существенно не снижает эффективности ПЦОС.

Программы для ПЦОС разрабатываются на двух языках программирования: ассемблер и Си. Соотношение «ассемблер к Си» по количеству разработчиков примерно как 1 к 10. Язык Си по сравнению с ассемблером требует больше памяти для хранения команд, что несколько увеличивает размеры и стоимость ПЦОС, однако программы, написанные на Си, могут быть более переносимыми, чем программы, написанные на ассемблере.

В числе наиболее распространенных ПЦОС можно назвать из-

делия следующих компаний – Motorola (серия 56002, 96002), Intel (серия i960), Texas Instruments Inc. (серия TMS320) и Analog Devices (серия 21xx, 210xx). В частности, ПЦОС TMS320C2x обладает следующими особенностями:

выполнение умножения и сохранения результатов за один командный цикл;

наличие четырехстадийного (четырехкаскадного) конвейера;

наличие команд, поддерживающих вычисления с плавающей точкой; наличие внутреннего ПЗУ программ размером 4Кслов

(К=1024) для TMS320C25 или ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием EPROM 4Кслов для TMS320E25;

281

Техника микропроцессорных систем в коммутации

выполнение программ осуществляется чтением из памяти программ RAM, расположенной на кристалле процессора;

объем памяти программ RAM — 544 слова данных, из которых 256 слов могут быть использованы как память данных;

расширяемая внешняя память может иметь объем 128Кслов (64К слов на память программ, 64К слов на память данных);

реализована возможность перемещения содержимого памяти данных и памяти программ блоками;

реализована возможность организации циклов ожидания при доступе к «медленной» внешней памяти ОЗУ или внешним устройствам;

процессор TMS320C20 содержит на кристалле таймер и последовательный порт ввода/вывода;

микросхема ПЦОС включает пять (TMS320С20) или восемь (TMS320C25) вспомогательных регистров и специальное арифметическое устройство для обработки данных в них;

существуют команды обработки битовых данных;

наличие режима прямого доступа к памяти DMA (только для МПр TMS320C25).

Простейший ПЦОС TMS320C20x имеет производительность до 40 миллионов операций в секунду, время машинного цикла составляет 200 нс, ЦПУ процессора 16-ти разрядное, АЛУ – 32-х разрядное, аккумулятор – 32-х разрядный. Имеются схемы сдвига (shifters), умножитель, встроенная энергонезависимая Flash-память ѐмкостью 32К слов, где длина слова равна 16 разрядам. Скорость обмена с внешними устройствами (ЦАП, АЦП) через синхронный последовательный порт составляет до 20 Мбит/сек, буфер ввода/вывода имеет 4 места в очереди, которая обслуживается по дисциплине FIFO c 8-ю и 16-ю разрядными данными. Имеется внутренний генератор тактовой частоты, который может использовать внешние опорные частоты для синхронизации.

Выбор того или иного ПЦОС для средства связи – многокритериальная задача. Процессоры ЦОС могут показывать разную производительность, например, для приложений, требующих выполнения

282

Техника микропроцессорных систем в коммутации

больших объѐмов математических вычислений (таких как цифровая фильтрация сигнала, вычисление корреляционных функций и т.п.) в сравнении с задачами, требующими интенсивного обмена с внешними устройствами (многопроцессорные системы, различного рода контроллеры). Очевидными признаками технического совершенства ПЦОС являются расширенные коммуникационные возможности через высокоскоростные интерфейсы, наличие достаточных объѐмов внутрикристальной памяти для данных и программ, возможность защиты программ от несанкционированного доступа, поддержка режимов энергосбережения.

4.2Архитектура и основные технические характеристики микропроцессорных комплектов

Микропроцессорные системы строятся на основе микропроцес-

сорных комплектов. Под микропроцессорным комплектом инте-

гральных микросхем понимается совокупность микропроцессорных и других интегральных микросхем, совместимых по архитектуре, конструктивному исполнению и электрическим параметрам и обеспечивающих возможность совместного применения (согласно ГОСТ 17021–88). В составе микропроцессорного комплекта могут присутствовать интегральные микросхемы нескольких типов.

