Вопросы к государственному экзамену по специальности 2012-2013 уч.Г. Микропроцессорные устройства систем управления

1. Классификация микропроцессорных устройств и особенности проектирования систем на их основе.

2. Обобщенная структура микропроцессорной системы.

3. Архитектурные особенности и функциональные возможности 8-разрядных микропроцессоров.

4. Архитектурные особенности и функциональные возможности 16-разрядных микропроцессоров.

5. Организация памяти в микропроцессорных системах.

6. Организация устройств ввода/вывода информации в микропроцессорных системах.

7. Разработка аппаратных средств микропроцессорной системы.

8. Разработка программного обеспечения микропроцессорной системы.

9. Современные микроконтроллеры. Архитектура, особенности различных типов микроконтроллеров.

10. Методы контроля и диагностирования микропроцессорных устройств.

1. Классификация микропроцессорных устройств и особенности проектирования систем на их основе.

Микропроцессор (МП) – программно - управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления этим процессом, выполненное в виде одной или нескольких БИС с высокой степенью интеграции электронных элементов. Микропроцессорная система (МПС) – функционально – законченное изделие, состоящее из одного или нескольких микропроцессорных устройств: микропроцессора и/или микроконтроллера. Отличие МП от других элементов радиоэлектроники - замена схемного метода реализации функций математическим, программным методом. Свойства МПС - высокая гибкость, возможность перенастройки при необходимости изменений алгоритмов управления. МП используются для производства персональных ЭВМ, основа создания встраиваемых систем, телекоммуникационного и портативного оборудования и т.д. Лидеры в производстве микропроцессорных средств - фирмы Motorola и Intel.

МП и МПК классифицируют по ряду признаков.

1. По количеству БИС, составляющих функционально - законченный МПК, различают:

• многокристальные МПК;

• однокристальные МК (ОМК).

К многокристальным МПК относят МПК с однокристальными и секционными МП.

В этом случае необходимо распределить все аппаратурные блоки МП между основными функциональными частями: управляющей, операционной и интерфейсной. Сложность операционной и управляющей частей МП определяется их системой команд, разрядностью и требованиями к системе прерываний. Сложность интерфейсной части определяется разрядностью и возможностью подключения других устройств.

Однокристальный МП (микропроцессоры с фиксированной разрядностью данных ) – это конструктивно-законченное изделие в виде одной БИС. По мере возрастания степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных МП (ОМП) улучшаются. Однако возможности ОМП ограничены аппаратурными возможностями (ресурсами) кристалла и корпуса. К этому типу относятся процессоры компаний Intel – Pentium (P5, P6, P7), AMD – K5, K6, Cyrix – 6x86, Digital Equipment – Alpha 21064, 21164A, Silicon Graphics – MIPS R10000, Motorola – Power PC 603, 604, 620, Hewlett-Packard – PA-8000, Sun Microsystems – Ultra SPARC ΙΙ.

В секционных микропроцессорах в одной БИС реализуется лишь некоторая функциональная часть (секция) процессора. Другое название секционных МП – разрядно-модульные микропроцессоры или микропроцессоры с наращиванием разрядности. Микропроцессорная секция - это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Секционность БИС МП определяет возможность «наращивания» разрядности обрабатываемых данных или усложнения УУ МП при одновременном включении большего числа БИС, обуславливает значительную гибкость МПС. К секционным относятся МП серий К589, К1804.

Однокристальный микроконтроллер представляет собой устройство, выполненное конструктивно в одном корпусе БИС и содержащее все основные составные части МПК. К таким микроконтроллерам относятся ОМК компаний Intel – MCS-196/296, MicroChip – PIC17C4x, PIC17C75x, Mitsubishi Electric – M3820, Motorola – MC33035, MC33039.

2. По назначению микропроцессоры разделяют на: универсальные МП; специализированные МП.

Универсальными микропроцессорами являются МП общего назначения, которые решают широкий класс задач вычисления, обработки и управления.

Специализированные микропроцессоры предназначены для решения задач лишь определенного класса. К специализированным МП относятся: сигнальные, медийные, мультимедийные МП и транспьютеры.

