litceysel.ru
добавить свой файл
1 2 3 4
(Лекции 2,3,4,5)



АППАРАТНАЯ И ПРОГРАММНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МПС (8 часов)


Архитектура МПС, Неймана и Гарвардская,( организация подсистем обработки, управления, памяти и ввода-вывода. Перенес в отдельные темынадо исправить в программе) Типовые структуры: ( магистральная, магистрально-каскадная, магистрально-радиальная. Также изменить) Дуализм «программные средства - аппаратура» в МП технике.


Архитектура МП.

Элементы структуры МП и их назначение. Регистры: аккумулятор, общего назначения, состояния, буферные, памяти, команд, счетчики. АЛУ. Организация взаимодействия элементов структуры МП. Обработка данных в микропроцессоре. Машинный цикл. Сброс и синхронизация модулей системы. Система команд: арифметико-логические, ветвления, переноса, ввода-вывода.


Архитектура МПС. (Л2)

(Наиболее рациональный принцип построения систем обработки информации – принцип агрегатирования. Его сущность заключается в том, что система выполняется как агрегат, состоящий из независимых функциональных блоков – модулей. Каждый блок (модуль) имеет конструктивную законченность. В качестве примеров функциональных блоков можно назвать аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, цифровой вольтметр, цифровой частотомер, измерительный генератор, алфавитно-цифровое печатающее устройство, таймер, дисплей, терминал и т.п.

При построении агрегатированных систем должны быть решены две основные задачи: совместимости и сопряжения модулей мжду собой. Применительно, например, к измерительным информационным системам (измерительно-вычислительным комплексам) различают пять видов совместимости:

информационную – дающуюсогласованность входных и выходных сигналов модулей по видам и номенклатуре, информативным параметрам, уровням. Для информационных взаимосвязей модулей применяют сигналы нескольких разновидностей: информационные, управляющие, программные, адресные, специальные;


конструктивную – согласованность конструктивных параметров, механических сопряжений модулей при совместном использовании, л также согласованность эстетических требований. При этом система или ее часть должна представлять единое целое;

энергетическую – согласованность напряжений и токов, питающих модули, линий сети переменного тока, батарейной линии и рабочей линии, связывающей модули с центральным блоком питания;

метрологическую – сопоставимость результатов измерений, рациональный выбор и нормирование метрологических характеристик модулей, а также согласование входных и выходных цепей;

эксплуатационную – согласованность характеристик модулей по надежности и стабильности, а также характеристик, определяющих влияние внешних факторов.

Преимущества принципа агрегатирования (модульности) наиболее полно проявляются, если любые модули системы можно состыковать и объединить в систему без конструктивных изменений (доработок). Для этого должно быть унифицировано сопряжение между модулями. Такое сопряжение модулей между собой и с устройствами обработки достигается посредством интерфейса.)


Основная функция МПС – это обработка данных по алгоритму для решения задачи. Однако для получения обрабатываемых данных и их последующей передачи МПС осуществляет обмен информацией с периферийными устройствами (ПУ) с целью сохранения, передачи, вывода и т.д. К числу ПУ могут относиться как простые цифровые устройства: триггеры, регистры и т.п., так и более сложные: клавиатура, дисплеи, АЦП, ЦАП и др. Для организации обмена данными между МПС и ПУ необходимо, чтобы имелся набор управляющих сигналов, регулирующих обмен, выдерживался протокол обмена, а также были известны способ обмена с МП и вид используемого кода.

Учитывая разнообразие сопрягаемых устройств шины обмена информацией, обычно, подключаются не непосредственно к ПУ, а через интерфейс. В узком смысле интерфейсом (от англ. interface – сопрягать, согласовывать) называют устройство сопряжения, в широком смысле под интерфейсом понимают совокупность механических, электрических (аппаратных) и программных средств, с помощью которых компоненты системы объединяются для решения задачи обмена информацией. Обычно интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем, связывающих данные устройства, и алгоритмы (протоколы) процедур, обеспечивающие обмен информации между устройствами системы. Часто для подключения ПУ к МП используют специальные электронные схемы, называемыми интерфейсными модулями, а в ряде случаев компоненты интерфейса разбиваются на две группы: одну относят к интерфейсу МП, а другую к интерфейсу ПУ и называют контроллером ПУ.


