Микропроцессорные системы

Микропроцессоры и микропроцессорные системы. Общие сведения

Микропроцессорные системы

Микропроцессор (МП) — это выполненное на одной или нескольких БИС устройство цифровой обработки информации, осуществляемой по программе. По назначению он идентичен ЭВМ, но обладает меньшими функциональными возможностями.

Современные микропроцессоры могут содержать миллионы транзисторов в одной микросхеме. Обобщенная структурная схема МП показана на рис.6.1.

Основу микропроцессора составляет арифметико-логическое устройство АЛУ. Оно выполняет арифметические (сложение, вычитание) и логические (сравнение, дизъюнкция, конъюнкция) операции над двумя числами и выдает результат операции. Регистры Р служат для хранения и выдачи команд (регистр команд), адресов (регистр адресов) и данных (регистр данных или аккумулятор).

Устройство управления служит для преобразования команд, поступающих из регистров и внешнего ЗУ в сигналы, непосредственно воздействующие на все элементы МП и стимулирующие выполнение команд.

Все блоки МП соединены между собой и с внешними устройствами тремя многоразрядными шинами: шиной данных ШД, шиной адресов ША и шиной управления ШУ. Шина — это группа параллельных проводников, по которым передается многоразрядный код. УУ распределяет во времени связи между блоками по одной и той же шине — мультиплексирование.

Совокупность шин называется магистралью. Шина данных служит для обмена операндами — кодами исходных данных или кодами команд. Шина адресов служит для передачи кодов ячеек памяти в ЗУ.

Таким образом, в микропроцессорах, как и в ЭВМ, используется магистральный принцип передачи информации.

Микропроцессор используется совместно с другими микроэлектронными устройствами: запоминающим устройством данных (ЗУД), запоминающим устройством программы (ЗУП) и устройством ввода-вывода (УВВ). Объединение этих элементов называется микропроцессорной системой или микроконтроллером— рис. 6.2.

Запоминающие устройства ЗУ предназначены для приема, хранения и выдачи программы и данных. При этом ЗУП представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), работающее только на считывание.

Запись программы в ЗУП происходит однократно при ее изготовлении или отладке. ЗУД представляет собой оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), работающее как в режиме записи, так и в режиме считывания.

УВВ предназначено для приема сигналов от внешних устройств в процессор или ЗУ и для вывода результатов во внешние устройства. Генератор тактов синхронизирует через МП работу всех блоков системы. В некоторых типах МП он может входить в состав самого процессора.

Программа, по которой работает МП обычно хранится в постоянном запоминающем устройстве. Запись программы происходит одноразово. Возможно применение репрограммируемых (перепрограммируемых) ПЗУ, допускающих многократную запись и стирание информации. Информация в ПЗУ сохраняется при отключении источника питания.

Для хранения данных применяют оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), в которые информация может быть выдана из МП или от внешних устройств (клавиатура, датчики) через УВВ. При отключении источника питания информация в ОЗУ теряется.

В тех случаях, когда разработчики микропроцессорной системы предусматривают для потребителя присоединение к магистрали каких-либо дополнительных блоков (открытый вариант системы), магистраль снабжается буфером магистрали, увеличивающем ее нагрузочную способность или адаптером магистрали, если надо не только усиление, но и преобразование сигналов.

Конструктивно микроконтроллеры могут быть однокристальными, если все элементы микропроцессорной системы выполнены в одной интегральной схеме или одноплатными, если они расположены на одной печатной плате. Одноплатные микроконтроллеры часто снабжаются встроенной клавиатурой и индикатором. В таком виде они могут составить самостоятельную вычислительную часть цифровых систем измерения, управления и т.д.

Промышленность выпускает огромную номенклатуру микроконтроллеров, отличающихся разрядностью, архитектурой, характеристиками и возможностями функционирования. Общим признаком всех микроконтроллеров является их гибкое (т.е.

