Раздел 7. Обзор микропроцессорных систем и средств вычислительной техники.

Тема7.1. Универсальные процессоры. Область применения и примеры структурного построения.

При построении различных микропроцессорных систем учету подлежат различные технические и производственно- технологические факторы, влияющие на эффективность использования систем в аппаратуре. Состав аппаратуры МПС должен обеспечивать: - простое наращивание разрядности и производительности, - возможность широкого распараллеливания вычислительного процесса, - эффективную обработку алгоритмов решения различных задач, - простоту технической и математической эксплуатации. Сама МПС, будучи оснащенной разнообразными устройствами ввода - вывода (УВВ) информации, может применяться в качестве законченного изделия. Однако часто к МПС необходимо подавать сигналы от множества измерительных датчиков и исполнительных механизмов какого - либо сложного объекта управления или технологического процесса. В этом случае уже образуется сложная вычислительная система, центром которой является МП. Простые в архитектурном исполнении микропроцессоры применяются для измерения временных интервалов, управления простейшими вычислительными операциями ( в калькуляторах), работой кино-, фото-, радио- и телеаппаратуры. Они используются в системах охранной и звуковой сигнализации, приборах и устройствах бытового назначения. Бурно развивается производство электронных игр с использованием микропроцессоров. Они порождают не только интересные средства развлечения, но и дают возможность проверять и развивать приемы логических заключений, ловкость и скорость реакции. Видеоигры можно отнести к приложениям, требующим использования компьютеров с ограниченным набором функций. Сегодня игровые приставки потребляют наибольшее количество, если не считать ПК, 32 - разрядных микропроцессоров. Наибольшее применение здесь получили МП Intel, Motorola. В устройстве PlayStation фирмы Sony используется 32 - разрядный процессор MIPS, а в видеоприставке Nintendo 64 — даже 64 - разрядный чип 8 того же производителя. Продукты компании Sega с видеоиграми Saturn и Genesis вывели RISC - процессоры серии SH фирмы Hi tachi на третье место в мире по объему продаж среди 32 - разряд- ных систем. Хорошие перспективы сулит 32 - разрядным процессорам рынок персональных электронных секретарей (PDA) и электронных органайзеров. Современные электронные органайзеры - яркий пример интегрированных приложений, ведь для них практически не существует независимых поставщиков программного обеспечения. С другой стороны, PDA типа Newton фирмы Apple, по сути, не что иное, как новая вычислительная платформа, буду- щее которой зависит от разработчиков программного обеспечения (ПО). До настоящего времени успехом среди электронных органайзеров пользуются устройства с ограниченным набором функций. Тем не менее, дальнейшее совершенствование технологии может вывести эти «ручные» компьютеры в абсолютные лидеры, которые по объемам продаж в натуральном выражении должны обойти ПК. Важной функцией МП является предварительная обработка информации с внешних устройств (ВУ), преобразования форматов данных, контроллеров электромеханических внешних устройств. В аппаратуре МП дает возможность производить контроль ошибок, кодирование - декодирование информации и управлять приемо-передающими устройствами. Их применение позволяет в несколько раз сократить необходимую ширину телевизионного и телефонного каналов, создать новое поколение оборудования связи. Использование МП в контрольно-измерительных приборах и в качестве контрольных средств радиоэлектронных систем дает возможность проводить калибровку, испытание и поверку приборов, коррекцию и температурную компенсацию, контроль и управление измерительными комплексами, преобразование и обработку, индикацию и представление данных, диагностику и локализацию неисправностей. С помощью микропроцессорных средств можно решать сложные технические задачи по разработке различных систем сбора и обработки информации, где общие функции сводятся к передаче множества сигналов в один центр для оценки и принятия решеные. Например, в бортовых системах летательных аппаратов за время полета накапливается большое количество информации от различных источников, требующих зачастую незамедлительной ее обработки. Это осуществляется централизованно с помощью вычислительной системы на основе бортовой МПС. Обобщая рассмотренные примеры использования МП, можно выделить четыре основных направления их применения: - встроенные системы контроля и управления; - локальные системы накопления и обработки информации; - распределенные системы управления сложными объектами, - распределенные высокопроизводительные системы параллельных вычислений. Встроенные системы контроля и управления. Управляющие встроенные МПС предназначены для решения локальных задач управления объектами и могут выполнять функции контроллеров устройств, подключаемых к МПС более высоких контуров управления или быть центром управляющих систем нижних контуров управления. Использование МПС даже в простейшей схеме управления принципиально изменяет качество функционирования обслуживаемых им устройств. Она позволяет оптимизировать режимы работы управляемых объектов или процессов и за счет этого получать прямой и/или косвенный технико-экономический эффект. Прямой технико-экономический эффект выражается в экономии потребляемой энергии, повышении срока службы и снижении расхода материалов и оборудования. Косвенный технико- экономический эффект связан со снижением требований к обслуживающему персоналу и повышением производительности. Опыт показывает, что практически во всех случаях использование МПС только за счет экономии электроэнергии обеспечивается ее окупаемость за 1 - 1.5 года. Управление оборудованием на основе встроенных систем контроля и управления создает реальные предпосылки создания полностью автоматизированных производств. Использование МПС повышает качество работы и производительность оборудования, существенно снижает требования к персоналу, работающему на нем. Цифровое управление отдельны- ми единицами оборудования на различных уровнях позволяет лег- ко собирать информацию (или вызвать ее) с нижних на верхние уровни иерархической системы управления. Локальные системы накопления и обработки информации. Уровень управления современным предприятием или учреждением требует наличия для любого специалиста или руководителя достаточно большого объема специфичной информации. Это может быть обеспечено за счет применения локальных микропроцессорных вычислительных систем. Локальные, т. е. расположенные на рабочем месте, МПС накопления и обработки информации экономически и технически просто осуществляют информационное обеспечение потребите- лей. Объединение локальных систем между собой в сеть и дистанционное подключение этой сети к центральной ЭВМ с громадным информационным архивом позволяют создать завершенную авто-мотивированную систему информационного обеспечения. Внешние устройства локальных МПС могут встраиваться в корпус ЭВМ. Их устройства образуют комплект, минимально необходимый для проведения вычислительных работ и обработки данных. В комплект сложных локальных МПС, ориентированных на решение инженерных и научных задач, могут входить разнообразные внешние устройства, например, печати, визуального отображения, внешней памяти, комплексирования, пульты операторов общего назначения и т. д. Распределенные системы управления сложными объектами. Альтернативой широко распространенным системам с центральным процессором становятся распределенные микропроцессорные управляющие системы. В этом случае микропроцессоры и связанные с ними схемы обработки данных физически располагаются вблизи мест возникновения информации, образуя локальные МПС. Такое построение системы позволяет вести обработку информации на месте ее возникновения, например, вблизи двигателей, рулей управления, тормозной системы и т. д. В этом случае связь системы с центральной системой обработки и накопления данных и создает пространственное - распределенную систему управления.

