Принципы построения микропроцессорных систем: модульность и магистральный способ обмена информацией.

При построении МПС используют два основных принципа:

1) модульность построения;

2) магистральный принцип обмена информацией.

Модульный принцип предполагает, что система строится на основе ограниченного количества типов конструктивно и функционально завершенных модулей. Исходя из классической схемы компьютера, любая МПС должна состоять, как минимум, из модуля процессора, модуля памяти и модуля управления вводом/выводом. Основой модуля процессора является МП.

Магистральный принцип обмена информацией определяет характер связей между модулями МПС. Существует два принципа взаимодействия элементов модулей и самих модулей в системе: принцип произвольных связей, реализующих правило «каждый с каждым», и принцип упорядоченных связей – магистральный или шинный.

При использовании принципа произвольных связей все сигналы между устройствами передаются по отдельным линиям связи. Каждое устройство, входящее в систему, передает свои сигналы и коды независимо от других устройств. При этом в системе получается много линий связи и разных правил (протоколов) обмена информацией.

При магистральном принципе все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (это называется временным мультиплексированием). Обмен информацией по отдельным линиям связи может осуществляться в одном направлении (однонаправленная передача) или в двух направлениях (двунаправленная передача). Группа линий связи, по которым передаются сигналы и коды называется магистралью или шиной (англоязычный термин – bus).

Применение принципа магистрального обмена позволяет минимизировать число связей между устройствами системы, сократить число выводов БИС. Большое достоинство магистрального принципа связи состоит в том, что все устройства должны принимать и передавать информацию по одним и тем же правилам (протоколам обмена). Это обеспечивает стандартизацию интерфейсов всех устройств, входящих в систему.

При использовании магистрального принципа обмена информацией все модули МПС соединяются с единой магистралью, которую часто называют системной шиной. Шина представляет собой набор электрических проводников, объединенных функционально и часто физически, например, на печатной плате.

На рис. 1 приведена типичная структура МПС, состоящая из модуля процессора, модуля памяти и модуля ввода/вывода. По сложившейся практике при описании МПС слово модуль опускают и говорят: процессор, память, устройство ввода/вывода (УВВ).

Весь информационный поток, циркулирующий в МПС, обычно разделяется на три группы: адреса, данные и сигналы управления. В соответствие с этим в системной шине (магистрали) выделяют три шины нижнего уровня:

· шина адреса – ША);

· шина данных – ШД;

· шина управления – ШУ.

Магистраль (системная шина)

Рис. 1. Магистрально-модульная структура МПС

Шина адреса предназначена для однозначного определения адреса элемента МПС (например, ячейки памяти или устройства ввода/вывода). Обычно адрес задает процессор, поэтому шина адреса чаще всего однонаправленная.

Шина данных служит для обмена данными между элементами МПС. Шина данных всегда двунаправленная.

Шина управления предназначена для управления работой элементов МПС. По ней передаются управляющие сигналы. Отдельные линии шины управления могут быть однонаправленными или двунаправленными.

Для организации шин используются специальные буферные микросхемы (шинные формирователи), отличающиеся высокой нагрузочной способностью. Поэтому возможность подключения к шине нескольких входов логических элементов ограничивается лишь нагрузочной способностью буферных элементов, к выходу которых эта шина присоединена.

Сложнее организуется подключение выходов нескольких элементов к одной шине. Возможны два способа такого подключения:

1) использование схем, имеющих выходы с тремя состояниями;

2) использование схем, имеющих выходы с открытым коллектором (открытым стоком).

32. Понятие об архитектуре микропроцессора. Принстонская и гарвардская
архитектуры.

Архитектурой МП называется комплекс его аппаратных и программных средств, предоставляемых пользователю. Архитектура отражает структуру МП, набор программно-доступных элементов, систему команд и способы адресации, объем и структуру адресуемой памяти, реакцию МП на внешние сигналы.