Под типом интегральной микросхемы понимается микро-

схема конкретного функционального назначения, определенного конструктивно-технологического, схемотехнического решения и имеющая своѐ условное обозначение. Микросхемы могут объеди-

няться в рамках серий. Серия интегральных микросхем – сово-

купность типов интегральных микросхем, обладающих конструктивной, электрической и, при необходимости, информационной и программной совместимостью и предназначенных для совместного применения. Иногда серию могут образовывать один или несколько типов микросхем, выполняющих одинаковые функции и отличающихся одним или несколькими электрическими параметрами. Под архи-

тектурой микропроцессорных комплектов понимается совокуп-

ность принципов и подходов, структурных, технических, технологических решений, определяющих концепцию взаимосвязи компонен-

283

Техника микропроцессорных систем в коммутации

тов микропроцессорного комплекта.

В узлах коммутации применяются различные микропроцессорные комплекты. Для построения ЦУУ, ГУУ могут использоваться МПК общего назначения. Для построения отдельных блоков или модулей также могут использования специализированные комплекты микросхем. Другой особенностью архитектуры микропроцессорных комплектов узлов коммутации является то, что для реализации заданных функций узла коммутации применяются комплексы микросхем различного типа и назначения, конструктивно объединенные в виде набора и размещѐнные на одной монтажной плате. Другими словами, на одной плате/модуле могут взаимодействовать микросхемы из различных МПК или различные МПК.

Архитектура микропроцессорных комплектов зависит как от архитектуры микропроцессоров так и от требуемых функций. Среди технических характеристик микропроцессорных комплектов можно выделить назначение и функции микросхем МПК, разрядность МПр, тактовую частоту, потребляемую мощность, технологию производства микросхемы, а также тип корпуса (как правило – металлокерамический), размеры кристалла микросхемы и количество выводов на микросхеме. Рассмотрим далее примеры различных технических решений по микропроцессорным комплектам, поясняющие состав, архитектуру и функциональное назначение МПК.

Микропроцессорный комплект серии КМ1810 является одним из самых распространенных МПК отечественного производства, универсального назначения с возможностью применения в отрасли связи и в системах автоматизированного управления технологическими процессами [29,42]. Предназначен для построения простейших управляющих микро-ЭВМ а также многопроцессорных комплексов, является аналогом микропроцессора Intel 8086. Включает в свой состав центральный процессор (тип микросхемы К1810ВМ86), арифметический сопроцессор (тип микросхемы К1810ВМ87), специализированный процессор ввода-вывода (тип микросхемы К1810ВМ89), генератор тактовых сигналов (тип микросхемы К1810ГФ84), системный контроллер (тип микросхемы К1810ВГ88), арбитр системной шины (тип микросхемы К1810ВБ89), контроллеры динамической памяти (типы микросхем К1810ВТ02 и К1810ВТ03), интервальный таймер

284

Техника микропроцессорных систем в коммутации

(тип микросхем К1810ВИ54), усовершенствованный контроллер прямого доступа к памяти (тип микросхем К1810ВТ37), программируемый контроллер прерываний (тип микросхем К1810ВН59), регистр– защелка (К1810ИР82/83), шинный формирователь (К1810ВА86/87). Напряжение электропитания рассматриваемого комплекта составляет от 5,75 В до 5,25 В, емкость входа или входа/выхода до 10 пФ, емкость нагрузки до 100 пФ, входное напряжение низкого уровня до 0,8В, входное напряжение высокого уровня до 2,0 В, выходное напряжение низкого уровня до 0,45 В, выходное напряжение высокого уровня минимально 2,4 В. Рассмотрим назначение микросхем МПК

1810.

Микросхема К1810ВМ86 представляет собой однокристальный МПр, который содержит около 29 000 транзисторов на кристалле размером 5,5x5,5 мм, напряжение питания +5 В, потребляемая мощность 1,7Вт, тактовая частота 25 МГц, выполняет 1,66 миллиона операций в секунду. Шина адреса 20-ти разрядная, шина данных 16-ти разрядная, пространство ОЗУ поделено на физические сегменты по 64 Кбайт, на МПр имеется 16 регистров общего назначения. Физический адрес ячейки памяти 20-ти битовый и находится в диапазоне 0…..FFFFF. Логический адрес состоит из начального адреса сегмента длиной 16 бит и смещения относительно начального адреса длиной 16 бит. Микропроцессор поддерживает внешние прерывания, внутренние прерывания, в том числе программные прерывания. Следует отметить, что для уменьшения числа выводов на микросхеме МПр младшие 16 линий шины адреса мультиплексированы по времени с линиями данных и составляют единую шину адреса/данных.

