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
Список сокращений
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
ВВЕДЕНИЕ
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.
Доля применения МПС в различных областях военной техники растет с каждым годом - от навигационных систем летательных аппаратов до управления движением транспортных роботов.
Если определить все множество применений МПС в процентном отношении, то это будет выглядеть следующим образом: информационно-измерительная техника - 16% , управление производством - 18%, авиация и космос - 15%, системы связи - 14 %, вычислительная техника - 20%, военная техника - 9%, бытовая техника - 3%, медицина - 3%, транспорт - 2%, другие области - 7 %.
Б – многомагистральная
В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются данные, адреса и управляющие сигналы. В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали, что позволяет осуществить одновременную передачу по нескольким (или всем) магистралям и тем самым увеличить быстродействие системы.
Центральной частью МПС является микропроцессор - обрабатывающее устройство, выполненное с использованием технологии БИС (часто на одном кристалле) и обладающее способностью выполнять под программным управлением обработку информации (включая ввод-вывод), принятие решений, арифметические и логические операции.
МП характеризуется очень большим числом параметров и качеств, поскольку он, с одной стороны, является функционально сложным программно-управлемым цифровым процессором, т.е. устройством ЭВМ, а с другой стороны – интегральной схемой с высокой степенью интеграции элементов, т.е. электронным прибором.
МП классифицируются по следующим признакам.
По числу БИС в микропроцессорном комплекте - однокристальные и многокристальные МП. Однокристальные МП получаются при реализации всех аппаратурных средств процессора в виде одной БИС или СБИС. Для получения многокристального МП необходимо произвести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС.
По назначению различают универсальные и специализированные МП. По виду обрабатывающих входных сигналов МП делят на цифровые и аналоговые. По характеру временной организации работы - синхронные и асинхронные.
Кроме этого МП, как правило, классифицируются: по технологии изготовления (p-МОП, п-МОП, к-МОП, И2Л и т.д); по числу шин; по разрядности; по способу управления (схемное, микропрограммное); по числу аккумуляторов, уровней прерывания и программных счетчиков; по типу и емкости стека; по числу и длине команд и по видам адресации.
В общем случае в состав МП входят (рис. 1.3): арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок прерываний (БП), дешифратор команд и схема управления (ДСК и СУ), регистр команд (РК), буферы адреса и данных (БА, БД), регистры общего назначения (РОН), индексный регистр (ИР), стек (С), его указатель (УС), программный счетчик (ПС), регистр-аккумулятор (А), регистр признаков (РП), схема инкремент-декремент (ИД), блок прерываний (БП).
Конкретные МП, как правило, не содержат всех узлов и блоков, показанных на рис. 1.3. В этих случаях соответствующие функции могут выполняться программно, а в качестве некоторых специальных регистров
Рис. 1.3. Логическая структура МП
могут использоваться РОН или ячейки памяти. В ряде микропроцессорных комплектов отдельные функциональные узлы и блоки выполняются автономно в виде БИС или схем средней степени интеграции.
При проектировании МПС следует учитывать, что их производительность и функциональные возможности напрямую зависят от организации внутренних шин МП - их число существенно влияет на структуру и характеристики МПС в целом.
При определении оптимального числа шин следует учитывать, что уменьшение числа шин приводит к уменьшению быстродействия МП и сопровождается введением дополнительных буферных регистров, увеличивает площадь на кристалле, отводимую под функциональные элементы, и тем самым увеличивает функциональные возможности МП и МПС.
В трехшинном МП при определенной внутренней организации РОН возможно выполнение операций за один такт, включая выборку операндов из РОН и запись результата в один из регистров. Достоинства: высокое быстродействие и отсутствие буферных регистров, недостаток - большая площадь шин на кристалле.
Двухшинная организация при меньшей площади шин требует введения одного-двух буферных регистров и операции выполняются за два такта.
Организация МП на основе одной шины позволяет максимально усложнить архитектуру МП, однако требует введения двух-трех буферных регистров и трех тактов для выполнения операций.
При использовании магистральной организации МПС возникает сложность в подключении выходов нескольких элементов к одной шине (к одному проводнику общей шины). Известны три следующих способа решения этой задачи.
Логическое объединение (рис. 1.4, а) - выполняется с помощью схемы ИЛИ, на входы которой поступают сигналы от разных источников информации, предварительно проклапанированные сигналами управления на входах схем И.
Рис. 1.4. Способы подключения устройств к общей шине
Объединение с помощью схем с открытым коллектором (рис. 1.4, б) характеризуется электрическим соединением выходов нескольких логических элементов. Часто этот способ называют «монтажным ИЛИ» или «монтажным И».
Объединение с использованием схем с тремя состояниями (рис. 1.4, в) отличается именно таким характером нагрузки. В отличие от обычных ключевых схем здесь возможен третий режим, при котором оба транзистора одного каскада (VT1 и VT2 или VT3 и VT4) закрыты. В этом случае со стороны выхода каскад обладает высоким сопротивлением и практически не влияет на состояние общей шины. Если в состоянии высокого сопротивления будут находиться оба каскада, то общая шина может использоваться произвольно любыми внешними по отношению к МП устройствами. Этот способ широко используется при организации прямого доступа к памяти и при построении мультипроцессорных систем.
Кроме широко известных устройств внешней (ЗУ команд и ЗУ данных) и внутренней (РОН) памятей, для которых характерен адресный принцип общения, в МП МПС обычно предусматривается возможность работы с так называемой магазинной памятью (стеком), при обращении к которой не требуется указание адреса. Возможная организация магазинной памяти представлена на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Организация стека
Выборка одной из ячеек матрицы памяти осуществляется через дешифратор адреса (ДСА) по адресу, находящемуся на реверсивном счетчике адреса, называемом указателем стека (УС). Начальное значение адреса поступает в УС на вход А. В процессе работы состояние УС при каждой записи уменьшается, а при каждом чтении увеличивается на единицу. Управление режимами записи и чтения выполняет местный блок управления (МБУ).