Сложность интерфейса в значительной мере определяется степенью совместимости МП и ПУ, т.е. сложностью необходимых преобразований, необходимость в которых зависит от: типа ПУ, числа ПУ, расстояния между МП и ПУ; физической природы сигналов; архитектурой сопрягаемых устройств. Для передачи данных используются стандартные коды, содержащие алфавитно-цифровые, специальные, управляющие символы, которые должны восприниматься сопрягаемыми компонентами системы одинаковым образом. При использовании нестандартных кодов необходимо перекодирование, что обеспечивается программными или аппаратными средствами интерфейса. Архитектура процессора определяет протокол обмена или метод синхронизации МП и ПУ. Передача данных, кодов, признаков состояния, управляющих сигналов должны подчиняться этому протоколу обмену.


Типовые структуры: магистральная, магистрально-каскадная, магистрально-радиальная

Известно большое число интерфейсов, разработанных в разных странах. Все множество интерфейсов в зависимости от назначения можно разделить на три типа: машинные, системно-модульные и системно-приборные.

Под машинными интерфейсами подразумевают интерфейсы, решающие задачу соединения центрального процессора ЭВМ данного типа с другими ее функциональными блоками, а также подключения периферийных устройств, в том числе устройств связи с объектом. Особенности ЭВМ практически полностью определяют как электрические и конструктивные характеристики интерфейса, так и принципы его функционирования.

К системно-модульным относят интерфейсы, решающие задачу унификации сопряжения модулей (функциональных блоков), предназначенных для работы в системе, что определяет и их конструктивные особенности. Модули, выполненные с учетом применения подобного интерфейса, как правило, не рассчитаны на использование в качестве автономных приборов, которые могут работать отдельно, вне системы.


Системно-приборные интерфейсы осуществляют объединение в систему модулей – приборов, которые могут работать автономно и для которых характерны значительные функциональные возможности (измерения ряда параметров, различные режимы работы, программируемость и т. п.). Конструктивные требования к интерфейсам этого типа, как правило, касаются лишь разъемов.

(Интерфейсы, предназначенные для измерительной техники, иногда сокращенно называют измерительными интерфейсами, подобно тому, как генераторы сигналов для измерений характеристик различных испытуемых объектов называются измерительными генераторами. Измерительные интерфейсы, решая задачу сопряжения, обеспечивают пять видов совместимости (информационную, энергетическую, конструктивную, эксплуатационную, метрологическую) и взаимодействие процессоров с измерительной и периферийной аппаратурой, которая также взаимодействует с устройствами сбора, накопления, регистрации и обработки информации.)

Стандартные интерфейсы можно классифицировать в зависимости от схемы соединения модулей между собой и с центральным модулем (устройством обработки) системы. Различают три основные схемы соединений: каскадную, радиальную и магистральную.

Каскадная схема. Эта схема (рис. ) применима, когда общий поток информационных сигналов в каждый данный момент времени связывает между собой только один объект исследования, один источник испытательных сигналов и один измерительный прибор (на рис. ИК обозначает интерфейс каскадный).




Рис. Каскадная схема

Радиальная схема. Как видно из рис. такая схема характерна для случая, когда к центральному модулю (устройству обработки измерительной информации) необходимо подключать несколько модулей. При этом модули присоединяются непосредственно (без коммутатора), поскольку центральный модуль располагает достаточным числом каналов для обмена данными.




Рис. Радиальная схема

Магистральная схема. Если число каналов у центрального модуля меньше требуемого числа, то отдельные модули связывают с центральным модулем через общую магистраль (см. рис.) с последовательным во времени адресным обращением. При каждом обращении (опросе) к центральному модулю подключается только тот модуль, адрес которого вызывается программой.




Рис. Магистральная схема


Возможны и комбинированные схемы: каскадно-радиальная и каскадно-магистральная. Для соединения функциональных блоков или приборов между собой служат цепи, называемые линиями интерфейса. Группу линий, предназначенных для выполнения определенной функции в программно-управляемом процессе передачи данных, называют шиной. Назначение отдельных шин и линий, их перечень и взаимное расположение (топология) играют основополагающую роль при рассмотрении работы интерфейса.


