Remkomplekty.ru

IT Новости из мира ПК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Архитектура с общей шиной

Архитектура системы с общей шиной

Архитектура распределенной системы промышленной автоматизации на основе общей шины показана на рис. 1.7. Для того, чтобы получить данные из модуля или контроллера, компьютер (или контроллер) посылает в шину его адрес и команду запроса данных. Микропроцессор, входящий в состав каждого модуля или контроллера, сверяет адрес на шине с его собственным адресом, записанным в ПЗУ, и, если адреса совпадают, исполняет следующую за адресом команду. Команда позволяет считать данные, поступающие на вход устройства, или установить необходимые данные на его выходе.

Распределенная система с общей шиной порождает две новые проблемы по сравнению с топологией «точка-точка» (когда соединяются только два устройства, как на рис. 1.1): необходимость адресации устройств и необходимость ожидания в очереди. Добавление адреса в коммуникационный пакет снижает скорость обмена при коротких сообщениях, а обмен по общей шине приводит к тому, что каждое устройство для передачи сообщения должно ждать, когда шина станет свободной. Это замедляет скорость обмена между устройствами по сравнению с топологией «точка-точка». Задержка в сетях с большим количеством устройств становится существенным ограничением на применение топологии с общей шиной [Kim] в некоторых приложениях, в частности, в случае ПИД-регулирования, когда задержка в сети ограничивает тактовую частоту работы контура регулирования. Для таких случаев используют локальные подсети или локальные технологические контроллеры.

Распределенные системы позволяют решить также следующую проблему. С ростом количества датчиков в системе, показанной на рис. 1.1, увеличивается число и суммарная длина проводов, соединяющих датчики с устройством ввода. Это приводит не только к росту стоимости кабельного оборудования, но и к проблемам, связанным с электромагнитными наводками, особенно если датчики распределены по большой площади (например, в промышленной теплице датчики распределены по площади около 6 Га, а в элеваторе число датчиков достигает 3. 5 тыс. шт.). В распределенной системе модули ввода-вывода изготавливаются с небольшим количеством входов (обычно от 1 до 16), а сами модули располагаются вблизи места установки датчиков. Увеличение количества датчиков (входов) достигается путем наращивания числа модулей и объединения их с помощью общей шины. Это сокращает общую длину проводов в системе, а также длину проводов с аналоговыми сигналами.

Связь отдельных устройств в распределенной системе может осуществляться с помощью любой промышленной сети, см. раздел»Промышленные сети и интерфейсы». Наиболее распространены в России сети Profibus, что связано с популярностью изделий фирмы Siemens, а также сети Modbus с физической шиной RS-485 благодаря распространенности модулей и контроллеров фирм ICP DAS, Advantech и НИЛ АП. За последние годы стремительно возросло количество используемых сетей Ethernet (точнее, Industrial Ethernet) в качестве промышленных сетей при скорости передачи 10, 100 и 1000 Мбит/с.

Некоторые модули ввода-вывода, входящие в состав распределенных систем, позволяют по команде из компьютера выполнять функции автоматического регулирования (например, модули NL-8TI, NL-16AI фирмы НИЛ АП). Для этого в них посылают значение уставки и параметры ПИД-регулятора (пропорциональный, дифференциальный и интегральный коэффициенты), затем команду запуска процесса регулирования. Наличие ПИД-регулятора в модулях распределенной системы позволяет осуществить локальное регулирование (например, поддержание стабильной температуры в камере тепла и холода), разгрузив общую шину для выполнения других задач.

Распределенные системы строятся, как правило, из коммерчески доступных компонентов (ПЛК, модулей ввода-вывода, датчиков, исполнительных устройств). Однако для однотипных тиражируемых систем может быть выгодно строить специализированные системы, состоящие из полностью заказных (вновь спроектированных) аппаратных и программных средств [Garcia]. Граница целесообразности такого подхода определяется объемом выпуска изделий.

Программирование распределенных систем автоматизации выполняется стандартными средствами, рассмотренными в разделе»Программное обеспечение».

