D_ris_2
.docДәріс 2. Микропроцессорлық жүйелерді жобалау. Микропропроцессорлық жүйелерді бейнелеу деңгейлері
Қазіргі кезде есептеу жүйелерін микропроцессорлық жүйелер негізінде жобалау кезінде «3М» (модульділік, магистралдық, микропрограммалану) деп аталатын қағидат қолданыс тапты.
Модульді ұйымдастыру қағидаты есептеу және басқарушы микропроцессорлық жүйелерді берілген класс есептерін өз бетінше немесе басқа модульдермен өзара біріге отырып шеше алатындай етіп, модульдер жиынтығы негізінде конструктивті, функционалды және электрлі түрде біткен есептеу құрылғылар түрінде жасауды білдіреді.
Ақпаратты алмасудың магистралдық әдісі еркін байланыс әдісіне қарағанда («әрқайсысы әрқайсысымен» принципі бойынша) микропроцессорлық жүйедегі байланыс сандарын азайтады және реттейді. Бұл әдіс түрлі деңгейдегі функционалды және конструктивті модульдермен кіріс және шығыс құрсымдарын біріктіретін магистралдар көмегімен ақпарат алмасуға мүмкіндік береді.
Микропрограммалық басқару көпфункционалдық модульдерді ұйымдастыру кезінде жоғары икемділікті қамтамасыз етеді және микропроцессорлық жүйенің бағытталуы қабілетін жоғарлатып, онда макро операцияларды орындауға мүмкіндік береді, бұл өз алдына стандартты программаларды қолдану тиімділігін жоғарлатады.
Микропроцессорлық жүйенің сәулетін жасауда (жүйелік сатыда) келесі мәселелерді шешіп алған жөн:
- жүйеде есептеу процессін жасау және ұйымдастыру кезіндегі қолданушы талаптарын ескере отырып жүйенің функционалдық әрекетінің концептуалды баяндамасын жасау;
- программалық және микропрограммалық құрылғыларды жасаудың құрылымын, номенкулатурасын және ерекшелігін анықтау;
- деректер ағымының және басқарушы ақпараттың үшкі ұйымдастырылуының сипаттамасын беру;
- программалық, микропрограммалық және аппаратуралық құрылғылардың баланстылығы тұрғысынан жүйе құрылғыларының функционалдық құрылымының және физикалық іске асырылуының анализін жүргізу (сурет - 2.1).
Микропроцессорлық жүйе абстрактілі бейнелеудің келесі деңгейлерінің бірінде баяндалуы мүмкін:
- «қара жәшік»;
- құрылымдық;
- программалық;
- логикалық;
- сұлбалық.
«Қара жәшік» деңгейінде микропроцессорлық жүйе сыртқы спецификациялармен баяндалады; сыртқы сипаттамалар қарастырылады.
Құрылымдық деңгей микропроцессорлық жүйенің компонеттерімен баяндалады: микропроцессорлармен, жады құрылғыларымен, енгізу-шығару құрылғыларымен, сыртқы жады құрылғыларымен, байланыс арналарымен. Микропроцессорлық жүйе жеке құрылғылармен және олардың өзара байланысымен, ақпараттық ағындармен баяндалады.
Программалық деңгей екі ішкі деңгейлерге бөлінеді: процессор және тіл командалары. Микропроцессорлық жүйе операторлар немесе командалар тізбектілігімен интерпретацияланады.
Логикалық деңгей дискретті жүйелерге ғана тән. Бұл деңгейде екі ішкі деңгей ерекшеленеді: ауыспалар сұлбасы және регистрлік сілтемелер. Ауыспалар сұлбасы ішкі деңгейі логикалық элементтерден және солардың негізінде жасалған деректер өңдеу операторларына тұрады.
Сұлбалық деңгей резисторлардан және конденсаторлардан қалыптасады. Бұл деңгейде жүйе күйінің көрсеткіштері қызметін уақыт немесе жиілік функцияларында бейнеленетін кернеу және тоқ атқарады. Дискретті жүйені баяндаудың бұл деңгейі аналогтық жүйелерді баяндауда кеңінен қолданылады.
Микропроцессорлық жүйелерді жобалау сатылары. Құрамында бірнеше типті микропроцессорлық жиынтықтар бар көппроцессорлы микропроцессорлық жүйелерді жобалау кезінде жады ұйымдастыру, процессорлармен өзараәрекеттесі, құрылғылар мен жүйе арасында және сыртқы орта арасында алмасуды ұйымдастыру, түрлі жылдамдықты құрылғылар қызметін сәйкестендіру сияқты және т.б. мәселелерді шешу керек.
