Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Типы архитектуры микропроцессорной системы
Микропроцессорная система (МПС) является универсальным вычислительным устройством; примером микропроцессорной системы является в частности персональный компьютер (ПК). МПС обрабатывает информацию, представленную только в числовой форме. Любая входная информация (данные) с этой целью преобразуется и кодируется в виде двоичных чисел. Устройство МПС, непосредственно выполняющее преобразование (обработку) данных, называется процессором. Микропроцессор – это процессор, выполненный в виде интегральной схемы сверхбольшой степени интеграции (СБИС). Структура и функции МПС видны из классической схемы Фон-Неймана, представленной на рисунке 1.1.
Рис.1.1. Структурная схема ЭВМ..
Эта архитектура была представлена Джоном фон-Нейманом еще в 1945 году и имеет следующие основные признаки. Машина состоит из блока управления, арифметико-логического устройства (АЛУ), памяти и устройств ввода/вывода. В ней реализуется концепция хранимой программы: программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Выполняемые действия определяются блоком управления и АЛУ, которые вместе являются основой центрального процессора. Центральный процессор (CPU – central processor unit) выбирает и исполняет команды из памяти последовательно, адрес очередной команды задается "счетчиком адреса" в блоке управления. Этот принцип исполнения называется последовательной передачей управления. Данные, с которыми работает программа, могут включать переменные - именованные области памяти, в которых сохраняются значения с целью дальнейшего использования в программе. Использование микропроцессоров в системах управления имеет ряд особенностей по сравнению с использованием их в качестве ядра универсальной микроЭВМ - персонального компьютера (ПК). Персональный компьютер, используемый как для научно-технических расчетов, так и для многоцелевой обработки информации, ориентирован в первую очередь на взаимодействие с пользователем. Задача персонального компьютера обрабатывать данные по запросу пользователя, обеспечивая при этом удобный человеко-машинный интерфейс. Основная же задача управляющей микропроцессорной системы (МПС) состоит в том, чтобы на основании информации, получаемой от датчиков, вычислить и передать на исполнительные механизмы, управляющие воздействия. Как правило, управляющие МПС встраиваются в оборудование и настраиваются на конкретную область применения. Поэтому работают они уже по готовым программам, которые хранятся в ПЗУ.
Микропроцессоры в системах управления имеют другой тип архитектуры микропроцессорной системы — это гарвардская архитектура. Эта архитектура 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. В однокристальных микроконтроллерах в основном применяется гарвардская архитектура с раздельными шинами. В состав управляющей МПС обязательно входят специальные блоки (контроллеры) для приема данных от датчиков состояния среды и объекта, а также для передачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы. В этих блоках данные преобразуются к форме, которую понимает МПС. Микропроцессор работает с данными в цифровом виде, датчики выдают информацию, как правило, в аналоговом виде, для передачи управляющих воздействий также часто используют аналоговую форму, следовательно, требуется двустороннее цифроаналоговое преобразование, при котором каждому измеренному значению соответствует определенный цифровой код, с которым и работает МПС. Отличительной особенностью работы управляющих МПС является выполнение ими всех операций в реальном масштабе времени. Термин реальное время используют в тех случаях, когда требуется оперативно реагировать на входные сигналы, причем задержка реакций должна быть конечной и не превышать определенного значения. В различных приложениях этот термин определяется по-разному. В управляющих МПС вычисление управляющих воздействий за время, больше требуемого, приравнивается к получению неправильного результата, так как МПС должна оперативно управлять объектом. В общем случае микропроцессорная система управления может являться нижним уровнем распределенной системы управления и решать следующие задачи: · Принимать информацию от датчиков о состоянии окружающей среды объекта.
· Рассчитывать в реальном времени управляющие воздействия и передавать их на исполнительные механизмы · Отображать информацию о текущем состоянии системы оператору на дисплее · Принимать и обрабатывать команды оператора по изменению условий процесса управления. · Передавать и принимать информацию от других уровней управления. Особенностью управляющих МПС можно считать повышенное требование к надежности программного обеспечения, так как отказ может привести к серьезным последствиям в работе реальных устройств. Рассмотрим структуру микропроцессорной системы управления. Рис.1.2. Объект управления имеет контролируемые параметры Y, характеризующие его в каждый момент времени. Кроме того, объект управления существует не просто сам по себе, а в окружающей его среде, которая постоянно воздействует на его состояние. Эти воздействия окружающей среды можно разделить на три группы 1) Объективно существующие и наблюдаемые (вход объекта Х). 2) управляющие воздействия, с помощью которых происходит управление объектом (управляющий вход U0) 3) возмущения Е (не измеряемые параметры среды, и всякого рода случайные изменения объекта). Датчики состояния среды и состояния объекта вырабатывают сигналы Xn, Yn, которые могут быть аналоговыми, дискретными или цифровыми. Сигналы Un, управляющие исполнительными механизмами также могут быть разных видов. Ядро МПС обменивается с контроллерами и интерфейсными блоками только цифровыми сигналами Xb, Yb, Ub. Также цифровыми сигналами Xb, Yb, Zb но по специальным протоколам происходит обмен между интерфейсными блоками и периферией. Интерфейсные блоки предназначены для связи с объектом управления (например приводами и электроавтоматикой станка) и периферийным оборудованием; пульт оператора предназначен для выдачи команд в МПС на специальном языке. Измерительные контроллеры преобразуют и выдают в МПС в цифровом виде показания датчиков о состоянии объекта и среды. В состав интерфейсных блоков связи и контроллеров также могут входить микропроцессоры, в этом случае процессор ядра МПС освобождается от рутинных функций по вводу/выводу и предварительной обработки информации. Алгоритмы управления реализованы в виде программ, хранящихся в памяти МПС. При построении систем управления сложными объектами такой объект разбивается на части и для каждой части строится аналогичная система управления этой, затем каждая часть соединяется с МПС высшего уровня. .