* Валидация — подтверждение соответствия системы требованиям ее назначения. Выполняется с участием потребителя. Не путать с верификацией — доказательством достоверности. Валидация — это верификация с участием потребителя (терминология стандарта ИСО 9001)

** Отображение — закон, по которому каждому элементу одного множества ставится в соответствие единственный элемент другого множества.

Архитектура ЭВМ с общей шиной

Эта архитектура была разработана, когда появилась необходимость в массовом производстве относительно простых компьютеров (их тогда называли мини- и микро- ЭВМ [11]). Основой архитектуры этого класса ЭВМ была, как можно легко догадаться из названия, общая шина. В первом приближении общую шину можно представить себе как набор электрических проводов (линий), снабженных некоторыми электронными схемами. В современных ЭВМ число линий в такой шине обычно порядка сотни. Все устройства компьютера в архитектуре с общей шиной соединяются между собой посредством подключения к такому общему для них набору электрических проводов – шине. На рис. 15.2 показана схема соединения устройств компьютера с помощью общей шины.

При использовании шины устройствами может возникать конфликт, когда два или более устройств захотят одновременно обмениваться данными. Для разрешения таких конфликтов предназначен арбитр шины – специальныя электронная схема, которая обычно располагается на одном из концов шины. Разрешение конфликтов производится по принципу приоритетов устройств, – устройству с большим приоритетом арбитром отдаётся предпочтение при конфликте. В простейшем случае приоритеты устройствам явно не назначаются, просто считается, что из двух устройств то имеет больший приоритет, которое расположено на шине ближе к арбитру. Исходя из этого, более «важные» устройства стараются подключить к шине поближе к арбитру.

Разберём схему обмена данными между двумя устройствами с помощью общей шины. Сначала ведущее устройство (инициатор обмена) делает так называемый запрос шины, т.е. посылает арбитру сигнал о желании начать обмен данными (или же читает из специального регистра флаг-признак занятости шины). Если шина занята, то устройство вынуждено ждать её освобождения, а если шина свободна, то устройство производит операцию захвата шины в своё монопольное использование.

После захвата шины ведущее устройство определяет, готово ли ведомое устройство для обмена данными. Для этого ведущее устройство посылает ведомому устройству специальный сигнал, или же читает из порта ведомого устройства его флаг готовности. Определив готовность ведомого устройства, ведущее устройство начинает обмен данными. Каждая порция данных (в простейшем случае это один байт или одно слово) снабжается номером порта устройства-получателя.

Окончив обмен данными, ведущее устройство производит освобождение шины. На этом операция обмена данными между двумя устройствами по общей шине считается завершённой. Разумеется, арбитр следит, чтобы ни одно из устройств не захватывало шину на длительное время (например, устройство может сломаться, и оно поэтому «забудет» освободить шину).

Рассмотрим теперь, как видит общую шину программист. Как уже было сказано, у каждого периферийного устройства обязательно есть один или несколько портов с закреплёнными за этим устройством номерами. Программист может обмениваться с портами байтами или словами (в зависимости от вида порта). Для записи в некоторый порт используется команда

out op1,op2

Здесь операнд op1 определяет номер нужного порта и может иметь формат i8 (если номер порта небольшой и известен заранее) или быть регистром dx (если номер большой или становится известным только в процессе счёта программы). Второй операнд op2 должен задаваться регистрами al (если производится обмен байтом) или ax (если производится обмен словом).

Для чтения данных из порта служит команда

in op1,op2

Здесь уже второй операнд op2 определяет номер нужного порта и может иметь, как и в предыдущей команде, формат i8 или быть регистром dx. Первый операнд op1 должен задаваться регистрами al (если производится обмен байтом) или ax (если производится обмен словом). Далее мы рассмотрим небольшой пример использования этих команд.

Рассмотрим теперь общую архитектуру связи центрального процессора и периферийных устройств с точки зрения пользователей разного уровня.

· Конечный пользователь. Пользователь-непрограммист бухгалтер Иванов уверен, что в ком­пьютере есть команда «Распечатать ведомость», так как именно это происходит каждый раз, когда он нажимает на кнопку меню «Печать ведомости».