программное) структурирование.

Микроконтроллеры могут быть специализированными (например, микроконтроллер клавиатуры персонального компьютера) или универсальными, предназначенными для решения различных задач одного класса, например контроллеры для систем промышленной автоматики.

Микропроцессоры характеризуются следующими параметрами:

1. Вид микропроцессора: универсальный или специализированный, сигнальный и т.п.

2. Способ управления: схемный (жесткий), или микропрограммный (гибкий).

3. Разрядность — длина слова, которое может быть одновременно обработано процессором (4, 8, 16,32).

4. Емкость адресуемой памяти. Характеризует возможности микропроцессора по сложности реализуемых программ.

5. Быстродействие. Характеризуется продолжительностью одной

операции типа «регистр-регистр» или числом операций в секунду.

6. Мощность потребления.

7. Питающие напряжения.

8. конструктивные характеристики.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/5_76222_mikroprotsessori-i-mikroprotsessornie-sistemi-obshchie-svedeniya.html

Микропроцессор: назначение и область применения

Микропроцессорные системы

Микропроцессор – программно-управляемое устройство для обработки цифровой информации и управления процессом обработки, реализованное в виде большой или сверхбольшой интегральной микросхемы.

Таким образом, микропроцессор играет роль процессора в цифровых системах различного назначения.

Это могут быть системы обработки информации, системы управления объектами и процессами, информационно-измерительные системы и другие виды систем, используемых в промышленности, бытовой технике, аппаратуре связи и многих других областях применения.

Микропроцессор является универсальным устройством для выполнения программной обработки информации, которое может использоваться в самых разнообразных сферах человеческой деятельности.

Десятки компаний-производителей выпускают несколько тысяч типов микропроцессоров, имеющих разные характеристики и предназначенных для различных областей применения.

Выпускаемые микропроцессоры делятся на отдельные классы в соответствии с их архитектурой, структурой и функциональным назначением.

Основными направлениями развития микропроцессоров является увеличение их производительности и расширение функциональных возможностей, что достигается как повышением уровня микроэлектронной технологии, используемой для производства микропроцессоров, так и применением новых архитектурных и структурных вариантов их реализации.

Развитие микроэлектронной технологии обеспечивает непрерывное уменьшение размеров полупроводниковых компонентов, размещаемых на кристалле микропроцессора. При этом уменьшаются паразитные емкости, определяющие задержку переключения логических элементов, и увеличивается число элементов, размещаемых на кристалле.

В настоящее время разрешающая способность промышленной технологии изготовления микросхем обеспечивает создание компонентов с минимальными размерами 0,13-0,18 мкм. При этом обеспечивается создание микропроцессоров, работающих с тактовой частотой до 1-2 ГГц и содержащих на кристалле десятки миллионов транзисторов.

В соответствии с эмпирическим правилом, которое сформулировал Гордон Мур, один из основателей компании Intel, степень интеграции микросхем удваивается каждые 1,5-2 года.

Развитие технологии обеспечивает возможность создания на кристалле все большего количества активных компонентов – транзисторов, которые могут быть использованы для реализации новых архитектурных и структурных решений, обеспечивающих повышение производительности и расширение функциональных возможностей микропроцессоров.

Источник:

Основные компоненты микропроцессора 1

Лекция 7. Классификация и типовая структура микропроцессоров

  1. Микропроцессоры: назначение и классификация.
  2. Характеристики микропроцессоров.
  3. Структура базового микропроцессора.
  4. Технологии повышения производительности процессоров.

ЭВМ получили широкое распространение, начиная с 50-х годов. Прежде это были очень большие и дорогие устройства, используемые лишь в государственных учреждениях и крупных фирмах. Размеры и форма цифровых ЭВМ неузнаваемо изменились в результате разработки новых устройств, называемых микропроцессорами.

Микропроцессоры: назначение и классификация

Микропроцессор (МП) – это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов.

