ЭВМ лекции

исполнительных устройств. Таким образом, позже поступившие команды могут быть выполнены до ранее выбранных. Чтобы запись в память результатов

происходила в соответствии с исходной последовательностью поступления команд программы, на выходе данных включается специальная буферная память,

восстанавливающая порядок выдачи результатов согласно выполняемой программе.

Одновременное параллельное выполнение команд может оказаться невозможным, если они обращаются к одному регистру. При ограниченной емкости РЗУ процессора такие случаи могут возникать достаточно часто, что снижает эффективность работы исполнительных конвейеров. Поэтому в ряде процессоров вводятся специальные регистровые блоки, дублирующие РЗУ. При поступлении команд, которые обращаются к одинаковым регистрам РЗУ, производится их переадресация к дублирующим регистровым блокам – «переименование» регистров. В результате обеспечивается возможность одновременного выполнения таких команд, что позволяет реализовать более эффективную параллельную работу исполнительных конвейеров.

Хотя микропроцессор является универсальным средством для цифровой обработки информации, однако отдельные области применения требуют

реализации определенных специфических вариантов их структуры и архитектуры. Поэтому по функциональному признаку выделяются два класса: микропроцессоры общего назначения и специализированные микропроцессоры.

Среди специализированных микропроцессоров наиболее широкое распространение получили микроконтроллеры, предназначенные для выполнения функций управления различными объектами, и цифровые сигнальные процессоры (DSP – Digital Signal Processor), которые ориентированы на реализацию процедур, обеспечивающих необходимое преобразование аналоговых сигналов, представленных в цифровой форме.

231

Рис. 25.3 Классификация современных микропроцессоров

по функциональному признаку

Микропроцессоры общего назначения предназначены для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации. Их основной областью использования являются персональные компьютеры, рабочие станции, серверы и другие цифровые системы массового применения. К этому классу относятся CISC-процессоры компаний Intel, Advanced MicroDevices (AMD), Motorola, и RISC-процессоры компании Motorola и некоторых других производителей.

Расширение области применения таких микропроцессоров достигается, главным образом, путем роста производительности, благодаря чему увеличивается круг задач, который можно решать с их использованием. Поэтому

повышение производительности является магистральным направлением развития этого класса микропроцессоров. Обычно это 32-разрядные микропроцессоры (некоторые микропроцессоры этого класса имеют 64-разрядную или 128- разрядную структуру), которые изготавливаются по самой современной промышленной технологии, обеспечивающей максимальную частоту функционирования.

Благодаря своей универсальности микропроцессоры общего назначения используются также в специализированных системах, где требуется высокая производительность. На их основе реализуются одноплатные компьютеры и промышленные компьютеры, которые применяются в системах управления различными объектами. Одноплатные (встраиваемые) компьютеры содержат на

232

плате необходимые дополнительные микросхемы, обеспечивающие их специализированное применение, и предназначены для встраивания в аппаратуру различного назначения. Промышленные компьютеры размещаются в корпусах специальной конструкции, обеспечивающих их надежную работу в жестких производственных условиях. Обычно такие компьютеры работают без стандартных периферийных устройств (монитор, клавиатура, “мышь”) или используют специальные варианты этих устройств, модифицированные с учетом специфических условий применения.

Микроконтроллеры (однокристальные микроЭВМ) – разновидность микропроцессорных систем, ориентированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами.

Характерной особенностью структуры микроконтроллеров является размещение на одном кристалле с центральным процессором внутренней памяти и большого набора периферийных устройств. В состав периферийных устройств обычно входят несколько 8-разрядных параллельных портов ввода-вывода данных (от 1 до 8), один или два последовательных порта, таймерный блок, аналого-цифровой преобразователь. Кроме того различные типы микроконтроллеров содержат дополнительные специализированные устройства – блок формирования сигналов с широтно-импульсной модуляцией, контроллер жидко-кристаллического дисплея и ряд других. Благодаря использованию

внутренней памяти и периферийных устройств реализуемые на базе микроконтроллеров системы управления содержат минимальное количество дополнительных компонентов.

В связи с широким диапазоном решаемых задач управления требования, предъявляемые к производительности процессора, объему внутренней памяти команд и данных, набору необходимых периферийных устройств, оказываются весьма разнообразными. Для удовлетворения запросов потребителей выпускается большая номенклатура микроконтроллеров, которые принято подразделять на 8-, 16- и 32-разрядные.

