ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ТЕЛЕМАТИКИ

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)


















К.Г. МАНУШАКЯН


ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ТЕЛЕМАТИКИ.


КУРС ЛЕКЦИЙ ПО МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКЕ. ЧАСТЬ 1

Учебное пособие









Утверждено в качестве учебного пособия редсоветом МАДИ (ГТУ)












Москва 2007

УДК681.5:004.382.7 ББК32.965:32.973.26-04





К.Г. Манушакян Технические средства телематики. Курс лекций по микропро-
цессорной технике. Учебное пособие.- М.: МАДИ (ГТУ), 2007 – 23с.






Рецензенты:

А.М. Васьковский - д.т.н., проф. кафедры автоматизированных систем управления МАДИ (ГТУ).
А.Ф. Тихонов - к.т.н., проф. кафедры электротехники и элек-тропривода МГСУ МИСИ.







В учебном пособии даны основные понятия электроники, такие как: жесткая и гибкая логика, структура микропроцессорных систем. Приведена классификация микропроцессорных систем, факторы, влияющие на их быстродействие. Пособие предназначено для сту-дентов, изучающих телематику, а также курс микропроцессорных систем управления.









© Московский автомобильно-дорожный институт (государственный технический университет), 2007

Введение


Изучение интенсивно развивающейся и наукоемкой предмет-ной области, такой как микроэлектроника и микропроцессорная тех-ника - задача интересная и сложная, требующая постоянного со-вершенствования, пополнения получаемых знаний и знакомства со смежными научно-техническими областями. В связи с широким применением электронных систем управления и с целью эффектив-ного решения любых прикладных задач современный специалист, профессионально связанный и не связанный с вычислительной тех-никой, должен иметь не только элементарное представление об ос-новных понятиях построения современных электронных систем, но и иметь адекватное представление о состоянии и перспективах раз-вития элементной базы.
Развитие компьютерной техники - наивысшего достижения электроники - последнее десятилетие шло такими шагами, что на сегодняшний день практически невозможно представить ни одну сферу жизни, где бы не применялись микропроцессоры (МП): от персональных компьютеров - до управления сложнейшими техноло-гическими процессами, от управления бытовыми стиральными ма-шинами и сотовыми телефонами - до проектирующих рабочих стан-ций и многопроцессорных супер-ЭВМ.

За чуть более чем четверть вековую историю микропроцессо-ры прошли поистине гигантский путь.

Первая микросхема МП, выпущенная фирмой INTEL в 1971 г., работала на тактовой частоте 108 кГц, содержала 2300 транзисто-ров, выполнена была по 10 мкм технологии и стоила около 200 дол-ларов. Одна из последних модификаций микросхемы INTEL PENTIUM-4 выполнена по 0,09 мкм технологии, имеет 140 миллио-нов транзисторов внутри кристалла полупроводника размером
87кв.мм.

Сравнение вышеприведенных данных подтверждает и образ-ная оценка успехов микропроцессорной индустрии, данная основа-телем и председателем совета директоров фирмы INTEL Гордоном Муром (Gordon Moore): «Если бы автомобилестроение эволюциони-ровало со скоростью полупроводникововой промышленности, то се-

3

годня «Роллс-ройс» стоил бы 3 доллара, мог проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина, и было бы дешевле его выбросить, чем платить за парковку».
Не трудно понять, что и на сегодняшний день компьютериза-ция является одним из главных направлений научно-технического прогресса и концентрированным его выражением. В МП воплощены самые передовые достижения инженерной мысли, и от того, в какой степени насыщены вычислительной техникой самые различные от-расли производства, зависит не только экономический, но и воен-ный потенциал страны.



















































4

1. Лекция 1. Основные определения и понятия микро-процессорной техники

Ключевые слова: жесткая логика, гибкая логика, микропро-цессор, микропроцессорная система, шина, память, устройства вво-да-вывода.

