Методические указания по микропроцессорным системам (стр. 5 из 14)
МП, ОЗУ и ПЗУ вместе с УВВ, называется микроЭВМ. МикроЭВМ – это ЭВМ, центральная часть которой в составе процессора, ОЗУ, ПЗУ, информационного контроллера построена на основе БИС. Применение БИС в качестве основных элементных компонентов обеспечивают микроЭВМ такие преимущества перед другими типами ЭВМ, как компактность, надежность, малая материалоемкость, низкие мощность потребления и стоимость. Но магистральная структура микроЭВМ и скоростные ограничения микропроцессора определяют умеренные характеристики производительности микроЭВМ. Это относится к микроЭВМ на основе микропроцессоров на одном или нескольких кристаллах. В микроЭВМ на основе биполярных микропроцессорных секций можно получить высокое быстродействие за счет реализации конвейерной обработки данных и высокоэффективного скоростного управления вычислительным процессом даже при магистральной структуре.
При использовании микроЭВМ в контуре управления некоторого объекта (процесса) она становится центральной частью системы контроля, управления и вычисления. Для сопряжения с микроЭВМ объект (процесс) должен быть оснащен датчиками состояния и исполнительными механизмами. Датчики выступают как источники вводимой для микроЭВМ информацией, а исполнительные механизмы – как приемники выводимой информации. Для согласования интерфейсов подключение датчиков и исполнительных механизмов в системе осуществляется через блоки сопряжения датчиков и исполнительных механизмов.
На рис.2.1 приведена обобщенная логическая структура микроЭВМ, в которой в качестве всех управляющих блоков и устройств используются программируемые контроллеры (например, контроллер системного пульта управления КСПУ).
Все устройства ввода-вывода управляются контроллерами устройств ввода-вывода (КУВВ) или групповыми контроллерами устройствами ввода-вывода (ГрКУВВ). Оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ) запоминающие устройства управляются с помощью соответствующих контроллеров (КОЗУ и КПЗУ). При такой организации центральный процессор (ЦП) обеспечивает программируемые контроллеры только управляющей информацией высокого уровня, детализируемой контроллерами. Поэтому количество управляющей информации на информационной магистрали системы резко уменьшается, что позволяет увеличить скорость передачи данных. По существу в этой схеме приведена многопроцессорная вычислительная система, в которой в пределе контроллер имеет те же возможности, что и центральный процессор. Низкая стоимость и высокая надежность БИС позволяют для достижения желаемых параметров ввести распределенное управление и распределенную обработку во всех подсистемах системы, что определяет новые способы организации вычислительных процессов в системах с децентрализованным управлением и обработкой информации.
Рис 2.1. Обобщенная логическая структура микроЭВМ с микропроцессорными контроллерами.
Для включения МП в любую МПС необходимо установить единые принципы и средства его сопряжения с остальными устройствами системы, т.е. создать унифицированный интерфейс.
Унифицированный интерфейс – совокупность правил, устанавливающих единые принципы взаимодействия устройств МПС. В состав интерфейса входят аппаратурные средства соединения устройств (разъемы и связи), номенклатура и характер связей, программные средства, описывающие характер сигналов интерфейса и их временную диаграмму, а также описание электрофизических параметров сигналов.
На рис. 2.2 представлена общая схема сопряжения МП с устройствами ввода-вывода УВВ и ОЗУ в микропроцессорной системе.
Рис 2.2. Схема интерфейсных связей микропроцессора
Связь МП с УВВ требует пять групп связей, обеспечиваемых через выводы корпуса МП. По группе шин 1 передается код выбора (адреса) устройства, по шине 2 – сигнал управления считыванием – записи, по шине 3 – сигнал запроса на прерывание, шины 4 и 5 используются для передачи данных от МП к УВВ и от УВВ к МП. Связь МП с ОЗУ также содержит пять групп связей, которые необходимо обеспечить через выводы корпуса МП. По группе шин 6 передается адрес в ОЗУ, шина 7 нужна для управления чтением/записью, по сигналам на шине 8 принимаются команды в МП, а шины 9 и 10 обеспечивают передачу данных из ОЗУ в МП и обратно.
Совершенствование технологии БИС оказывает влияние на архитектуру МПС: создаются принципиально новые функциональные модули на СБИС, что, в свою очередь, обуславливает изменение в архитектуре систем из микроЭВМ. К преимуществам этих МПС относятся: невысокая стоимость, эксплуатационная надежность, расширение функциональных возможностей, повышение производительности и, как следствие, расширение класса решаемых задач и областей применения. В результате сформировался новый подход к построению МПС и их архитектур.
