2.5. Микроконтроллеры

Для дешифрации слова состояния МП и генерации ряда управляющих сигналов может быть применен микроконтроллер, состоящий из минимального количества компонентов микропроцессорного набора (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Структурная схема микроконтроллера

Микроконтроллер - управляющее устройство, выполненное на одном или нескольких кристаллах, выполняющее функции логического анализа и управления. За счет исключения арифметических операций аппаратная сложность микроконтроллеров по сравнению с МП ниже, а функции логического управления более развиты. Микроконтроллеры применяются не только в составе микроЭВМ как устройства управления, но и в системах передачи данных, в системах управления технологическими процессами. Микроконтроллер имеет сравнительно небольшую разрядность слова и богатый набор команд манипулирования отдельными битами, но не способен реализовывать некоторые арифметические и строковые операции, характерные для универсальных микропроцессоров.

Программируемые микроконтроллеры лишены недостатков схем управления с жесткой логикой, с жесткими электрическими связями и обеспечивают изменение программы функционирования с помощью встроенного или автономного устройства программирования, что предопределило их использование и для создания современных АСУ технологическими процессами. При этом отпадает необходимость в отключении технологического оборудования и исключаются трудоемкие и дорогостоящие процессы, связанные с перепроектированием систем управления. Программируемые контроллеры кроме функций управления могут выполнять и функции регулирования.

Микропроцессорные контроллеры обладают высокой степенью автономности и могут продолжать работу при отказе центральной ЭВМ и линий связи, что повышает живучесть системы управления, значительно снижает общую ее стоимость, габариты и потребляемую мощность.

2.6. Особенности организации однокристальных и секционных микропроцессоров

При проектировании микропроцессоров решают задачу определения наборов команд, выполняемых программным или аппаратным способом на основе заданной системы микрокоманд. Аппаратная реализация сложных команд в УУ с жесткой логикой дает возможность увеличить быстродействие микропроцессора, но требует значительных аппаратных ресурсов кристалла БИС МП. Программная реализация сложных команд в УУ с

На рис. 2.8, б показано функциональное разбиение структуры процессора при создании трехкристального микропроцессора, 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 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 устройства и МП, он, по существу, является сложным контроллером для УВВ. БИС ИП выполняет также функции канала прямого доступа к памяти.

Многокристальные секционные МП получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются частисекции логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями (рис. 2.8, в). Для построения многоразрядных процессоров при параллельном включении секции БИС в них добавляются средства «стыковки».

Для создания высокопроизводительных многоразрядных МП требуется столь много аппаратных средств, не реализуемых в доступных БИС, что может возникнуть необходимость еще и в функциональном разбиении структуры МП горизонтальными плоскостями. В результате функционально и конструктивно законченные части процессора реализуются в виде БИС каждая. 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 позволяет «наращивать» разрядность обрабатываемых данных или усложнять УУ при «параллельном» включении большого числа БИС.

Кроме того, выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются каждой частью МП автономно, и поэтому может быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС МП, то есть конвейерный поточный режим выполнения последовательности команд программы. Такой режим работы значительно повышает производительность МПС.

За 15 лет с момента создания однокристальные МП развились от простых специализированных 4-разрядных до 16-разрядных МП, сравнимых по параметрам с процессорами средних миниЭВМ. Трехкристальные МП имеют разрядность до 32 бит и параметры, сравнимые с параметрами старших моделей рядов миниЭВМ и средних ЭВМ общего применения. Многокристальные секционные МП имеют разрядность от 2-4 до 8-16 бит и позволяют создавать разнообразные высокопроизводительные процессоры ЭВМ. Так, германская фирма Parsytec производит суперЭВМ Super Claster (SC), выполненную в виде наращиваемой ВС, содержащей от 64 до 1000 секционных процессоров (транспьютеров) типа Т800. ЭВМ GC имеет 64 - 16384 транспьютерных узлов на базе транспьютера типа Т9000. Её производительность достигает 400 опер/с. Название «GС» происходит от GigaClaster.

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 МП 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 и повысить производительность ЭВМ и ВС.

В табл. 2.1 приведены характеристики некоторых из выпускаемых отечественной промышленностью МП комплектов БИС.

Примечание: n=1, 2, 4,...

2.7. Способы организации связи между МП и устройством вводавывода

Различают три способа организации связи между МП и УВВ: программно-управляемая передача данных; использование прерываний; прямой доступ к памяти ПДП.

Под программно-управляемой передачей данных подразумевается обмен данными между МП и УВВ. Отличительной особенностью этого способа обмена является использование одной или нескольких специальных команд, инициирующих этот обмен.

При оценке программно-управляемой передачи данных необходимо учитывать следующие факторы:

-большинство электромеханических УВВ имеют на несколько порядков меньшее быстродействие по сравнению с МП, поэтому при рассматриваемом способе обмена время ожидания готовности УВВ может быть очень большим;

-программно-управляемая передача данных не может быть инициирована по запросу от УВВ.

Эти факторы вызвали появление различных систем прерывания.

Система прерываний позволяет УВВ инициировать обмен данными с МП. Для этого МП должен иметь вход, периодически опрашиваемый МП (обычно после выполнения каждой команды). Сигнал прерывания на этом входе заставляет МП отложить исполнение основной программы и перейти в режим обслуживания прерывания. Организация системы прерываний требует решения следующих задач:

-должно быть идентифицировано устройство, от которого поступил запрос на прерывание;

-должно быть сохранено состояние активных регистров МП, так как оно может использоваться после возобновления выполнения основной программы;

-после окончания обслуживания прерывания состояние этих регистров должно быть восстановлено.

Различают два способа реализации перечисленных функций: программный и аппаратный.