1.1. Жесткая и гибкая логика


Прежде, чем рассматривать микропроцессорную систему, рас-смотрим электронную систему вообще.
Электронная система – это любой электронный узел, блок или прибор, производящий обработку входных сигналов и выдачу вы-ходных (Рис. 1.1).





















Рис. 1.1. Электронная система жёсткой логики


В качестве входных или выходных сигналов при этом могут использоваться: аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигна-лы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Внутри системы может производиться хранение, накопление сигналов (или информации) и их обработка. Если система цифровая, то входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательность кодов с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а выходные


5

аналоговые сигналы формируются из последовательности цифро-вых кодов с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).
Характерной особенностью традиционных цифровых систем является тот факт, что алгоритм обработки и хранения информации
в ней жёстко связан со схемотехникой системы, то есть для кон-кретно поставленной задачи разрабатывается и реализуется кон-кретная электронная схема. Любое изменение исходных условий задачи повлечет за собой и изменение её схемотехнического реше-ния, т.е. изменение алгоритма функционирования системы возмож-но только путём изменения её структуры. Такие схемы называют
схемами жёсткой логики.

Таким образом, любая система жёсткой логики представляет собой специализированную электронную систему, разработанную и настроенную на решение одной или нескольких заранее известных задач.
Преимуществом систем жёсткой логики является их высокое быстродействие, так как такие системы никогда не имеют аппарат-ной избыточности, а скорость выполнения алгоритмов определяется
в ней только быстродействием отдельных логических элементов. Самым большим недостатком цифровой системы на жёсткой

логике является тот факт, что при изменении условий задачи схему нужно проектировать и изготавливать заново.
Преодолеть этот недостаток позволяют электронные системы гибкой логики, которые могут легко адаптироваться под любую за-дачу, перестраиваясь с одного алгоритма на другой без изменения электронной схемы. В таких системах изменение условий влияет только на изменение программы, в соответствии с которой работает система (Рис. 1.2).
Такая система является программируемой (перепрограмми-руемой). Именно к системе гибкой логики и относятся микропроцес-сорные системе.
Конечно, аппаратно такая схема может быть избыточна, так как должна функционировать и для решения самой простой, и для решения самой сложной задачи. А решение трудной задачи требует гораздо больше аппаратных средств, чем решение простой.



6
































Рис. 1.2. Электронная система гибкой логики


Чем проще решается задача, тем больше избыточность. Такая избыточность ведет, с одной стороны, к увеличению стоимости схе-мы, увеличению потребляемой мощности, с другой стороны - к су-щественному уменьшению быстродействия.
Из вышеизложенного можно сделать следующий вывод: сис-темы жесткой логики должны применяться там, где решаемая зада-ча не меняется длительное время, где требуется высокое быстро-действие, а алгоритмы обработки информации просты. Системы гибкой логики должны применяться там, где часто меняются решае-мые задачи, высокое быстродействие не слишком важно, а алго-ритмы обработки информации сложны.

1.2. Микропроцессор и «сотоварищи»


Центральным устройством микропроцессорной системы (МПС) является микропроцессор – тот узел, который производит всю об-
работку информации внутри системы. Другие устройства МПС

7

выполняют вспомогательные функции: хранение информации (про-грамм и данных), связь с периферийными устройствами. Основным устройством, осуществляющим руководство совместной работой всех внутренних устройств МПС и вспомогательных устройств, яв-ляется все тот же микропроцессор.
Вообще говоря, микропроцессор можно сравнить с человече-ским мозгом, который не только принимает решения, но и руководит работой внутренних органов человека, а также осуществляет его связь с внешним миром посредством органов чувств: слуха, зрения и т.д. То есть вводит информацию извне, обрабатывает ее и управ-ляет дальнейшими действиями «биологической микропроцессорной системы», имя которой – человек.
Следовательно, микропроцессор (МП) можно определить как программно-управляемую электронную схему, предназначенную для обработки цифровой информации, управления процессом этой обработки, а также управления работой устройств, входящих в мик-ропроцессорную систему.
МП может быть реализован (выполнен) на одной или несколь-ких больших интегральных схемах (БИС).