2.1 – сурет. Жүйелік сатының негізгі мәселелері
Микропроцессорлық жүйені жасау кезіндегі сатылардың шамаланған тізбегі:
1. Жүйеге қойылатын талаптарды формализациялау;
2. Жүйенің құрылымын және сәулетін жасау;
3. Жүйенің аппараттық құрылғыларын және программалық қамтамаларын әзірлеп, дайындау;
4. Кешендік жөндеу және қабылдап өткізуші сынақ.
1 cаты. Бұл сатыда жүйенің сыртқы спецификациялары құрастырылып, функциялары анықталады, жүйеге арналаған техникалық тапсырма жасалынады, жүйені жасаушының ойлары нақты құжаттарға түседі.
2 саты. Бұл сатыда жеке құрылғылар мен программалық құрылғылардың функциялары анықталады, микропроцессорлық жиындар таңдалынып, соның негізінде жүйе әзірленеді, аппараттық және программалық құрылғылар арасындағы өзараәрекеттестік, жеке құрылғылардың және программалардың уақыттық сипаттамалары анықталады.
3 саты. Аппаратуралар және программалардың атқаратын қызметтері анықталған соң, сұлбатехниктер мен программалаушылар біруақытта нақты бір тәжірибелік үлгіні және программалық құрылғыты жасауға кіріседі. Аппаратураны әзірлеу, жасау құрылымдық және принипиалдық сұлбаларды сызудан басталады. Программаны жасау алгоритмдерді құрастырудан, бастапқы программаның мәтінін жазудан, бастапқы программаларды объектілі программаларға транцляциялаудан басталады.
4 саты. Кешендік жөндеу.
Микропроцессорлық жүйені жобалаудың әрбір сатысында түрлі қателіктер кетуі мүмкін, дұрыс емес шешімдер қабылдануы мүмкін. Нәтижесінде аппаратурада ақаулар (дефектілер) пайда болуы мүмкін.
Пайда болған қателерді және ақауларды жою күрделі мәселе болып табылады, өйткені: біріншіден, қателердің аз болуы, екіншіден, түрлі ақаулар бірдей түрде байқалуы мүмкін.
Жобаның дұрыстығын тексеру. Жобалаудың дұрыстығын тексерудің негізгі әдістері:
- иландыру (верификация) – жобаның дұрыстығын тексерудің формальді әдістері;
- модельдеу;
- тестілеу.
Қателер, ақаулар, дефектілер. Микропроцессорлық жүйенің тіршілік циклы кез келген дискретті жүйедегідей үш кезеңнен тұрады: жобалау, дайындау және эксплуатациялау.
Ақаулар пайда болу себептеріне байланысты төмендегідей жіктелінеді:
- физикалық, егер ақау себебі элементтер дефектісі немесе қоршаған ортаның физикалық әсері болса;
- субъективті (енгізілген, енгізілмеген), ақау, егер себеп жобалауда, элементтерді дұрыс монтаждамау, оператордың дөрекі қателері болса.
Субъективті ақаулар жобалық және интерактивті болып бөлінеді.
Қате – ақаудың пайда болуы (физикалық немесе субъективті).
Дефектілер – жүйе компоненттерінің параметрлерінің физикалық түрде шектен тыс өзгеруі. Оларды жаңылысу (сбой) деп атайды, егер олар уақытша болса, егер тұрақты сипатқа ие болса істен шығу (отказ) деп аталады.
Бұл жағдайда мынандай себепті тізбекті байланыс бар:
1) құраушы бөліктердің сипаттмаларының өзгеруі себебінан пайда болған дефект, осы нүктедегі логикалық айнымалылардың ауытқуына себеп болады;
2) ақау жүйенің басқа бөліктеріне қате логикалық шамалар беруі мүмкін, бұл өз алдына басқа логикалық сұлбалардың ақауларына әкеліп соғуы мүмкін;
3) қателердің себебінен программа орындалу кезінде қате нәтижелер алуымыз мүмкін.
Микропроцессорлық жүйені автономды және кешенді түрде жөндеу. МПЖ-ні автономды жөндеу аппаратураны және программаны жөндеуден тұрады.
Аппаратураны жөндеу МПЖ-ң жеке құрылғыларын мәтіндік кіріс әсерлерін енгізу арқылы және жауаптық реакцияларды алу арқылы (процессорды, жедел жады құрылғысын, контроллерлерді, қоректендіру көздерін, тактілі импульс генераторларын) тестілеуден тұрады.