Традиционная последовательная обработка информации предполагает последовательную архитектуру МПС. В этом случае говорят, что архитектура МПС является архитектурой типа ОКОД: Один поток Команд предназначается только для обработки Одного потока Данных (SISD - Simple Instructions Simple Dates).
Наряду с этой появились следующие типы организации вычислительного процесса и, соответственно, следующие типы архитектур МПС:
- магистральные - Много потоков Команд обрабатывают Один поток Данных (МКОД или MISD - Many Instruction Simple Dates);
- ассоциативная и матричная - Один поток Команд обрабатывает Много потоков Данных (ОКМД или SIMD - Simple Instruction Many Dates);
- мультимикропроцессорная - Много потоков Команд обрабатывает Много потоков Данных (МКМД или MIMD - Many Instruction Many Dates).
На основе организации SIMD и MIMD создан вариант архитектуры МПС типа SMIMD - несколько потоков команд и данных с коммутацией.
Современные МПС условно можно подразделить по назначению на два класса, осуществляющие решение: локальных задач отдельными процессорными элементами; глобальных задач системой в целом. Локальные задачи, как правило, невелики по объему и могут быть решены с помощью МПС, состоящих из отдельных микроЭВМ. Глобальные задачи достаточно сложны и требуют для решения МПС высокой производительности.
Выбор эффективных способов взаимосвязи микроЭВМ в МПС относится к актуальным проблемам теории построения систем обработки данных. При этом выбираются не связи между микроЭВМ, а между реализуемыми программами. Кроме этого на каждую микроЭВМ в системе с распределенными функциями возлагается управление вводом-выводом и межпроцессорным обменом.
Все возможные способы межпроцессорного обмена в распределенных МПС можно реализовать с помощью следующих основных методов: метод общей шины, метод переключающей матрицы и метод иерархии.
В первом случае через одну шину данных выполняется несколько команд всех микроЭВМ, ЗУ и периферийных устройств (см. рис. 2.3).
Рис. 2.3. Метод общей шины
Во втором случае (см. рис. 2.4) переключающая коммутирующая матрица соединяет любую микроЭВМ системы с любым ЗУ и периферийным устройством с помощью специальной программы коммутации.
Рис. 2.4. Метод коммутирующей матрицы
В иерархической структуре (см. рис.2.5) управляющая микроЭВМ (УµЭВМ) организует опрос микроЭВМ (µЭВМ) нижних уровней и выдачу им команд данных.
Рис. 2.5. Метод иерархии
Обмен данными между микроЭВМ системы может быть регулярным и нерегулярным. В первом случае функционирование МПС можно расписать по времени и применить метод разделения, при котором период работы каждого канала разбивается на интервалы времени, закрепленные за каждой микроЭВМ системы. При нерегулярном информационном обмене во избежание прерывания работы микроЭВМ используют общее для всех микроЭВМ ЗУ, связанное также с устройством управления каналами, которое при наличии свободного канала закрепляет его за микроЭВМ и извещает ее об этом.
1. Дайте определение микроЭВМ, укажите назначение и состав ее основных узлов и блоков.
2. Перечислить основные типы архитектур МПС и указать особенности их функционирования.
3. Перечислите способы организации межпроцессорного обмена в распределенных МПС.
3. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
Качественные и количественные изменения элементной базы средств ВТ привели к изменению сложившихся принципов их проектирования (таких, как жесткая структура, последовательное центральное управление, линейная организация памяти и отсутствие возможности адаптации структуры ЭВМ к особенностям решаемой задачи).
На смену классическим фоннеймановским принципам организации вычислительных систем пришли идеи проблемной ориентации МПС, параллельной и конвейерной обработки информации, использование табличных методов обработки данных, принципы регулярности и однородности структур МПС; становится реальной возможностью идея создания адаптивно-перестраиваемых систем, а также аппаратная реализация функций программного обеспечения. Поэтому в настоящее время при проектировании вычислительных систем на основе МПС получил применение так называемый принцип «3М»: модульность, магистральность, микропрограммируемость.
Принцип модульной организации предполагает построение вычислительных и управляющих МПС на основе набора модулей: конструктивно, функционально и электрически законченных вычислительных устройств, позволяющих самостоятельно или в совокупности с другими модулями решать задачи данного класса. Модульный подход при проектировании микроЭВМ и систем позволяет (при реализации как универсальных, так и специализированных модулей) обеспечить создание семейств (рядов) МПС, отличающихся функциональными возможностями и характеристиками, перекрывающими значительный диапазон применений, способствует сокращению затрат на проектирование, а также упрощает наращивание мощности и реконфигурацию систем, отодвигает время морального старения вычислительных средств.