Рис. 1.2.Структура микропроцессорной системы управления.
Классификация МП
И классическая архитектура фон-Неймана и гарвардская архитектура прошли длинный путь развития. В общем смысле под архитектурой процессора понимается его программная модель, то есть программно-видимые свойства. Под микроархитектурой понимается внутренняя реализация этой программной модели. Для одной и той же архитектуры разными фирмами и в разных поколениях применяются существенно различные микроархитектурные реализации. Сейчас существует множество архитектур процессоров, которые делятся на две глобальные категории - RISC и CISC. RISC - Reduced (Restricted) Instruction Set Computer - процессоры (компьютеры) с сокращенной системой команд. Эти процессоры обычно имеют набор однородных регистров универсального назначения, причем их число может быть большим. Система команд отличается относительной простотой, коды инструкций имеют четкую структуру, как правило, с фиксированной длиной. В результате аппаратная реализация такой архитектуры позволяет с небольшими затратами декодировать и выполнять эти инструкции за минимальное (в пределе 1) число тактов синхронизации. Определенные преимущества дает и унификация регистров.
CISC - Complete Instruction Set Computer - процессоры (компьютеры) с полным набором инструкций, к которым относится и семейство х86, на котором реализовано подавляющее большинство ПК. Состав и назначение их регистров существенно неоднородны, широкий набор команд усложняет декодирование инструкций, на что расходуются аппаратные ресурсы. Для выполнения инструкций процессора требуется различное и значительное число тактов.Процессоры х86 имеют сложную систему команд, во многом обусловленную необходимостью совместимости с программным обеспечением для IBM PC, имеющим уже 20-летнюю историю. Кроме того, в процессорах семейства х86, начиная с 486, применяется комбинированная архитектура - CISC-процессор имеет RISC-ядро. В рамках рассмотренных архитектур также различают следующие способы организации вычислительного процесса: один поток команд - один поток данных (Simple Instruction - Simple Data, SISD) - характерно для традиционной фон-неймановской архитектуры (иногда вместо Simple пишут Single); один поток команд - множественный поток данных (Simple Instruction - Multiple Data, SIMD) - технология MMX; множественный поток команд - один поток данных (Multiple Instruction - Simple Data, MISD); множественный поток команд - множественный поток данных (Multiple Instruction - Multiple Data, MIMD). В настоящее время различные фирмы (Intel, Motorola, Atmel, Microchip) выпускают обширную номенклатуру семейств микропроцессоров для различных областей применения. При этом используют несколько способов классификации микропроцессоров: по разрядности, архитектурным особенностям, семействам и т. д. Микропроцессоры, в частности делятся на четыре класса: · универсальные · сигнальные (DSP); · транспьютеры; · микроконтроллеры. Универсальные МП (Intel х86) используются в ЭВМ различного назначения: ПК, серверах, портативных ПК, больших ЭВМ и т. д. Они обладают высокой производительностью операций с фиксированной и плавающей точкой, обрабатывают данные большой разрядности, позволяют адресовать память большого объема, имеют высокие тактовые частоты, развитую систему команд и предназначены для работы на системную шину.
Сигнальные МП (DSP – digital signal processor) предназначены для обработки сигналов в реальном масштабе времени и решают типовые задачи вида: фильтрация, спектр-анализ, компрессия и т. д. Эти МП вытесняют аналоговые устройства аналогичного назначения в таких областях как радио, телевидение, связь, мультимедиа. Они имеют модифицированную гарвардскую архитектуру, меньшую разрядность данных, но у них есть набор специальных команд для цифровой обработки сигналов. Транспьютеры предназначены для построения параллельных вычислительных систем, в которых матрицы из N-однотипных МП работают с общим полем памяти. Межпроцессорные связи в этих структурах поддерживаются или сигнальными или коммутационными процессорами. Для параллельных структур разрабатываются специальные методы программирования, которые обеспечивают параллельную работу процессоров. Микроконтроллеры предназначены для встроенных систем управления и работе в реальном масштабе времени, обладают большой специализацией и разнообразием функций, различаются по параметрам и составу периферии, тактовые частоты низкие (до 20 МГц), разрядность 8 – 16 бит. Микроконтроллеры составляют основу автоматизации нижнего уровня. Все микропроцессоры выполняются в виде интегральной схемы сверхбольшой степени интеграции (СБИС). Обычно СБИС бывают выполнены по КМОП-технологии, что обеспечивает: малое потребление мощности, достаточно высокое быстродействие, высокую помехоустойчивость и широкий диапазон напряжения питания. Буферные каскады микропроцессоров выполняются по технологии ТТЛШ, что обеспечивает подключение большей нагрузки и более высокое быстродействие при работе на емкостную нагрузку. В виде СБИС также выпускаются программируемые логические матрицы различной архитектуры (ПЛИС). Они вместе с логическими микросхемами и микросхемами средней степени интеграции (СИС) используются для построения периферийных узлов МПС. В настоящее время проходит проверку технология, когда в границах одного кристалла возможно сочетание различных типов структур: CPU и ПЛИС.
|
||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2017-02-07; просмотров: 779; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.137.161.155 (0.021 с.) |