· Прикладной программист. Программист Петров, который написал бухгалтерскую программу на языке Паскаль, только улыбнётся наивности Иванова. Уж он то точно знает, что даже для того, чтобы вывести только один, например, символ ‘A’, надо написать оператор стандартной процедуры Write(‘A’) . Правда Петрову известно, что на самом деле его программа сначала переводится (транслируется) на машинный язык, поэтому он из любопытства поинтересовался у программиста на Ассемблере Сидорова, что тот напишет, чтобы вывести символ ‘A’. Сидоров ответил, что обычно для этой цели он пишет предложение Ассемблера outch ‘A’ . Разница между этими двумя способами вывода символа показалась Петрову несущественной, например он читал о том, что, например, в языке С для этой же цели надо вызвать библиотечную функцию printf(«%c»,’A’); .[88]

Читать еще:  Как создать свою ос на ядре linux

· Программист на Ассемблере. Сидоров, однако, знает, что предложение outch ‘A’ является не командой машины, а макрокомандой, на её место макропроцессор подставит макрорасширение, например, такого вида

mov dl,’A’

mov ah,02h

int 21h

Вот этот, как говорят, системный вызов и будет, с точки зрения Сидорова, выводить символ ‘A’ на стандартное устройство вывода.

· Системный программист. Системный программист (раньше иногда говорили системный ана­литик) Антонов, однако снисходительно пояснит Сидорову, что системный вызов – это просто переход на служебную процедуру-обработчик прерывания с номером 21h. А уж эта процедура и произведёт на самом деле вывод символа, используя, в частности, специальные команды обмена с внешними устройствами in и out.

· Инженер-электронщик. Инженер Попов, внимательно прослушав разговор пользователей, скажет, что всё это неверно. На самом деле центральный процессор выводит символ на экран или печатающее устройство путём сложной последовательности действий, которая включает в себя такие операции с общей шиной, как запрос, захват, передача данных и освобождение этой шины. И только после этого символ, наконец, прибывает по назначению.

Как Вы догадываетесь, нельзя сказать, кто же из этих людей прав, и бессмысленно спрашивать, как всё происходит «на самом деле». Каждый из них прав со своего уровня видения архитектуры компьютера. И, как мы уже говорили, опускаться на более низкий уровень рассмотрения архитектуры следует только тогда, когда это абсолютно необходимо для дела.

Разберём теперь простой пример реализации операции ввода/вывода на уровне системного программиста. Оставим в стороне пользователя-непрограммиста (он нам сейчас неинтересен) и рассмотрим, например, операцию позицирования курсора на экране компьютера в позицию (X,Y).

Для прикладного программиста, как Вы знаете, для этой цели надо выполнить, например, оператор стандартный процедуры Турбо-Паскаля GotoXY(X,Y) . Для программиста на Ассемблере позицирование курсора можно выполнить с использованием такого системного вызова:

mov ah,2

mov bl,0

mov dl,X

mov dh,Y

int 10h

Как видим, параметры позицирования X и Y передаются в регистрах dl и dh. Системный вызов int 10h может выполнять различные операции с экраном компьютера, в зависимости от своих параметров, передаваемых ему на регистрах. Рассмотрим (в сильно упрощённом виде) тот фрагмент процедуры-обработчика системного вызова, который выполняет запрос на позицирование курсора.[89]

Во-первых, нам необходимо понять, а как вообще дисплей (точнее, электронная схема – контроллер дисплея) «знает», куда необходимо в каждый момент времени поставить курсор. Оказывается, что у контроллера дисплея, как, впрочем, и у любого другого периферийного устройства, есть свои регистры. Нас будут интересовать регистры дисплея с номерами 14 и 15 (обозначим их R14 и R15), каждый из них имеет размер 8 бит, но их совокупность может хранить длинное целое число, как показано ниже