Сигнальные процессоры предназначены для цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени (например, для фильтрации сигналов, вычисления свертки, вычисления корреляционной функции, ограничения и преобразования сигнала, выполнения прямого и обратного преобразования Фурье). К сигнальным процессорам относятся процессоры компаний Texas Instruments – TMS320C80, Analog Devices – ADSP2106x, Motorola – DSP560xx, DSP9600x.

Медийные и мультимедийные процессоры предназначены для обработки аудиосигналов, графической информации, видеоизображений, а также для решения ряда задач в мультимедиакомпьютерах, игровых приставках, бытовой технике. К медийным и мультимедийным процессорам относятся МП компаний MicroUnity – Mediaprocessor, Philips – Trimedia, Cromatic Reserch – Mpact Media Engine, Nvidia – NV1, Cyrix – MediaGX.

Транспьютеры предназначены для организации массовых параллельных вычислений и работы в мультипроцессорных системах. Для них характерным является наличие внутренней памяти и встроенного межпроцессорного интерфейса, т.е. каналов связи с другими БИС МП. К транспьютерам относятся процессоры компании Inmos – T-2, T-4, T-8, T-9000.

3.По характеру временной организации работы МП делят на:

- синхронные МП – те, в которых все процессы синхронизированы сигналами тактового генератора. В этом случае время выполнения операции не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов (МП фирмы Intel);

- асинхронные МП - позволяют начало выполнения каждой следующей операции определять по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции (МП фирмы Dec).

4. По способу управления различают микропроцессоры со схемным и с микропрограммным управлением.

Микропроцессоры со схемным управлением имеют фиксированный набор команд, разработанный компанией – производителем, который не может изменяться потребителем.

В микропроцессорах с микропрограммным управлением систему команд разрабатывают при проектировании конкретного МПК на базе набора простейших микрокоманд с учетом класса задач, для решения которых предназначен МПК.

5. По типу архитектуры или принципу построения различают МП с фон-неймановской архитектурой и МП с гарвардской архитектурой.

Фон-неймановская архитектура (одношинная или принстонская) - архитектура с общей, единой шиной для данных и команд. В составе системы в этом случае присутствует одна общая память, как для данных, так и для команд.

Гарвардская архитектура (или двухшинная) - архитектура с раздельными шинами данных и команд. Предполагает наличие в системе отдельной памяти для данных и отдельной памяти для команд. Обмен процессора с каждым из двух типов памяти происходит по своей шине.

6. По типу системы команд различают CISC - процессоры (Complete Instruction Set Computing) – с полным набором команд, RISC - процессоры (Reduced Instruction Set Computing) – с сокращенным (уменьшенным) набором команд, MISC - процессоры (Minimum Instruction Set Computing) – с минимальным набором команд и высоким быстродействием (в настоящее время находятся в стадии разработки).

7. По организации структуры микропроцессорных систем различают:

- одномагистральные микро-ЭВМ - в них все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов;

- многомагистральные микро-ЭВМ – все устройства группами подключаются к своей информационной магистрали, что позволяет осуществлять одновременную передачу информационных сигналов по нескольким магистралям.

8. По количеству выполняемых программ различают:

- однопрограммные МП - выполняется одна программа, переход к выполнению следующей осуществляется после завершения предыдущей программы;

- многопрограммные МП - выполняется одновременно несколько программ.

9. По ширине шины данных (по длине обрабатываемых данных):

- 8-ми разрядные, применяемые для построения простых МПС (контроллеров);

- 16-ти разрядные, применяемые для построения микро-ЭВМ (персональных микро-ЭВМ - ПЭВМ);

- 32-ух разрядные, применяемые для построения ПЭВМ высокой производительности;

- секционные, применяемые для построения МПС с произвольной шириной ШД.

Многие МПК подпадают под разные классификационные признаки, поскольку способны решать задачи разных классов. Так, существуют универсальные МП с мультимедийным расширением наборов команд, например Pentium MMX, Pentium ΙΙ, Cyrix 6x86MX, AMD K6, Ultra SPARC. В CISC – процессорах Pentium PRO реализовано ядро с RISC – архитектурой.