Разработка программного обеспечения микропроцессорной системы автоматической коррекции скорости / Левшин-стр20-27

раздельные источники питания, но в любом случае должны быть решены все аспекты проблемы электромагнитной совместимости.

Создание микропроцессорного комплекта МПК БИС привело к появлению принципиально новых направлений в применении цифро­вой вычислительной техники и позволило осуществить встроенное управление простым оборудованием и приборами, распределенное управление сложным оборудованием и агрегатами, распределенные вычисления в многопроцессорных системах.

Использование микропроцессоров и микроЭВМ дает возможность получить существенный технико-экономических эффект, но требует значительных трудовых и денежных затрат.

Пользователь должен изучить и оценить преимущества исполь­зования для своих целей многих видов микропроцессорных аппара­турных средств, среди которых наиболее типичны однокристальные, многокристальные и секционные многокристальные микропроцес­соры; однокристальные микроЭВМ; все БИС микропроцессорного комплекта и совместимые с ними по конструктивно-функциональным признакам обычные ИС; минимальные микроЭВМ, скомпонованные на одиночной печатной плате; набор модулей микроЭВМ в виде совокупности печатных плат; законченные микроЭВМ в определен­ной конструкции; законченные диалоговые вычислительные комплек­сы; периферийные устройства ЭВМ, датчики, исполнительные меха­низмы; источники питания и т. д. В противном случае он на какой-то стадии работы может внезапно понять, что получает набор компо­нентов вместо законченной системы. В результате пользователь должен будет заниматься проектированием системы, средствами программного обеспечения и отладки. Вместо решения своих задач он будет занят созданием самой системы. Проблема выбора и оценки требуемых компонентов, обоснование желаемой архитектуры могут быть успешно решены лишь при квалифицированном комплексном подходе к аппаратуре, программам и оборудованию.

Оборудование, в которое встраивается микропроцессор, должно быть оснащено датчиками, определяющими режимы работы его отдельных частей или технологического процесса, а также исполни­тельными механизмами, позволяющими влиять на протекающий процесс. Информация отдатчиков и сигналы воздействия на исполни­тельные механизмы почти всегда имеют параметры сигналов, отли­чающиеся от принятых в микропроцессоре.

Устройства согласования сложно изготовлять в виде интеграль­ных схем, поскольку в них происходит усиление очень малых сигна­лов, преобразование аналоговых сигналов в дискретные и,наоборот, световых, магнитных и других в электрические и т. д. Естественным выходом из этого положения является миниатюризация всех компо­нентов управляющих систем, которая приводит к необходимости создания не только самого МП, но и семейства интегральных схем, совместимых электрически и конструктивно между собой, а также с семействами датчиков и исполнительных механизмов.

Комплексный подход к созданию и применению микропроцессор­ных информационно-управляющих систем гарантирует полную

и эффективную реализацию тех преимуществ, которые потенциально предполагают использование микропроцессоров для решения важных задач научно-технического прогресса во многих областях.

2. РАЗВИТИЕ АРХИТЕКТУРЫ МИКРОПРОЦЕССОРОВ 2.1. Классификация микропроцессоров

Микропроцессор характеризуется очень большим числом пара­метров и качеств, поскольку он, с одной стороны функционально является сложным программно-управляемым цифровым процессо­ром, т. е. устройством ЭВМ, а с другой — интегральной схемой (схемами) с высокой степенью интеграции элементов, т. е. электрон­ным прибором. Поэтому для микропроцессора важны такие каче­ства и параметры, как тип корпуса, количество источников пита­ния, требования к синхронизации, мощность рассеяния, темпера­турный диапазон, возможность расширения разрядности, цикл выполнения команд (микрокоманд), уровни сигналов, помехоустой­чивость, нагрузочная способность, объединение сигналов на выходах, надежность, долговечность и т. д.

Микропроцессор как функциональное устройство ЭВМ обеспе­чивает эффективное автоматическое выполнение операций обработки цифровой информации в соответствии с заданным алгоритмом. Для решения широкого круга задач в различных областях приме­нений микропроцессор должен обладать алгоритмически полной системой команд (операций). Теоретически показано, что мини­мальная алгоритмически полная система команд процессора со­стоит из одной или нескольких универсальных команд. Однако использование процессоров с минимальными по числу операций си­стемами команд ведет к неэкономичному использованию информа­ционных емкостей памяти и значительным затратам времени на вы­полнение «длинных» программ. Поэтому обычно в микропроцессоры встраиваются аппаратурные средства, позволяющие реализовать многие десятки и сотни команд. Такие развитые системы команд дают возможность обеспечить компактную запись алгоритмов и соответственно эффективные программы.