Далее, дисплей «считает»,[90] что его экран имеет не 25 строк и 80 столбцов, как думают программисты, а 25*80 знакомест, в каждое из которых можно вывести один символ и поставить курсор. Знакоместа в первой строке экрана нумеруются не от 1 до 80, а от 0 до 79, во второй – от 80 до 159 и т.д. Другими словами, все позиции экрана расмматриваются как одномерный массив. Так вот, чтобы курсор переместился в нужную нам позицию (X,Y) в пару регистров необходимо записать число

Следовательно, сначала прецедуре-обработчику прерывания необходимо вычислить это число, используя параметры X и Y из системного вызова:

mov al,80

dec dh; Y-1

mul dh; ax:=80*(Y-1)

dec dl; X-1

add al,dh

adc ah,0; ax:=80*(Y-1)+(X-1)

mov bx,ax; Спасём на bx

Теперь необходимо переслать содержимое регистров bl и bh соответственно в регистры R15 и R14 дисплея. Для этого мы будем использовать два порта дисплея (в каждый можно записывать для передачи дисплею операнд размером в байт). Порт с шестнадцатеричным номером 3D4h позволяет выбрать номер регистра дисплея, в который будет производиться очередная запись данных. Для этого в этот порт необходимо записать номер соответствующего регистра (у нас это номера 15 и 14). После выбора номера регистра запись в него нового значения производится посредством посылки байта в «транспортировочный» порт дисплея с номером 3D5h. В итоге получается следующий фрагмент программы:

mov dx,3D4h; Порт выбора регистра

mov al,15

out dx,al; Выбираем R15

inc dx; Порт записи в регистр

mov al,bl; младший байт BX

out dx,al; Запись в R15

dec dx; Порт выбора регистра

mov al,14

out dx,al; Выбираем R14

inc dx; Порт записи в регистр

mov al,bh; старший байт BX

out dx,al; Запись в R14

Вот теперь курсор будет установлен в нужное место экрана, и можно возвращаться на команду, следующую за системным вызовом int 10h . Разумеется, наш алгоритм весьма примитивен. На­пример, после записи в 15-й регистр дисплея и до записи в 14-й регистр курсор прыгнет в непредсказуемое место экрана, так что по-хорошему надо было бы на время работы нашего фрагмента заблокировать для контроллера чтение данных из регистров дисплея. Это, разумеется, делается записью некоторого значения в определённый управляющий регистр дисплея, для чего понадобятся и другие команды in и out. Кроме того, хорошо бы предварительно убедиться, что дисплей вообще включён и работает в нужном нам режиме, для чего потребуется, например, считать некоторые флаги состояния дисплея .

Надеюсь, что этот простенький фрагмент реализации системного вызова не отобьёт у Вас охоту быть системным программистом и заниматься написанием драйверов внешних устройств J.

Шинная структура связей;

Микропроцессорная система (МПС). Структура и основные понятия.

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом микропроцессорных: микропроцессора и/или микроконтроллера.

Микропроцессорное устройство (МПУ) представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в состав которых входит микропроцессор; оно предназначено для выполнения определённого набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление.

Микропроце́ссор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде).

При шинной структуре связей все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (это называется мультиплексированной передачей). Причем передача по всем линиям связи может осуществляться в обоих направлениях (так называемая двунаправленная передача). В результате количество линий связи существенно сокращается, а правила обмена (протоколы) упрощаются. Группа линий связи, по которым передаются сигналы или коды как раз и называется шиной

Большое достоинство шинной структуры связей состоит в том, что все устройства, подключенные к шине, должны принимать и передавать информацию по одним и тем же правилам (протоколам обмена информацией по шине). Соответственно, все узлы, отвечающие за обмен с шиной в этих устройствах, должны быть единообразны, унифицированы.

Существенный недостаток шинной структуры связан с тем, что все устройства подключаются к каждой линии связи параллельно. Поэтому любая неисправность любого устройства может вывести из строя всю систему, если она портит линию связи. По этой же причине отладка системы с шинной структурой связей довольно сложна и обычно требует специального оборудования.