• 8-разрядные микроконтроллеры имеют относительно низкую производительность, которая вполне достаточна для решения широкого круга

233

задач управления различными объектами. Это простые и дешевые микроконтроллеры, ориентированные на использование в относительно несложных устройствах массового выпуска. Основными областями их применения являются бытовая и измерительная техника, промышленная автоматика, автомобильная электроника, теле-, видео- и аудиоаппаратура, средства связи.

Для этих микроконтроллеров характерна реализация Гарвардской архитектуры, где используется отдельная память для хранения программ и данных. Для хранения программ в различных типах микроконтроллеров применяется либо масочно-программируемое ПЗУ (ROM), либо однократно- программируемое ПЗУ (PROM), либо электрически перепрограммируемое ПЗУ (EPROM, EEPROM или Flash). Внутренняя память программ обычно имеет объем от нескольких единиц до десятков Кбайт. Для хранения данных используется регистровый блок, организованный в виде нескольких регистровых банков, или внутреннее ОЗУ. Объем внутренней памяти данных составляет от нескольких десятков байт до нескольких Кбайт. Ряд микроконтроллеров этой группы позволяет, в случае необходимости, дополнительно подключать внешнюю память команд и данных, объемом до 64 –256 Кбайт.

Микроконтроллеры этой группы обычно выполняют относительно небольшой набор команд (30-100), использующих наиболее простые способы адресации. В ряде последних моделей этих микроконтроллеров реализованы принципы RISC-архитектуры, что позволяет существенно повысить их производительность. В результате такие микроконтроллеры обеспечивают выполнение большинства команд за один такт машинного времени.

• 16-разрядные микроконтроллеры во многих случаях являются усовершенствованной модификацией своих 8-разрядных прототипов. Они характеризуются не только увеличенной разрядностью обрабатываемых данных, но и расширенной системой команд и способов адресации, увеличенным набором регистров и объемом адресуемой памяти, а также рядом других дополнительных возможностей. Обычно эти микроконтроллеры позволяют расширить объем

памяти программ и данных до нескольких Мбайт путем подключения внешних

234

микросхем памяти. Во многих случаев реализуется их программная совместимость с более младшими 8-разрядными моделями. Основная сфера применения таких микроконтроллеров – сложная промышленная автоматика, телекоммуникационная аппаратура, медицинская и измерительная техника.

• 32-разрядные микроконтроллеры содержат высокопроизводительный процессор, соответствующий по своим возможностям младшим моделям микропроцессоров общего назначения. В ряде случаев процессор, используемый

вэтих микроконтроллерах, аналогичен CISC- или RISC-процессорам, которые

выпускаются или выпускались ранее в качестве микропроцессоров общего назначения. Например, в 32-разрядных микроконтроллерах компании Intel используется процессор i386, в микроконтроллерах компании Motorola широко применяется процессор 68020, в ряде других микроконтроллеров в качестве процессорного ядра служат RISC-процессоры типа PowerPC. На базе данных процессоров были реализованы различные модели персональных компьютеров.

Введение этих процессоров в состав микроконтроллеров позволяет использовать

всоответствующих системах управления огромный объем прикладного и системного программного обеспечения, созданный ранее для соответствующих персональных компьютеров.

Кроме 32-разрядного процессора на кристалле микроконтроллера размещается внутренняя память команд емкостью до десятков Кбайт, память данных емкостью до нескольких Кбайт, а также сложно-функциональные периферийные устройства – таймерный процессор, коммуникационный процессор, модуль последовательного обмена и ряд других. Микроконтроллеры работают с внешней памятью объемом до 16 Мбайт и выше. Они находят

широкое применение в системах управления сложными объектами промышленной автоматики (двигатели, робототехнические устройства, средства комплексной автоматизации производства), в контрольно-измерительной аппаратуре и телекоммуникационном оборудовании.

Во внутренней структуре этих микроконтроллеров реализуется Принстонская или Гарвардская архитектура. Входящие в их состав процессоры

235

могут иметь CISC- или RISC-архитектуру, а некоторые из них содержат несколько исполнительных конвейеров, образующих суперскалярную структуру.

