Лекция №1 общие сведения о микропроцессорах и микропроцессорных системах.

План лекции

1. Актуальность изучения дисциплины ЭВМ и ВС.

2. Обобщенное представление микропроцессорной системы.

3. Основные определения.

4. Однокристальные микропроцессоры.

5. Основные этапы развития однокристальных МП.

Предисловие

Отличительным этапом развития современного общества является проникновение средств обработки информации (вычислительной техники) практически во все сферы деятельности. Сказанное, прежде всего, относится к персональным компьютерам, которые с успехом применяются в науке, промышленности, на транспорте, медицине, образовании, в индустрии развлечений и т.д., перечислять можно весьма долго.

Такому интенсивному продвижению СВТ человечество обязано успехам в развитии технологии производства полупроводниковых микросхем и изобретению микропроцессора, являющегося .мозгом. любой современной вычислительной системы. Создание первого микропроцессора в 1971 году положило начало эпохе компьютеризации. "Благодаря микропроцессорам компьютеры стали массовым, общедоступным продуктом", - заявил Тед Хофф, один из изобретателей первого микропроцессора.

Менее чем за тридцатилетнюю историю микропроцессоры прошли поистине гигантский путь. Первый чип Intel 4004 работал на частоте 750 КГц, содержал 2300 транзисторов и стоил около 200$. Производительность его оценивалась в 60 тыс. операций в секунду. Для сравнения, один из наиболее мощных современных микропроцессоров Alpha 21264 фирмы DEC имеет следующие характеристики: тактовая частота составляет 600 МГц; на кристалле размещено 15,2 млн. транзисторов; производительность - 2 млрд. операций в секунду, при этом стоимость микропроцессора составляет около 250$.

Сравнение приведенных значений подтверждает оценку успехов микропроцессорной индустрии, данную основателем и председателем совета директоров фирмы Intel Гордоном Муром: "Если бы автомобилестроение эволюционировало со скоростью полупроводниковой промышленности, то сегодня "Роллс-Ройс" стоил бы 3 доллара, мог бы проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина и было бы дешевле его выбросить, чем платить за парковку".

Такое интенсивное развитие технологий в обществе, где основным предметом труда становится информация, является следствием растущего спроса на новые орудия труда - компьютеры. На сегодняшний день компьютеризация является одним из главных направлений научно-технического прогресса и концентрированным его выражением. Количество и качество производимых в стране компьютеров, степень насыщенности вычислительной техникой самых разных отраслей становится одним из основных критериев ее экономического и военного потенциала.

Однако вычислительная техника, это не только персональные компьютеры. Это еще и всевозможные контрольно-измерительные, регистрирующие и управляющие системы. Автоматизация производства, позволившая существенно повысить качество выпускаемой продукции, снизить ее стоимость была бы также не возможна без цифровых систем управления, широко используемых на самых различных уровнях: обрабатывающие станки с ЧПУ, автоматизированные участки, робототехнические комплексы, цеха и т.д.

Весьма широко СВТ используются и в комплексах военного назначения. Это и радиолокационные системы, и системы управления огнем, и приводы систем наведения и стабилизации вооружения и т.д. Чем же так хороши цифровые системы управления? Основными достоинствами цифровых систем управления являются: высокая стабильность характеристик; возможность добиваться оптимальных режимов работы управляемых процессов, за счет реализации сложных нелинейных алгоритмов управления; гибкость к изменению параметров управляющих алгоритмов, да и самих алгоритмов; высокая надежность; низкая стоимость.

Анализируя различные сферы применения средств вычислительной техники можно выделить два основных направления их использования:

- на рабочих местах для рационализации проектно-конструкторских, канцелярских и редакторских работ, административного управления (обработка текстов, банковские системы и т.д.), в быту и т.д.;

- как элемент технической системы для управления различными технологическими процессами, промышленными и бытовыми машинами.

В первом случае пользователю нет необходимости вникать в особенности обработки информации на ЭВМ, знать ее устройство, архитектуру. При этом его требования к СВТ сводятся к тому, чтобы на используемой вычислительной системе можно было установить необходимую операционную систему и проблемно-ориентированные пакеты прикладных программ, а также требуемый набор языков программирования высокого уровня (Паскаль, Си и т.д.).

Особенностями второго направления использования СВТ (когда они входят в состав системы управления, автоматизированной измерительной системы и используются для управления различными процессами) являются большое количество операций обмена данными с внешними устройствами, в том числе и нестандартными, операций предварительной обработки, сортировки данных и т.п., а также работа в режиме реального времени.

Работа в режиме реального времени означает, что информация, полученная от внешних устройств, должна быть не только правильно обработана, но и своевременно выдана на выходные устройства для воздействия на управляемый процесс. Интервал времени между моментами ввода информации называется тактом квантования. Величина его зависит от инерционности управляемого процесса и может составлять от нескольких десятков микросекунд до сотен миллисекунд.

Перечисленные выше особенности применения СВТ для управления процессами определяют необходимость составления компактных управляющих программ с минимальным количеством операций, позволяющих работать с нестандартным периферийным оборудованием. Программирование таких задач на языках высокого уровня, как правило, не только мало эффективно, а зачастую и невозможно. В данном случае наиболее рациональным является программирование в машинных кодах или на языке Ассемблера.

Машинно-ориентированный язык Ассемблера является специфичным для каждой ЭВМ и, вследствие этого, наиболее соответствующим ее архитектуре. Языки Ассемблера, хотя и уступают языкам программирования высокого уровня в наглядности и "прозрачности" описания алгоритмов, однако программы, полученные после трансляции с языков программирования высокого уровня на машинный язык, уступают по эффективности (время выполнения, требуемый объем памяти) аналогичным программам, полученным после трансляции с языка Ассемблера. Кроме того, ни один язык программирования высокого уровня не дает возможности управлять всеми аппаратными ресурсами вычислительной системы, что особенно необходимо при разработке управляющих программ, работающих в реальном времени.

Т.о. для решения задач проектирования систем управления с ЭВМ в контуре управления (мехатронных систем), пользователю (разработчику САУ с ЭВМ в контуре управления) необходимы знания о структурах вычислительных систем, функциональных узлах и элементах ЭВМ, принципах их работы, взаимодействия между системными и аппаратными средствами, системным программным обеспечением и прикладными программами.

Формированию у студентов основ знаний в перечисленных областях и практических навыков работы с элементами СВТ, работающих в режиме реального времени, знакомству с основными узлами персонального компьютера и их архитектурой, различными устройствами ввода-вывода (стандартными и нестандартными), знакомству с машинно-ориентированным языком программирования Ассемблером и посвящен курс «ЭВМ и вычислительные системы».

Курс состоит из двух взаимосвязанных частей. В первой части рассматриваются общие вопросы построения современных вычислительных систем, архитектура типовой микропроцессорной системы (МПС), организация памяти МПС, способы адресации, программируемые периферийные БИС (параллельный и последовательный порты, таймер, контроллер клавиатуры), микроконтроллеры и построение на их основе микроЭВМ, основы программирования на языке Ассемблер для микропроцессора (МП) фирмы INTEL - i8086. Вторая часть посвящена изучению персональных компьютеров.