Рис. 2 - Архитектура вычислительной системы с Гарвардской архитектурой
Данная архитектура выполняет команды за меньшее число тактов, чем предыдущая. Это обусловлено тем, что здесь больше возможностей для реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей команды, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды. Тот же пример, – при считывании байта и помещении его в аккумулятор, – команда также выполняется за два цикла: но выборка очередной команды производится одновременно с выполнением предыдущей команды. В итоге команда выполняется всего за один цикл (во время чтения следующей команды). Такой метод (называется «параллелизм») позволяет командам выполняться за одинаковое число тактов, что позволяет просто определять время выполнения циклов и критических участков программы. Это важно для устройств, где нужно обеспечить время выполнения. Но Гарвардская архитектура не является достаточно гибкой.
Но сравнение архитектур нельзя проводить абстрактно. Оно должно увязываться с конкретным приложением. Зачастую специфика архитектуры позволяет наилучшим образом реализовать конкретное приложение. С целью уменьшения выводов БИС ОмЭВМ и ОмК при их построении применяют следующую структурную организацию. С раздельными шинами (рисунок 3: раздельными – для памяти и для контроллеров ВУ): за счёт использования двунаправленных шин, по одной шине, в зависимости от дополнительного управляющего сигнала (напр., READ/WRITE) данные передаются из памяти в процессор или обратно.
Рис. 3 - Структурная организация БИС ВТ с раздельными шинами
Для внешних устройств ввод-вывод информации может сопровождаться сигналом INPUT/OUTPUT, что ведёт к дальнейшему сокращению выводов БИС.
Структурная организация БИС с изолированными шинами приведена на рисунке 4. За счёт использования одних и тех же шин для связи процессора с памятью, и с внешними устройствами сокращается число выводов БИС, а передача данных управляется наличием на шине управления сигнала R/W (обмен с памятью) или сигнала I/O (обмен с ВУ).
Рис. 4 - Структурная организация БИС ВТ с изолированными шинами
Активно применяется структурная организация с мультиплексируемой шиной (рисунок 5). По ней за счёт объединения адресной шины и шины данных в одни моменты времени передаются адреса, а в другие моменты – данные.
Рис. 5 - Структурная организация БИС ВТ с мультиплексируемой шиной
Развитием последнего варианта является структура с общими шинами – в ней исключены команды ввода-вывода из системы команд ЭВМ. Часть адресного пространства в памяти отводят для адресов регистров контроллеров внешних устройств. Для ввода-вывода используют команды ЭВМ, которые осуществляют запись данных в эту область памяти. Процессор как бы заставляют выполнять операцию с регистром данных контроллера ВУ, в то время как он работает так, как если бы имел дело с ячейкой памяти ЭВМ (рисунок.6).
Рис. 6 - Структурная организация БИС ВТ с общими шинами
Виды микроэвм и микроконтроллеров
Микроконтроллеры – управляющие устройства в микроисполнении – широко применяются в различных областях технической деятельности человека: в ПЭВМ, стиральных машинах, музыкальных центрах, автомобилях, средствах измерений, и т.д. Микроконтроллер является управляющим ядром аппаратных комплексов различного назначения. С его помощью гораздо легче, в отличие от традиционных решений, реализуются различные схемы. Опираясь на [4], можно представить внутреннее содержание микроконтроллера и его направленность на некоторые возможные объекты управления так, как это сделано на рисунке 7.
Рис. 7 - Содержание и возможная направленность микроконтроллера
Достоинство микроконтроллера (МК) – это наличие на кристалле большого числа периферийных схем, что позволяет ему общаться с разнообразными внешними устройствам при минимуме дополнительных узлов. Это также уменьшает размеры конструкции и позволяет снизить потребление энергии от источника питания.
Из рисунка 7 видно, что МК содержит типовые функциональные узлы. К ним относятся следующие.
1. Центральное процессорное устройство – оно принимает из памяти программ коды команд, декодирует их и исполняет. В него входят арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры и цепи управления.
2. Память программ – она хранит коды команд, последовательность которых формирует программу микроконтроллера.
3. Оперативная память данных (ОЗУ) – здесь хранятся переменные программ. У многих МК здесь также расположен стек.
4. Тактовый генератор – инициирует работу контроллера, и от него зависит скорость работы МК.
5. Цепь сброса – приводит МК в исходное состояние, чем определяет правильный запуск его работы.
6. Последовательный порт – позволяет обмениваться данными с внешними устройствами при малом числе проводов.