При записи входное слово Х поступает на регистр слов (PC) и записывается в матрицу памяти по адресу, который в данный момент был установлен в УС. С небольшой задержкой после записи информации содержимое УС уменьшается на единицу, подготавливаясь к следующей записи, так что УС постоянно указывает на пустую ячейку.
При чтении МБУ сначала вырабатывает сигнал, увеличивающий содержимое УС на единицу, а затем - сигнал чтения информации из матрицы памяти. В результате на выходных цепях стека появится слово Х, которое было записано последним. Принцип работы стека может быть сформулирован как «последним записан – первым прочитан» (Last In First OUT - LIFO). Ввиду отсутствия в коде команд записи (чтения) адресного поля уменьшается разрядность этих команд и время их выполнения.
В МПС используются два вида стека: встроенный и автономный. Встроенный стек полностью размещается на кристалле МП. Емкость (глубина) стека здесь не может быть большой (обычно 16-32 слова). При организации автономного стека в качестве матрицы памяти используется внешнее по отношению к МП ОЗУ, а на кристалле располагается лишь УС с разрядностью, равной разрядности шины адреса; глубина стека может быть равна адресуемой емкости памяти (обычно 64 К). Для компенсации снижения быстродействия в некоторых МП с автономным стеком реализованы аппаратная запись и восстановление при прерываниях содержимого ПС, аккумулятора и регистра состояния.
Работа МПС сопровождается интенсивным обменом информацией между МП, ЗУ, УВВ. Эффективность решения задач МПС в значительной степени определяется организацией этого обмена и структурой связи между МП, памятью и УВВ. Для организации обмена между указанными устройствами вводится понятие интерфейса – это система шин, вспомогательной аппаратуры и алгоритмов, реализованных на этой аппаратуре. В функции интерфейса входят: дешифрация адреса устройств, синхронизация обмена информацией, согласование форматов слов, дешифрация кода команды, связанной с обращением к памяти или УВВ, электрическое согласование сигналов.
Сложность задач, возлагаемых на интерфейс, а также недостаточная мощность буферных схем, входящих в состав БИС МП, привели к распределению средств интерфейса между различными устройствами:
- устройством управления памятью и вводом-выводом, входящим в состав МП;
- непосредственно интерфейсным устройством, являющимся промежуточным звеном между МП, памятью и УВВ;
- специализированными устройствами управления (контроллерами) УВВ.
Различают следующие способы организации связи между МП и УВВ в МПС: программный обмен данными по командам условного перехода; обмен данными по сигналам прерывания; обмен данными в канале прямого доступа в память; подключение устройств ввода-вывода к МП.
При программном обмене данными по командам условного перехода МП программным путем должен определить, готово ли периферийное устройство к выполнению операций ввода-вывода до того, как начнется программная передача данных. Внешнее устройство должно иметь аппаратурные средства для выработки информации о внутреннем состоянии статусной информации. МП считывает эту информацию, передает ее во внутренний регистр-аккумулятор, анализирует и на основе результата анализа принимает решение о готовности устройства (рис.1.6).
МП может находиться в режиме программного ожидания (готовности) внешнего устройства, выполняя команды блоков 1 и 2. После обнаружения состояния готовности МП передает данные по командам блоку 3, а затем приступает к работе по продолжению основной программы.
Рис. 1.6. Алгоритм программного обмена
На рис. 1.7 приведен пример обмена данными по командам условного перехода. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) при передаче данных имеет трехуровневые выходные каскады, передача данных с которых осуществляется по сигналу “Разрешение выдачи” (РВ). По сигналу “Начало преобразования” (НП) АЦП начинает преобразования мгновенной амплитуды входного аналогового сигнала в восьмиразрядный код. По окончанию преобразования выдается управляющий сигнал “Конец преобразования” (КП).
Сигналы НП, КП и РВ считываются МП из байтового выходного регистра данных. Сигналы Д7 – Д0 имеют правильное значение, если соблюдена последовательность выдачи управляющих сигналов НП, КП и РВ согласно временной диаграмме. Сигнал с дешифратора адреса ДСА
Рис. 1.7. Схема подключения АЦП к МП при программном вводе данных
вместе с сигналом операции МП Чт/Зп по сигналу импульса синхронизации С определяет генерацию необходимого управляющего сигнала. По сигналам АНП =АРВ = 1 осуществляется запуск АЦП; по сигналам АРВ = АКП = 1 – считывание и ввод в МП значения сигнала КП. Этот сигнал через трехуровневый каскад вводится в МП по шине Д7. Поэтому команда “Условный переход по знаку результата” определит либо окончание преобразования (КП=1), либо необходимость перехода к новому циклу анализа (КП=0). При сигнале КП=1 командой “Прочитать данные по адресу АРВ” осуществляется ввод информации с АЦП в МП.
Для организации обмена данными по сигналам прерывания от внешних устройств в МП должны быть предусмотрены специальные аппаратурные средства анализа состояния внешних устройств. Если они обнаруживают готовность к обмену какого-либо внешнего устройства, то сигнализируют об этом блоку управления МП, который завершает текущую операцию, передает на хранение в память всю информацию внутренних регистров данных и управления и переходит к подпрограмме обслуживания прерывания. Основная часть этой подпрограммы – команды передачи данных между МП и конкретным внешним устройством. В конце нее имеются программы восстановления состояния МП, которое существовало к началу прерывания.
Если необходимо осуществить обмен между внешним устройством и памятью, то нет необходимости пересылать данные через МП, так как в противном случае затраты времени МП будут очень большими. Можно ввести в МПС контроллер прямого доступа в память, который берет на себя управление передачей. Построение канала ПДП является альтернативой программному обмену, поэтому и в данном случае справедливы общие закономерности балансировки программно-аппаратурных средств. Средства канала ПДП могут быть подключены параллельно процессору (рис.1.8, а), с передачей функции арбитража ОЗУ.