Функции микропроцессора:

–        вычисление адресов команд и операндов;

–        выборка и дешифрация команд из основной памяти;

–        выборка данных из основной памяти, регистров микропроцессорной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;

–        прием и обработка запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;

–        обработка данных и их запись в основную память, регистры микропроцессорной памяти и регистры адаптеров внешних устройств;

–        выработка управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК;

–        переход к следующей команде.

По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.

Процессоры даже самых простых ЭВМ имеют сложную функциональную структуру, содержат большое количество электронных элементов и множество разветвленных связей.

Изменять структуру процессора необходимо так, чтобы полная принципиальная схема или ее части имели количество элементов и связей, совместимое с возможностями БИС. При этом микропроцессоры приобретают внутреннюю магистральную архитектуру, т. е.

в них к единой внутренней информационной магистрали подключаются все основные функциональные блоки (арифметико-логический, рабочих регистров, стека, прерываний, интерфейса, управления и синхронизации и др.).

Для обоснования классификации микропроцессоров по числу БИС надо распределить все аппаратные блоки процессора между основными тремя функциональными частями: операционной, управляющей и интерфейсной.

Сложность операционной и управляющей частей процессора определяется их разрядностью, системой команд и требованиями к системе прерываний; сложность интерфейсной части разрядностью и возможностями подключения других устройств ЭВМ (памяти, внешних устройств, датчиков и исполнительных механизмов и др.).

Интерфейс процессора содержит несколько десятков информационных шин данных (ШД), адресов (ША) и управления (ШУ).

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются.

Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС).

Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.

На рис. 1.1,а показано функциональное разбиение структуры процессора при создании трехкристального микропроцессора (пунктирные линии), содержащего БИС операционного (ОП), БИС управляющего (УП) и БИС интерфейсного (ИП) процессоров.

Рис. 1.1 Функциональная структура процессора (а) и ее разбиение для
реализации процессора в виде комплекта секционных БИС

Операционный процессор служит для обработки данных, управляющий процессор выполняет функции выборки, декодирования и вычисления адресов операндов и также генерирует последовательности микрокоманд.

Автономность работы и большое быстродействие БИС УП позволяет выбирать команды из памяти с большей скоростью, чем скорость их исполнения 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 позволяет подключить память и периферийные средства к микропроцессору; он, по существу, является сложным контроллером для устройств ввода/вывода информации. БИС ИП выполняет также функции канала прямого доступа к памяти.

Выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются каждой частью микропроцессора автономно, и поэтому может быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС МП, т.е. конвейерный поточный режим исполнения последовательности команд программы (выполнение последовательности с небольшим временным сдвигом). Такой режим работы значительно повышает производительность микропроцессора.

Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями (рис. 1,б). Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляются средства “стыковки”.

Для создания высокопроизводительных многоразрядных микропроцессоров требуется столь много аппаратных средств, не реализуемых в доступных БИС, что может возникнуть необходимость еще и в функциональном разбиении структуры микропроцессора горизонтальными плоскостями. В результате рассмотренного функционального разделения структуры микропроцессора на функционально и конструктивно законченные части создаются условия реализации каждой из них в виде БИС. 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 определяет возможность “наращивания” разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессора при “параллельном” включении большего числа БИС.

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 микропроцессорных высокоскоростных биполярных 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 для повышения его производительности.

По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.

Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных и к определению их подобия. Конволюция дает возможность в реальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума.

Разработанные однокристальные конвольверы используются в устройствах опознавания образов в тех случаях, когда возможности сбора данных превосходят способности системы обрабатывать эти данные.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры – цифровые устройства, однако, могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.

Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами.

Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.).

При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной “настройки” цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов.

Обычно в составе однокристальных аналоговых МП имеется несколько каналов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. В аналоговом микропроцессоре разрядность обрабатываемых данных достигает 24 бит и более, большое значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметических операций.