В системах с шинной структурой связей применяют все три существующие разновидности выходных каскадов цифровых микросхем:

· стандартный выход или выход с двумя состояниями (обозначается 2С, 2S, реже ТТЛ, TTL);

· выход с открытым коллектором (обозначается ОК, OC);

Читать еще:  Архитектура эвм дж фон неймана

Все устройства микропроцессорной системы объединяются общей системной шиной (она же называется еще системной магистралью или каналом). Системная магистраль включает в себя четыре основные шины нижнего уровня:

· шина адреса (AddressBus);

· шина данных (DataBus);

· шина управления (ControlBus);

· шина питания (PowerBus).

Шина адреса служит для определения адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент.Шина адреса может быть однонаправленной или двунаправленной.

Шина данных — это основная шина, которая используется для передачи информационных кодов между всеми устройствами микропроцессорной системы. Шина данных всегда двунаправленная.

Шина управления в отличие от шины адреса и шины данных состоит из отдельных управляющих сигналов. Линии шины управления могут быть однонаправленными или двунаправленными.

Шина питания предназначена не для пересылки информационных сигналов, а для питания системы.

Каждому напряжению питания соответствует своя линия связи.

5.2. Одношинная (фон-неймановская) и двухшинная (гарвардская) архитектура микропроцессорных систем. Особенности построения и функционирования.

Рис. 1.15. Архитектура с общей шиной данных и команд.

Архитектура с общей шиной распространена гораздо больше, она применяется, например, в персональных компьютерах и в сложных микрокомпьютерах. Архитектура с раздельными шинами применяется в основном в однокристальных микроконтроллерах.

Архитектура с общей шиной (принстонская, фон-неймановская) проще, она не требует от процессора одновременного обслуживания двух шин, контроля обмена по двум шинам сразу. Наличие единой памяти данных и команд позволяет гибко распределять ее объем между кодами данных и команд. 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. Перераспределение памяти не вызывает никаких проблем, главное — чтобы программа и данные вместе помещались в памяти системы. Как правило, в системах с такой архитектурой память бывает довольно большого объема (до десятков и сотен мегабайт). Это позволяет решать самые сложные задачи.

Двухшинная (гарвардская)

Рис. 1.16. Архитектура с раздельными шинами данных и команд.

Архитектура с раздельными шинами данных и команд сложнее, она заставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно. Программа может размещаться только в памяти команд, данные — только в памяти данных. Такая узкая специализация ограничивает круг задач, решаемых системой, так как не дает возможности гибкого перераспределения памяти. Память данных и память команд в этом случае имеют не слишком большой объем, поэтому применение систем с данной архитектурой ограничивается обычно не слишком сложными задачами.

Преимущество архитектуры с двумя шинами (гарвардской) в быстродействии.

В случае двухшинной архитектуры обмен по обеим шинам может быть независимым, параллельным во времени. Соответственно, структуры шин могут быть выбраны оптимально для той задачи, которая решается каждой шиной. Поэтому при прочих равных условиях переход на двухшинную архитектуру ускоряет работу микропроцессорной системы, хотя и требует дополнительных затрат на аппаратуру, усложнения структуры процессора. Память данных в этом случае имеет свое распределение адресов, а память команд — свое.

Проще всего преимущества двухшинной архитектуры реализуются внутри одной микросхемы. В этом случае можно также существенно уменьшить влияние недостатков этой архитектуры. Поэтому основное ее применение — в микроконтроллерах, от которых не требуется решения слишком сложных задач, но зато необходимо максимальное быстродействие при заданной тактовой частоте.

Философия микропроцессорной техники

1.4. Архитектура микропроцессорных систем

До сих пор мы рассматривали только один тип архитектуры микропроцессорных систем — архитектуру с общей, единой шиной для данных и команд (одношинную, или принстонскую, фон-неймановскую архитектуру ). Соответственно, в составе системы в этом случае присутствует одна общая память , как для данных, так и для команд (рис. 1.15).

Но существует также и альтернативный тип архитектуры микропроцессорной системы — это архитектура с раздельными шинами данных и команд (двухшинная, или гарвардская, архитектура ). Эта архитектура предполагает наличие в системе отдельной памяти для данных и отдельной памяти для команд (рис. 1.16). Обмен процессора с каждым из двух типов памяти происходит по своей шине .