Рис. 1.8. Схема подключения КПД к ОЗУ в МПС
Однако при этом усложняются схемы управления ОЗУ, появляется второй информационный канал, состоящий из информационных МД и МА и управляющих сигналов МУ. Поэтому в МПС решается задача разделения единого информационного канала между МП и КПД в память посредством использования свойств трехуровневого состояния информационных подмагистралей. МП во время передачи информации по КПД переводит выходные схемы управления всех магистралей в высокоомное состояние и изолируется от остальной части системы, что аналогично обрыву его информационного канала (рис. 1.8, б).
Способы подключения внешних устройств к МП определяются возможностями его корпуса, аппаратурно-программных средств, количеством и особенностями устройств ввода-вывода. Запрос на простое прерывание привлекает внимание МП к внешней системе и требует анализа ее состояния.
Если несколько устройств ввода-вывода (УВВ) подключены к своим индивидуальным аппаратурным ресурсам (радиальный интерфейс) (см. рис.1.9, а), то внутри МП необходимо иметь мультиплексор для последовательного опроса всех УВВ. В случае подключения многих УВВ к одному уровню прерывания при простом прерывании требуется обзор всех причин прерывания и выделения активного УВВ.
Последовательное расположение подпрограмм анализа причин прерываний УВВ в программе может считаться приоритетным, если не задан другой алгоритм. Следовательно, первое активное устройство, обнаруженное программой прерывания, получает ресурс на обслуживание. Аппаратурно этот алгоритм реализуется в “цепочечной” схеме подключения УВВ (рис.1.9, б).
Рис.1.9. Схемы подключения УВВ к МП МПС
Векторное прерывание возникает в том случае, когда УВВ, выставившее запрос на прерывание, посылает после выполнения запроса адрес ячейки, где расположена программа прерывания данного УВВ (рис.1.9, в).
Многоуровневые групповые системы (рис.1.9, г) прерывания требуют наличия в МП несколько входов и могут быть векторными, приоритетными или обзорными.
Принципиальные отличия в организации структуры микропроцессора МПС от организации структуры процессора классической ЭВМ (наличие нескольких внутренних шин, РОН, стека и т.п.) приводят к особенностям функционирования МП при организации процессов обработки информации и управления этими процессами.
Процесс обработки информации осуществляется в МПС с помощью его центрального устройства - микропроцессора, типовая структура которого в самом общем случае состоит из АЛУ (см. рис. 1.10, а), набора регистров общего назначения (РОН), буферного регистра (БР) и регистра сдвига (Рсдв).
Представленная структура обладает очень широкими возможностями: содержимое любого РОН может быть передано на БР и на Рсдв, а стандартное четырехразрядное АЛУ (рис. 1.10, б) может выполнить 16 логических и 32 арифметических операции над содержимым обоих регистров; результат может быть записан в любой из РОН.
Рис. 1.10. Типовая структура МП
При подаче соответствующих управляющих сигналов в этой системе, например, возможны:
- передача данных из одного РОН в другой (транзитом через БР и АЛУ);
- увеличение или уменьшение на единицу содержимого любого из РОН путем изменения в АЛУ выбранного из РОН значения на единицу и засылки полученного результата в тот же регистр;
- сдвиг содержимого любого РОН путем передачи любого выбранного из РОН числа в Рсдв, сдвига этого числа и записи через АЛУ в тот же РОН.
Очевидно, что для выполнения этих и других операций очень важно распределение подаваемых управляющих сигналов во времени. Например, для передачи данных из одного РОН в другой требуется два такта: 1 такт: адресация РОН, выборка содержимого РОН, прием выбранного слова в БР; 2 такт: адресация РОН, запись в РОН информации через АЛУ. Из этого примера видно, что при определенной последовательности управляющих сигналов будет выполняться определенная операция над данными, хранимыми в РОН. При этом необходимо выполнять два требования (см. рис. 1.11): обеспечение анализа логических условий и ветвление процесса; сохранение сигнала арифметического переноса из АЛУ (триггер Т1) и выходного бита Рсдв (триггер Т2) , т.к. они могут понадобиться при выполнении следующей операции.
С этими изменениями становятся возможными операции над словами с разрядностью, большей, чем разрядность АЛУ, РОН и вспомогательных регистров.
Рис. 1.11. Структура обрабатывающей части МПС
Наиболее полно организацию процесса обработки информации в МПС отображает структурная схема МП, приведенная на рис. 1.12. Для упрощения структуры МП и организации его работы признаки условий обычно хранятся на специально выделенном регистре - регистре признаков, разрядность которого не превышает разрядности внутренних шин МП.
Рис. 1.12. Структурная схема МП
В состав МП, помимо ранее рассмотренных устройств, введены регистр результата (РР), мультиплексоры M1 - M4, цепи анализа значений логических условий и необходимые управляющие входы.
Рассмотрим назначение введенных мультиплексоров и соответствующих управляющих сигналов, с помощью которых организован процесс обработки информации в МПС.
Мультиплексор M1 - мультиплексор цепи переноса: в зависимости от назначения управляющего сигнала У6 (0 или 1) к входу переноса АЛУ подключается или внешний вход, или выход триггера переноса T1.
Мультиплексор M2 - мультиплексор цепи сдвига, подключающий к входу триггера сдвига T2 в зависимости от значения сигнала У14 выход старшего или младшего разряда регистра Рсдв.
Мультиплексор M3 - мультиплексор цепи сдвига, подключающий к входам старшего или младшего разрядов регистра Рсдв один их четырех выходов в зависимости от комбинации значений сигналов У15 и У16 : выход М2 (У15 =У16 =0), выход триггера Т2 (У15 = 0, У16 =1), логическую единицу (У15 =1, У16 = 0), логический нуль (У15, У16 =1,). Первая комбинация соответствует организации циклического сдвига, оставшиеся отличаются тем, что при сдвиге содержимого Рсдв влево или вправо в освобождающийся заряд записывается, соответственно, содержимое триггера T2, логическая единица или нуль.
Мультиплексор M4 - мультиплексор анализа условий, подключающий к выходу P в зависимости от комбинаций сигналов У8 и У9: выход старшего разряда регистра PP; выход схемы ИЛИ-НЕ, единичное значение на котором будет только при нулевом содержимом регистра PP; логическую единицу.
