5.3. Модульные системы и одноплатные микроЭвм

Многомодульные и одномодульные (одноплатные) микропроцес­сорные вычислители строятся, как правило, на базе некоторой стан­дартной системной магистрали в соответствии с принципами магистрально-модульной организации. Под модульной системой (семейст­вом) понимается набор модулей с одной системной магистралью, совместимых по конструкции, элементной базе, программному обес­печению. Обычно модульное семейство выпускается «материнской» фирмой, предложившей стандартна системную магистраль, напри­мер, фирма DEC выпускает систему на базе магистрали Q-bus, фирма Intel — на базе магистрали Multibus, фирма Motorola — на базе магистрали VME-bus. Другие фирмы и организации, приняв в своих изделиях определенную магистраль, «поддерживают» модульную, систему, расширяя ее возможности и области использования.

Каких-либо систем классификации и обозначения модулей, реко­мендованных на международном или национальном уровне, не существует. Каждая фирма-изготовитель придерживается своей уникальной системы, что значительно затрудняет оценку и выбор модулей использователем.

Опишем следующие основные классы модулей.

Процессорные модули (одноплатные микроЭВМ, single-board computer, SBC). Стандартная в некоторой магистрально-модульной системе плата, содержащая все необходимые для электронной обра­ботки информации узлы (процессор, ОЗУ, ПЗУ, интерфейсы ввода-вывода, контроллеры), получила название одноплатной микроЭВМ. Процессорный модуль может использоваться самостоятельно, на­пример, как встраиваемая микроЭВМ, или в комплекте с другими модулями семейства, образуя многомодульный вычислитель с рас­ширенными возможностями. Характеристики одноплатных микро­ЭВМ практически совпадают с характеристиками автономных мик­роЭВМ, рассмотренными в предыдущем разделе. В табл.5.11 приве­дены основные данные типичных одноплатных микроЭВМ. Анализ характеристик процессорных модулей [2.6, 2.10] показывает, что приблизительно треть одноплатных микроЭВМ строится на МП 68000 фирмы Motorola и его модификациях, около четверти модулей выполнены на МП семейства 8086/80286 фирмы Intel и порядка 20 % — на микропроцессорах Z80 фирмы Zilog. Суммарная емкость БИС оперативной памяти, установленных на плате, колеблется от 8 Кбайт до 1 Мбайта, составляя, в среднем, 64 — 128 Кбайт. Как правило, на плате предусматриваются разъемы (розетки) для уста­новки дополнительных БИС памяти, расширяющих ОЗУ. Постоян­ная память, содержащая базовое программное обеспечение, обычно имеет емкость 24—64 Кбайт с возможностью расширения до 256—512 Кбайт. В некоторых процессорных модулях используются уни­фицированные розетки, позволяющие устанавливать либо БИС ОЗУ, либо БИС ПЗУ, т. е. пользователю предоставлена возмож­ность перераспределять адресное пространство памяти между ОЗУ и ПЗУ по своему желанию.

Существенным для оценки процессорных модулей являются спецификации линий ввода-вывода данных, обеспечивающих обмен информацией с внешними устройствами помимо основной системной магистрали. Сюда относятся линии параллельного ввода-вывода, последовательного ввода-вывода, интерфейсы периферийных устройств | и линии приема внешних запросов на прерывания. Типичная одно­платная микроЭВМ имеет 16—32 линии параллельного ввода-вывода и 2—3 последовательных порта с интерфейсом типа RS 232C или «то­ковая петля». Некоторые модули включают интерфейс типа SCSI или нестандартные средства для непосредственного сопряжения с диско­выми ВЗУ. В состав одноплатной микроЭВМ входят также таймерные БИС, на которых реализуются часы реального времени и/или ка­лендарь, БИС приоритетной обработки внешних и внутренних запро­сов на прерывания и БИС контроллера канала прямого доступа в па­мять. Встроенное программное обеспечение состоит из упрощенной версии некоторой операционной системы и набора сервисных про­грамм. Практически все процессорные, модули программно сов­местимы с родственными по линии микропроцессора мини- и микро­ЭВМ и поддерживаются их богатым программным обеспечением.

На рис. 5.7 приведена упрощенная структура процессорного модуля типа iSBC 86/30 фирмы Intel [3.6]. Модуль построен на микропроцессоре 8086-2, работающем на частотах 5 или 8 МГц. Частота выбирается пользователем коммутацией перемычек. Опе­ративное ЗУ выполнено на БИС динамической памяти суммарной емкостью 128 Кбайт. Имеются розетки для установки БИС ПЗУ или ППЗУ общей емкостью до 64 Кбайт, причем в эти же розетки можно устанавливать и БИС оперативной памяти, расширяя ОЗУ до 256 Кбайт. На частоте 8 МГц цикл обращения к оперативной па­мяти составляет 750 не, а на частоте 5 МГц— 1,2 мкс. На плате установлен трехканальный таймер (БИС 8253-5) и программируемый контроллер прерываний (БИС 8251 А), обеспечивающий обработку 28 внешних и 8 внутренних запросов на прерывания. Модуль под­ключается к магистрали Multibus I. По основным адресным линиям магистрали адресуется 1 Мбайт памяти, имеется возможность с по­мощью специального регистра мегабайта и четырех дополнитель­ных линий адреса расширить адресуемую память до 16 Мбайт. Параллельная интерфейсная БИС 8255 и драйверы ввода-вывода поддерживают обмен по 24 параллельным линиям. На плате установ­лена БИС последовательного интерфейса 8251, с помощью которой организуется интерфейс RS232C или «токовая петля». Особенно­стью одноплатной микроЭВМ является наличие разъемов магистра­ли iSBX, к которой подключаются различные мультимодули, мон­тируемые непосредственно на плате. Фирма Intel предлагает мульти­модули аналогового ввода, аналогового вывода, параллельного вво­да-вывода, последовательного ввода-вывода, арифметики с фикси­рованной запятой, арифметики с плавающей запятой. На плату можно установить только два мультимодуля по выбору пользовате­ля. Габариты модуля (в сантиметрах) — 30.40 Х 17.15 Х 1.78 — вес 388 грамм.

