Микропроцессорные системы. Лекция 1

СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИН
Микропроцессорные системы
Проектирование микропроцессорных систем
Автоматизированные системы на встроенных контролерах
Проектирование систем управления технологическими процессами
САПР электроники
Системы на ПЛИС

МИКРОПРОЦЕССОР
Микропроцессор — устройство, выполняющее алгоритмическую обработку информации и управление другими узлами электронной системы

МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА
Микропроцессорная система может рассматриваться как частный случай электронной системы, предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов

СИСТЕМЫ НА ЖЕСТКОЙ ЛОГИКЕ (ПЛИС)
Программи́руемая логи́ческая интегра́льная схе́ма (ПЛИС, PLD)
Логика работы ПЛИС задаётся посредством программирования (проектирования)
Системы на «жесткой логике» хороши там, где решаемая задача не меняется длительное время
Где требуется самое высокое быстродействие
Где алгоритмы обработки информации относительно просты

ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА
Принцип двоичного кодирования
Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти, над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными)
Принцип адресуемости памяти
Принцип последовательного программного управления
Принцип жесткости архитектуры

БАЗОВЫЙ МИКРОПРОЦЕССОР ХАРАКТЕРИЗУЕТСЯ
тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов
разрядностью, обозначается m/n/k/ и включает: m — разрядность внутренних регистров, n — разрядность шины данных, k — разрядность шины адреса
архитектурой

АРХИТЕКТУРЫ МП
ПО СПОСОБУ ХРАНЕНИЯ ПРОГРАММ
архитектура фон-Неймана (принстонская) - одна шина и одно устройство ввода-вывода для обращения к программе и данным (совместное их хранение).
Гарвардская архитектура - раздельное хранение и обработка команд и данных.
Модифицированная, расширенная гарвардская архитектуры и гибридные модификации с фон-Неймановской архитектурой.

АРХИТЕКТУРЫ ПО СТРУКТУРЕ КОМАНД
Основные черты CISC-концепции: Ранее других появились процессоры CISC. Термин CISC означает сложную систему команд и является аббревиатурой английского определения Complex Instruction Set Computer. Благодаря этому процессоры выполняют самые разнообразные задачи обработки данных.
Основные черты RISC-концепции: Со временем стало необходимо повысить скорость работы процессоров. Одним из путей к этому стал процессор RISC, который характеризуется сокращенным набором быстро выполняемых команд и происходит от английского Reduced Instruction Set Computer
В CISC'е компьютеру говорят: "Взломай аккаунт моей бабушки и тети".
В RISC'е: "Взломай. Счет. Моей бабушки. Взломай. Счет. Моей тети.".

INTEL CORE I7-620M

ОСНОВНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ БЛОКИ МП
Устройство управления (анализ, декодирование инструкций, передача их в функциональные устройства, синхронизация узлов)
Исполнительные устройства (обработка данных: арифметические, логические, сдвиговые операции, пересылки, операции над числами с плавающей запятой)
Регистровый файл (хранилища входных, промежуточных и выходных данных для обработки, и управляющей информации)
Устройство ввода-вывода

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ). Арифметические и логические операции.
Регистры общего назначения (РОН), которые используются для хранения информации — сверхоперативного запоминающего устройства;
Аккумулятор — регистр, из которого берется одно из чисел, с которыми производятся арифметические или логические операции. В него помещается результат;
Счетчик адреса команд, в котором хранится адрес ячейки памяти, в которой записан код текущей команды;
Регистр флагов или условий — в него помещаются сведения об особенностях результата выполнения арифметических или логических операций, например, нулевой результат, переполнение (перенос), четность и пр.;
Регистр адреса стека, в котором записан адрес последний занятой под стек ячейки памяти;
Блок управления шинами микропроцессорной системы, схемы формирующей сигналы на внешних шинах микропроцессора и, тем самым, управляющей микропроцессорной системой;
Блок дешифрирования кодов команд.
Таймер — счетчик — предназначен для подсчета внутренних событий, для получения программно-управляемых временных задержек и для выполнения времязадающих функций МП.
КЭШ память — хранит внутри МП копии тех команд операндов и данных, к которым производились последние обращения МП. Если МП необходимо считать данные, имеющиеся в КЭШ, то она их представляет, и нет необходимости обращаться к внешней памяти. В КЭШ помещаются результаты вычислений.
ША, ШД, ШУ (адреса, данных, управления) — группы линий, по которым передается однотипная информация.
Шинный интерфейс — выполняет функции согласования действий между внутренними устройствами МП и внешней системой, т.е. управляет потоками и форматами данных между МП и внешними устройствами.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОКОДА В ПРОЦЕССОРАХ INTEL
https://wasm.in/blogs/ispolzovanie-mikrokoda-v-processorax-intel.238/

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
Процессоры общего назначения (CPU desktop…).
Процессоры цифровой обработки сигналов (DSP)
Микроконтроллеры
- управляют устройствами в реальном времени (широкий набор операций ввода-вывода, лёгкая предсказуемость поведения во времени, большая скорость реакции на прерывания)
Реальное время — режим работы АСУ, при котором учитываются жёсткие ограничения на временны́е характеристики функционирования. Нарушение их считается отказом системы.

МИКРОКОНТРОЛЛЕР
Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ, ПЗУ.
Часто используется гарвардская архитектура памяти (раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ)
1976 г. – i8048
1980 г. – i8051

ПРИМЕНЕНИЕ МК
Вычислительная техника: контроллеры дисководов, двигателей принтеров и т.п.
Пользовательская электроника: управление бытовой техникой, системы «умный дом», мобильные устройства;
Транспорт: БК авто – типичный МК;
Производство: управление технологическими процессами (низший уровень) – сложные станки, производственные роботы …
(в автомобиле и квартире современного цивилизованного человека в среднем содержится 50 микроконтроллеров… Э. Танебаум)

ПЕРИФЕРИЯ МК
универсальные цифровые порты (ввод и вывод);
интерфейсы ввода-вывода (UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet);
АЦП и ЦАП;
компараторы;
ШИМ;
таймеры;
контроллеры бесколлекторных двигателей;
контроллеры дисплеев и клавиатур;
радиочастотные приемники и передатчики;
массивы встроенной флеш-памяти;
встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер;

ПОПУЛЯРНЫЕ МК (СЕМЕЙСТВА)
8-битные МК:
PIC (Microchip Technology),
AVR (Atmel),
MCS 51 (Intel);
16-битные МК:
MSP430 (Texas Instrument);
32-битные МК:
архитектура ARM (ARM Limited). Например, stm32****

AVR MEGA
https://cloud.mail.ru/public/5wev/hdNKxzw26
CodeVisionAVR v2 hpinfotech.ro
AVRStudio 5 (6) www.atmel.com
VMLAB www.amctools.com/vmlab.htm
Arduino www.arduino.ru
Симулятор http://123d.circuits.io/
ISIS Proteus 7