Методические указания по микропроцессорным системам (стр. 1 из 14)
Министерство образования Российской Федерации
Государственное образовательное учреждениевысшего профессионального образования
Таганрогский государственный радиотехнический университет
 |
В.Ф. Гузик, А. Н. Гармаш, Г.Н. Евтеев
Микропроцессорные системы
Учебное пособие
Таганрог 2003
УДК 681.3(07.07)
Гузик В.Ф., Гармаш А.Н., Евтеев Г.Н. Микропроцессорные системы: Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. 71 с.
Является обобщением опыта преподавания кафедрой вычислительной техники курса «Микропроцессорные системы» студентам специальности 220100 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», обучающимся по дистанционной технологии.
Излагаются: архитектура микроЭВМ и микропроцессорных систем, организация и особенности проектирования микропроцес-сорных систем на основе однокристальных микроЭВМ, рассматриваются архитектура мультимикропроцессорных и транспьютерных систем, средства разработки и отладки микропроцессорных систем.
Предназначено для студентов специальности 220100 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» заочной формы обучения. Может быть полезно студентам всех форм обучения по специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», а также студентам всех специальностей направления «Информатика и вычислительная техника».
Печатается по решению редакционно-издательского совета Таганрогского государственного радиотехнического университета.
Рецензенты:
Конструкторское бюро морской электроники «Вектор», А.Н. Долгов, канд. техн. наук, директор.
ТФ ОАО “НИИ системотехники”, А.И. Гречишников, канд. техн. наук, директор.
©Таганрогский государственный радиотехнический университет, 2003
Содержание
стр.
Список сокращений. 4
ВВЕДЕНИЕ.. 6
1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СРЕДСТВ.. 8
Упражнения. 23
Контрольные вопросы.. 24
2. АРХИТЕКТУРА МИКРОЭВМ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ 24
Контрольные вопросы.. 29
3. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ... 30
Контрольные вопросы.. 35
4. ОРГАНИЗАЦИЯ И ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МПС НА ОСНОВЕ ОДНОКРИСТАЛЬНЫХ МИКРОЭВМ... 35
4.1. Общие принципы организации однокристальных микроЭВМ.. 35
4.2. Особенности проектирования МПC на основе однокристальных микроЭВМ и контроллеров. 40
4.3. Обзор перспективных проектов МПС на основе однокристальных комплектов БИС.. 44
Контрольные вопросы.. 51
5. МУЛЬТИМИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ... 51
5.1. Обзор развития ММПС и их архитектур. 51
5.2. Основные перспективные проекты высокопроизводительных ММПС.. 59
Контрольные вопросы.. 65
6. ТРАНСПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ... 65
Контрольные вопросы.. 69
7. СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ И ОТЛАДКИ МПС.. 70
7.1. Автономная и комплексная отладка МПС.. 70
7.2. Средства отладки МПС.. 72
Контрольные вопросы.. 78
Библиографический список. 79
АЛУ – арифметико-логическое устройство
АЦП – аналого-цифровой преобразователь
БА – буфер адреса
БД – буфер данных
БИС – большая интегральная схема
БПр – бенчмарковская программа
БПФ – быстрое преобразование Фурье
БР – буферный регистр
ВЗУ – внешнее запоминающее устройство
ВСЭ – внутрисхемный эмулятор
ЗУ – запоминающее устройство
ЗУПВ – запоминающее устройство с произвольной выборкой
И2Л – инжекционная логика (технология изготовления БИС)
ИС – интегральная схема
КПД – канал прямого доступа
КСНК – компьютер с сокращенным набором команд
ЛА – логический анализатор
МА – магистраль адреса
МД – магистраль данных
МК – микрокоманда
МКМД – Много потоков Команд – Много потоков Данных
МКОД – Много потоков Команд – Один поток Данных
МОП – металл – окисел – проводник (технология изготовления БИС)
ММПС – мультимикропроцессорная система
МП – микропроцессор
МПК – микропроцессорный комплект
МПС – микропроцессорная система
МУ – магистраль управления
ОКОД – Один поток Команд – Один поток Данных
ОКМД – Один поток Команд – Много потоков Данных
ПДП – прямой доступ к памяти
ПО – программное обеспечение
ППЗУ – программируемое ПЗУ
ПС – программный счетчик
РК – регистр команд
РР – регистр результата
РОН – регистр общего назначения
СБИС – сверхбольшая интегральная схема
ТТЛШ – транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки (технология изготовления БИС)
УВВ – устройство ввода-вывода
УУ – устройство управления
ЦАП – цифроаналоговый преобразователь
ЦОС – цифровая обработка сигналов
ЦП – центральный процессор
ЦПУ – центральное процессорное устройство
ЭЛС – эммитерно-связанная логика (технология изготовления БИС)
ЭМП – эмулятор микропроцессора
Появление и бурное развитие микропроцессоров (МП), микроЭВМ и систем на их основе стало возможным благодаря значительным достижениям микроэлектронной технологии изготовления средств ВТ. Успехи полупроводниковой электроники привели к появлению больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС) с плотностью размещения компонентов от десятков до сотен тысяч транзисторов на кристалле. Использование этих схем позволяет значительно повысить эффективность цифровых систем: увеличить их производительность и надежность, уменьшить габариты, массу, потребляемую мощность и стоимость. Так, за два последних десятилетия скорость работы ЭВМ возросла на 6-7 порядков, объем оперативной памяти увеличился на 5-6 порядков.