При проектировании микропроцессоров решают задачу опреде­ления наборов команд, выполняемых программным или аппаратур­ным способом на основе заданной системы микрокоманд. Аппара­турная реализация сложных команд дает возможность увеличить быстродействие микропроцессора, но требует значительных аппа­ратурных ресурсов кристалла интегральной схемы микропроцес­сора. Программная реализация сложных команд позволяет обеспе­чивать программирование сложных задач, изменять количество и особенности исполнения сложных команд. Однако скорость испол­нения программных команд ниже скорости исполнения аппаратур-но-реализованных команд.

всех аппаратурных средств процессора в виде одной БИС или СБИС. По мере увеличения степени интеграции элементов в кри­сталле и числа выводов корпуса параметры однокристальных • микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристаль­ных микропроцессоров ограничены аппаратурными ресурсами кри­сталла и корпуса. Поэтому более широко распространены много­кристальные микропроцессоры, а также многокристальные секци­онные микропроцессоры.

Практически во всех современных микропроцессорных системах используются сложные развитые Системы команд. Их ядро, состоя­щее из набора универсальных команд, реализуется аппаратурным способом в центральном микропроцессоре. Кроме того, специализи­рованные части наборов системы команд реализуются вспомога­тельными или периферийными микропроцессорами. Эти расширяю­щие возможности обработки данных специальные арифметические или логические микропроцессоры позволяют ускорить выполнение определенных команд и тем самым сократить время исполнения программ.

Для описания МП как функциональных устройств необходимо охарактеризовать формат обрабатываемых данных и команд, коли­чество, тип и гибкость команд, методы адресации данных, число внутренних регистров общего назначения и регистров результата, возможности организации и адресации стека, параметры виртуаль­ной памяти и информационную емкость прямоадресуемой памяти. Большое значение имеют средства построения системы прерываний программ, построения эффективных систем ввода-вывода данных и развитого интерфейса.

По числу БИС в микропроцессорном комплек-т е 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. Реализовать прин­ципиальную схему обычного процессора в виде одной или несколь­ких БИС практически невозможно из-за специфических особенно­стей БИС (ограниченность количества элементов, сложность выполнения разветвленных связей, сравнительно небольшое число выводов корпуса). Поэтому необходимо изменять структуру про­цессора так, чтобы полная принципиальная схема или ее части имели количество элементов и связей, совместимое с возможностями БИС. При этом микропроцессоры приобретают внутреннюю маги­стральную структуру, т. е. в них к единой внутренней информацион­ной магистрали подключаются все основные функциональные блоки (арифметическо-логический, рабочих регистров, стека, прерываний, интерфейса, управления и синхронизации и др.).

Для обоснования классификации микропроцессоров по числу БИС надо распределить все аппаратурные 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 части — разрядностью и возможностями подключения других уст­ройств ЭВМ (памяти, внешних устройств, датчиков и исполнитель­ных механизмов,и др.). Интерфейс процессора содержит несколько десятков шин информационных магистралей данных (МД), адресов (МА) и управления (МУ).

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации

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, а для построения развитого процессора не требуется организации большого количества новых связей и каких-либо других электронных ИС БИС.

На рис. 2.1 а показано функциональное разбиение структуры процессора при создании трехкристального микропроцессора (пунк­тирные линии), содержащего БИС операционного, БИС управ­ляющего и БИС интерфейсного процессоров.

Операционный процессор (ОП) служит для обработки данных, управляющий процессор (УП) выполняет функции выборки, 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 исполнений 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 (ИП) позво­ляет подключить память и периферийные средства к микропроцес­сору, 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. 2.1, б). Для построения многораз­рядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС МП в них добавляются средства «стыковки».

Для создания высокопроизводительных многоразрядных микро­процессоров требуется столь много аппаратурных средств, не реализуемых в доступных БИС, что может возникнуть необходи­мость еще 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» разрядности об­рабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессором при «параллельном» включении большего числа БИС.

За 10 лет с момента создания однокристальные микропроцес­соры развились от простых специализированных 4-разрядных до 16-разрядных процессоров, сравнимых по параметрам с процессо­рами средних мини-ЭВМ начала 80-х годов. Трехкристальные микро­процессоры имеют разрядность до 32 бит и параметры, сравнимые с параметрами старших моделей рядов мини-ЭВМ и средних ЭВМ общего применения.