Микропроцессор, как отмечалось выше, «один в поле не во-ин». Он работает в совокупности с другими электронными устройст-вами, тоже выполненными в виде БИС, которые обеспечивают связь МП, образно говоря, с «внешним миром», т.е. с периферийными устройствами. Эти дополнительные БИС вместе с МП функцио-нально образуют так называемую микропроцессорную систему, о которой упоминалось выше.
В отличие от обычных БИС микропроцессор содержит в своем составе управляющие элементы, что позволяет настроить его на выполнение любых (в принципе) функций.
Как уже отмечалось, сам по себе МП еще не способен реали-зовать переработку информации, т.е. он не может решить ту или иную конкретную задачу. Чтобы решить задачу, его нужно не только соединить с другими устройствами микропроцессорной системы, создав тем самым МПС, но и запрограммировать и обеспечить об-мен информацией между МП и этими устройствами. Сами эти уст-ройства, выполненные также в виде БИС, совместно с микросхемой

8

микропроцессора составляют микропроцессорный комплект, то есть набор микросхем, из которых можно составить МПС.
В состав МПС входят следующие взаимосвязанные электрон-ные устройства: один или несколько МП, предназначенных для об-работки информации и управления; память - для хранения про-грамм и данных; устройства ввода-вывода - для передачи ин-формации от периферийных устройств к микропроцессору и обрат-но; а также ряд других устройств, предназначенных для связи МП и «внешнего мира», нацеленных на выполнение четко определенных функций.
Иначе говоря, микропроцессорная система - это сложная элек-тронная схема, выполненная на микропроцессорном комплекте, ра-ботой которой управляет микропроцессор. Типовая структура мик-ропроцессорной системы представлена на рисунке 1.3.

































Рис. 1.3. Трёхшинная структура микропроцессорной системы


Вся информация между устройствами передается по одним и тем же электрическим линиям связи, но в разное время. Причем,

9

передача осуществляется как в обоих направлениях (так называе-мая двунаправленная передача), так и в одном направлении (одно-направленная передача). При однонаправленной передаче одни устройства выступают всегда в качестве посылающих, а другие - всегда в качестве принимающих, при двунаправленной - каждое устройство, подключенное к линиям связи, в какой-то момент может посылать сигналы другим устройствам.
Группы линий связи, по которым передаются сигналы или ко-ды, называются шинами (от англ. BUS).
Информация, передаваемая по шинам, различна по назначе-нию и может представлять собой данные, или адреса, по которым эти данные передаются. Различают три основные шины:
- шина адреса;

- шина данных;

- шина управления.

Вместе эти три шины называются системной шиной. Шина, по которой передаются питающие напряжения – шина питания, – на рисунке не представлена, однако, следует иметь в виду, что без по-дачи питающих напряжений на соответствующие входы микросхем МПС работать не будет.

Рассмотрим назначение шин МПС.

Шина данных (ШД) – это основная шина, которая использует-ся для передачи информационных кодов (кодов данных) между всеми устройствами системы. Обычно в пересылке данных участву-ет процессор, который передает двоичный код данных в какую-либо ячейку памяти или устройство ввода-вывода, или же принимает код данных из какого-либо устройства или ячейки памяти. В некоторых случаях возможен также обмен данными без участия микропроцес-сора. Шина данных всегда двунаправленная.
Шина адреса (ША) служит для передачи адреса (номера) уст-ройства, с которым процессор обменивается информацией в дан-ный момент. Каждому устройству, кроме МП, в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес. Также как в жизни, письмо не может быть безадресным, данные в МПС должны сопро-вождаться информацией не только о том, куда относительно микро-процессора они направлены, но и информацией о том, какому или