Содан соң, олардың өзараәрекеттестігін мекен, деректер және басқару магистраліндегі сигналдарды анализдеу арқылы тексеріледі.
Магистралдардың жұмысқа қабілеттілігін тексеріп алған соң, аппаратураны процессордың түрлі мекендету режімдерінде және таңдалынған деректер кодасында тексеру жүргізіледі.
Программалардың дұрыстығын тексеру екі әдіспен орындалатын тестілеу арқылы жүргізіледі: қадамдық режіммен және программамен із салу (трассировка).
Қадамдық режімді немесе із салуды қолданып программаның жеке бөліктері тексерілген соң, бақылау нүктелерін орнату көмегімен біріктіріп, тексеруге болады.
Программаны жөндеу құрылғылары келесі міндеттерді орындау керек: программаның орындалуын басқару, програманың орындалу барысы туралы ақпарат жинау, программалау тілі деңгейінде программалаушы және ЭЕМ арасында ақпарат алмасуды (диалогты) қамтамасыз ету, МПЖ-ң құрамында жоқ аппаратуралық құрылғылар жұмысын моделдеу.
Микропроцессорлық жүйені кешендік түрде жөндеудің негізгі бес тәсілі болады:
- нақты бір оқиғаның пайда болған кезінде жүйе қызметін тоқтату;
- жады немесе регистрлік жүйенің мазмұнын оқу;
- жүйе жұмысын қадам бойынша қадағалау;
- жүйе жұмысын нақты уақытта қадағалау;
- программалардың уақытша келісуі.
Кешендік жөндеу жобаланған жүйенің техникалық тапсырмаға сәйкестігін көрсететін қабылдап-өткізуші сынақтармен аяқталады. МПЖ-ге кешендік жөндеу жүргізу үшін логикалық анализаторлар және кешендер қолданылады: баға беру, жөндеуші, микропроцессорлардың дамуы, диагностикалау, жөндеу құрылғылары.
Микропроцессорлық жүйелерді жөндеу құрылғылары. Жобаланатын микропроцессорлық жүйелерді жасау және жөндеу үшін аналогтық аспаптың функцияларын орындай алатын құрылғылар керек, яғни кернеу мен токты өлшей алатын, сигнал формасын тудыра алатын, нақты бір формадағы импульстерді шығара алатын және т.б.; берілген уақыттық диаграммаға немесе берілген жұмыс істеу алгоритміне сәйкес біруақытта бірнеше кірістерге сигналдар тізбегін бере алатын; уақыттың бір аралығында көптеген желілерден сигнал мәндерін (желілерде берілетін оқиғалармен (программаланатын) – комбинациялармен немесе сигналдар тізбегімен анықталатын) жинай алатын; жиналған ақпараттарды уақыттық диаграмма немесе логикалық күйлер кестесі, немесе жоғары деңгейлі тілдерде өңдеп және бейнелей алатын.
Автономды түрде жөндеу үшін аппаратураны сұлбалық деңгейде бақылауға мүмкіндік беретін осциллографтар, вольтметрлер, амперметрлер, жиілік өлшегіштер, импульс және кодала генераторлары кеңінен қолданылады.
Микропроцессорлық жүйелерге кешендік түрде жөндеу жүргізу үшін логикалық анализаторлар, бағалау және жөндеу кешендері, диагноз жасаушы және дамытушы кешендер қолданылады.
Логикалық анализаторлар (ЛА) – дискретті жүйелердің жағдайлары туралы деректерді жинауға, оларды өңдеуге және оны түрлі абстракция деңгейлерінде операторға жеткізуге арналған бақылаыуш-өлшеуіш құралдары.
ЛА арналар санымен, жады сыйымдылығымен, жазу жиілігімен, уақыт үйлесімдеу (синхронизация) және іске қосу әдістерімен, деректерді бейнелеу формаларымен сипатталады.
ЛА (сурет-2.2) құрамына кіріс сигналдары деңгейінің компараторын (салыстырғышын) (ДК), жады құрылғылары (ЖҚ), логикалық компаратор (ЛК), кідіріс (зедержка) (ТГ) және синхросигнал (ССГ) генераторы, режім ауыстырғышы (РА), іске қосу құрылғысы (ІҚҚ) және ауани шығысты басқару құрылғысы (ВШҚ), дисплей (Д).
ЛА сигналдардың шамасын анықтау кезінде, деңгейі бойынша нормаланған цифрлық сигналдарды бейнелейді.