Устройство управления МПС должно выполнять две основные функции: управление выполнением операций и выборку команд программы в нужной последовательности, их дешифрацию и обработку. Существуют два подхода к организации управления выполнением операций.
Первый заключается в том, что n управляющих входов МП объединяются в отдельную n-разрядную шину, на которую для выполнения передачи и (или) обработки информации на каждом шаге алгоритма необходимо подавать n-разрядный вектор (микрокоманду). Этот способ позволяет легко реализовать любой алгоритм, но поскольку на каждом шаге только некоторая часть сигналов имеет единичное значение, а большинство - нулевое, то используется лишь незначительная часть всех n разрядов. Проанализировав архитектуру и назначение МПС, можно выделить группы сигналов, которые никогда одновременно не вырабатываются, и использовать в каждой группе для формирования управляющих сигналов дешифраторы. Такой способ организации управления называется микропрограммным. Структурная схема МП с микропрограммным устройством управления выполнением операций приведена на рис. 1.13, а.
а б
Рис. 1.13. Структура устройств управления МП
В управляющем ЗУ для каждой операции хранится набор микрокоманд (МК), называемых микропрограммой, последовательная выборка и выполнение которых обеспечивает в обрабатывающей части МП преобразование информации, соответствующее коду операции. По коду операции из ЗУ выбирается первая МК микропрограммы выполнения этой операции и поступает на дешифратор микрокоманд ДСМК и схему управления их выполнением. Дешифратор МК расшифровывает код операционной части МК и вырабатывает управляющие сигналы, поступающие в обрабатывающую часть МП. Схема управления выполнением МК по коду адресной части МК и признакам условий формирует адрес следующей МК, который подается на ЗУ. Таким образом будут выбраны и выполнены все МК микропрограммы, что обеспечивает выполнение нужной операции.
Второй подход заключается в том, что все управляющие входы сводятся в один управляющий блок, который расшифровывает приходящую команду и в соответствии с ней вырабатывает необходимую последовательность сигналов (см. рис. 1.13, б). Такой способ организации управления получил название схемного или “жесткого” управления. «Жесткость» и сложность структуры этого типа управления являются его недостатком, высокое быстродействие - главным преимуществом. Таким образом, МП должен обеспечивать выборку команд, их дешифрацию, выполнение требуемых операций в соответствии с содержанием полей команды и передачу кода операции в устройство управления. Для выполнения этих функций МП имеет (рис. 1.14): программный счетчик (ПС), регистр команды (РК), схемы выдачи адресов, операндов и содержимого ПС на адресную шину МП, схему приема данных и команд с внешней шины данных на РК; дешифратор команд ДСК.
Рис. 1.14. Структура МП
Адрес подлежащей выполнению команды хранится в ПС, с выхода которого он поступает через буфер адреса (БА) на адресные входы внешнего ЗУ команд. Выбранная по сигналу Уi команда поступает через буфер данных (БД) на РК. Код команды расшифровывается дешифратором команд (ДСК), который передает код операции в УУ. Последнее вырабатывает требуемую последовательность управляющих сигналов Уi, обеспечивающих выполнение нужной операции в МП. Если в процессе выполнения операции требуется обращение к РОН, то ДСК выставляет адрес регистра на адресных входах РОН 
- 
(см. рис. 1.12).
Упражнения
1. Дополните структуру МП на рис.1.12 схемами для ввода и вывода информации, используя в качестве УВВ регистры. Необходимо предусмотреть соответствующие комбинационные схемы.
2. Применительно для МП, представленного на рис.1.12, описать потактовое выполнение следующих команд: 1) запись содержимого регистра Р1, входящего в состав РОН, в другой РОН – Р2; 2) сложение содержимого регистров Р1 и Р2 РОН с занесением результата в Р2.
Контрольные вопросы
1. Как можно выполнить сложение двух восьмиразрядных чисел на четырехразрядном МП?
2. Укажите основные преимущества и недостатки микропрограммного и схемного (жесткого) устройства управления МПС.
3. Когда целесообразно использовать одношинную и трехшинную организацию МП в МПС?
4. Почему значения отдельных признаков сводят в один регистр?
5. Чем отличается микроЭВМ от МПС?
6. Перечислите преимущества, обеспечиваемые вводом-выводом данных в канале прямого доступа в память.
7. Какое расширение возможностей МПС можно получить с помощью дополнительных проблемно-ориентированных процессоров?
8. Какие возможности открывают МП для реализации параллельных вычислительных процессов?
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.
Контрольные вопросы
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.
Рис. 4.3. Процедура выбора МП
Проверку рекомендуется начать с выполнения команды условного перехода, которая передает управление самой себе. Это позволит, во-первых, убедиться в работоспособности МП, а, во-вторых, исследовать временную диаграмму работы процессора MПС с помощью осциллографа. На основе макета памяти можно проверить выполнение всех команд, а позже проверить работоспособность остальной аппаратуры МПС.
Характеристики МПС в значительной степени определяются организацией обмена информацией между МП, основной памятью и внешними устройствами. Поэтому разработка интерфейса системы является одним из наиболее ответственных этапов разработки. Сложностъ этого этапа обуславливается тем, что связь БИС, входящих в MПK, обычно функционально и структурно строго регламентирована руководящим техническим материалом, спецификой МПС, предназначенной для конкретного применения, и определяется исключительно внешними устройствами МПС и их связью с МП и основной памятью. На аппаратуру, обеспечивающую этот интерфейс, в некоторых случаях приходится 60-80% общих аппаратурных затрат. В функции интерфейса обычно входят операции по дешифрации адреса устройства, синхронизации обмена, согласование информационных и управляющих сигналов, дешифрация кода команды, генерирование запросов на прерывание процессора и др.
Для того, чтобы МПС могла выполнять задачи обработки данных, ее необходимо снабдить соответствующим программным обеспечением (ПО), которое подразделяется на две части: системное и прикладное. Основой системного ПО служит, как правило, некоторая операционная система, которая включается в состав МПС при ее поставке потребителю. Прикладное ПО содержит комплекс программ, соответствующих специфике области применения системы. И системное, и прикладное ПО создаются с помощью подходящих языков программирования, включая язык Ассемблера данной МПС и языки высокого уровня.