Архитектура с общей шиной распространена гораздо больше, она применяется, например, в персональных компьютерах и в сложных микрокомпьютерах . Архитектура с раздельными шинами применяется в основном в однокристальных микроконтроллерах .

Рассмотрим некоторые достоинства и недостатки обоих архитектурных решений.

Архитектура с общей шиной (принстонская, фон-неймановская) проще, она не требует от процессора одновременного обслуживания двух шин , контроля обмена по двум шинам сразу. Наличие единой памяти данных и команд позволяет гибко распределять ее объем между кодами данных и команд. 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. Перераспределение памяти не вызывает никаких проблем, главное — чтобы программа и данные вместе помещались в памяти системы. Как правило, в системах с такой архитектурой память бывает довольно большого объема (до десятков и сотен мегабайт ). Это позволяет решать самые сложные задачи.

Архитектура с раздельными шинами данных и команд сложнее, она заставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно. Программа может размещаться только в памяти команд, данные — только в памяти данных. Такая узкая специализация ограничивает круг задач, решаемых системой, так как не дает возможности гибкого перераспределения памяти . Память данных и память команд в этом случае имеют не слишком большой объем, поэтому применение систем с данной архитектурой ограничивается обычно не слишком сложными задачами.

В чем же преимущество архитектуры с двумя шинами (гарвардской)? В первую очередь , в быстродействии.

Дело в том, что при единственной шине команд и данных процессор вынужден по одной этой шине принимать данные (из памяти или устройства ввода/вывода ) и передавать данные (в память или в устройство ввода/вывода ), а также читать команды из памяти . Естественно, одновременно эти пересылки кодов по магистрали происходить не могут, они должны производиться по очереди. Современные процессоры способны совместить во времени выполнение команд и проведение циклов обмена по системной шине . Использование конвейерных технологий и быстрой кэш-памяти позволяет им ускорить процесс взаимодействия со сравнительно медленной системной памятью . Повышение тактовой частоты и совершенствование структуры процессоров дают возможность сократить время выполнения команд. Но дальнейшее увеличение быстродействия системы возможно только при совмещении пересылки данных и чтения команд, то есть при переходе к архитектуре с двумя шинами .

В случае двухшинной архитектуры обмен по обеим шинам может быть независимым, параллельным во времени. Соответственно, структуры шин (количество разрядов кода адреса и кода данных, порядок и скорость обмена информацией и т.д.) могут быть выбраны оптимально для той задачи, которая решается каждой шиной . Поэтому при прочих равных условиях переход на двухшинную архитектуру ускоряет работу микропроцессорной системы , хотя и требует дополнительных затрат на аппаратуру, усложнения структуры процессора. Память данных в этом случае имеет свое распределение адресов, а память команд — свое.

Проще всего преимущества двухшинной архитектуры реализуются внутри одной микросхемы. В этом случае можно также существенно уменьшить влияние недостатков этой архитектуры . Поэтому основное ее применение — в микроконтроллерах , от которых не требуется решения слишком сложных задач, но зато необходимо максимальное быстродействие при заданной тактовой частоте.

1.5. Типы микропроцессорных систем

Диапазон применения микропроцессорной техники сейчас очень широк, требования к микропроцессорным системам предъявляются самые разные. Поэтому сформировалось несколько типов микропроцессорных систем , различающихся мощностью, универсальностью, быстродействием и структурными отличиями. Основные типы следующие:

  • микроконтроллеры — наиболее простой тип микропроцессорных систем , в которых все или большинство узлов системы выполнены в виде одной микросхемы;
  • контроллеры — управляющие микропроцессорные системы , выполненные в виде отдельных модулей;
  • микрокомпьютеры — более мощные микропроцессорные системы с развитыми средствами сопряжения с внешними устройствами.
  • компьютеры (в том числе персональные) — самые мощные и наиболее универсальные микропроцессорные системы .
Читать еще:  Магистрально модульный принцип архитектуры

Четкую границу между этими типами иногда провести довольно сложно. Быстродействие всех типов микропроцессоров постоянно растет, и нередки ситуации, когда новый микроконтроллер оказывается быстрее, например, устаревшего персонального компьютера. Но кое-какие принципиальные отличия все-таки имеются.

