Рабочий стол / Alaev_A_N (1) / Алаев А.Н / DIGITAL_Konsp

191

Хофф (Ted Hoff), Стэн Мэйзор (Stan Mazor) и Федерико Фэджин (Federico Faggin). Они позаимствовали многие решения из архитектуры больших ЭВМ. Однако чтобы разместить процессор на одном кристалле, им пришлось снизить его разрядность до четырех. Это позволило уменьшить количество транзисторов и упаковать процессор в 16-контактный корпус - самый большой в то время (для сравнения, современный Pentium имеет 64-разрядную внешнюю шину и помещается в 296-контактном корпусе). Процессор мог выполнять 45 инструкций, и для программируемого калькулятора компании Busicom к комплекту MCS-4 достаточно было добавить четыре кристалла памяти по 256 байт. Процессор имел 2300 транзисторов, 4-разрядную шину данных и 12-разрядную шину адреса (шины мультиплексировались) и тактовую частоту 108 kHz. Это позволяло ему выполнять

0,06 млн операций в секунду (MIPS-Millions of Instructions Per Second).

Как только разработка поступила в серийное производство, Тэд Хофф и Стэн Мэйзор приступили к созданию его 8-разрядной версии - 8008. Это был первый микропроцессор, имевший систему прерываний и мультиплексированную шину адресданные, но функционировал он неудовлетворительно. И уже в 1974 г. появился, также 8-разрядный, кристалл 8080. Он содержал 6000 транзисторов, выполнял более 250 команд, причем некоторые из них работали с парами регистров - с 16-разрядными данными. Его адресное пространство 64 KB по тем временам было огромным (современный Pentium Pro может адресоваться к 64 ТВ виртуальной памяти).

Микропроцессор (МП) представляет собой функционально завершенное универсальное программно-управляемое устройство осуществляющее процесс цифровой обработки данных и управления им, выполненное в виде одной или нескольких микропроцессорных БИС.

Микросистема (МС) - цифровое устройство или система обработки данных, контроля и управления, построенная на базе одного или нескольких МП, памяти, устройства ввода/вывода и интерфейсных схем.

С выходом 8-разрядных чипов Intel открылись широчайшие перспективы для разработки дешевого программируемого оборудования. И события не заставили себя ждать. Вскоре Гари Килдэлл (Gary Kildall) из Digital Research создал для процессора 8080 операционную систему СР/М. Этот программный продукт значительно упростил процесс разработки и отладки прикладного программного обеспечения и, вместе с

доступных массовому потребителю компьютеров.

Первым персональным компьютером принято считать микроЭВМ Altair 8800 компании MITS, которая поступила в продажу в 1975 г. и уже была оснащена операционной системой СР/М. Машина выпускалась в виде набора "Сделай сам" или как законченное изделие и предназначалась для любителей сложной технической игрушки. В дальнейшем появился расширенный вариант устройства для бухгалтерских и инженерных расчетов.

Многие компании с середины 70-х годов приступили к производству личных, домашних, любительских микроЭВМ, но главный успех достался компании Apple, выпустившей в 1977 г. одноименную ПЭВМ, которая отличалась совершенным программным обеспечением, рассчитанным на самого неподготовленного пользователя. Дружественное программное обеспечение (friendly software) расширило круг потенциальных покупателей.

Усовершенствованный 16-разрядный чип появился в 1978 г. одновременно в "двух лицах" - 8086 и 8088. Первый чип содержал 29000 транзисторов, более развитую систему команд, имел 16-разрядные внешнюю и внутреннюю шины данных, 20разрядную шину адреса и работал на частоте 5 MHz (некоторые версии имели частоту до 10 MHz). Его производительность в 10 раз превышала этот показатель своего предшественника (0,33 MIPS, но на 16-разрядной архитектуре).

Строго придерживаясь принципа программной совместимости, Intel сохранила 16-разрядный адресный регистр, присущий чипу 8080, но для расширения адресного пространства до 1 MB добавила сегментный регистр, тем самым создав новую идеологию адресации, которая применяется и сегодня.