Многокристальные секционные микропроцессоры имеют разряд­ность от 2—4 до 8—16 бит и позволяют создавать разнообразные высокопроизводительные процессоры ЭВМ.

Однокристальные и трехкристальные БИС МП, как правило, изготовляют на основе микроэлектронных технологий униполярных полупроводниковых приборов, а многокристальные секционные БИС МП — на основе технологии биполярных полупроводниковых приборов.

Использование многокристальных микропроцессорных высоко-

скоростных 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.

По назначению различают универсальные и специализиро­ванные микропроцессоры.

Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффек­тивная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т. е. его проблемная ориента­ция на ускоренное выполнение определенных функций, позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций; математичес­кие МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матрич­ных методов их выполнения; МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных — входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных — и к определению их подобия. Конволюция дает возможность в реальном масштабе вре­мени находить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума. Существовавшие до сих пор конвольверы на базе набора ИС имели большие размеры и потребляли значительную мощность. Кроме того, как правило, и конволюция и корреляция, которые являются видами цифровой согласованной фильтрации, нуждаются в обширном программном обеспечении, особенно при «бедности» аппаратурных средств конвольвера или коррелятора.

Разработанные однокристальные конвольверы используются в устройствах опознавания образов в тех случаях, когда возможности сбора данных превосходят способности системы обрабатывать эти данные.

По виду обрабатываемых входных сигналов разли­чают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцес­соры — цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразо­ватель в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преоб­разования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной

точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналого­выми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналого­вой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т. д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т. д.). При этом применение аналогового микро­процессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональ­ные возможности за счет программной «настройки» цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сиг­налов.

Обычно в составе однокристальных аналоговых МП имеется несколько каналов аналого-цифрового и цифро-аналоговово преоб­разования. В аналоговом микропроцессоре разрядность обрабаты­ваемых данных достигает 24 бит и более, большое значение уде­ляется увеличению скорости выполнения арифметических операций.

Отличительная черта аналоговых микропроцессоров — способ­ность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к вы­полнению операций сложения и умножения с большой скоростью, при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый пре­образователь. При этом согласно теореме Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частоту сигнала.

Сравнение цифровых микропроцессоров производится сопостав­лением времени выполнения ими списков операций. Сравнение же аналоговых микропроцессоров производится по количеству эквива­лентных звеньев аналого-цифровых фильтров — рекурсивных филь­тров второго порядка. Производительность аналогового микропро­цессора определяется его способностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрее осуществляется умножение, тем больше эквивалентное количество звеньев фильтра в аналоговом преобразо­вателе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровых сигналов можно задавать в микропроцессоре.

Одним из направлений дальнейшего совершенствования анало­говых микропроцессоров является повышение их универсальности и гибкости. Поэтому вместе с повышением скорости обработки боль­шого объема цифровых данных будут развиваться средства обеспе­чения развитых вычислительных процессов обработки цифровой информации за счет реализации аппаратурных блоков прерывания программ и программных переходов.

По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.

Синхронные микропроцессоры — микропроцессоры, в которых на­чало и конец выполнения операций задаются устройством управ-

ления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

Асинхронные микропроцессоры — позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффектив­ного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ при­нимает на себя память, которая в соответствии с заранее установ­ленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.

По организации структуры микропроцессорных систем различают микроЭВМ одно- и многомагистральные. В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинако­вый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.

В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подклю­чаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осущест* вить одновременную передачу информационных сигналов по несколь­ким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.

По количеству выполняемых программ раз­личают одно- и многопрограммные микропроцессоры.

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновре­менно выполняется несколько (обычно несколько десятков) про­грамм. Организация мультипрограммной работы микропроцессор­ных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоя­нием и управлением большим числом источников или приемников информации.

По назначению микропроцессоры делят на универсальные и специализированные. Универсальные МП — это такие, в системе ко­манд которых заложена алгоритмическая универсальность. Послед­нее означает, что выполняемый машиной состав команд позволяет получить преобразование информации в соответствии с любым заданным алгоритмом. К универсальным МП относятся и секцион­ные микропроцессоры, поскольку для них система команд может быть оптимизирована в каждом частном проекте создания секцион­ного микропроцессора. Специализированные микропроцессоры пред­назначены для решения определенного класса задач, а иногда только для решений одной конкретной задачи. Их существенными особен­ностями являются простота управления, компактность аппаратурных средств, низкая стоимость и малая мощность потребления.