Отличительная черта аналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов.

Источник: https://electronicparts.ru/rukovodstvo/mikroprotsessor-naznachenie-i-oblast-primeneniya.html

Микропроцессорные системы

Микропроцессорные системы

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой систему, включающую в себя хотя бы 1 микропроцессор (МП), запоминающее устройство (ЗУ), устройства ввода/вывода (УВВ), устройства сопряжения системной шины с устройствами ввода/вывода (контроллеры), системную шину.

Данную систему можно рассматривать как пример электронной системы, которая предназначена для обрабатывания входных сигналов и выдачи выходных сигналов. В роли входных и выходных сигналов возможно использование аналоговых сигналов, одиночных цифровых сигналов, цифровых кодов, последовательности цифровых кодов.

В данной системе, как в любой цифровой системе, входные аналоговые сигналы преобразуют в последовательности кодов с помощью аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), а выходные аналоговые сигналы формируют из последовательности кодов с помощью цифровых аналоговых преобразователей (ЦАП).

Обрабатывается и хранится информация в цифровом виде.

Общие сведения о микропроцессорных системах

В связи с множеством областей применения МП и микроЭВМ можно классифицировать МПС на системном уровне. Они могут быть представлены:

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

  • встроенными системами контроля и управления;
  • локальными системами накопления и обработки информации;
  • распределенными системами управления сложными объектами;
  • распределенными высокопроизводительными системами параллельных вычислений.

Исходя из вышесказанного, в наше время определились следующие приоритетные области, в которых применяются МПС:

  • техника связи;
  • системы управления;
  • бытовая и торговая аппаратура;
  • контрольно-измерительная аппаратура;
  • военная техника;
  • вычислительные машины, системы, комплексы и сети;
  • транспорт.

Процесс внедрения МПС в область контрольно-измерительной аппаратуры позволил значительно повысить точность измерений и надежность, а также расширил функциональные возможности приборов и обеспечил выполнение следующих функций: калибровки, коррекции и температурной компенсации, контроля и управления измерительным комплексом, принятия решений и обработки данных, диагностики неисправностей, индикации, испытания и проверки приборов.

Внедрение МПС в системах связи обусловило все большее вытеснение цифровыми методами аналоговых, что привело к их широкому использованию в преобразователях кодов, мультиплексорах, устройствах контроля ошибок, блоках управления приемной и передающей аппаратуры.

Замечание 1

Все более широко стали использоваться МПС в таких устройствах, как терминалы и кассовые аппараты банков, контрольно-расчетные терминалы торговых центров и т.п. Использование МП и МПС в бытовой технике позволяет открыть ее широкие возможности в области эффективности, повышения надежности и разнообразного применения.

Применение МПС в разных областях военной техники растет ежегодно — от навигационных систем летательных аппаратов до управления движением транспортных роботов.

Основные типы микропроцессорных систем

Различают следующие основные типы МПС:

  • микроконтроллеры представляют собой наиболее простой тип, в котором все или большинство узлов системы представлены в виде одной микросхемы;
  • контроллеры являются управляющими МПС, выполненными в виде отдельных модулей;
  • микрокомпьютеры — более мощные МПС, имеющие развитые средства сопряжения с внешними устройствами;
  • компьютеры любого типа представляют собой самые мощные и наиболее универсальные МПС.

Четкую границу между названными типами иногда провести достаточно сложно, поскольку быстродействие всех типов МП постоянно растет, и бывает, что новый микроконтроллер может оказаться быстрее, к примеру, устаревшего компьютера. Но принципиальные отличия между ними все же существуют.

Микроконтроллеры являются универсальными устройствами, практически всегда использующимися в составе более сложных устройств, в том числе и контроллеров. Системная шина микроконтроллера находится внутри микросхемы. Возможности подключения внешних устройств к микроконтроллеру ограничены. Устройства, построенные на микроконтроллерах, как правило, используются для выполнения одной задачи.