7. Цифровой порт ввода-вывода – с помощью его линий можно управлять одновременно несколькими внешними устройствами, адресуя их.
8. Таймер – задаёт временные интервалы.
9. Сторожевой таймер – специальный таймер, предназначенный для предотвращения системных сбоев программы: после запуска он начинает отсчёт заданного временного интервала. Если программа не перезапустит его до истечения этого интервала времени, сторожевой таймер перезапустит МК. То есть программа должна сигнализировать таймеру, что с ней всё в порядке. Если такого сигнала нет, то в работе программы по какой-то причине произошёл сбой.
Наиболее распространён ОмК ф. Intel 51-й серии и его клоны от разных производителей. Кроме этого, появились интегральные схемы, использующие сокращённый набор команд процессора (RISK – ReducedInstructionSetComputers). Среди них популярны контроллеры ф. Microchip семейства PIC (Peripheral Interface Controller). Также лидирующее место занимают RISK ОмК из серии AVR (например, ф. Аtmel). PIC-контроллеры выпускают многие фирмы, кому не лень их делать.
PIC-контроллер имеет также RISK-процессор, только архитектура процессора другая и кодовое слово не 8 бит, а 11–15 бит.
Основное отличие RISK-процессора от 51-й серии ф. Intel, например, то, что команда в нём исполняется за один такт, и число команд ограничено – обычно около 60–70 штук. Поэтому в ходе изучения нужно рассматривать оба типа микроконтроллеров. Как обычный ОмК нужно рассмотреть контроллер 51-й серии (и как самый используемый тип контроллеров). А в качестве RISK-контроллера необходимо рассмотреть PIC-контроллеры и контроллер AVR ф. Аtmel, так как для него много всевозможного бесплатного обеспечения, используемого для программирования и демонстрации.
Впрочем, нет принципиальной разницы, на каком оборудовании изучаются ОмК, так как сейчас все они часто программируется на языке С. Но ресурсы в разных процессорах разные и, в зависимости от модели, что-то может присутствовать, а что-то может быть упущено. После контроллера 51-й серии целесообразно рассматривать AVR-контроллеры, а затем идут atmega и arm как дальнейшее развитие. Достаточно рассмотреть и изучить один процессор – и полученные знания легко распространяются на все остальное. Новые ресурсы и возможности появляются, а принципы остаются всё те же (кроме PIC-контроллеров).
Семейство MCS-51, по сути дела, стало прародителем семейств так называемых PIC и AVR микроконтроллеров, выполненных по Гарвардской архитектуре процессора.
В случае высоких требований к быстродействию МК, при условии их низкой стоимости и энергопотребления, разработки на основе МК MCS-51 применяются реже, уступая место разработкам на PIC и AVR микроконтроллерах.
В целом, многообразие современных ОмК чрезвычайно велико. Зачастую их делят на виды [5]:
– встраиваемые 8-разрядные;
– 16- и 32-разрядные МК;
– цифровые сигнальные процессоры (DSP).
Встраиваемые (embedded) микроконтроллеры имеют все ресурсы (память, устройства ввода-вывода, и т. д.) на одном кристалле с процессорным ядром. На такой контроллер подаются питание и тактовые сигналы. В них процессорное ядро может быть общего плана или разработано специально для данного МК. Основное назначение встраиваемых МК – обеспечить гибкое программируемое управление объектами и связь с внешними устройствами. Они не приспособлены для выполнения комплекса сложных функций.
Такие МК содержат большое число вспомогательных устройств, за счёт чего реализуется их включение в конкретную систему с использованием минимального числа дополнительных компонентов. Обобщённая структура такого контроллера приведена на рисунке 8.
Рис. 8 - Обобщённая структура простого встраиваемого микроконтроллера
микропроцессор микроконтроллер шина
В состав таких МК обычно входят схема начального запуска (Reset); генератор тактовых импульсов; центральный процессор; память программ (ПЗУ или ППЗУ, ЭППЗУ); память данных (ОЗУ); средства ввода-вывода данных; таймеры, фиксирующие число командных циклов.
Сложные встраиваемые МК реализуют дополнительные возможности: встроенный монитор-отладчик программ; внутренние средства программирования памяти программ; обработка прерываний от различных источников; аналоговый ввод-вывод; последовательный ввод-вывод (синхронный и асинхронный); параллельный ввод-вывод (включая интерфейс с компьютером); подключение внешней памяти (микропроцессорный режим).