10

от какого конкретно устройства или ячейки памяти они передаются. Когда код какого-либо адреса выставляется МП по шине адреса, то устройство, которому приписан этот адрес, «понимает», что ему предстоит обмен информацией. Остальные же устройства в этот момент «могут не беспокоиться», так как все данные, которые будут переданы по шине данных вслед за адресом, будут предназначены не им. ША может быть как однонаправленной, так и двунаправлен-ной.
Шина управления (ШУ), в отличие от ША и ШД, состоит из от-дельных управляющих сигналов, каждый из которых во время обме-на информацией несет свою функцию. Некоторые сигналы служат для стробирования передачи или приема данных, то есть опреде-ляют моменты времени, когда код выставлен на ШД; другие могут использоваться для подтверждения приема данных, тактирования (синхронизации) работы устройств, для сброса всех устройств в ис-ходное состояние. Линии ШУ могут быть однонаправленными и дву-направленными.
В любой момент времени, зная логическое состояние шин, можно полностью определить путь, который проходят данные в сис-теме от одной точки к другой.

Таким образом, исходя из вышеизложенного, можно опреде-

лить шину, как совокупность электрических проводников, пред-

назначенных для передачи информации и объединенных единым

функциональным назначением.

Заметим, что шина на плате физически может располагаться разрозненно, а может быть выполнена в виде электрического пучка проводов, расположенных вместе. Физически шины могут быть реа-лизованы в виде шины гибких проводов, или в виде печатной схемы.

Различают двухшинную и трехшинную структуры МПС (рис.1.3

и рис.1.4).

При работе трехшинной МПС данные, адреса и управляющие сигналы передаются по предназначенным для этого шинам - ШД, ША и ШУ соответственно. Однако, для уменьшения габаритов элек-трических схем была предложена двухшинная структура, имеющая не отдельные ШД и ША, а так называемую мультиплексирован-ную шину адреса данных (ША/Д), суть работы которой сводится к

11

тому, что сначала по шине передается адрес устройства или номер ячейки памяти, в которую будут записаны или считаны данные, а за-тем и сами данные. Направление передачи данных определяется управляющим сигналом, передаваемым по ШУ.
































Рис. 1.4. Двухшинная структура микропроцессорной системы


Таким образом, по шинам МП «общается» с подсистемой па-

мяти (ПП) и подсистемой ввода-вывода (ВВ).

Подсистема памяти представляет собой микросхемы посто-янной и оперативной памяти. Микросхемы, из которых собирается постоянная память, называются постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ). ПЗУ энергонезависимы, то есть при отключе-нии напряжения питания информация, записанная в ПЗУ, не исче-зает. Микросхемы, из которых собирается оперативная память, на-
зывают оперативными запоминающими устройствами (ОЗУ).

ОЗУ - энергозависимы. При отключении напряжения питания ин-формация, записанная в ОЗУ, теряется.

Постоянная память используется для хранения программ на-чального пуска МПС, которые выполняются каждый раз после вклю-

12

чения напряжения питания или полного сброса системы, если тако-вой предусмотрен. Также в постоянной памяти хранятся приклад-ные программы функционирования микропроцессорной системы.
Если процесс выполнения программы многоступенчатый, то микропроцессор может хранить промежуточные результаты в опе-ративной памяти. Иногда программы, выполняемые микропроцес-сором, сначала загружаются в оперативную память из периферий-ного устройства (например, считываются с компакт-диска), а уже по-том выполняются.
Выполнение команд программы производится последователь-но. Для того чтобы прочитать команду из памяти, микропроцессор выставляет на ША номер ячейки, в которой хранится команда (то есть выставляет адрес команды), а затем читает эту команду из па-мяти по ШД. Если же в процессе работы требуется записать какие-либо данные в память, то запись производится передачей данных по ШД с соответствующей адресацией по ША. ШУ процесс передачи данных сопровождает передачей сигналов управления, опреде-ляющих направление передачи данных.
Подсистема ввода-вывода (ПВВ) – представляет собой на-бор микросхем, входящих в микропроцессорный комплект, которые осуществляют ввод - вывод информации в МП от периферийных устройств и обратно, обеспечивая связь микропроцессора с пери-ферийными устройствами (ПУ).