Контроллеры обычно создают для решения отдельной задачи или группы близких задач. Они не имеют возможности подключения дополнительных узлов и устройств (большой памяти, средств ввода/вывода).

Их системная шина, как правило, недоступна для пользователя. По структуре контроллер прост и оптимизирован под максимальное быстродействие. В основном выполняемые им программы хранятся в постоянной памяти и не меняются.

Конструктивно контроллеры выпускаются в виде одной платы.

Замечание 2

Микрокомпьютеры отличает от контроллеров более открытая структура, поскольку в них допускается подключение к системной шине нескольких дополнительных устройств. Выпускаются микрокомпьютеры в каркасе, корпусе с разъемами системной магистрали, которые доступны для пользователя.

Микрокомпьютеры имеют средства хранения информации на магнитных носителях (магнитные диски) и развитые средства связи с пользователем (видеомонитор, клавиатуру). Микрокомпьютеры предназначены для решения более широкого круга задач, чем контроллеры, однако к каждой новой задаче их нужно приспосабливать заново.

Программы, выполняемые микрокомпьютером, можно легко заменять.

Компьютеры, в том числе и персональные, представляют собой самые универсальные из МПС. В них предусмотрена возможность усовершенствования, а также широкие возможности подключения новых устройств. Системная шина компьютеров является доступной для пользователя.

Помимо этого внешние устройства (ВУ) имеют возможность подключения к компьютеру через несколько встроенных портов связи (количество портов может доходить до 10).

Компьютер обладает высоко развитыми средствами связи с пользователем, средствами длительного хранения информации большого объема, средствами связи с другими компьютерами по информационным сетям.

Области применения компьютеров самые разнообразные: от математических расчетов и обслуживания доступа к БД до управления работой сложных электронных систем, компьютерных игр и т.д.

Рисунок 1. Логическая схема МПС

где Д – датчики, ОУ – объект управления, ИМ – исполнительные механизмы, БСД – блок сопряжения с датчиками, ИК – информационные контроллеры, БСИК – блок сопряжения с информационными контроллерами, ОП – основная память, ДП – дополнительная памятьВ зависимости от области применения МПС бывают специализированные и универсальные, встроенные и автономные.

Архитектура Фон-Неймана

В соответствии с организацией процессов выборки и исполнения команды в современных МПС применяют одну из двух архитектур: фон-неймановскую (принстонскую) или гарвардскую.

Основная особенность архитектуры Фон-Неймана заключается в использовании общей памяти для хранения программ и данных.

Рисунок 2. Структура МПС архитектуры Фон-Неймана

Основным преимуществом данной архитектуры является упрощение устройства МПС, поскольку реализовано обращение только к одной общей памяти.

Помимо этого использование единой области памяти позволило оперативно перераспределить ресурсы между областями программ и данных, что существенно повысило гибкость МПС со стороны программного обеспечения.

Размещение стека в общей памяти облегчило доступ к его содержимому. Поэтому данный тип архитектуры стал основным для универсальных компьютеров, в том числе и персональных.

Гарвардская архитектура

Основная особенность гарвардской архитектуры заключается в использовании раздельных адресных пространств для хранения команд и данных, как изображено на рис. 3.

Рисунок 3. Структура МПС с гарвардской архитектурой

Гарвардской архитектурой обеспечивается потенциально более высокая скорость выполнения программ в сравнении с фон-неймановской за счет возможности реализовывать параллельные операции.

Процесс выборки следующей команды может проходить параллельно выполнению предыдущей.

Данный метод реализации операций дает возможность обеспечивать выполнение различных команд за одинаковое число тактов, что дает возможность более просто определить время выполнения циклов и критичных участков программы.

Источник: https://spravochnick.ru/informatika/arhitektura_personalnogo_kompyutera/mikroprocessornye_sistemy/

Booksm
Добавить комментарий