Основы микропроцессорной техники

они устроены,
Где применяются
Какие они бывают
Как с ними работать

процессор
Клод Шеннон - создатель теории информации
Алан Тьюринг - теория программ

и алгоритмов
Джон фон Нейман – архитектура вычислительных устройств
Норберт Винер - основатель кибернетики, в том числе теории искусственного интеллекта и робототехники.

; аi= 0 или 1

Алгебра логики (Булева алгебра)
Основные понятия: Истина

(True) и Ложь (False)
истина + истина = истина; ложь + ложь = ложь; истина + ложь = ложь
Истина 1; Ложь 0
Электронная техника
Триггер – электронное устройство, которое может как угодно долго находиться в одном из двух состояний до тех пор, пока на его вход не поступит сигнал
Позволяет реализовать булеву алгебру средствами электроники

на ферритовых сердечниках - 4096 машинных слов. Внешние ЗУ на

магнитных барабанах. 12 000 слов,
Накопители на магнитной ленте - 300 000 слов.

1956 – 1958 гг.
Минск-20 (М-20), БЭСМ-4 и др

4500 электронных ламп и 35 000 полупроводниковых диодов.
45 двоичных разрядов.

тыс. полупроводниковых диодов,
Высокое быстродействие – 1 млн. операций в

секунду
Оригинальная архитектура

– до 250 кБ
Быстродействие до 1 000 000 операций в

1 с

IBM-360

1968 – 1970г

Numerical integrator and Computer)
площадь более 300 кв.м, потребляемая мощность

>150 кВт
jоперация сложения - 0,2 с.
Объем ОЗУ – 4000 байт

Через 50 лет:
Масса 2 г
Потребляемая мощность <1 Вт
Операция сложения – 10-9 с
Объем ОЗУ – 108 байт

Лампы

Транзисторы

БИС

СБИС

которой содержит все функциональные узлы, необходимые для обеспечения автономной работы

в качестве вычислительного или управляющего устройства.

Процессор – основной блок ЭВМ, осуществляющий обработку данных.
Микропроцессор – процессор, реализованный в виде одной большой интегральной схемы (БИС).
Универсальный процессор
Специализированный процессор

Микропроцессорная техника – применение микропроцессоров в задачах управления и контроля техническими объектами

устройства и приборы
Специализированные измерительные приборы, датчики и управляющие устройства
Многоцелевые микроконтроллеры
Задачи

микропроцессоров:
Управление устройствами регулирования
Сбор и обработка данных
Управление передачей данных
Контроль и сигнализация
Отображение и ввод информации

микропроцессоры
Коммуникационные
ЦОС-процессоры
Со-процессоры
Медийные
Нейропроцессоры
Транспьютеры
Узкоспециализированные
.
.
Офисные компьютеры
Серверы и рабочие станции
Промышленные

компьютеры

processor)
универсальные, с расширенными возможностями (коммуникационными, обработки дискретных и аналоговых сигналов)

Коммуникационные процессоры - поддержка аппаратных интерфейсов и протоколов коммуникационных систем:
Сетевые – поддерживают распространенные сетевые и современные периферийные интерфейсы:
Модемные – поддерживают протоколы передачи данных по синхронным и асинхронным модемным каналам.
Процессоры цифровой обработки сигналов (digital signal processor - DSP)
Реализуют методы цифровой обработки сигналов, обработка больших объемов данных в реальном времени, высокой производительность при ограниченном наборе операций.
Медийные процессоры – ориентированны на обработку видео и звука
Со-процессоры - математические процессоры, процессоры ввода-вывода.
Транспьютеры – процессоры для построения массово-параллельных систем.
Нейропроцессоры –построение систем с архитектурой нейронных сетей
Узкоспециализированные (бытовая техника, медицинская техника, военные применения, -исследовательские системы и т.п.).

человека, взаимодействующие с обслуживаемыми объектами посредством датчиков и исполнительных устройств

- актуаторов.

Управляющие системы - класс встраиваемых систем, реализующих функции автоматического или автоматизированного управления

непосредственное подключение к объекту и жесткие условия эксплуатации;
работа в режимах «жесткого» реального времени;
невысокая сложность математических вычислений при поддержке алгоритмов автоматического регулирования;
растущие требования к коммуникационным возможностям для организации комплексных распределенных систем управления.
повышенные требования к надежности и безопасности функционирования

Промышленные информационно-управляющие системы
Бытовые приборы и охранные системы
Военные применения и космически системы
Медицинское оборудование
Транспортные средства

возможность и эффективность использования вычислительной системы при решении определенных практических

задач.