Составляя программу для МПС (или микроЭВМ) в машинных кодах или на языке Ассемблера, программист абстрагируется от всего многообразия элементов МПС и имеет дело лишь с системой команд и ограниченным числом ее регистров, называемых программно-доступными регистрами. Эти регистры характеризуются тем, чти их имена или условные обозначения (номера) могут применяться в машинных командах, а содержимое регистров может быть изменено, прочитано или использовано с помощью соответствующих команд по желанию программиста. Программно-доступные регистры обычно составляют лишь небольшую часть всех регистров MП. Никакие другие элементы МП, кроме его программно-доступных регистров, не находят отражения в программах, написанных в кодах системы или на языке Ассемблера. Следовательно, с точки зрения программиста МП МПС представляет собой совокупность программно-доступных регистров, которые каким-то образом связаны с остальными компонентами и элементами процессора с целью выполнения операций, соответствующих системе команд данного МП. Можно, таким образом, полагать, что набор программно-доступных регистров и система команд – это главное, что нужно знать программисту о микропроцессоре, чтобы приступить к написанию программы.
Рис. 5.5. Виды топологии параллельных ММПС
Сеть «бабочка», разработанная в конце 60-х годов Рабинером и Гоулдом, повышает скорость вычислений при реализации БПФ, которое требует выполнения 4N2 умножений и 4N2 сложений комплексных чисел (на этой сети необходимо повторить алгоритм N/2log2 N раз).
Сеть перекрестного обмена предложена в конце 60-х годов Пизом и Стоуном и представляет собой альтернативный вариант топологии связной сети по отношению к варианту «бабочка» для выполнения БПФ, которое реализуется за log2 N шагов.
Гиперкуб или бинарный N-куб представляет собой теоретическую концепцию, обосновывающую возможность наращивания структуры за пределами трех измерений (см. рис. 5.6).
Рис. 5.6. Топология ММПС “гиперкуб”
N-размерный куб содержит 2N узлов (узловых процессоров). Концепция гиперкуба удобна для описания универсальных матричных ЭВМ, так как многие другие сетевые топологии могут быть отображены на гиперкуб путем отбрасывания некоторых связей.
Сетки (решетки) представляют собой одномерные, двумерные матрицы или матрицы большей размерности. На их основе реализуются систолические или волновые матрицы, в которых каждая ячейка соединена со своими ближайшими «соседями» во всех измерениях.
Цилиндры и тороиды являются разновидностью решеток, в которых число используемых измерений и топология поверхности выбираются таким образом, чтобы они соответствовали реализуемому прикладному алгоритму.
ТРАНСПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ
Развитие традиционных архитектур ЭВМ с микропрограммным управлением и микропроцессоров привело к появлению сложных ИС с большими наборами команд, что позволило повысить эффективность труда программистов, но значительно усложнило топологию ИС и понизило производительность ЭВМ.
Как альтернатива этому направлению являются компьютеры с сокращенным набором команд (КСНК) или RISС-процессоры, которые превосходят производительность ЭВМ с большими наборами команд, так как благодаря организации их команд последние выполняются за один машинный цикл. Большинство операций в КСНК имеют характер «регистр-регистр», а обращения к основной памяти происходят только для выполнения простых операций загрузки в регистры и занесения в память; смежные же команды преобразуются в последовательность простых, которые выполняются быстрее. Уменьшение количества логических вентилей и объема микропрограммных ПЗУ позволяет существенно снизить размеры МП и их стоимость. На рис. 6.1 приведена структурная схема базовой архитектуры компьютера с сокращенным набором команд.
Блок выборки команд осуществляет опережающую выборку команд из основной памяти или кэша и помещает их в буфер предварительной выборки. Блок реализации команд принимает команды из буфера предварительной выборки и выполняет необходимые операции, после чего помещает результат в один из регистров, подготавливая последующее выполнение операции «регистр – регистр».
Рис. 6.1. Базовая архитектура КСНК
Команды, выполнявшиеся последними, остаются в кэше, чтобы был обеспечен быстрый доступ к ним при выполнении циклов. Для совмещения во времени действий по выборке, декодированию и выполнению операций используется конвейеризация. При опережающей выборке команд может быть применен метод предугадывания ветвления, так как при выполнении команд условного перехода возможно снижение скорости обработки, когда для выборки следующей команды необходимо сначала выяснить направление перехода.
Типичным представлением КСНК являются транспьютеры, которые предназначены для построения МКМД-структур. Рассмотрим логическую структуру транспьютера на примере типичного представления этого класса МП – транспьютере Inmos T414, структурная схема которого приведена на рис. 6.2.
Транспьютер Т414 представляет собой 32 – разрядный микропроцессор, в состав которого входят центральное процессорное устройство с архитектурой КСНК, внутрикристальное ЗУПВ емкостью 2 Кбайт, четыре быстродействующих последовательных канала связи и таймер с разрешающей способностью 1 мкс. Внутренняя архитектура транспьютера соответствует фон-неймановским принципам, т.е. включает единую шину адресов и данных, связывающих ЦПУ со встроенной и внешней памятью.
Рис. 6.2. Структура транспьютера Т414
В транспьютере Т414 используются простые 8-битовые базовые команды, но могут быть созданы и многобайтовые. Используемые регистры и способы пересылки данных между ними указываются в команде неявным образом.
Как видно из рис. 6.2, транспьютер Т414 имеет мультиплексируемую 32-разрядную шину внешней памяти с диапазоном физических адресов 4 Гбайт. Дополнительная память может иметь различную конфигурацию, причем возможно включение в ее состав одновременно и быстродействующих, и медленных устройств. Предусмотрены сигналы регистрации динамических ЗУПВ. Скорость пересылки данных по шине внешней памяти может достигать 25 Мбайт/с.