Процессор 8086 уже имел примитивный конвейер: блок интерфейса с шиной (Bus Interface Unit) поставлял поток инструкций исполнительному блоку (Execution Unit) из б-байтовой очереди, так что операции выборки и исполнения осуществлялись одновременно. Это был истинно 16-разрядный процессор, в отличие от следующей модели — 8088 (с математическим сопроцессором 8087), которая вышла спустя год.

Процессор 8088 совпадал со своим предшественником во всем, кроме того, что имел 8-разрядную внешнюю шину данных. Это позволяло строить недорогие системы, используя 8-разрядные наборы чипов серии 8085. Именно на процессор 8088 обратила,

193

наконец, внимание, корпорация IBM — флагман компьютерной индустрии. В октябре 1981 г. IBM предложил рынку первую IBM PC, а уже к концу года было продано более 35 тыс. компьютеров.

Эти близнецы обрели мировую известность благодаря вычислительным системам класса Extended Technology - знаменитым PC XT компании IBM с прекрасным DOS-ом и незабываемой оболочкой Norton Commander. Архитектура 8086/8088 превратилась в промышленный стандарт для персональных компьютеров.

Достигнутые к началу 70-х гг. успехи в области технологии интегральных микросхем и организации вычислительных устройств привели к появлению нового класса приборов — микропроцессоров. Сегодня микропроцессорная техника — индустриальная отрасль со своей методологией и средствами проектирования.

К настоящему времени накоплен большой практический опыт проектирования микропроцессоров и микропроцессорных систем, область применения которых постоянно расширяется.

1. Классификация микропроцессоров

По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.

Процессоры даже самых простых ЭВМ имеют сложную функциональную структуру, содержат большое количество электронных элементов и множество разветвленных связей. Изменять структуру процессора необходимо так, чтобы полная принципиальная схема или ее части имели количество элементов и связей, совместимое с возможностями БИС. При этом микропроцессоры приобретают внутреннюю магистральную архитектуру, т. е. в них к единой внутренней информационной магистрали подключаются все основные функциональные блоки (арифметико-логический, рабочих регистров, стека, прерываний, интерфейса, управления и синхронизации и др.).

Для обоснования классификации микропроцессоров по числу БИС надо распределить все аппаратные блоки процессора между основными тремя функциональными частями: операционной, управляющей и интерфейсной. Сложность операционной и управляющей частей процессора определяется их разрядностью, системой команд и требованиями к системе прерываний; сложность интерфейсной

(памяти, внешних устройств, датчиков и исполнительных механизмов и др.). Интерфейс процессора содержит несколько десятков информационных шин данных (ШД), адресов (ША) и управления (ШУ).

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.

На рис. 1.1,а показано функциональное разбиение структуры процессора при создании трехкристального микропроцессора (пунктирные линии), содержащего БИС операционного (ОП), БИС управляющего (УП) и БИС интерфейсного (ИП) процессоров.

Операционный процессор служит для обработки данных, управляющий процессор выполняет функции вьборки, декодирования и вычисления адресов операндов и также генерирует последовательности микрокоманд. Автономность работы и большое быстродействие БИС УП позволяет выбирать команды из памяти с большей скоростью, чем скорость их исполнения БИС ОП. При этом в УП образуется очередь еще не исполненных команд, а также заранее подготавливаются те данные, которые потребуются ОП в следующих циклах работы. Такая опережающая выборка команд экономит время ОП на ожидание операндов, необходимых для выполнения команд программ. Интерфейсный процессор позволяет подключить память и

195

Рис. 1.1 Функциональная структура процессора (а) и ее разбиение для реализации процессора в виде комплекта секционных БИС.

периферийные средства к микропроцессору; он, по существу, является сложным контроллером для устройств ввода/вывода информации. БИС ИП выполняет также функции канала прямого доступа к памяти.

Выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются каждой частью микропроцессора автономно и поэтому может быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС МП, т.е. конвейерный поточный режим исполнения последовательности команд программы (выполнение последовательности с небольшим временным сдвигом). Такой режим работы значительно повышает производительность микропроцессора.

Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями (рис. 1.1,6). Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляются средства "стыковки".

Для создания высокопроизводительных многоразрядных микропроцессоров требуется столь много аппаратных средств, не реализуемых в доступных БИС, что может возникнуть необходимость еще и в функциональном разбиении структуры микропроцессора горизонтальными плоскостями. В результате рассмотренного функционального разделения структуры микропроцессора на функционально и конструктивно законченные части создаются условия реализации каждой из них в виде БИС. Все они образуют комплект секционных БИС МП.

Таким образом, микропроцессорная секция это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Секционность БИС МП определяет возможность "наращивания"

196

разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессора при "параллельном" включении большего числа БИС.

Однокристальные и трехкристальные БИС МП, как правило, изготовляют на основе микроэлектронных технологий МОП приборов, а многокристальные секционные БИС МП на основе технологии биполярных полупроводниковых приборов. Использование многокристальных микропроцессорных высокоскоростных биполярных БИС, имеющих функциональную законченность при малой физической разрядности обрабатываемых данных и монтируемых в корпус с большим числом выводов, позволяет организовать разветвление связи в процессоре, а также осуществить конвейерные принципы обработки информации для повышения его производительности.

Внастоящее время определилось три направления развития МП:

•универсальные микропроцессоры

•микроконтроллеры

•сигнальные 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, в которых работает только одна программа - программа управления, называются контроллерами. Слово контроллер образовалось от английского слова to control - управлять.

Термин контроллер образовался от английского слова to control - управлять. Эти устройства могут основываться на различных принципах работы от механических или оптических устройств до электронных аналоговых или цифровых устройств. Механические устройства управления обладают низкой надежностью и высокой стоимостью по сравнению с электронными блоками управления, поэтому в дальнейшем мы такие устройства рассматривать не будем. Электронные аналоговые устройства требуют постоянной регулировки в процессе эксплуатации, что увеличивает стоимость их эксплуатации. Поэтому такие устройства к настоящему

сегодняшний день схемами управления являются схемы, построенные на основе цифровых микросхем.

В зависимости от стоимости и габаритов устройства, которым требуется управлять, определяются и требования к контроллеру. Если объект управления занимает десятки метров по площади, как, например, автоматические телефонные станции, базовые станции сотовых систем связи или радиорелейные линии связи, то в качестве контроллеров можно использовать универсальные компьютеры. Управление при этом можно осуществлять через встроенные порты компьютера (LPT, COM, USB или ETHERNET). В такие компьютеры при включении питания заносится управляющая программа, которая и превращает универсальный компьютер в контроллер.

Использование универсального компьютера в качестве контроллера позволяет в кратчайшие сроки производить разработку новых систем связи, легко их модернизировать (путем простой смены программы) а также использовать готовые массовые (а значит дешевые) блоки.

Если же к контроллеру предъявляются особенные требования, такие, как работа в условиях тряски, расширенном диапазоне температур, воздействия агрессивных сред, то приходится использовать промышленные варианты универсальных компьютеров. Естественно, что эти компьютеры значительно дороже обычных универсальных компьютеров, но все равно они позволяют экономить время разработки системы, за счет того, что не нужно вести разработку аппаратуры контроллера.

Контроллеры требуются не только для больших систем, но и для малогабаритных устройств таких как радиоприемники, радиостанции, магнитофоны или сотовые аппараты. В таких устройствах к контроллерам предъявляются жесткие требования по стоимости, габаритам и температурному диапазону работы. Этим требованиям не могут удовлетворить даже промышленные варианты универсального компьютера.