Обратите внимание: и ПП, и ПВВ - это множество интеграль-ных микросхем, а не устройства – носители информации, названия которых на слуху у пользователей компьютеров: диск, винчестер. Винчестер, клавиатура, дисплей, принтер, сканер и т.п. относятся к классу периферийных устройств (ПУ). Однако вышеприведенные названия ПУ не исчерпывают всего класса, а соответствуют только применению МП в компьютерах.
Реально существует класс МП, встраиваемых в различного рода технические устройства с целью контроля и управления рабо-той этих устройств. Такие МП носят названия микроконтроллеров (МК) и предназначены для контроля параметров работы различных технических средств или технических процессов, и проектируются
специально под контролирующую систему управления.

13

Для МК периферийными устройствами, помимо вышеназван-ных, служит множество разнообразных датчиков, информация кото-рых после соответствующего преобразования в цифровой код (если это не цифровые датчики) поступает в МК, а также различные схе-мы, обеспечивающие получение сигнала управления непосредст-венно устройством управления технического средства, работа кото-рого контролируется и управляется МК. Таким образом, класс пе-риферийных устройств МК состоит из различных датчиков, аналого-цифровых и цифро-аналоговых (АЦП и ЦАП) преобразователей, а также тех устройств, которые позволяют получить информацию о текущих параметрах работы объекта управления, а также передать код управляющего воздействия с МК на объект управления (ОУ).
МК проектируются специально под определенные задачи и для специальных устройств, а потому называются специальными МП.
Обычно МК разрабатываются для серийно изготавливаемых конкретных технических средств (автомобили, сотовые телефоны и т.п.). Поэтому разновидностей микроконтроллеров огромное множе-ство. Так, по данным на 2000 г. микроконтроллеров существовало более 500 типов. На сегодняшний день, с расширением класса бы-товых приборов, средств связи, а также с совершенствованием сис-тем управления различными техническими средствами, класс МК существенно расширен.

При использовании шинной организации как внутри кристалла, так и при подключении нескольких БИС к одной шине возникают трудности, обусловленные способами связи нескольких элементов с одной линией общей шины. Оказывается, к одной шине или одной микросхеме нельзя подключать бесконечное множество БИС. Коли-чество элементов в этом случае бывает ограничено так называемой нагрузочной способностью, которая определяет, какое количест-во микросхем можно подключить к входам и выходам конкретной микросхемы или шины без ущерба для работы системы. Для увели-чения нагрузочной способности шин используются специальные микросхемы – буферы или шинные формирователи.





14

При использовании мощных буферных схем нагрузочная спо-собность оказывается достаточной для большинства практических случаев применения шинной организации.
Сложнее организуется подключение входов нескольких эле-ментов к одной шине. Для этого разработаны специальные способы решения этой задачи: логическое объединение, объединение с по-мощью схем с открытым коллектором - «монтажная логика», объе-динение с использованием схем с тремя состояниями.
Таким образом, с технической точки зрения способ обмена информацией посредством шин сводится к созданию двунаправ-ленных буферных каскадов с тремя устойчивыми состояниями и реализации временного мультиплексирования, то есть разделения во времени работы шин.

Контрольные вопросы


1.Что такое схемы жесткой и гибкой логики?

2.Каковы функциональные особенности микропроцессоров? 3.Что такое системная шина? Влияет ли ее быстродействие на

скорость выполнения программ МПС? 4.Каково назначение подсистемы памяти? 5.Зачем нужна подсистема ввода вывода?

6.Какие устройства относятся к классу периферийных уст-ройств?
7.Где быстрее осуществляется обмен информацией между МП и внешними устройствами– в двухшинной или трехшинной системе?
8.Как осуществляется ввод-вывод данных в микропроцессор-ной системе?

9.Что обязательно должно храниться в постоянной памяти микропроцессорной системы?
10.Что такое нагрузочная способность шин? Почему нельзя подключать к шинам бесконечное множество микросхем?