Микроконтроллеры представляют собой универсальные устройства, которые практически всегда используются не сами по себе, а в составе более сложных устройств, в том числе и контроллеров. Системная шина микроконтроллера скрыта от пользователя внутри микросхемы. Возможности подключения внешних устройств к микроконтроллеру ограничены. Устройства на микроконтроллерах обычно предназначены для решения одной задачи.

Контроллеры, как правило, создаются для решения какой-то отдельной задачи или группы близких задач. Они обычно не имеют возможностей подключения дополнительных узлов и устройств, например, большой памяти , средств ввода/вывода. Их системная шина чаще всего недоступна пользователю. Структура контроллера проста и оптимизирована под максимальное быстродействие . В большинстве случаев выполняемые программы хранятся в постоянной памяти и не меняются. Конструктивно контроллеры выпускаются в одноплатном варианте.

Микрокомпьютеры отличаются от контроллеров более открытой структурой, они допускают подключение к системной шине нескольких дополнительных устройств. Производятся микрокомпьютеры в каркасе, корпусе с разъемами системной магистрали, доступными пользователю. Микрокомпьютеры могут иметь средства хранения информации на магнитных носителях (например, магнитные диски) и довольно развитые средства связи с пользователем (видеомонитор, клавиатура). Микрокомпьютеры рассчитаны на широкий круг задач, но в отличие от контроллеров, к каждой новой задаче его надо приспосабливать заново. Выполняемые микрокомпьютером программы можно легко менять.

Наконец, компьютеры и самые распространенные из них — персональные компьютеры — это самые универсальные из микропроцессорных систем . Они обязательно предусматривают возможность модернизации, а также широкие возможности подключения новых устройств. Их системная шина , конечно, доступна пользователю. Кроме того, внешние устройства могут подключаться к компьютеру через несколько встроенных портов связи (количество портов доходит иногда до 10). Компьютер всегда имеет сильно развитые средства связи с пользователем, средства длительного хранения информации большого объема, средства связи с другими компьютерами по информационным сетям. Области применения компьютеров могут быть самыми разными: математические расчеты, обслуживание доступа к базам данных, управление работой сложных электронных систем, компьютерные игры, подготовка документов и т.д.

Любую задачу в принципе можно выполнить с помощью каждого из перечисленных типов микропроцессорных систем . Но при выборе типа надо по возможности избегать избыточности и предусматривать необходимую для данной задачи гибкость системы.

В настоящее время при разработке новых микропроцессорных систем чаще всего выбирают путь использования микроконтроллеров (примерно в 80% случаев). При этом микроконтроллеры применяются или самостоятельно, с минимальной дополнительной аппаратурой, или в составе более сложных контроллеров с развитыми средствами ввода/вывода.

Классические микропроцессорные системы на базе микросхем процессоров и микропроцессорных комплектов выпускаются сейчас довольно редко, в первую очередь , из-за сложности процесса разработки и отладки этих систем. Данный тип микропроцессорных систем выбирают в основном тогда, когда микроконтроллеры не могут обеспечить требуемых характеристик.

Наконец, заметное место занимают сейчас микропроцессорные системы на основе персонального компьютера. Разработчику в этом случае нужно только оснастить персональный компьютер дополнительными устройствами сопряжения, а ядро микропроцессорной системы уже готово. Персональный компьютер имеет развитые средства программирования, что существенно упрощает задачу разработчика. К тому же он может обеспечить самые сложные алгоритмы обработки информации. Основные недостатки персонального компьютера — большие размеры корпуса и аппаратурная избыточность для простых задач. Недостатком является и неприспособленность большинства персональных компьютеров к работе в сложных условиях (запыленность, высокая влажность, вибрации, высокие температуры и т.д.). Однако выпускаются и специальные персональные компьютеры, приспособленные к различным условиям эксплуатации.