В распределенных системах достигается значительный рост быстродействия получения и обработки входной информации, экономия в количестве и распределении линий связи, повышается живучесть, существенно развиваются возможности оптимизации режимов управления и функционирования. Распределенные высокопроизводительные системы параллельных вычислений. МПС открыли новые возможности решения сложных вычислительных задач, алгоритмы вычисления которых допускают распараллеливание, т. е. одновременные (параллельные) вычисления на многих микропроцессорах. Системы параллельных вычислений на основе десятков, сотен и даже тысяч одинаковых или специализированных на определенные задачи микропроцессоров при значительно меньших за- тратах дают такую же производительность, как и вычислительных системах на основе мощных процессоров конвейерного типа. Создание МПС с большим количеством специализированных по функциональному назначению процессоров позволяет проектировать мощные ВС нового типа по сравнению с традиционными развитыми большими вычислительными системами.

Тема 7.2. Микроконтроллеры.

Микроконтроллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д. В отличие от обычных компьютерных микропроцессоров, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти.

Неполный список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя:

· Универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод;

· различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I² C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;

· Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;

· Компараторы;

· Широтно-импульсные модуляторы;

· Таймеры;

· Контроллеры бесколлекторных двигателей;

· Контроллеры дисплеев и клавиатур;

· Радиочастотные приемники и передатчики;

· Массивы встроенной флеш-памяти;

· Встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер;

Ограничения по цене и энергопотреблению сдерживают также рост тактовой частоты контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания. Во многих моделях микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт контроллеру возможность работать на меньших частотах и даже не терять данные при полной остановке тактового генератора. Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 7 8 9 10 1112