Диагностика кешені ЛА және сөздер генераторының (СГ) мүмкіндіктерін ортақтандырады, дигностика жасалынатын жүйеге кіріс бойынша әсер ете алады, жүйенің жауаптық реакциясын жинап және талдайды.
2.2 – сурет. Логикалық анализатор құрылымы.
Диагностика кешені (сурет-2.3) құрамына мыналар кіреді: шеткі құрылғылары бар микроЭЕМ, СГ және ЛА.
Бағалаушы кешендер программалық деңгейде микропроцессорлық жүйеге жөндеу жүргізуге арналған. Бағалаушы кешендер – минималды құрамалардан тұратын микроЭЕМ. Бағалаушы кешен құрамына МП, жүйелік программаларды сақтауға арналған тұрақты жады, деректер және қолданылатын программалар жедел жадысы, пернетақтаны (клавиатураны) және дисплейді қосуға арналған енгізу-шығару контроллері кіреді.
|
2.3 – сурет. Диагностикалау кешенінің құрылымы
|
Жөндеуші кешендер микропроцессорлық жүйені программалық баяндау деңгейінде жөндеуге арналған. Бағалау кешендерінен дамыған программалық қамтамасымен, кеңейтілген жады сыйымдылығымен және енгізу-шығару құрылғыларының үлкен санымен жұмыс істеуге мүмкіндік беретін күрделі интерфейсімен ерекшеленеді. Кешендерді микропроцессорлық жүйелерді жобалау кезінде қолдану келесідей артықшылықтар береді: ассемблер тілінде немесе |
жоғары деңгейлі тілде программалау, көптеген сыртқы құрылғылармен жұмыс істей алу мүмкіндігі, дамытылған операциялық жүйелер. Кемшіліктері: типті микропроцессорға арналған, жобаланатын жүйеге сәулет тұрғысында шектеулер қояды, жүйе күйі туралы ақпарат жинауға және оның тәртібін бақылауға мүмкіндік бермей жүйелік ресурстарды қолданады.
Жөндеуші кешендердің жүйелік программалық қамтамалары құрамына жүйелік монитор және программалау жүйесі кіреді: ассемблер немесе макроассемблер, мәтін редакторы, байланыс редакторы, жүктеуіш және жөндеуіш.
Дамыту кешендері микропроцессорлық жүйені программалық баяндау деңгейінде жөндеуге арналған және жүйе тәртібін программалық деңгейде басқаруға, жүйе тәртібі туралы ақпарат жинауға, жетпейтін құрылғыларды модельдеуге мүмкіндік береді.
Кешен перифериясы бар және ішкісұлбалы эмуляторы (ІСЭ) бар микроЭЕМнен тұрады. Дамыту кешендері бірпроцессорлыққа және көппроцессорлыққа, бірмагистралдыға және көпмагистралдыққа бөлінеді.
Көппроцессорлық көпмагистралды кешендер төменде (2.4-суретте) көрсетілген: әрбір ІСЭ микропроцессор эмуляторынан (МПЭ), жеке жадыдан (ЭЖ) және магистралдан тұрады, бұл эмуляцияны басқа эмуляторлардың МП-на қарамастан жүргізе беруге мүмкіндік береді.
Дамыту кешенінің программалық қамтамасы: нақты бір МП-ға, драйверға, байланыс редакторына, жүктеуішке, жүйелік мониторға ассемблер тілінде немесе жоғарғы деңгейлі программалау тілінде программа жасауды қамтамасыз ететін операциялық жүйеден, файлдарды басқару жүйесінен, мәтін редакторынан, ассемблер-кроссынан, компиляторлар-кроссынан тұрады.
2.4 – сурет. Дамыту кешенінің көппроцессорлық көпмагистралды құрылымы.
Негізгі әдебиет 2[74-77], 3[30-37, 70-78]
Қосымша әдебиет 5[50-85]
Бақылау сұрақтары:
1. Микропроцессорды автономды және кешенді түрде жөндеудің мәні неде?
2. МПЖ-ні жөндеу кезінде қолданылатын аспаптарды атаңыз және олардың әрқайсысының жөндеу кезінде атқаратын міндетін атаңыз.
3. Логикалық анализаторлардың міндеті, құрамы және жұмыс режімдері.
4. Диагностикалау кешендерінің міндеті, құрамы және функциясы.
5. Бағалау және жөндеу кешендерінің міндеті, құрамы және функциясы.
6. Дамыту кешендерінің міндеті, құрамы және функциясы.
7. Біркристалдық МПЖ-і жобалаудың негізгі сатыларын атаңыз.