Важной архитектурной особенностью микропроцессоров является используемый вариант реализации памяти и организация выборки команд и данных. По этим признакам различают процессоры с Принстонской и Гарвардской архитектурой. Эти архитектурные варианты были предложены в конце 1940-х годов специалистами соответственно Принстонского и Гарвардского университетов США для разрабатываемых ими моделей компьютеров.

Принстонская архитектура, которая часто называется архитектурой Фон-Неймана (по имени руководителя разработки), характеризуется общей оперативной памятью для хранения программ и данных. Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по которой в процессор поступают и команды и данные (рис. 1).

Рис. 1. Принстонская архитектура МПС

Принстонская архитектура имеет ряд достоинств. Наличие общей памяти позволяет оперативно перераспределять ее объем для хранения отдельных массивов команд и данных в зависимости от решаемых задач. Обеспечивается возможность более эффективного использования имеющегося объема оперативной памяти в каждом конкретном случае применения МП. Например, в некоторых случаях нужна большая и сложная программа, а данных в памяти надо хранить не слишком много. В других случаях, наоборот, программа требуется простая, но необходимы большие объемы хранимых данных (например, в системах сбора данных от многих объектов). Перераспределение памяти не вызывает никаких проблем, главное – чтобы программа и данные вместе помещались в памяти. Как правило, в системах с такой архитектурой память бывает довольно большого объема (до десятков и сотен мегабайт). Это позволяет решать самые сложные задачи. Использование общей шины для передачи команд и данных значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность. Поэтому Принстонская архитектура в течение долгого времени доминировала в вычислительной технике.

Однако ей присущи и существенные недостатки. Дело в том, что при единственной шине команд и данных процессор вынужден по одной этой шине принимать данные (из памяти или УВВ) и передавать данные (в память или УВВ), а также читать команды из памяти. Естественно, одновременно эти пересылки кодов по шине происходить не могут, они должны производиться по очереди. При этом общая шина становится «узким местом», которое ограничивает производительность системы. Поэтому все возрастающие требования к производительности микропроцессорных систем вызвали в последние годы переход к другой архитектуре - Гарвардской, с двумя системными шинами.

Гарвардская архитектура характеризуется физическим разделением памяти команд (т.е. программ) и памяти данных. Обмен процессора с каждым из двух типов памяти происходит по своей шине (рис. 2).

Рис. 2. Гарвардская архитектура МПС

Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением/записью данных при выполнении текущей команды производить выборку следующей команды. Благодаря такому разделению потоков команд и данных и совмещению операций их выборки и исполнения реализуется более высокая производительность, чем при использовании Принстонской архитектуры.

Недостатки Гарвардской архитектуры связаны с необходимостью использования большего числа шин, усложнения структуры процессора. Кроме того, существенный недостаток – это фиксированный объем памяти, выделенной для команд и данных, назначение которой не может оперативно перераспределяться в соответствии с требованиями решаемой задачи. Поэтому приходится применять память большего объема, коэффициент использования которой при решении разнообразных задач оказывается более низким, чем в системах с Принстонской архитектурой.

Однако развитие микроэлектронной технологии позволило в значительной степени преодолеть указанные недостатки, поэтому Гарвардская архитектура широко применяется во внутренней структуре современных высокопроизводительных микропроцессоров, где используется отдельная кэш-память для хранения команд и данных. В то же время во внешней структуре большинства МПС реализуются принципы Принстонской архитектуры.

Проще всего преимущества двухшинной архитектуры реализуются внутри одной микросхемы. В этом случае можно также существенно уменьшить влияние недостатков этой архитектуры. Поэтому Гарвардская архитектура получила преимущественное распространение в однокристальных МК, рабочая программа которых обычно хранится в отдельном ПЗУ. В МК программы обычно небольшие, но зато необходимо максимальное быстродействие при заданной тактовой частоте.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 7 8 9 101112 Следующая ⇒