Модули памяти (memory board). Модули предназначены для рас­ширения памяти, расположенной на процессорной плате. Выпуска­ются модули оперативной памяти, построенные на статических или динамических БИС ОЗУ, и модули постоянной памяти, выпол­ненные на программируемых или перепрограммируемых БИС ПЗУ. Изготавливаются и модули, совмещающие оперативную и постоян­ную память. Емкость модулей колеблется от 8—16 Кбайт до 4 Мбайт. В каждом модуле обеспечивается доступ к памяти со стороны си­стемной магистрали (однопортовая память). В отдельных типах модулей возможен доступ и со стороны дополнительной локаль­ной магистрали (двухпортовая память), поддерживающей уско­ренный и упрощенный протокол обмена. Временные характеристи­ки модулей определяются временными параметрами используемых БИС, типичное время обращения составляет 100—300 не. Ряд моду­лей имеет встроенное или внешнее \батарейное питание, которое по­зволяет сохранить информацию в БИС оперативной памяти при исчезновении основного питающего напряжения.

Модули памяти iSBS MEM/3XX фирмы Intel, например, имеют емкость от 512 Кбайт (iSBS МЕМ/312) до 4 Мбайт (iSBS МЕМ/340). Память построена на динамических БИС ОЗУ, однако для ускоре­ния доступа в каждом модуле предусмотрен кэш ёмкостью 8 Кбайт, выполненный на быстродействующих статических БИС. Процессор­ный модуль может обращаться к памяти по двум магистралям iPSB и iLSB. Если при обращении по iLSB данные находятся в кэше, то для обмена не требуется тактов ожидания (см. параграф 4.1). Если данные в кэше отсутствуют, то для считывания необходим один такт ожидания. В соответствии с принципами организации пространства взаимосвязи, принятыми в Multibus II, каждый мо­дуль имеет регис1ры, в которых хранится код типа платы, код мо­дификации, серийный номер, регистры младшего и старшего адре­сов модуля. Центральный процессор может в любой момент изменить содержимое регистров адреса через пространство взаимосвязи, перераспределив тем самым пространство памяти. Предусмотрена также самодиагностика модулей при включении питания или по команде процессорного модуля. Результаты диагностики запи­сываются в регистр взаимосвязи, доступный процессору. Это позволяет автоматически реконфигурировать систему в случае отказа.

Модули контроллеров внешних устройств (controller board). Контроллерные модули реализуют функции сопряжения различ­ных внешних устройств с системной магистралью. Интерфейс с устройством может быть стандартным (параллельным или последо­вательным) или специальным, ориентированным на конкретный тип устройства. В номенклатуре модульных систем присутствуют контроллеры различных накопителей на магнитных дисках (гиб­ких, жестких, сменных), контроллеры последовательных синхрон­ных и асинхронных линий, контроллеры управления модемами (полный интерфейс RS 232C), контроллеры параллельных интер­фейсов типа GPIB, SCSI и других. Например, фирма DEC выпус­кает модуль четырехканального последовательного интерфейса DLVJL-XX, который можно аппаратно настраивать на работу с интерфейсами RS232C, RS422, RS423, «токовая петля». Возможно управление скоростью обмена по каждому каналу отдельно в диапа­зоне 150-38400 бит/с. Модуль рассчитан на работу с магистралью Q-bus.

Модули связи с объектом. Эти модули обеспечивают обмен ин­формацией с объектом управления. Как правило, в состав семей­ства входят модули аналого-цифрового преобразования, цифро-аналогового преобразования, модули ввода и модули вывода дис­кретных сигналов с электрической развязкой цепей ввода-вывода и внутренних цепей. Предлагаются также модули с различными комбинациями устройств связи. Фирма DEC выпускает, например, модуль аналогового ввода-вывода AXVII-C, на котором имеется 16 каналов ввода и два канала вывода аналоговых сигналов.

Наряду с перечисленными платами широкого применения отдельные фирмы включают в состав семейств ряд модулей специально­го назначения. Сюда относятся модули, необходимые для организа­ции вычислительного процесса в многомодульных и/или многопро­цессорных микроЭВМ (арбитры, сервисные модули, контроллеры прямого доступа, обработчики прерываний), модули, обеспечива­ющие повышение производительности системы при решении спе­циальных задач (арифметические расширители для выполнения опе­раций с фиксированной и плавающей запятой над многоразрядными операндами, модули для выполнения быстрого преобразования Фурье, обработчики изображений и тому подобное).

Каждая модульная система поддерживается также большой но­менклатурой сервисного оборудования: конструктивами (крейтами) и их элементами, блоками питания, вентиляционными блоками, прототипными (экспериментальными) платами, приборами для тестирования и ремонта.

Совершенствование микроэлектронной элементной базы несом­ненно приведет в ближайшие годы к увеличению разрядности мо­дульных и автономных микроЭВМ до 32 бит, повышению емкости памяти до 8—16 Мбайт, росту производительности до 5—10 млн. операций/с, и, как следствие, к значительному расширению фун­кциональных возможностей и областей применения средств микро­процессорной вычислительной техники.