Еще более динамичным является развитие микропроцессорных систем. Первое поколение микропроцессорных комплектов БИС представляло набор модулей с жесткой структурой, ориентированных на применение в конкретных системах с большим объемом выпуска. Последующие комплекты благодаря использованию принципов микропрограммирования нашли широкие области применения ввиду появившейся возможности проблемной ориентации. Высокими темпами развивается интегральная технология. Степень интеграции БИС удваивается ежегодно, стоимость вентиля – элементарного функционального элемента БИС – уменьшается каждые 10 лет в 103 - 104 раз, стоимость выполнения элементарной функции ежегодно снижается в 2 раза.
МП, микроЭВМ и системы на их основе имеют два направления применения:
- традиционное для средств ВТ;
- нетрадиционное (вместо устройств с жесткой структурой), в котором до появления МП использование средств ВТ и не предполагалось.
Говоря о месте и роли МП и микроЭВМ в иерархии средств ВТ, необходимо иметь в виду оба эти направления.
Значительные успехи в микропроцессорной технике привели к появлению и развитию на рубеже 70-80-х годов ХХ столетия весьма перспективных и обладающих большим быстродействием по сравнению с традиционными ЭВМ мультимикропроцессорных систем (ММПС), которые весьма значительно повлияли на развитие современной науки и техники.
Благодаря сверхвысокой производительности ММПС стало возможным достижение больших успехов в решении таких важных научных и технических задач, как нейрокомпьютинг и робототехника, стенография и теория полей, радио- и гидролокация, распознавания образов, геофизика, цифровая обработка сигналов и многие другие.
С другой стороны, развитие микропроцессорных средств влияет на достижения в области теории проектирования вычислительной техники: появляются все более перспективные архитектуры МПС и их компонентов (RISK – процессоры, транспьютеры, сигнальные процессоры и т.п.).
Неоценимое значение современные МПС имеют в теории и практике проектирования локальных и глобальных вычислительных сетей, расширяя тем самым области эффективного применения современных средств ВТ.
Множество областей применения МП и микроЭВМ позволяет классифицировать МПС на системном уровне следующим образом:
- встроенные системы контроля и управления;
- локальные системы накопления и обработки информации;
- распределенные системы управления сложными объектами;
- распределенные высокопроизводительные системы параллельных вычислений.
Исходя из этого, в настоящее время определились следующие приоритетные области применения МПС:
- системы управления;
- контрольно-измерительная аппаратура;
- техника связи;
- бытовая и торговая аппаратура;
- транспорт;
- военная техника;
- вычислительные машины, системы, комплексы и сети.
Перспективность применения МПС в различных системах управления обусловлена, в первую очередь, такими достоинствами МП, как малые габариты, низкая потребляемая мощность, возможность подключения большого количества процессоров к каналам управления, простота программной настройки и перестройки.
Внедрение МПС в контрольно-измерительную аппаратуру позволяет повысить точность измерений, надежность, расширить функциональные возможности приборов и обеспечивает выполнение следующих функций: калибровка, коррекция и температурная компенсация, контроль и управление измерительным комплексом, принятие решений и обработка данных, диагностика неисправностей, индикация, испытание и проверка приборов.
Внедрение МПС в системы связи обусловлено все большим вытеснением аналоговых методов цифровыми и привело к их широкому использованию в мультиплексорах, преобразователях кодов, устройствах контроля ошибок, блоках управления передающей и приемной аппаратуры.
Все шире используются МПС в таких устройствах, как контрольно-расчетные терминалы торговых центров, автоматизированные электронные весы, терминалы и кассовые аппараты для банков и т.п. Применение МП и МПС в бытовой технике открывает также широкие возможности последней с точки зрения повышения надежности, эффективности и разнообразия применений.