15

2. Лекция 2. Типы микропроцессорных систем и факто-ры, влияющие на их быстродействие

Ключевые слова: универсальные и сигнальные микропроцес-соры, микроконтроллеры, контроллеры, микрокомпьютеры, компью-теры, ПЛИС, статическая и динамическая память, быстродействие микропроцессоров.


2.1. Типы микропроцессорных систем


Диапазон применения микропроцессорной техники очень ши-рок, и требования, предъявляемые к ним – различны. Поэтому сформировалось несколько типов микропроцессорных систем, раз-личающихся мощностью, универсальностью, быстродействием и структурой.
Основные типы микропроцессорных систем: -микроконтроллеры – наиболее простой тип микропроцессор-
ных систем, в которых все или большинство узлов системы выпол-нены в виде одной микросхемы;

- контроллеры – управляющие микропроцессорные системы, выполненные в виде отдельных модулей;
-микрокомпьютеры – более мощные микропроцессорные сис-темы с развитыми средствами сопряжения с внешними устройства-ми;
-компьютеры (в том числе персональные) - самые мощные и наиболее универсальные микропроцессорные системы.

Микроконтроллеры представляют собой универсальные уст-ройства, которые всегда используются не сами по себе, как уже го-ворилось в лекции 1, 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 МК обычно предназначаются для решения одной задачи.



16

Контроллеры создаются, как правило, для решения одной или группы близких задач. Они обычно не имеют возможностей под-ключения дополнительных узлов или устройств, например, большой памяти, средств ввода-вывода. Их системная шина чаще всего не-доступна пользователю. Структура контроллера проста и оптимизи-рована под максимальное быстродействие. В большинстве случаев выполняемые программы хранятся в постоянной памяти и не меня-ются. Конструктивно контроллеры выполняются на одной плате.
Контроллеры требуются практически во всех устройствах, ко-торые окружают нас. В качестве примера, на рисунке 2.1 приведены узлы автомобиля, в которых применяются микроконтроллеры.






























Рис. 2.1. Узлы автомобиля, в которых применяются микроконтроллеры

Микрокомпьютеры отличаются от контроллеров более от-крытой структурой, они допускают подключение к системной шине нескольких дополнительных устройств. Производятся микрокомпью-теры в каркасе, корпусе с разъемами системной шины, доступными пользователю. Микрокомпьютеры могут иметь средства хранения информации на магнитных носителях, компакт-дисках, имеют до-

17

вольно развитые средства связи с пользователем (дисплей, клавиа-тура). Микрокомпьютеры рассчитаны на широкий круг задач, но в отличие от контроллеров, к каждой новой задаче его не надо при-спосабливать заново.
Наконец, компьютеры, и самые распространенные из них – персональные – это самые универсальные из микропроцессорных систем. Они обязательно предусматривают возможности модер-
низации, а также возможности подключения новых устройств, то есть компьютеры имеют открытую архитектуру. Их систем-
ная шина доступна пользователю. Кроме того, внешние устройства могут подключаться к компьютеру через несколько встроенных пор-тов связи (до 10). Компьютер всегда имеет сильно развитые средст-ва связи с пользователем, средства памяти большого объема для хранения информации, средства связи с другими компьютерами.
С 90-х годов микропроцессоры стали выполнять на сверх-больших интегральных микросхемах (СБИС).
Микропроцессоры, встраиваемые в компьютеры, делятся на два класса: универсальные и сигнальные.
К универсальным относятся МП СБИС, встраиваемые в

компьютеры для проведения сложных научно-технических расчетов. Универсальные микропроцессоры используются для по-строения вычислительных машин. В них используются самые пере-довые решения по повышению быстродействия.

