Мікропроцесором називається інформаційний пристрій, який за програмою, що задається керуючими сигналами, обробляє цю інформацію, тобто реалізує інформацію введення, виведення, запам'ятовування та виконує арифметичні та логічні операції.
Спрощена структурна схемаодного з мікропроцесорів представлена на рис.10.37 і складається з пристрою управління (УУ), восьми розрядного арифметико-логічного пристрою (АЛУ) та сукупності n паралельних регістрів по m розрядів загального призначення (POH), призначеного для зберігання двійкових чисел, що використовуються в процесі обчислень . До складу мікропроцесора входять також два паралельні буферні регістри (БР), призначені для короткочасного зберігання чисел (А) і (В) під час виконання операції (АЛУ).
Пристрій управління з мікропрограмами окремих операцій задає режими роботи у всіх елементах мікропроцесора. При роботі мікропроцесора числа (А) і (В), над якими виконується операція, передаються магістраллю з регістрів (РОН) на буферні регістри (БРА) і (БРВ). Потім за командою з пристрою управління (УУ), арифметико-логічний пристрій (АЛУ) здійснює зазначену операцію, а результат її (F) по
магістралі передається в регістри (РОН), у яких раніше записані число стирається. Наприклад, додавання трьох чисел виконується таким чином: спочатку складаються два перші числа і результат записується в РОН. Потім пристрій (АЛУ) надходять результат складання і третє число, в результаті їх складання, остаточний результат записується в регістри (РОН).
Рис.10.37. Спрощена структурна схема мікропроцесора
Щоб мікропроцесор (МП) виконував свої функції, необхідні додаткові пристрої, які зображені на рис.10.38 і становлять мікропроцесорну систему або мікро ЕОМ.
Рис.10.38. Мікропроцесорна система
Мікропроцесорна система містить пам'ять (ПЗП) та (ОЗП), призначену для зберігання інформації. (ПЗУ) представляють постійні пристрої, що запам'ятовують, що містять незмінну інформацію, яку можна зчитувати тільки за допомогою команд (К). (ОЗУ) це оперативні запам'ятовують пристрої, що зберігають програми, тобто інформація, яку можна неодноразово записувати і зчитувати в процесі виконання програми, у вигляді обміну даними (Д). Інформація в пам'яті розміщується в осередках, кожна з яких має свою адресу (А). Дані (Д) надходять на входи пристрою введення інформації (УВВ), а з пристрою виведення (Увив.) інформація зчитується. Мікропроцесор (МП) пов'язаний адресами (А) з (ПЗП) та (УВВ). Введення інформації в мікропроцесорних системах здійснюється з клавіатури, датчиків технологічних параметрів із цифровими виходами, з фотозчитувальних пристроїв, а виведення інформації – за допомогою засобів регістрами. Пристрої введення – виводу є сукупність регістрів, підсилювачів і ключів. Взаємодія мікропроцесорних систем між собою та із зовнішніми пристроями здійснюється за допомогою спеціальних апаратних засобів, які підпорядковуються командам центрального процесора.
Цифрові мікросхеми до теперішнього часу досягли вражаючої швидкодії при прийнятному струмі споживання. Найбільш швидкі з цифрових мікросхем мають швидкість перемикання порядку 3..5 нс. (Серія мікросхем 74ALS). У той же час доводиться платити за швидкодію мікросхем підвищеним струмом споживання. Винятком є мікросхеми, побудовані на основі КМОП технології (наприклад, мікросхеми серій 1564, 74HC, 74AHC). У цих мікросхемах споживаний струм прямо пропорційний швидкості перемикання логічних вентилів у мікросхемі. Тобто. мікросхема автоматично збільшує струм споживання, якщо від неї потрібна більша швидкодія, тому в даний час переважна більшість мікросхем випускається саме за цією технологією.
Часто цифрові пристрої виконують достатньо складні завдання. Виникає питання - якщо мікросхеми досягли такої високої швидкодії, то чи не можна використовувати одну і ту ж мікросхему багаторазово? Тоді можна буде обмінювати швидкодію мікросхем на складність розв'язуваного завдання. Саме цей обмін дозволяють здійснювати мікропроцесори. У цих мікросхемах багаторазово використовується один і той же пристрій - АЛУ (арифметично-логічний пристрій). Тому можливий обмін граничної швидкодії мікроконтролера на складність пристрою, що реалізується. Саме з цієї причини намагаються максимально збільшити швидкодію мікропроцесорів - це дозволяє реалізовувати все більш складні пристрої в тому самому обсязі.