Цифровые сигнальные процессоры (ЦСП, DSP) представляют класс специализированных микропроцессоров, ориентированных на цифровую обработку поступающих аналоговых сигналов. Специфической особенностью

алгоритмов обработки аналоговых сигналов является необходимость последовательного выполнения ряда команд умножения-сложения с накоплением промежуточного результата в регистре-аккумуляторе. Поэтому архитектура ЦПС ориентирована на реализацию быстрого выполнения операций такого рода. Набор команд этих процессоров содержит специальные команды MAC (Multiplication with Accumlation), реализующие эти операции.

Значения поступившего аналогового сигнала может быть представлено в виде числа с фиксированной или с “плавающей” точкой. В соответствии с этим ЦСП делятся на процессоры, обрабатывающие числа с фиксированной или плавающей точкой. Более простые и дешевые ЦСП с фиксированной точкой обычно обрабатывают 16-разрядные операнды, представленные в виде правильной дроби. Однако ограниченная разрядность в ряде случаев не позволяет обеспечить необходимую точность преобразования. Поэтому в ЦСП с фиксированной точкой, выпускаемых компанией Motorola, принято 24-разрядное представление операндов. Наиболее высокая точность обработки обеспечивается в случае представления данных в формате с «плавающей» точкой. В ЦСП, обрабатывающих данные с «плавающей» точкой, обычно используется 32- разрядный формат их представления.

Для повышения производительности при выполнении специфических операций обработки сигналов в большинстве ЦПС реализуется Гарвардская архитектура с использованием нескольких шин для передачи адресов, команд и данных. В ряде ЦПС нашли применение также некоторые черты VLIW- архитектуры: совмещение в одной команде нескольких операций,

обеспечивающих обработку имеющихся данных и одновременную загрузку в исполнительный конвейер новых данных для последующей обработки.

236

26. Принципы организации ввода/вывода информации в ЭВМ

Вводом/выводом (ВВ) называют передачу данных между ядром ЭВМ, включающим в себя процессор и оперативную память, и периферийными устройствами (ПУ). Периферийные устройства называют также интерфейсными устройствами или устройствами ввода-вывода.

Устройства ввода преобразуют информацию в форму понятную машине, после чего компьютер может ее обрабатывать и запоминать. Устройства вывода переводят информацию из машинного представления в образы, понятные человеку.

Ниже приведена классификация устройств ввода:

Рис. 26. 1 Классификация устройств ввода

Самым известным устройством ввода информации является клавиатура (keyboard) – это стандартное устройство, предназначенное для ручного ввода информации. Работой клавиатуры управляет контроллер клавиатуры,

расположенный на материнской плате и подключаемый к ней через разъем на задней панели компьютера. При нажатии пользователем клавиши на клавиатуре,

контроллер клавиатуры преобразует код нажатой клавиши в соответствующую последовательность битов и передает их компьютеру. Отображение символов, набранных на клавиатуре, на экране компьютера называется эхом. Обычная современная клавиатура имеет, как правило, 101-104 клавиши, среди которых выделяют алфавитно-цифровые клавиши, необходимые для ввода текста,

237

клавиши управления курсором и ряд специальных и управляющих клавиш. Существуют беспроводные модели клавиатуры, в них связь клавиатуры с компьютером осуществляется посредством инфракрасных лучей.

Наиболее важными характеристиками клавиатуры являются чувствительность ее клавиш к нажатию, мягкость хода клавиш и расстояние между клавишами. На долговечность клавиатуры определяется количеством нажатий, которые она рассчитана выдержать. Клавиатура проектируется таким образом, чтобы каждая клавиша выдерживала 30-50 миллионов нажатий.

К манипуляторам относят устройства, преобразующие движения руки пользователя в управляющую информацию для компьютера. Среди манипуляторов выделяют мыши, трекболы, джойстики.

Мышь предназначена для выбора и перемещения графических объектов экрана монитора компьютера. Для этого используется указатель, перемещением которого по экрану управляет мышь. Мышь позволяет существенно сократить работу человека с клавиатурой при управлении курсором и вводе команд.

Особенно эффективно мышь используется при работе графическими редакторами, издательскими системами, играми. Современные операционные системы также активно используют мышь для управляющих команд.

У мыши могут быть одна, две или три клавиши. Между двумя крайними клавишами современных мышей часто располагают скрол. Это дополнительное устройство в виде колесика, которое позволяет осуществлять прокрутку документов вверх-вниз и другие дополнительные функции.