выбор структурных элементов процессора и их интерфейсов для связи между собой и с внешними устройствами

поведение каждого из этих структурных элементов во взаимодействии другими элементами;

единый стиль, направляющий и определяющий всю организацию процессора (элементов, интерфейсы, языки программирования, операционная система

Архитектура процессора определяет:
стоимость использования;
надежность функционирования;
Быстродействие
производительность;
простота применения;
способность к реконфигурации

принципы организации составление из этих элементов все более крупных подсистем;

процессоры одного семейства содержат в себе одинаковый базовый блок –

процессорное ядро, и изменяемый функциональный блок.

Процессорное ядро является основным отличительным признаком архитектуры определенного семейства процессоров. Например: ядро MCS-51, ядро PIC16.

программ и памятью данных. Не допускается запуск исполнения кода, расположенного

в памяти данных;
С Принстонской архитектурой (архитектурой фон-Неймана) – с единой памятью для хранения команд и данных. Данные могут интерпретированы как исполняемый код.
По полноте вычислительного ядра - Со-процессоры (арифметические, ввода-вывода), Полнофункциональные (обычные) процессоры, С расширенной периферией (например, процессоры для встроенных применений ОКМЭВМ), Однокристальные мультипроцессорные системы.
По архитектуре вычислительного ядра
По разрядности ядра
Типовые -с разрядностью 4, 8, 16, 32, 64 и более
С нестандартной (не кратной 8 ми) разрядностью).
По системе команд:
CISC –процессоры с традиционным набором команд.
RISC –процессоры с сокращенным набором команд.
По уровню распараллеливания вычислительного процесса
Суперскалярные
С длинным командным словом
Мультискалярные

организация памяти, способы адресации операндов в памяти, система команд для

обработки этих данных.
В современных процессорах для встраиваемых систем реализуют как CISC-архитектуру (Motorola HC11, Intel MCS-51, AMD Am186 и др) так и RISC-архитектуру - MicrochipPIC, Atmel AVR, Triscend E7-ARM и др)
Схемотехнические решения – схемы регистров, АЛУ, схемы управления магистралями и т.п. Схемотехника определяет также внутреннюю диаграмму функционирования – последовательность перемещения данных по магистралям между регистрами, памятью, АЛУ.
Технология производства – определяет допустимую сложность схемы, максимальную частоту переключений, энергопотребление.

Производительность - определяется комплексом факторов:
Частотой тактирования межмодульных магистралей адреса и данных.
Количеством пересылок регистр-регистр за единицу времени.
Производительностью при выполнении наиболее используемых операций.
Временем вызова/возврата подпрограммы обработки прерывания.

ПРОЦЕССОРНОЕ ЯДРО

массивов ячеек памяти со специальными аналоговым и цифровыми схемами управления

режимами записи/стирания, со схемами электропитания.

ПЗУ – энергонезависимое постоянное запоминающее устройство (ROM -read-only memory) Хранение программ, констант и другие неизменяемых данных

ПЗУ масочного типа (MaskROM) - Записывается на заводе-изготовителе и не может быть изменено пользователем. Высокое качеством хранения. Самый дешевый тип ПЗУ
ПЗУ однократно программируемые пользователем (OTP ROM). Программируется пользователем. Дешевое ПЗУ для небольших партий изделий.
ПЗУ программируемое пользователем, со стиранием (EPROM) Допускается многократное перепрограммирование. Очень дорогая память. Используется в отладочных образцах.
ПЗУ программируемое пользователем с электрическим стиранием (Electrically Erasable Programmable ROM – EEPROM или E2PROM). Допускается перезапись произвольной ячейки. Значительное число циклов перезаписи время хранения. Ограниченный объем памяти.
ПЗУ с электрическим стиранием типа FLASH - модификацией EEPROM со значительно увеличенным объемом и страничной организацией. Используется для памяти программ.
ПЗУ типа FLASH – медленная память большого объема с большим количеством циклов перезаписи и временем хранения

- память с произвольным доступом  — энергозависимая часть системы памяти

компьютера, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции.

Статическая память - SRAM (Static RAM) – ОЗУ, собранное на триггерах
Высокое быстродействие, содержание памяти не изменяется при сохранении электропитания.
Дорогая память и занимает много места.

Динамическая память - DRAM (Dynamic RAM) – ОЗУ, состоящее из 1 конденсатора и 1 транзистора. Экономичный вид памяти,
Более низкая цена
Компактность – меньше элементов, меньше соединительных линий
Намного меньшая скорость
Из-за самопроизвольного разряд конденсатора для поддержания содержимого памяти требуется процесс ее регенерации.