К сигнальным относятся микропроцессоры, предназначен-

ные для цифровой обработки сигналов (фильтрации, смеше-ния, прямого и обратного Фурье-преобразования). Сигнальные процессоры решают задачи, которые традиционно решала аналого-вая схемотехника. Это такие задачи, как фильтрация и поиск сигна-лов, вычисление спектров, преобразование сигналов из одного вида
в другой, устранение отражений и выделение полезного сигнала на фоне помех. К сигнальным процессорам предъявляются специфи-ческие требования. От них требуются: максимальное быстродейст-вие, малые габариты, легкая стыковка с аналого-цифровыми и циф-ро-аналоговыми преобразователями, высокая разрядность обраба-тываемых данных и небольшой набор математических операций,



18

обязательно включающий операцию умножения-накопления и аппа-ратную организацию циклов.
Обычно сигнальные процессоры применяются в медийных системах.
В принципе, любую задачу можно решить с помощью каждого из перечисленных типов микропроцессорных систем. Но при выборе типа надо по возможности избегать избыточности и предусматри-вать необходимую для данной задачи гибкость системы.
В настоящее время при разработке новых микропроцессорных систем чаще выбирают путь использования микроконтроллеров (примерно в 80% случаев). При этом микроконтроллеры применяют-ся или самостоятельно, с минимальной дополнительной аппарату-рой, или в составе более сложных контроллеров с развитыми сред-ствами ввода-вывода.
Заметное место занимают также микропроцессорные системы на основе персонального компьютера (ПК). Разработчику в этом случае нужно только оснастить ПК дополнительными устройствами сопряжения, при этом «ядро» микропроцессорной системы уже го-тово. ПК имеет развитые средства программирования, что сущест-венно облегчает задачу разработчика. Основным недостатком таких систем является аппаратурная избыточность для решения простых задач, большие размеры корпуса и неприспособленность к работе в сложных условиях.

2.2. Программируемые логические интегральные схемы


Говоря о микропроцессорных системах, нельзя не остановить-ся на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), которые в настоящее время являются основой для построения осо-бого рода микропроцессоров, структурная схема которых формиру-ется под конкретную задачу.
СБИС ПЛИС выполняются на кристалле полупроводника, од-нако их разработка специфична и включает в себя достоинства схем жесткой и гибкой логики.
На кристалле полупроводника, внутри микросхемы, распола-гаются отдельные электронные устройства, входящие обычно в со-

19

став микропроцессоров. На начальной стадии связи между этими устройствами отсутствуют. Перед каждым элементом, находящимся внутри ПЛИС, находится электронный ключ. В соответствии с по-ставленной задачей, от того, где предполагается использовать ПЛИС, разрабатывается ее архитектура. Затем, с помощью специ-ального программного обеспечения, на специальных рабочих стан-циях в специально отведенную память, находящуюся внутри ПЛИС, вводится кодовая комбинация, в соответствии с которой коммути-руются ключи элементов, входящих в разработанную конфигурацию схемы.
Образно говоря, в этих микросхемах присутствуют как бы два слоя. Один слой - это набор цифровых модулей, способных решить практически любую задачу. Второй слой – это память, хранящая таблицу связей между модулями первого слоя. Эту таблицу можно программировать и тем самым менять схему устройства, а значит, и решаемую микросхемой задачу.
Таким образом, с помощью ПЛИС можно создавать специаль-ные микропроцессоры со своей особой конфигурацией, у которых не будет аппаратурной избыточности. Такой микропроцессор, выпол-ненный на одной СБИС, может представлять собой специфическую микросхему, организованную по принципу жесткой логики, способ-ную к гибкому перепрограммированию структуры схемы. Эти микро-схемы разрабатываются с помощью специальных аппаратных и программных средств на так называемых рабочих станциях специ-ально обученным персоналом.

ПЛИС может входить в состав электронной аппаратуры, нахо-дящейся вне Земли, в космосе. Даже при нахождении системы на орбите можно производить дистанционную реконфигурацию ПЛИС. Так, например, большинство узлов американского марсохода по-строено на ПЛИС.
Некоторые специалисты считают, что ПЛИС – это будущее электроники.