Магистральная структура МПС

В большинстве случаев МПС используют магистрально-модульный принцип построения. Суть этого принципа заключается в том, что отдельные блоки являются функционально законченными модулями со своими встроенными схемами управления, выполненными в виде одного или нескольких кристаллов БИС или СБИС. Тогда организация взаимодействия между узлами микро-ЭВМ сводится к обмену данными между соответствующими регистрами, на рис. Х представлен такой обмен на примере организации МПС с одношинной структурой.




Рис. Х Организация взаимодействия между узлами микроЭВМ


Несмотря на многообразие типов МП, можно выделить две основные организации интерфейса между МП, памятью и ПУ:

- двухшинную организацию, или интерфейс с изолированной системой шин. Название «двухшинная» отражает тот факт, что передача данных между устройствами процессор→память и процессор→ПУ осуществляется отдельными группами команд;

- одношинную организацию интерфейса, или интерфейс с общей шиной. При этой организации передача кодов осуществляется одним способом процессор → внешняя подсистема, обращение к которой осуществляется одной группой команд, а часть общего адресного пространства отводится для ПУ, регистры которого адресуются, как и ячейки памяти.

Однако, несмотря ни на что центральным звеном МПС является пара процессор-память, а остальные элементы обеспечивают связь этого звена с внешним миром.






Рис. Двухшинная организация интерфейса

Рис. Одношинная организация интерфейса



Выводы


  1. МПС относится к агрегатированным системам.
  2. Реализуя принцип агрегатирования МПС состоит из модулей (периферийных узлов), связанных друг с другом посредством интерфейса, реализуемым типовыми структурами.


  3. Учитывая необходимость оптимального построения МПС, основная организация интерфейса базируется на магистрально-модульном принципе, реализуемом путем одношинной и двухшинной организации интерфейса.


Контрольные вопросы

  1. Поясните смысл понятия «агрегатирование».

  2. Какие виды совместимости необходимо реализовать для решения задач совместимости и сопряжения?

  3. Назовите типы интерфейсов?

  4. Назовите схемы соединений модулей в зависимости от их соединения между собой и с центральным модулем?

Литература

  1. И.В. Антошина, Ю.Т. Котов Микропроцессоры и микропроцессорные системы (аналитический обзор). М.: учебное пособие 2005, 430 с.

  2. Мирский Г. Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. — М.: Радио и связь, 1984. — 160 с., ил.

СИСТЕМЫ С ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫМ, ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННЫМ И КОМБИНИРОВАННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ (Л3)

В МПС с централизованным управлением задача обработки входных сигналов Х1,.., Хn с целью формирования управляющих воздействий Y1 ,...,Ym решается микропроцессорным устройством (МПУ), включающим МП и элементы памяти, которые соединены каналами связи через цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), исполнительные устройства (ИУ) с объектом (или объектами) управления (ОУ). Обратная связь о состоянии ОУ обеспечивается сигналами от ОУ, поступающими на МПУ через аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Общая структурная схема для этого случая показана на рис.х.

Если осуществляется управление одним, но сложным многомерным объектом (роботом, прокатным станом, доменной печью, самолетом, космическим летательным аппаратом и т. п.), то такая система является связанной. Если же решается задача управления совокупностью независимых по управляемым параметрам одномерных объектов, то система является несвязанной.





Рис. Х Структурная схема МПС с централизованным управлением


В системах с децентрализованным управлением в каждый контур управления включается автономное МПУ. Структурная схема системы с децентрализованным управлением приведена на рис. , где МПУ размещены в непосредственной близости от объекта управления ОУ или встроены в него и функционально ориентированы на решение конкретных задач. В качестве МПУ широко применяется программируемые регулирующие микроконтроллеры.

В децентрализованных системах МПУ могут вводиться для передачи ему функций диспетчера либо отсутствовать совсем. В этом случае реализуется комбинированное управление. В комбинированных системах используется обе перечисленные структуры управления.




Рис. Х Структурная схема МПС с децентрализованным управлением

Выбор структуры управления в МПС, построенных на базе МПК БИС, зависит от многих взаимосвязанных факторов, важнейшими из которых являются стоимость и надежность систем, их живучесть, гибкость, способность работать в масштабе реального времени. Специфика конкретных задач управления показывает, что применение принципа децентрализованного (распределенного) управления при построении МПС в техническом и экономическом плане имеют преимущества по сравнению с другими структурами МПС.



следующая страница >>