Состояние вопроса

В последние годы отмечено массовое наполнение рынка товаров всевозможной автоматизированной аппаратурой самого различного назначения и различной сложности от пластиковой платежной карточки, холодильника, автомобиля до систем управления самолетами, ракетами, морскими судами. Это стало возможным благодаря развитию микропроцессорной техники, созданию технологической базы для производства новых типов процессоров. В 1996 году отмечался 25-летний юбилей появления первого микропроцессора. Скромный четырехразрядный калькуляторный кристалл i4004 фирмы Intel дал могучее потомство, роль которого в жизни современного человечества трудно переоценить. Все эти годы не прекращалось острое соперничество ведущих электронных фирм за лидерство в этой высокоперспективной области. Результатом соперничества является разработка все новых семейств и типов микропроцессоров, расширение их функциональных возможностей, быстрый рост производительности и снижение стоимости.

В процессе многолетнего развития произошла дифференциация микропроцессоров по функционально-структурным особенностям и областям применения. В настоящее время имеются следующие основные классы микропроцессоров:

• Универсальные микропроцессоры с CISC - архитектурой;
• Универсальные микропроцессоры с RISC - архитектурой;
• Специализированные микропроцессоры (сигнальные и др.);
• Микроконтроллеры.

Универсальные микропроцессоры с CISC - архитектурой (Complicated Instruction Set Computer - компьютер со сложным набором команд) применяется главным образом в персональных компьютерах и серверах. Лидером в этой области является фирма Intel, которой комплектуется более 80% выпускаемых персональных компьютеров. Микропроцессоры семейства M68000 фирмы Motorola используется в персональных компьютерах типа Macintosh, составляющих около 10% мирового производства. Микропроцессоры этого семейства широко используются в устройствах управления, встраиваются в различные приборы и системы.

Универсальные микропроцессоры с RISC - архитектурой (Reduced Instruction Set Computer - компьютер с сокращенным набором команд) применяется в основном в рабочих станциях и мощных серверах. В этой области имеются несколько ведущих производителей. Широкое применение находят RISC-микропроцессоры семейств SPARC фирмы Sun Microsystems и Rx000 фирмы MIPS Computer Systems. За последние годы очень активно внедряются в различную аппаратуру RISC-микропроцессоры семейства PowerPC - совместная разработка фирм IBM, Motorola, Apple Computers. Среди фирм, выпускающих RISC-микропроцессоры, находятся также Intel, Hewlett-Packard, Digital Equipment. Необходимо также отметить транспьютеры - оригинальные RISC-микропроцессоры, разработанные фирмой Inmos для построения мультипроцессорных систем.

В классе специализированных микропроцессоров в настоящее время наиболее широко представлены DSP (Digital Signal Processor - процессор цифровой обработки сигналов), основными производителями которых являются фирмы Texas Instruments, Analog Devices, Motorola, NEC. Кроме DSP выпускаются микропроцессоры, специализированные для передачи информации в системах коммуникации - коммуникационные контроллеры, для обработки графической информации.

Микроконтроллеры являются наиболее массовым представителем микропроцессорной техники. Интегрируя на одном кристалле высокопроизводительный процессор, память и набор периферийных устройств, микроконтроллеры позволяют с минимальными затратами реализовать широкую номенклатуру систем управления различными объектами и процессами.

Использование микроконтроллеров в системах управления и обработки информации обеспечивает исключительно высокие показатели эффективности при столь низкой стоимости, что микроконтроллерам практически нет альтернативной элементной базы для построения качественных и дешевых систем. Во многих применениях система может состоять только из одного микроконтроллера. Исключением может стать применение ПЛИС в области обработки сигналов в том случае, когда требуется параллельная обработка большого потока входных данных.

Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность микропроцессора. Имеются 4-, 8-, 16-, 32-разрядные микроконтроллеры. Разрядность микроконтроллера определяется точностью данных, необходимых для управления объектом. Наиболее массовыми и постоянно расширяющими свои области применения являются 8-разрядные микроконтроллеры. 8-разрядные микроконтроллеры дешевле 16- и 32-разрядных и имеют большую функциональность.

Производством микроконтроллеров занимается огромное число фирм, но 94% рынка обеспечивают 14 фирм (табл. 1).

К сожалению, отечественная электронная промышленность, также имевшая некоторые успехи в этой области, в настоящее время утратила свои позиции среди производителей микропроцессоров. При разработке современных электронных приборов российские специалисты используют в основном зарубежную элементную базу, которая стала доступной широкому кругу потребителей.

Среди микроконтроллеров, производящихся в России, следует отметить микроконтроллеры серий 1816 и 1830, являющихся контроллерами семейства MCS51, и 1868 вм1,2 - аналог TMS320c10,25.

В настоящее время завод "Ангстрем" усиленно рекламирует свой новый микроконтроллер. Это отечественная разработка. Микроконтроллер имеет 8-разрядное RISC-ядро "Тесей". Микроконтроллер совместим по выводам с микроконтроллерами фирмы Microchip.

Следует также отметить опытные разработки отечественных производителей микропроцессорной техники, например, НТЦ "Модуль", занимающихся проектированием сигнальных процессоров.