20

2.3. Факторы, влияющие на быстродействие микропро-цессоров

Одной из важнейших характеристик микропроцессора являет-ся его быстродействие. От чего же оно зависит?
В первую очередь – от тактовой частоты, то есть от частоты той последовательности импульсов, которая задает ритм работы внутренних устройств микросхемы микропроцессора. Конечно, так-товая частота - величина не «безразмерная», она зависит от того, каким способом, т.е. по какой технологии изготавливается микро-схема микропроцессора. Если, например, подать высокие частоты, используемые при работе современных компьютеров, на микросхе-мы, произведенные, в 80-90х годах, то работа этих микросхем будет просто невозможна.
Во-вторых, на быстродействие микропроцессора влияет раз-рядность шины данных. Количество разрядов ШД определяет ско-рость и эффективность информационного обмена. Обычно ШД име-ет 8, 16, 32 или 64 разряда. Понятно, что за один цикл обмена по 64-разрядной шине может передаваться восемь байт информации, в то время, как по восьмиразрядной – только один. Разрядность шины данных определяет и разрядность системной шины, в том смысле, что когда говорят о разрядности системной шины, подразумевают разрядность ШД.

В-третьих, на быстродействие микропроцессора влияет объем оперативной памяти, используемой в системе. Так как чем больше объем, тем больше промежуточной информации может сохраняться при работе программ микропроцессора.
Также, опосредованно на быстродействие микропроцессора влияет разрядность шины адреса, которая определяет максималь-но возможную сложность микропроцессорной системы, т.е. допус-тимый объем памяти, и, следовательно, максимально допустимый размер программ и максимально возможный объем запоминаемых данных. Количество адресов, обеспечиваемое шиной адреса, равно 2N , где N – количество разрядов ША. Например, 16-разрядная шина адреса позволит адресоваться к 65536 ячейкам памяти. Разряд-


21

ность шины адреса обычно кратна 4 и может достигать 32 и даже 64 разрядов.
В-четвертых, немаловажным фактором, влияющим на быстро-действие микропроцессоров, является их архитектура. Чем со-вершеннее электронная схема, на которой реализован микропро-цессор, тем меньше времени понадобится электрическому сигналу для ее прохождения – с одной стороны. С другой стороны, чем со-
вершеннее система команд микропроцессора, тем более совер-

шенна программа, в соответствии с которой он работает.


Контрольные вопросы


1.Чем отличается контроллер от микроконтроллера?

2.В каких узлах автомобиля используются микроконтроллеры?

3.Каковы отличия между персональным компьютером и микро-компьютером?
4.От чего зависит быстродействие микропроцессорных сис-

тем?

5.Что такое ПЛИС? В чем ее «гибкость» и в чем ее «жест-кость»?

6.Почему и каким образом разрядность шины адреса влияет на быстродействие?




























22

Литература


1. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. Интернет-Университет Информационных Тех-нологий, М. 2003.
2. Наука, технология и бизнес. Журнал «Электроника» №6, 2005 г.


Оглавление


Введение………………………………………………………….3

Лекция 1………………………………………………….……….5

1.1. Жесткая и гибкая логика………………….…………....5

1.2. Микропроцессор и «сотоварищи»…………………….7

Контрольные вопросы…………………………...…….……15

Лекция 2………………………....…………………...….………16

2.1. Типы микропроцессорных систем…………….……..16

2.2. Программируемые логические интегральные

схемы……………………………………………………….....19 2.3. Факторы, влияющие на быстродействие микропроцессоров………………………………………..…21

Контрольные вопросы……………………………….…......22 Литература………………………….……………………...…23























23








Каринэ Газаросовна Манушакян


Технические средства телематики. Курс лекций по микропроцессорной технике.

Часть 1




Учебное пособие











Редактор Е. К. Евстратова Технический редактор Е. К.Евстратова












Тем. план 2006 г., п.38

___________________________________________________________________

Подписано в печать Формат 60х84/16
Печать офсетная Усл. печ. л. 1,5 Уч.-изд. л. 1,2
Тираж 200 экз. заказ Цена 12 руб.

___________________________________________________________________

Ротапринт МАДИ (ГТУ). 125319, Москва, Ленинградский просп., 64





24