1. Типы архитектур микроконтроллеров
Архитектура микроконтроллера – это логическая организация микроконтроллера, определяемая возможностями микропроцессора по аппаратной или программной реализации требуемых функций.
Архитектура микроконтроллера связана со структурой МП, отражает способы представления и форматы данных, набор операций, форматы управляющих слов, способы обращения ко всем доступным элементам структуры, реакцию на внешние сигналы [3]. К настоящему времени накоплен богатый опыт в организации вычислительных процессов. Сформировался ряд структур, которые имеют свои особенности, связанные с областью их применения.
По размещению основных устройств, входящих в вычислительную систему (ВС), различают:
- локальные системы, когда основные устройства сосредотачиваются в одном месте, обеспечивая для ЭВМ доступность информационного обеспечения специалистов непосредственно на их рабочих местах или обеспечивая для МК функции управления вблизи объектов управления;
- распределенные системы, когда основные устройства, входящие в систему, рассосредотачиваются либо по пространственному, либо по функциональному признаку. Распределенные МК предназначены для обработки информации в местах ее возникновения, для сбора обработанной информации с целью выработки управляющих воздействий. Вынесение устройств обработки непосредственно к источникам в распределенных системах позволяет получить значительную экономию в количестве и распределении линий связи, повышает живучесть системы. Распределенные высокопроизводительные ВС используются для параллельных вычислений и состоят из множества однотипных МП, которые ведут параллельную обработку информации.
1.1 Основные структуры вычислительных систем
По организации связей между основными устройствами, входящими в вычислительную систему, различают следующие структуры ВС [3]:
- магистральные ВС, когда все устройства подключаются к трем типам магистралей – данных (МД), адреса (МА) и управления (МУ). При этом возможна многопроцессорная структура со специализированными командами (рисунок 1.1.1). Стоимость ВС с магистральной структурой невысока, но производительность ограничивается пропускной способностью магистралей;
..….
Рисунок 1.1.1 Магистральные ВС
- матричные ВС, когда структура имеет регулярный характер и МП соединяются между собой с помощью координатного коммутатора. МП при этом имеют свои запоминающие устройства (ЗУ) (рисунок 1.1.2). Матричную ВС можно рассматривать как некоторый массив МП и ЗУ, позволяющий построить граф для оптимального решения поставленной задачи. При этом выделяют блоки МП, решающие части задач параллельно и последовательно, и составляют оптимальную структурную схему ВС в виде графа, вершинам которого соответствуют параллельные ветви алгоритма, а дугам – связи между ними.
Рисунок 1.1.2 Матричные ВС
Преимуществом матричных ВС является высокая производительность решения задач, а недостатком является трудность программной организации работы системы и большая избыточность аппаратных средств при решении нерегулярных задач;
Рисунок 1.1.3 Конвейерная ВС
- конвейерные ВС, когда поток данных проходит последовательно через одновременно работающие МП, каждый из которых выполняет часть преобразований из общего преобразования и полученный частичный результат передается на другую ступень конвейера (рисунок 1.1.3). Конвейерные ВС являются специализированными и ориентированными на реализацию однообразных операций Yi на каждой ступени конвейера;
- радиальные ВС, когда имеется центральный микропроцессорный модуль (ЦММ), к которому с помощью двунаправленных шин подключаются периферийные МП или микроЭВМ (рисунок 1.1.4.).
Рисунок 1.1.4 Радиальная ВС
ЦММ обеспечивает независимость процессов, происходящих в отдельных МП, от структуры сообщения, а также защиту устройств друг от друга. Наличие ЦММ, выполняющего функции коммутатора и отказ которого приводит к отказу всей системы, снижает живучесть и мобильность системы;
Рисунок 1.1.5 Кольцевая ВС
- кольцевые ВС, когда имеется кольцевое соединение МП или микроЭВМ, при котором каждый МП связан с двумя соседними (рисунок 1.1.5). В кольце может одновременно циркулировать одно или несколько сообщений. Промежуточный МП выполняет несколько функций – транслирует сообщения к нужному МП, распознает и обрабатывает сообщения, направленные к нему самому. При высокой надежности кольцевые ВС обладают недостатком – при росте числа сообщений снижается пропускная способность системы.