Для разделения/демультиплексирования шины адреса/данных применяется регистр–защелка. Для буферизации шины адреса и шины данных применяются шинные формирователи, которые усиливают сигналы системной шины данных. Для формирования системных управляющих сигналов для оперативной памяти и внешних устройств применяется системный контроллер.

Микросхема математического сопроцессора К1810ВМ87 представляет собой 80-ти битовый арифметический сопроцессор, увеличивающий производительность ЦПУ при работе многоразрядными

285

Техника микропроцессорных систем в коммутации

целыми и вещественными числами в 100 раз. Микросхема К1810ВМ87 представляет собой однокристальный МПр, который содержит около 65 000 транзисторов на кристалле размером 5,5x5,5 мм, напряжение питания +5 В, потребляемая мощность 3 Вт, тактовая частота 2..5 МГц, используется только в комплекте с ЦПУ К1810ВМ86. Для организации взаимодействия ЦПУ и сопроцессора необходимо применять контроллер прерываний для организации взаимодействия требуемого выхода сопроцессора и входа ЦПУ.

Особый интерес представляет процессор ввода-вывода К1810ВМ89 (см. рис. 4.5), поскольку именно от него во многом зависит производительность управляющего устройства на базе рассматриваемого МПК.

286

Техника микропроцессорных систем в коммутации

Процессор ввода-вывода является специализированным микропроцессором разрядностью 20 бит, кристалл имеет размер 5,5x5,5 мм, напряжение питания +5 В, потребляемая мощность 2,5 Вт, тактовая частота 1…5 МГц, используется только совместно с ЦПУ К1810ВМ86, освобождает ЦПУ от управления вводом-выводом и осуществляет высокоскоростные пересылки с прямым доступом в память ОЗУ. Данный процессор управляет внешними устройствами, работает по двум каналам ввода-вывода со скоростью передачи до 10 Мбит/сек. Каналы ввода/вывода обеспечиваются пятью 20-ти битовыми, четырьмя 16-ти битовыми и одним 4-х битовым регистром. По аналогии с ЦПУ для уменьшения числа выводов на микросхеме процессора ввода-вывода младшие 16 линий шины адреса мультиплексированы по времени с линиями данных и составляют единую локальную шину адреса/данных.

В процессе функционирования в схеме на рис. 4.5. ЦПУ формирует необходимую команду или сообщение в ОЗУ, далее активизирует процессор ВМ89 для выполнения команды. После этого процессор ВМ89 работает независимо от ЦПУ, при этом обмен с ЦПУ возобновляется с помощью специального прерывания. Процессор ввода-вывода обращается для записи-чтения данных к ОЗУ и внешним устройствам. Для прямого доступа в память процессор ВМ89 оснащѐн входами DRQ. Процессор ВМ89 может обслуживать несколько ЦПУ, хотя остаѐтся «ведомым» по отношению к любому из ЦПУ. Процессор ввода-вывода позволяет организовать асинхронный обмен между областям памяти ОЗУ или между ОЗУ и внешним устройством. В последнем случае используется дополнительный контроллер. В процессе ввода-вывода, а также при осуществлении других операций МПК К1810, микросхема генератора тактовых частот формирует тактовые импульсы для ЦПУ, для периферийных микросхем и для управления устройств микропроцессорной системы и их синхронизации. Импульсы формируются из колебаний основной частоты кварцевого резонатора, или из третьей гармоники кварцевого резонатора или от внешнего генератора.

Системный контроллер или контроллер системной шины К1810ВГ88 управляет обменом данными между локальной шиной и системной шиной или обменом между локальной шиной и шиной

287

Техника микропроцессорных систем в коммутации

ввода-вывода. Системный контроллер выдаѐт сигнал управления, разрешающий чтение из памяти, разрешение на запись в память, разрешение устройству ввода-вывода передать информацию на шину данных, разрешает внешнему устройству считать информацию с шины данных. В последних двух случаях адрес устройства вводавывода установлен на шине адреса. Системный контроллер переключает шинные формирователи для передачи данных с локальной шины на шину ввода-вывода или на системную шину и наоборот. Также системный контроллер управляет моментом фиксирования адреса в адресном регистре ЦПУ при получении адреса с локальной шины.