Архитектура микропроцессорных систем. Архитектура с общей шиной данных и команд. Архитектура с разделенными шинами данных и команд

Дата добавления: 2015-08-06 ; просмотров: 1807 ; Нарушение авторских прав

До сих пор мы рассматривали только один тип архитектуры микропроцессорных систем — архитектуру с общей, единой шиной для данных и команд (одношинную, или принстонскую, фон-неймановскую архитектуру). Соответственно, в составе системы в этом случае присутствует одна общая память, как для данных, так и для команд (рис. 1.15).

Рис, 1.15.Архитектура с общей шиной данных и команд.

Но существует также и альтернативный тип архитектуры микропроцессорной системы — это архитектура с раздельными шинами данных и команд (двухшинная, или гарвардская, архитектура). Эта архитектура предполагает наличие в системе отдельной памяти для данных и отдельной памяти для команд (рис. 1.16). Обмен процессора с каждым из двух типов памяти происходит по своей шине.

Архитектура с общей шиной распространена гораздо больше, она применяется, например, в персональных компьютерах и в сложных микрокомпьютерах. Архитектура с раздельными шинами применяется в основном в однокристальных микроконтроллерах.

Рассмотрим некоторые достоинства и недостатки обоих архитектурных решений.

Архитектура с общей шиной (принстонская, фон-неймановская) проще, она не требует от процессора одновременного обслуживания двух шин, контроля обмена по двум шинам сразу. Наличие единой памяти данных и

команд позволяет гибко распределять ее объем между кодами данных и команд. 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. Перераспределение памяти не вызывает никаких проблем, главное — чтобы программа и данные вместе помещались в памяти системы. Как правило, в системах с такой архитектурой память бывает довольно большого объема (до десятков и сотен мегабайт). Это позволяет решать самые сложные задачи.

Рис. 1.16. Архитектура с раздельными шинами данных и команд.

Архитектура с раздельными шинами данных и команд сложнее, она заставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно. Программа может размещаться только в памяти команд, данные — только в памяти данных. Такая узкая специализация ограничивает круг задач, решаемых системой, так как не дает возможности гибкого перераспределения памяти. Память данных и память команд в этом случае имеют не слишком большой объем, поэтому применение систем с данной архитектурой ограничивается обычно не слишком сложными задачами.

В чем же преимущество архитектуры с двумя шинами (гарвардской)? В первую очередь, в быстродействии.

Дело в том, что при единственной шине команд и данных процессор вынужден по одной этой шине принимать данные (из памяти или устройства ввода/вывода) и передавать данные (в память или в устройство ввода/ вывода), а также читать команды из памяти. Естественно, одновременно эти пересылки кодов по магистрали происходить не могут, они должны

производиться по очереди. Современные процессоры способны совместить во времени выполнение команд и проведение циклов обмена по системной шине. Использование конвейерных технологий и быстрой кэшпамяти позволяет им ускорить процесс взаимодействия со сравнительно медленной системной памятью. Повышение тактовой частоты и совершенствование структуры процессоров дают возможность сократить время выполнения команд. Но дальнейшее увеличение быстродействия системы возможно только при совмещении пересылки данных и чтения команд, ТО есть при переходе к архитектуре с двумя шинами.

В случае двухшинной архитектуры обмен по обеим шинам может быть независимым, параллельным во времени. Соответственно, структуры шин (количество разрядов кода адреса и кода данных, порядок и скорость обмена информацией и т.д.) могут быть выбраны оптимально для той задами, которая решается каждой шиной. Поэтому при прочих равных условиях переход на двухшинную архитектуру ускоряет работу микропроцессорной системы, хотя и требует дополнительных затрат на аппаратуру, усложнения структуры процессора. Память данных в этом случае имеет свое распределение адресов, а память команд — свое.

Проще всего преимущества двухшинной архитектуры реализуются внутри одной микросхемы. В этом случае можно также существенно уменьшить влияние недостатков этой архитектуры. Поэтому основное ее применение — в микроконтроллерах, от которых не требуется решения слишком сложных задач, но зато необходимо максимальное быстродействие при заданной тактовой частоте.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector
×
×