Взаимодействие каждого транспьютера с другими, а также с периферией, осуществляется посредством четырех каналов связи. Для передачи сообщений из внутренней и внекристальной локальной памяти по последовательным каналам применяется механизм блочных ПДП-пересылок. Интерфейсы связи и процессор работают одновременно и потери производительности процессора незначительны. Использование прямых последовательных коммуникационных каналов делает ненужным арбитраж приоритетов и исключает проблемы, связанные с пропускной способностью шин и их перегрузкой при введении в систему новых процессоров.
Каждый последовательный канал состоит из двух частей, служащих для передачи информации в противоположных направлениях. Пересылка производится со скоростью 10 или 20 Мбит/с, причем каждому байту предшествуют два единичных бита, а завершает передачу один ненулевой бит. После передачи байта данных пославший его транспьютер ожидает получения двухбитового подтверждающего сигнала, указывающего на то, что принимающий транспьютер готов к получению следующих данных. Возможен обмен информацией между независимо тактируемыми системами, если частоты тактирования одинаковы.
Для сопряжения каналов транспьютера с нетранспьютерными устройства-ми и интерфейсами связи предусмотрен ряд интегральных адаптерных схем: микросхемы адаптеров последовательного канала С011 и С012, групповой переключатель шин С004.
Транспьютер может быть использован в качестве отдельного самостоятельного устройства, обеспечивающего производительность 10 млн. оп/с; при этом для программирования используется широкий набор стандартных высокоуровневых языков, так как архитектура транспьютера ориентирована на эффективное применение компилятора.
Для полной реализации возможности объединения транспьютеров в сети или матрицы при построении высокопроизводительных систем применяется язык ОККАМ, позволяющий максимальным образом использовать свойства транспьютеров, ориентированные на распараллеливание обработки. Транспьютер выполняет ОККАМ-процесс до тех пор, пока у него не возникнет необходимость получить дополнительную информацию от других процессоров или в нем не сформируется информация, которая должна быть использована другим процессором. В этих ситуациях транспьютер останавливает свой процесс, запоминает указатель процесса и переводит процесс в режим ожидания. После этого процессор продолжает работу с другими процессами, пока не поступает информация, требуемая для первого процесса. Если процесс реализуется на нескольких транспьютерах, каждый из них продолжает работу до тех пор, пока не окажется готовым к передаче информации, а затем пребывает в состоянии ожидания до момента, когда соответствующий принимающий транспьютер будет готов к получению этой информации. После этого осуществляется пересылка данных и продолжается выполнение программы.
Транспьютер Т414 был доступен потребителю в 1985 году и представлял собой 32-разрядную машину с памятью емкостью 2 Кбайт.
Аналогичная 16-разрядная СБИС Т212 содержит ЗУПВ емкостью 2 Кбайт и четыре быстродействующих последовательных канала связи, но имеет лишь 16-разрядную шину адресов/данных, что ограничивает диапазон прямоадресуемой памяти емкостью 64 Кбайт. Этот тип транспьютера обеспечивает возможность реализации интерфейса, ориентированного на подключение дисковой памяти в соответствии со стандартом ST506 и нескольких других интерфейсных стандартов.
Графический контроллер G412 представляет собой 32-разрядный транспьютер с графическим интерфейсом вывода, включающим цветовую перекодировочную таблицу с выходными видеосигналами.
Версия 32-разрядного транспьютера, предназначенная для обработки данных с плавающей запятой и имеющая обозначение Т800, включает внутрикристальную память емкостью 4 Кбайт, четыре последовательных коммуникационных канала, скорость передачи по которым может достигать 20Мбит/с, и встроенный процессор с плавающей запятой, работающий параллельно с ЦПУ. При работе на тактовой частоте 20 МГц быстродействие транспьютера Т800 может достигать 1,5 Мфлопс, когда обрабатываются 32-битовые данные, и 1,1 Мфлопс, когда обрабатываются данные с форматом 64 бит, т.е. превышает 5-10 раз быстродействие Т414. Разновидность Т800, имеющая частоту тактирования 30 МГц, имеет быстродействие 2,25 Мфлопс.
Так как транспьютеры создавались как механизм для параллельной обработки больших массивов информации в системах типа МКМД, области применения его довольно широки. Это задачи теплопроводности, математической физики, обработка метеорологических данных, геодезия, цифровая обработка сигналов, распознавание образов, задачи фильтрации и т.п.
Контрольные вопросы
1. Дайте понятие RISС-процессора, поясните организацию структуры и особенности работы.
2. Назначение SISC-процессоров.
3. Приведите логическую структуру транспьютера.
4. Перечислите области применения RISC-процессоров и транспьютеров.
Средства отладки МПС
Для разработки и отладки аппаратуры проектируемых МПС требуются приборы, умеющие: выполнять функции аналогового прибора, т. е. измерять напряжение и ток, воспроизводить форму сигнала, подавать импульсы определенной формы и т. д.; подавать последовательность сигналов одновременно на несколько входов в соответствии с заданной временной диаграммой или заданным алгоритмом функционирования; собирать значения сигналов многих линий в течение одного и того же промежутка времени, который определяется задаваемыми (программируемыми) событиями – комбинацией или последовательностью сигналов на линиях; обрабатывать и представлять собранную информацию либо в виде временной диаграммы, либо в виде таблицы логических состояний, либо на языке высокого уровня.
Для автономной отладки широко используются осциллографы, вольтметры, амперметры, частотомеры, генераторы импульсов и кодов, позволяющие отлаживать аппаратуру на схемном уровне.
Для проведения комплексной отладки МПС используют логические анализаторы, оценочные и отладочные комплексы, комплексы диагностирования и развития.
Логические анализаторы – контрольно-измерительные приборы, предназначенные для сбора данных о поведении дискретных систем, для обработки этих данных и представления их оператору на различных уровнях абстракции. Они работают независимо и незаметно для испытуемых дискретных систем и применяются для их отладки и диагностирования (в первую очередь микропроцессорных систем).
Логические анализаторы (ЛА) характеризуются числом каналов, емкостью памяти на канал, частотой записи, способами синхронизации и запуска, формами представления данных.