табл. 1. Фирмы-производители микроконтроллеров

Российский рынок микропроцессорных систем имеет свою специфику: потребители продукции - фирмы с ограниченным объемом выпуска и часто меняющейся номенклатурой аппаратуры при небольшой потребности в каждом типе. Это определяет повышенный интерес к системам, имеющим перепрограммируемую память и устройства периферии. Применение ПЛИС совместно с микроконтроллерами как устройства периферии с изменяемой структурой позволяет значительно сократить номенклатуру выпускаемых микропроцессорных систем.

Aрхитектура микро ЭВМ.

Наибольшее применение получили системы с магистрально-модульной структурой. Данная структура характеризуется явно выраженной общей шиной, к которой подсоединяются все устройства машины, выполняемые в виде модулей. Обмен между модулями производится по общей шине. Обменом по шине управляет контроллер шины, имеющийся в каждом модуле.

Существуют и другие структуры, в которых обмен производится через общие поля памяти или по выделенным локальным шинам.

Центральный процессор

Центральный процессор - это сердце ЭВМ. Он обрабатывает нормированные объемы данных, норма: машинное слово, - может составлять от 4 до 32 бит и зависит от разрядности микропроцессора. Выполняемые центральным процессором операции можно разделить на следующие группы:

• Арифметические операции: сложение, вычитание, деление, умножение;
• Логические операции: логическое И, ИЛИ, исключающее-ИЛИ, отрицание, сдвиг;
• Пересылки;
• Передачи управления: ветвление, условный и безусловный переходы, вход в подпрограмму или выход из нее, обработка прерываний;
• Команды управления процессором: переключение банков регистров общего назначения, управление энергопотреблением.

АЛУ - арифметико-логическое устройство служит для выполнения арифметических и логических преобразований над словами, называемыми операндами.

Регистры общего назначения хранят исходные, промежуточные и конечные данные работы процессора.

Программный счетчик постоянно отслеживает ход выполнения программы и указывает адрес следующей выполняемой команды. Обычно содержимое программного счетчика инкрементируется после выполнения команды, но оно может получить другое значение в результате работы команд передачи управления. В контроллерах обработки сигналов этот блок имеет сложную структуру, может содержать собственное АЛУ с несколькими регистрами и счетчиками, что вызвано стремлением увеличить быстродействие.

Регистр флагов - изменяется в конце выполнения операции и содержит состояние процессора после выполнения команды: переполнение, признак нулевого результата, признак переноса и др. признаки.

Память.

Все ЭВМ имеют некоторый объем памяти, в которой хранятся программа и данные, используемые в процессе выполнения программы.

Память ЭВМ можно разделить на:

• Оперативную (ОЗУ) - наиболее быструю и применяемую для временного хранения данных и программ. ОЗУ теряет данные при выключении питания.
• Постоянную - перепрограммируемую или однократно программируемую, в которой хранятся программы. В ПЗУ данные сохраняются при снятии питания с микросхемы.
• Другие ЗУ.

Для того чтобы считать из памяти или сохранить в памяти ту или иную информацию, центральный процессор "Адресует" слово памяти, которое ему необходимо. Большинство ЭВМ адресует память побайтно, но возможна адресация по 16 и 32 бита.

Поскольку, в реальной программе большинство адресов памяти близки, все ЭВМ поддерживают упрощенные способы адресации:

• Абсолютная (прямая) адресация - полное задание адреса в нескольких байтах, идущих за командой.
• Косвенная адресация - использует содержимое регистра ЦП для указания ячейки памяти.
• Относительная адресация - относительно от адреса команды, использующей этот способ адресации.
• Страничная адресация - используется для указания адреса внутри малого диапазона (страницы)
• Автоинкрементная адресация - косвенная с последующим автоматическим увеличением содержимого регистра, указывающего на ячейку памяти.

Вопрос для самопроверки: Какой способ адресации использует ЦП для задания адреса команды? Косвенная или автоинкрементная адресация.

 

Периферийные устройства.

Последовательный интерфейс - это интерфейс связи по последовательной линии связи (как правило 2 - 3 проводника), может быть:

• Синхронным (истинность информации подтверждается сигналом синхронизации, скорость обмена определяется инициатором) и асинхронным (связь осуществляется на заранее согласованных частотах, информация содержит биты - признаки начала и конца передачи);
• симплексным (однонаправленным), полудуплексным (двунаправленным с временным разделением канала) и дуплексным (двунаправленным).

Типичным представителем последовательного интерфейса является СОМ-порт обычного ПК (дуплексный асинхронный последовательный интерфейс).

Параллельный интерфейс - это интерфейс связи по параллельной линии и может быть:

• синхронным и асинхронным;
• однонаправленным или двунаправленным с временным разделением.

Типичным представителем параллельного интерфейса является LPT-порт обычного ПК (полудуплексный синхронный параллельный интерфейс).

Блок таймеров-счетчиков служит для изменения временных интервалов или счета внешних событий.

Устройство отображения информации. Многие контроллеры содержат модули управления ЖКИ-дисплеями со встроенными контроллерами или матричными индикаторами.

Сетевой интерфейс служит для обеспечения взаимодействия в рамках ЛВС (локальной вычислительной сети). Как правило, это Ethernet; CAN, широко применяемый в автомобильной промышленности, и другие интерфейсы серии FieldBus.

ЦАП/АЦП/ШИМ. АЦП предназначены для ввода аналоговой информации в вычислительную систему, а ЦАП и ШИМ - для ее вывода на исполнительные устройства системы управления.