Ще однією причиною поширення мікропроцесорів стало те, що мікропроцесор - це універсальна мікросхема, яка може виконувати практично будь-які функції. Універсальність забезпечує широкий попит цих мікросхеми, отже масовість виробництва. Вартість ж мікросхем обернено пропорційна масовості їх виробництва, тобто мікропроцесори стають дешевими мікросхемами і тим самим ще більше збільшують попит.
Найбільшою мірою всі вищеперелічені властивості проявляються в однокристальних мікроЕОМ або як їх частіше називають за сферою застосування: мікроконтролерів. У мікроконтролерах одному кристалі об'єднуються всі складові частини комп'ютера: мікропроцесор (часто називають ядро мікроконтролера), ОЗУ, ПЗУ, таймери і порти ввода-вывода.
Висновки:
КМОП технологія дозволяє обмінювати швидкість роботи на споживаний струм (що з більшою швидкістю перемикаються логічні елементи мікросхеми, тим більший струм споживає мікросхема);
Мікроконтролери дозволяють реалізовувати схему керування практично будь-якої складності на одній універсальній мікросхемі;
Мікроконтролери дозволяють обмінювати швидкість своєї роботи на складність пристрою, що проектується.
Мікроконтролери дозволяють реалізовувати апаратуру з мінімальною вартістю, габаритами та струмом споживання.
Термін розробки апаратури на мікроконтролерах мінімальний.
Модернізація апаратури полягає у зміні керуючої програми.
Принципи побудови МП – систем.
Ядром будь-якої мікропроцесорної системи є мікропроцесор чи просто процесор (від англійського processor). Перекласти російською мовою це слово найправильніше як «обробник», оскільки саме мікропроцесор - це той вузол, блок, який здійснює всю обробку інформації всередині мікропроцесорної системи.
Мікропроцесоромбудемо називати програмно-керований пристрій, призначений для обробки цифрової інформації та вироблення сигналів, що керують цією обробкою.
Інші вузли виконують лише допоміжні функції: зберігання інформації (зокрема і керуючої інформації, тобто програми), зв'язку із зовнішніми пристроями, зв'язку з користувачем тощо. Процесор замінює практично всю "жорстку логіку", яка знадобилася б у разі традиційної цифрової системи. Він виконує арифметичні функції (складення, множення тощо), логічні функції (зсув, порівняння, маскування кодів тощо), тимчасове зберігання кодів (у внутрішніх регістрах), пересилання кодів між вузлами мікропроцесорної системи та багато іншого. Кількість таких елементарних операцій, що виконуються процесором, може досягати кількох сотень. Процесор можна порівняти з мозком системи. Але при цьому треба враховувати, що всі операції процесор виконує послідовно, тобто одну за одною, по черзі. Звичайно, існують процесори зпаралельним виконанням деяких операцій, зустрічаються також мікропроцесорні системи, у яких кілька процесорів працюють над одним завданням паралельно, але це рідкісні винятки. З одного боку, послідовне виконання операцій - безперечна перевага, оскільки дозволяє за допомогою всього одного процесора виконувати будь-які, найскладніші алгоритми обробки інформації. Але, з іншого боку, послідовне виконання операцій призводить до того, що виконання алгоритму залежить від його складності. Прості алгоритми виконуються швидше за складні. Тобто мікропроцесорна система здатна зробити все, але працює вона не дуже швидко, адже всі інформаційні потоки доводиться пропускати через один-єдиний вузол - мікропроцесор (рис. 1.3). У традиційній цифровій системі можна легко організувати паралельну обробку всіх потоків інформації, щоправда, ціною ускладнення схеми
Керуюча
інформація
(програма)
Мал. 1.3.Інформаційні потоки у мікропроцесорній системі.
Отже, мікропроцесор здатний виконувати безліч операцій. Але звідки він дізнається, яку операцію йому треба виконувати у Наразі? Саме це визначається керуючою інформацією, програмою.
Програма є набір команд (інструкцій),тобто цифрових кодів, розшифрувавши які процесор дізнається, що йому треба робити. Програма від початку і до кінця складається людиною, програмістом, а процесор виступає в ролі слухняного виконавця цієї програми, жодної ініціативи він не виявляє (якщо, звичайно, справний). Тому порівняння процесора з мозком не надто коректне. Він лише виконавець того алгоритму, який заздалегідь склав для нього людина. Будь-яке відхилення від цього алгоритму може бути викликане лише несправністю процесора або інших вузлів мікропроцесорної системи.