ЛА (рис.7.1) включает в себя компаратор уровней входных сигналов (КУ), запоминающее устройство (ЗУ), логический компаратор (ЛК), генераторы задержки (Г3) и синхросигналов (ГСС), переключатель режима (ПР), устройства запуска (У3) и управления визуальным выводом (УУВВ), дисплей (Д).
На входные каналы ЛА поступают сигналы с отлаживаемой и диагностируемой аппаратуры. Сформированный компараторами уровней набор значений сигналов подается на входы ЗУ и ЛК. ЗУ функционирует подобно группе сдвиговых регистров.
Рис. 7.1. Структура логического анализатора
Логический компаратор предварительно настраивается (программируется) на обнаружение определенной последовательности наборов значений сигналов. После поступления запрограммированной последовательности входных наборов ЛК выдает сигнал на вход Г3, который по истечении запрограммированного времени выдает сигнал на вход У3, инициирующее или прекращающее запись наборов значений входных сигналов в ЗУ. После прекращения записи в ЗУ УУВВ транслирует информацию на экран дисплея в удобном для интерпретации виде.
Логический анализатор при определении значений сигналов, в отличие от представления реальных временных функций при исследовании аналоговых сигналов с помощью осциллографа, отображают нормированные по уровню цифровые сигналы (рис 7.2).
Синхросигналы, в моменты появления которых производится запись информации в память ЛА, могут поступать как извне, с диагностируемой системы, так и с внутреннего генератора ЛА. В первом случае режим записи называют синхронным, во втором – асинхронным. ЛА, имеющие синхронный режим, называются анализаторами логических состояний, а ЛА, в которых реализован асинхронный режим, – анализаторами временных состояний.
Рис. 7.2. Вид сигналов на входе и на выходе компаратора уровней
Дополнительные возможности по сбору данных обеспечивают квалификаторы (квалификационные входы, определители) – отдельные входы, значения сигналов которых не фиксируются в памяти, но определяют функции коммутации синхросигналов, что позволяет записывать данные выборочно и тем самым экономить емкость ЗУ.
В реальных системах в промежутках между синхросигналами могут возникать ложные кратковременные сигналы и помехи, которые не фиксируются в памяти независимо от режима работы ЛА. Обнаружение такого рода сигналов осуществляется методами увеличения тактовой частоты в асинхронном режиме и использования режима “ловушек” (с помощью триггеров -защелок).
Генераторы слов (генераторы данных, генераторы тестовых последовательностей ) – приборы, предназначенные для формирования и подачи входных воздействий на диагностируемую систему; они, как правило, состоят из ЗУ, драйверов, устройства управления, генератора синхросигналов, устройства управления вводом, дисплея и клавиатуры.
Последовательность входных наборов, которую необходимо подать на диагностируемую систему, заносится в ЗУ с помощью клавиатуры, либо через стандартный интерфейс из памяти микроЭВМ. Устанавливаются: частота тактирования, с которой входные наборы будут подаваться на систему, уровни сигналов “O” или “1” (обеспечиваются драйверами), режим цикличности подачи воздействий (один цикл, n циклов, непрерывный).
По способу подачи воздействий генераторы слов подразделяются на генераторы слов последовательного и параллельного кодов. По способу реализации устройства управления можно выделить три типа генераторов слов: с буферной памятью; с управляющей памятью (память здесь делится на две части – данных и команд, имеющих общее управление и общий регистр адреса); c алгоритмическим генерированием последовательностей (основа – микропрограм-мируемый специализированный процессор).
Комплексы диагностирования объединяют возможности ЛА и генераторов слов, способны подавать входные воздействия на диагностируемую систему, собирать и анализировать ответные реакции системы. Они представляют собой не простое объединение любых ЛА и генератора слов, а имеют режим, при котором генератор слов и ЛА функционируют как единое целое под общим управлением МП, с общим ПО, с согласованными по времени распространения сигналами.
Комплексы диагностирования (рис. 7.3.) содержат: микроЭВМ с периферией, генератор слов ГС и логический анализатор ЛА.
Рис. 7.3. Структура комплекса диагностирования
МикроЭВМ подготавливает тестовые наборы, загружает и настраивает на определенный режим работы ГС и ЛА, анализирует результаты тестирования, обрабатывает информацию о поведении объекта диагностирования (ОД), представляет информацию о ее поведении на языках, используемых при проектировании, осуществляет диалог с оператором.
Оценочные комплексы предназначены для проведения отладки МПС на программном уровне. Оценочные комплексы – это микроЭВМ в минимальном составе, на базе которой создается проектируемая МПС с подключенными клавиатурой и дисплеем, а также возможностью подключения аппаратуры пользователя. В комплексах используются как одноплатные микроЭВМ, предназначенные для встраивания в различное оборудование, так и специально спроектированные для этих целей микроЭВМ. Эти комплексы при проектировании МПС являются хорошим средством обучения и оценки возможностей микропроцессоров, стендом для макетирования; дают возможность выполнять программы в реальном времени и непосредственно на реальном МП, но практически не способны генерировать ПО; занимают ресурсы проектируемой системы (адресное пространство памяти); не позволяют собирать информацию о поведении и управлять поведением проектируемой системы в режиме реального времени. В состав оценочного комплекса входят МП, ПЗУ для хранения системных программ, ОЗУ для хранения данных и отлаживаемых программ, контроллер ввода-вывода для подключения клавиатуры и дисплея. Как правило, в оценочном комплексе имеется интерфейс последовательного асинхронного канала ввода-вывода и параллельный порт ввода-вывода. Часто предусматривается возможность установки дополнительных интегральных схем ПЗУ и ОЗУ пользователя в свободные гнезда на плате. Магистраль микроЭВМ выводится на разъем и к ней могут быть подключены разрабатываемые устройства, дополнительная память, контроллеры ввода-вывода и внешних запоминающих устройств. Программное обеспечение оценочных комплексов ограничивается монитором (в ПЗУ), который представляет достаточно гибкие средства для отладки программ: пошаговый режим, задание контрольных точек разрыва, загрузку и отображение содержимого регистров и памяти.