С другой стороны при использовании микропроцессоров в целях управления, обработки сигналов и т. п. не требуется больших объемов памяти для микропрограмм и данных. Поэтому на одном кристалле удается объединить собственно микропроцессор, память программ и память данных, интерфейсные устройства. Такие микросхемы имеют функционально законченное содержание и получили название

микроконтроллеров.

198

Любые устройства, в том числе и устройства связи, радиоавтоматики или аудиовизуальной аппаратуры требуют присутствия в своем составе устройства управления (контроллера). Контроллеры требуются практически во всех предметах и устройствах, которые окружают нас.

В качестве примера на рис. 1.2 приведены узлы автомобиля, в которых применяются микроконтроллеры.

Рис. 1.2. Пример использования микроконтроллеров в узлах современного автомобиля

Наиболее распространенными в настоящее время являются микроконтроллеры семейства MCS-51. Это семейство поддерживается рядом фирм - производителей микросхем. Не менее распространенными в мире но не в России являются микроконтроллеры фирмы Motorolla. Это такие семейства как HC05, HC07, HC11 и многие другие. Пожалуй, не менее популярными микроконтроллерами являются микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel.

Сигнальные процессоры решают задачи, которые традиционно решала аналоговая схемотехника. Это такие задачи как фильтрация и поиск сигналов, вычисление спектров, преобразование сигналов из одного вида в другой, устранение отражений и выделение полезного сигнала на фоне помех. К сигнальным процессорам предъявляются специфические требования. От них требуются максимальное быстродействие, малые габариты, легкая стыковка с аналого-цифровыми и цифроаналоговыми преобразователями, большая разрядность обрабатываемых данных и небольшой набор математических операций, обязательно включающий операцию умножения-накопления и аппаратную организацию циклов.

В настоящем курсе рассматриваются только однокристальные микроконтроллеры.

199

2.Архитектура микроконтроллера

2.1Основные характеристики микроконтроллера

Микроконтроллер (МК) характеризуется:

1)тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ;

2)разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

Разрядностъ МК обозначается m/n/k/ и включает:

m -разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

к- разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;

3)архитектурой. Понятие архитектуры МК включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

В процессе развития архитектура МК претерпела существенные изменения. Первые МК строились по так называемой Принстонской архитектуре (архитектуре фон Неймана) рис. 2.1, в которой память для команд и данных является общей. Эта архитектура имеет свои достоинства – простоту, возможность оперативного перераспределения памяти между областями хранения команд и данных и др. Недостаток – последовательная во времени выборка из памяти команд и данных, передаваемых по одной и той же системной шине, что ограничивает производительность МК. Тем не менее в силу своих достоинств Принстонская архитектура не только длительное время доминировала в микропроцессорной технике, но и сохранила свои позиции до настоящего времени.

200

Рис.2.1. Фон-Неймановская архитектура МК В Гарвардской архитектуре рис. 2.2 память команд и память данных разделены,

причем каждая из них имеет собственную шину для общения с процессором. При этом во время передач данных для выполнения текущей команды можно производить выборку и расшифровку следующей, что повышает производительность МК системы. Реализация системы по сравнению с Принстонской усложняется (в системе больше шин), ниже коэффициент использования памяти. Но в в МК системах высокой производительности и внутренних структурах высокопроизводительных МК Гарвардская архитектура находит широкое применение.

По другому архитектурному признаку, связанному с характером системы команд, МК делятся на:

-CISC - процессоры;

-RISC - процессоры;

-VLIW - процессоры.

МК CISC имеют так называемую полную систему команд (Complex Instruction Set Computer), т. е. большой набор разно форматных команд при использовании многих способов адресации. Архитектура CISC присуща классическим процессорам, она в силу многообразия команд (общее число команд составляет 100…200) позволяет применять эффективные методы решения задач, но, в тоже время, усложняет схему процессора и увеличивает его стоимость и в общем случае не обеспечивает максимального быстродействия. Они характеризуются следующими особенностями:

•Нефиксированным значением длины команды.

•Исполнение операций, таких как загрузка в память, арифметические действия кодируется в одной инструкции.