Усі команди, що виконуються процесором, утворюють систему командпроцесора. Структура та обсяг системи команд процесора визначають його швидкодію, гнучкість, зручність використання. Усього команд у процесора може бути від кількох десятків до кількох сотень. Система команд може бути розрахована на вузьке коло розв'язуваних задач (у спеціалізованих процесорів) або максимально широке коло завдань (у універсальних процесорів). Коди команд можуть мати різну кількість розрядів (займати від одного до кількох байт). Кожна команда має свій час виконання, тому час виконання всієї програми залежить не тільки від кількості команд у програмі, але й від того, які команди використовуються.
Для виконання команд структуру процесора входять внутрішні регістри, арифметико-логічний пристрій (АЛУ, ALU - Arithmetic Logic Unit), мультиплексори, буфери, регістри та інші вузли. Робота всіх вузлів синхронізується загальним зовнішнім тактовим сигналом процесора. Тобто процесор є досить складним цифровим пристроєм (рис. 1.4).
Мал. 1.4.Приклад структури найпростішого процесора.
Втім, для розробника мікропроцесорних систем інформація про тонкощі внутрішньої структури процесора не надто важлива. Розробник повинен розглядати процесор як «чорний ящик», який у відповідь на вхідні та керуючі коди здійснює ту чи іншу операцію та видає вихідні сигнали.
Розробнику необхідно знати систему команд, режими роботи процесора, а також правила взаємодії процесора із зовнішнім світом або, як їх ще називають, протоколи обміну інформацією .
Про внутрішню структуру процесора треба знати лише те, що потрібно вибору тієї чи іншої команди, тієї чи іншої режиму роботи.
Мікропроцесорна система -це обчислювальна, контрольно-вимірювальна або керуюча система, в якій основним пристроєм обробки інформації є МП. Мікропроцесорна система будується з набору мікропроцесорних ВІС.
В основу побудови МПС систем покладено три принципи: магістральність; модульності; мікропрограмного керування.
Принцип магістральностівизначає характер зв'язків між функціональними блоками МПС – всі блоки з'єднуються з єдиною системною шиною.
Принцип модульностіполягає в тому, що система будується на основі обмеженої кількості типів конструктивно та функціонально завершених модулів. Кожен модуль МПС системи має вхід управління третім (високоімпедансним) станом. Цей вхід називається СS (Сhір Sеlеkt) -вибір кристала або ОЕ (Output Епаbіє) -дозвіл виходу.
Дія сигналу СS для тригера показано на рис. 1.5. Вихідний сигнал тригера Qз'явиться на висновку лише за активного (уу цьому випадку - нульовому) рівні сигналу СS. Якщо СS = 1, тригер перетворюється на високоімпедансний стан. Вихід тригера є тристабільним, тобто може бути в одному з трьох станів: логічної одиниці, логічного нуля або в високоімпедансному. У кожний момент часу до системної шини МПС приєднано лише два модулі - той, що приймає, і той, що передає інформацію. Інші перебувають у високоімпедансному стані.
Принципи магістральності та модульності дозволяють нарощувати керуючі та обчислювальні можливості МП за рахунок приєднання інших модулів.
Принцип мікропрограмного керуванняполягає у можливості здійснення елементарних операцій - мікрокоманд (зсуву, пересилання інформації, логічних операцій). Певною комбінацією мікрокоманд можна створити набір команд, який максимально відповідатиме призначенню системи, тобто створити технологічну мову.
Розглянемо узагальнену структурну схему МПС (рис. 1.6.) До складу МПС входять: центральний процесор (ЦП), ПЗП, ОЗП; система переривань, таймер, УВВ. Пристрої введення-виведення приєднані до системної шини через інтерфейси введення-виводу.
Постійне та оперативне запам'ятовуючі пристрої складають систему пам'яті, призначену для зберігання інформації у вигляді двійкових чисел. Постійний пристрій призначений для зберігання програм, таблиць, констант.
Оперативний пристрій - для зберігання проміжних результатів обчислень. Пам'ять організована як масиву осередків, кожна з яких має свою адресу і містить байт чи слово.