Арбитр шин (микросхема типа К1810ВБ89) определяет синхронизацию доступа устройств к системной (общей) шине. Арбитр осуществляет захват, удержание или освобождение системной шины по сигналу МПр ВМ86; арбитр принимает от ЦПУ сигнал запрета освобождения системной шины. В начальном состоянии ни один арбитр не имеет доступа к управлению системной шиной. С помощью специального входа поддерживается приоритет МПр, который данный арбитр обслуживает. Арбитр может информировать другие арбитры о том, что он работает с шиной с помощью специального сигнала, передаваемого по шине управления. Арбитр может использоваться для работы с периферийной шиной ввода-вывода. Арбитр может работать с системной шиной или одновременно с системной шиной и шиной ввода-вывода. Захват (занятие) шины осуществляется по требованию МПр, который активизирует арбитр шины.

Контроллеры динамической памяти (типы микросхем К1810ВТ02 и К1810ВТ03) выполняют функцию управления чтением, записью и регенерацией содержания ОЗУ различной ѐмкости. Эти контроллеры принимают запрос на доступ к памяти от ЦПУ, на основании адресов ячеек запоминающего устройства определяют банк памяти, адреса строк и столбцов ОЗУ, на пересечении которых находится требуемая ячейка памяти. При этом вырабатываются сигналы управления циклами записи/считывания и регенерации, а также сообщения в сторону ЦПУ о завершении циклов работы с памятью.

В качестве современного микропроцессорного комплекта можно рассмотреть отечественный МПК серии Л1876, предназначенный

288

Техника микропроцессорных систем в коммутации

для построения высокопроизводительных 32-разрядных ЭВМ, контроллеров и других средств вычислительной и управляющей электронной техники с пониженным потреблением электропитания.

В функциональный состав данного комплекта входят аналог МПр типа Motorola MC68000 RISC–микропроцессор (тип микросхемы Л1876ВМ1), сопроцессор (тип микросхемы Л1876ВМ2), графический контроллер (тип микросхемы Л1876ВГ1), интерфейсный контроллер шины VME (тип микросхемы Л1876ВГ2), адресный контроллер шины VME (тип микросхемы Л1876ВГ3), а также 8 типов микросхем обрамления (шинные формирователи). Данный МПК изготовлен по КМОП технологии, напряжение электропитания +5 В, тактовая частота 25 МГц, диапазон рабочих температур от -60 0С до + 125 0С.

Шина VME, на использование которой ориентирован МПК Л1876, соответствует стандарту ГОСТ Р МЭК 821–2000, является общей системной шиной и представляет собой магистраль микропроцессорных систем для обмена информацией разрядностью от 1 до 4 байтов для систем, работающих в реальном масштабе времени Шина VME использует 32-х битную адресную шину и 32-х битную шину данных. Для управления шиной используются девять линий, объединенные в шину управления, которая в данном случае рассматривается как шина арбитра.

Шина VME включает семь линий запросов на прерывание. Передачу информации по шине контролирует арбитр шины, а устройства, подключенные к шине делятся на ведущие, которые инициализируют цикл доступа к шине, и ведомые, которые осуществляют операции по команде ведущего устройства.

Микропроцессор Л1876ВМ1 имеет разрядность 32 бита, количество регистров общего назначения равно 32, тактовая частота 25 МГц или 16 МГц, потребляемая мощность при частоте 25 МГц 4000 мВт и менее, выпускается в металлокерамическом корпусе с 175 выводами. Сопроцессор Л1876ВМ2 имеет практически аналогичные характеристики. Микросхема интерфейсного контроллера шины Л1876ВГ2 обеспечивает интерфейс между локальной 32-разрядной шиной процессора и шиной VME, а микросхема адресного контроллера шины VME предназначена обработки адресов памяти и совместной работы с интерфейсным контроллером.

289