Мышь состоит из пластикового корпуса, сверху находятся кнопки, соединенные с микропереключателями. Внутри корпуса находится обрезиненный металлический шарик, нижняя часть которого соприкасается с поверхностью стола или специального коврика для мыши, который увеличивает сцепление шарика с поверхностью. При движении манипулятора шарик вращается и

переедает движение на соединенные с ним датчики продольного и поперечного перемещения. Датчики преобразуют движения шарика в соответствующие импульсы, которые передаются по проводам мыши в системный блок на управляющий контроллер. Контроллер передает обработанные сигналы

238

операционной системе, которая перемещает графический указатель по экрану. В беспроводной мыши данные передаются с помощью инфракрасных лучей. Существуют оптические мыши, в них функции датчика движения выполняют приемники лазерных лучей, отраженных от поверхности стола.

Трекбол по функциям близок мыши, но шарик в нем больших размеров, и перемещение указателя осуществляется вращением этого шарика руками. Трекбол удобен тем, что его не требуется перемещать по поверхности стола, которого может не быть в наличии. Поэтому, по сравнению с мышью, он занимает на столе меньше места. Большинство переносных компьютеров оснащаются встроенным трекболом.

Джойстик представляет собой основание с подвижной рукояткой, которая может наклоняться в продольном и поперечном направлениях. Рукоятка и основание снабжаются кнопками. Внутри джойстика расположены датчики,

преобразующие угол и направление наклона рукоятки в соответствующие сигналы, передаваемые операционной системе. В соответствии с этими сигналами осуществляется перемещение и управление графических объектов на экране.

Дигитайзер – это устройство для ввода графических данных, таких как чертежи, схемы, планы и т. п. Он состоит из планшета, соединенного с ним визира или специального карандаша. Перемещая карандаш по планшету, пользователь рисует изображение, которое выводится на экран.

Сканер – устройство ввода графических изображений в компьютер. В сканер закладывается лист бумаги с изображением. Устройство считывает его и пересылает компьютеру в цифровом виде. Во время сканирования вдоль листа с

изображением плавно перемещается мощная лампа и линейка с множеством расположенных на ней в ряд светочувствительных элементов. Обычно в качестве светочувствительных элементов используют фотодиоды. Каждый светочувствительный элемент вырабатывает сигнал, пропорциональный яркости отраженного света от участка бумаги, расположенного напротив него. Яркость отраженного луча меняется из-за того, что светлые места сканируемого изображения отражают гораздо лучше, чем темные, покрытые краской. В цветных сканерах расположено три группы светочувствительных элементов,

239

обрабатывающих соответственно красные, зеленые и синие цвета. Таким образом, каждая точка изображения кодируется как сочетание сигналов, вырабатываемых светочувствительными элементами красной, зеленой и синей групп.

Закодированный таким образом сигнал передается на контроллер сканера в системный блок.

Различают сканеры ручные, протягивающие и планшетные. В ручных сканерах пользователь сам ведет сканер по поверхности изображения или текста.

Протягивающие сканеры предназначены для сканирования изображений на листах только определенного формата. Протягивающее устройство таких

сканеров последовательно перемещает все участки сканируемого листа над неподвижной светочувствительной матрицей. Наибольшее распространение получили планшетные сканеры, которые позволяют сканировать листы бусмги, книги и другие объекты, содержащие изображения. Такие сканеры состоят из пластикового корпуса, закрываемого крышкой. Верхняя поверхность корпуса выполняется из оптически прозрачного материала, на который кладется сканируемое изображение. После этого изображение закрывается крышкой и производится сканирование. В процессе сканирования под стеклом перемещается лампа со светочувствительной матрицей.

Главные характеристики сканеров - это скорость считывания, которая выражается количеством сканируемых станиц в минуту (pages per minute - ppm), и разрешающая способность, выражаемая числом точек получаемого изображения на дюйм оригинала (dots per inch - dpi).

После ввода пользователем исходных данных компьютер должен их обработать в соответствии с заданной программой и вывести результаты в форме,

удобной для восприятия пользователем или для использования другими автоматическими устройствам посредством устройств вывода.

Выводимая информация может отображаться в графическом виде, для этого используются мониторы, принтеры или плоттеры. Информация может также

воспроизводиться в виде звуков с помощью акустических колонок или головных телефонов, регистрироваться в виде тактильных ощущений в технологии

240