Отладочные комплексы также предназначены для отладки МПС на программном уровне описания. Они отличаются от оценочных развитым программным обеспечением, увеличенной емкостью памяти и усложненным интерфейсом, позволяющим использовать более широкий диапазон устройств ввода-вывода. Здесь также основой является микроЭВМ, которая будет применяться в проектируемой системе, и системная магистраль, выводимая на внешний разъем. Использование этих комплексов при проектировании МПС дает следующие преимущества: возможность программирования на языке ассемблера или языках высокого уровня, широкий набор внешних устройств, развитую операционную систему. Недостатки: предназначаются для одного типа МП, накладывают ограничения на проектируемую систему по архитектуре, занимают системные ресурсы, не позволяют собирать информацию о поведении системы и управлять ее поведением в режиме реального времени.
Системное ПО отладочных комплексов включает в себя системный монитор и систему программирования: ассемблер или макроассемблер, редактор текста, редактор связей, загрузчик и отладчик.
Комплексы развития предназначены для отладки МПС на программном уровне описания и позволяют на программном уровне управлять поведением системы, собирать информацию о поведении системы, моделировать (эмулировать) недостающие устройства (МП, ЗУ, контроллеры и т.д.) в режиме реального времени или близкого к этому. Они характеризуются типом и числом эмулируемых МП, числом одновременно работающих пользователей, емкостью ОЗУ пользователя, емкостью внешних ЗУ, составом системного ПО, отладочными возможностями. Комплекс состоит из микроЭВМ с периферией и внутрисхемного эмулятора (ВСЭ). ВСЭ выполняет следующие функции: эмулирует поведение и электрофизические характеристики МП проектируемой системы и ЗУ (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, контроллеры), собирает информацию о поведении системы на программном уровне и управляет ее поведением. Он может прервать работу системы при появлении заданного события, запускать систему с заданной команды, выполнять программу в пошаговом или автоматическом режимах, изменять состояние памяти, внутренних регистров МП и портов ввода-вывода. В части сбора информации ВСЭ обладает возможностями логических анализаторов с синхронной записью данных и, кроме этого, позволяет собирать статистические данные о времени выполнения участков программы. Кроме стандартных внешних устройств комплексы содержат программируемые устройства-программаторы для “прошивки” отлаженных программ в ППЗУ.
Комплексы развития делятся на однопроцессорные и многопроцессорные одномагистральные и многопроцессорные многомагистральные.
Недостатком однопроцессорных одномагистральных комплексов является то, что МП должен выполнять как функции эмулятора, так и системные функции комплекса (трансляцию программ, редактирование и т.п.). Недостатком многопроцессорного одномагистрального комплекса является то, что в данный момент времени может работать только один МП. Многопроцессорные многомагистральные комплексы (рис. 7.4) лишены этих недостатков: каждый ВСЭ имеет эмулятор микропроцессора (ЭМП), собственную память (ЭП) и магистраль, что позволяет ему вести эмуляцию одновременно и независимо от МП других эмуляторов.
Программное обеспечение комплекса развития обычно состоит из операционной системы, системы управления файлами, редакторов текста, кросс-ассемблеров и кросс-компиляторов, обеспечивающих разработку программ на языке ассемблера или языке высокого уровня для конкретного МП, драйвера, редактора связей, загрузчика, системного монитора.
Рис. 7.4. Структура многопроцессорного многомагистрального комплекса развития
Контрольные вопросы
1. В чем заключается автономная и комплексная отладка МПС?
2. Перечислить приборы, применяемые при отладке МПС и назвать функции каждого при отладке.
3. Назначение, состав и режимы работы логических анализаторов.
4. Назначение, состав, структура и функции комплексов диагностирования.
5. Назначение, состав, структура и функции оценочных и отладочных комплексов.
6. Назначение, состав, структура и функции комплексов развития.
Библиографический список
1. Микропроцессоры: кн. 1.- Архитектура и проектирование микроЭВМ. Организация вычислительных процессов - М.: Высшая школа, 1986.
2. Балашов Е. П., Пузанков Д. В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы /Под ред. Смолова В. Б. - М.: Радио и связь, 1981.
3. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем. Справочник в 2-х томах /Под ред. Шахнова В.А. - М.: Радио и связь, 1988.
4. МикроЭВМ: Практическое пособие / Под ред. Преснухина Л. Н. Кн.2. Персональные ЭВМ. - М.: Высшая школа, 1988.
5. Мячев А. А., Степанов В. М. Персональные ЭВМ и микроЭВМ. Основы организации.: Справочник. - М.: Радио и связь, 1991.
6. Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение. - М.: Радио и связь, 1994, 1995. 160 с.
7. Басманов А. С., Широков Ю. Ф. Микропроцессоры и однокристальные микроЭВМ: Номенклатура и функциональные возможности. - М.: Энергоатом-издат, 1988.
8. Абрайтис Б. Б. и др. Микропроцессорный комплект высокого быстродействия К1800. - М.: Радио и связь, 1985.
9. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения. Справочник. - М.: Радио и связь, 1993. 256 с.
10. Микропроцессоры. Кн. 3. Средства отладки / Под ред. Преснухина Л. Н. - М.: Высшая школа, 1986.
11. Вычислительные машины, системы и сети. /Под ред. Пятибратова А.П. - М.: Финансы и статистика, 1991.
12. Каляев А. В. Многопроцессорные системы с программируемой архитектурой. – М.: Радио и связь, 1984.
13. Гузик В.Ф., Каляев В.А., Костюк А.И. Организация ЭВМ и систем. Микропроцессор х46. Таганрог, 1998.
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
Список сокращений
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
ВВЕДЕНИЕ
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.
Доля применения МПС в различных областях военной техники растет с каждым годом - от навигационных систем летательных аппаратов до управления движением транспортных роботов.
Если определить все множество применений МПС в процентном отношении, то это будет выглядеть следующим образом: информационно-измерительная техника - 16% , управление производством - 18%, авиация и космос - 15%, системы связи - 14 %, вычислительная техника - 20%, военная техника - 9%, бытовая техника - 3%, медицина - 3%, транспорт - 2%, другие области - 7 %.
Дата: 2019-05-29, просмотров: 253.