ОЗУ - преимущественно модули статической памяти (SRAM).
Особенность современных модулей ОЗУ

– надежность хранения информации
Низкое, примерно 1 В, напряжение хранения информации – возможность сохранения данные при провалах питания.
Использование в модуле статического ОЗУ батареи электропитания, позволяющую хранить данные до 10 лет

DRAM дешевле SRAM и её плотность выше. Т.е. на одинаковом пространстве кремниевой подложки кристалла МП можно разместить больше битов информации, но быстродействие записи/считывания суественно ниже.
SRAM более быстрая, но и более дорогая память

Выбор данного типа ОЗУ определяется:
Возможностью хранения данных при снижении частоты вплоть до полной остановки процессора. Такой режим используется для энергосбережения.
Модули встроенного ОЗУ имеют незначительный объем: единицы - десятки кБ. В случае мощных систем требующих больших объемов ОЗУ подключаются внешние микросхемы памяти. Это могут быть как микросхемы статического ОЗУ, так и динамическое ОЗУ (DRAM, SRAM

устройств.
Через порты микропроцессор (процессорное ядро) взаимодействует с различными внешними устройствами

– считывает значения входных сигналов и устанавливает значения выходных сигналов
Датчики и исполнительные устройства
Устройства ввода-вывода (клавиатура, дисплей),
Устройства внешней памяти

Порты различают:
По типу сигнала
По способу передачи данных
По направлению передачи сигнала
По алгоритму обмена сигналами

По типу сигнала – дискретные и аналоговые порты
Дискретные (цифровые) – используются для ввода-вывода дискретных значений логического «0» или «1».
Аналоговые – через них вводятся сигналы на вход АЦП или других аналоговых схем и выводятся выходные сигналы ЦАП или других аналоговых схем.
Перестраиваемые – настраиваются на аналоговый или цифровой режим работы.

из одной линии по которой передается 1 бит информации.
Параллельный порт

- объединение одноразрядных портов, каждому разряду двоичной информации соответствует индивидуальный провод. 4, 8 или 16 линий в зависимости от разрядности шины процессора
Последовательный порт - по двухпроводной линии данные и служебная информация передаются в виде последовательности бит (СОМ, RS-232, RS-485, USB-2.0 и др.)

По направлению передачи сигнала различают:
Однонаправленные порты, предназначенные только для ввода (входные порты) или только для вывода (выходные порты).
Двунаправленные порты, направление передачи которых определяется в процессе программно-управляемой настройки схемы.
Порты с альтернативной функцией. Отдельные линии этих портов связаны со встроенными периферийными устройствами, такими, как таймер, контроллеры последовательных приемопередатчиков. Связанные с ним линии автоматически или программно конфигурируются в соответствии с функциональным назначением

В некоторых случаях определенный порт может использоваться только для связи с конкретным периферийным модулем (например, со входом АЦП).

установка и считывание данных определяется только ходом вычислительного процесса.
Со

стробированием – каждая операция ввода/вывода подтверждается импульсом синхронизации (стробом) со стороны источника сигнала (при выводе – процессор, при вводе – внешнее устройство).
С полным квитированием. Данный режим чаще всего используется для обмена данными с другой вычислительной системой по параллельной шине. Кроме сигналов синхронизации со стороны передатчика используются сигналы подтверждения (готовности к следующему обмену) со стороны приемника. Пример порта с квитированием, порт LPT персонального компьютера.
Аналоговые порты (или перестраиваемые порты в аналоговом режиме) – используются подключения внешних сигналов к ЦАП, АЦП или аналоговым компараторам, встроенным приемопередатчикам.
В режиме приемопередатчика параметры сигналов определяются конкретным интерфейсом.
Часто аналоговые или цифровые линии подключения к приемопередатчикам вообще не называют портами, хотя они по схемотехнике и по месту в структуре процессора близки к универсальным портам ввода-вывода.

задач:
Связь встраиваемой микропроцессорной системы с системой управления верхнего уровня: промышленным

или офисным компьютером, программируемым контроллером - интерфейсы RS232, S485, RS422, USB и др.
Связь с внешними по отношению к микропроцессору периферийными микросхемами а также с различными датчиками с последовательным цифровым выходом
Связь с локальной сетью в распределенных информационно-управляющих системах - интерфейсы RS232C, RS485, HART, LAN, CAN, ModBUS, Ethernet, ProfiBUS и др..
Внутрисистемное программирование резидентной памяти программ (OTPROM, EPROM, FLASH) или данных (EEPROM) у процессоров для встраиваемых применений.
В настоящее время встроенные контроллеры последовательных интерфейсов имеются почти у всех встраиваемых процессоров, исключая простейшие 8-16 выводные микросхемы. У большинства процессоров имеются несколько таких модулей одного или различных типов.
Стандарт контроллеров последовательного обмена - модуль универсального синхронно-асинхронного приемо-передатчика (USART - Universal Synchronous/Asynchronous Receiver and Transmitter)M