Модуль центрального процесора обробляє дані та керує всіма іншими модулями системи. Центральний процесор, крім БІС МП, містить схеми синхронізації та інтерфейсу із системною шиною. Він вибирає коди команд із пам'яті, дешифрує їх і виконує. Протягом часу виконання команди – командного циклу – ЦП виконує такі дії:
Виставляє адресу команди на шину адреси АВ;
Отримує код команди з пам'яті та дешифрує його;
Обчислює адреси операнда та зчитує дані;
Виконує операцію, визначену командою;
Сприймає зовнішні керуючі сигнали (наприклад, запит переривань);
Генерує сигнали стану та управління, необхідні для роботи пам'яті
та УВВ.
Пристрої вводу-виводу або зовнішні пристрої - це пристрої, призначені для введення інформації МП або виведення інформації з нього. Прикладами УВВ є дисплеї, принтери, клавіатура, цифро-аналоговий і аналого-цифровий перетворювачі, реле, комутатори. Для з'єднання УВВ із системною шиною їх сигнали повинні відповідати певним стандартам. Це досягається за допомогою інтерфейсів введення-виводу.
Інтерфейси введення-виводу виконують функцію узгодження сигналів УВВ із сигналами системної шини МП. Їх називають також контролерами чи адаптерами. Мікропроцесор звертається до інтерфейсів за допомогою спеціальних команд вводу-виводу. При цьому МП виставляє на шину адресу АВадресу інтерфейсу, а по шині даних DВзчитує дані з пристрою введення або записує пристрій виведення. На рис. 1.6 показаний один інтерфейс введення та один інтерфейс виведення.
Система переривань дозволяє МПС реагувати на зовнішні сигнали -запити переривань, джерелами яких можуть бути: сигнали готовності зовнішніх пристроїв, сигнали від генераторів, сигнали з виходів датчиків. З появою запиту переривання ЦП перериває основну програму та переходить до виконання підпрограми обслуговування запиту переривання. Для побудови системи переривань МПК містять ВІС спеціальних програмованих контролерів переривань.
Таймер призначений для реалізації функцій, пов'язаних із відліком часу. Після того як МП завантажує в таймер число, яке задає частоту, затримку або коефіцієнт поділу, таймер реалізує потрібну функцію самостійно.
Застосування мікропроцесорних систем практично у всіх електричних пристроях – найважливіша риса технічної інфраструктури сучасного суспільства. Електроенергетика, промисловість, транспорт, системи зв'язку істотно залежить від комп'ютерних систем управління. Мікропроцесорні системи вбудовуються у вимірювальні прилади, електричні апарати, освітлювальні установки та ін.
Все це зобов'язує електрика знати хоча б основи мікропроцесорної техніки.
Призначені для автоматизації обробки інформації та управління різними процесами.
Поняття "Мікропроцесорна система" дуже широко і поєднує такі поняття як "Електронно-обчислювальна машина (ЕОМ)", "керуюча ЕОМ", "Комп'ютер" і т.п.
Мікропроцесорна система включає в себе апаратне забезпеченняабо англійською – hardware та програмне забезпечення(ПЗ) - software.
Цифрова інформація
Мікропроцесорна система працює з цифровою інформацією, Що являє собою послідовність цифрових кодів.
В основі будь-якої мікропроцесорної системи лежить мікропроцесор, який здатний сприймати лише двійкові числа (складені з 0 та 1). Двійкові числа записуються у вигляді двійкової системи числення. Наприклад, в повсякденному життіми користуємося десятковою системою числення, де для запису чисел використовуються десять символів чи цифр 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Відповідно у двійковій системі таких символів (або цифр) всього два – 0 та 1.
Необхідно розуміти, що система числення – це лише правила запису чисел, і вибір типу системи визначаться зручністю застосування. Вибір двійкової системи обумовлений її простотою, отже надійністю роботи цифрових пристроїв і легкістю їхньої технічної реалізації.
Розглянемо одиниці виміру цифрової інформації:
Біт (від англійської "BInary digiT" - двійкова цифра) приймає лише два значення: 0 або 1. Можна закодувати логічне значення "так" або "ні", стан "включено" або "вимкнено", стан "відкрито" або "закрито" " і т.п.
Група з восьми біт називається байтом, наприклад 10010111. Один байт дозволяє кодувати 256 значень: 00000000 – 0, 11111111 – 255.
Біт – найменша одиниця уявлення інформації.
Байт – найменша одиниця обробки інформації.Байт- частина машинного слова, що складається зазвичай з 8 біт і яка використовується як одиниця кількості інформації при її зберіганні, передачі та обробці на ЕОМ. Байт служить для представлення букв, складів та спеціальних символів (що займають зазвичай усі 8 біт) або десяткових цифр (по 2 цифри на 1 байт).
Два взаємопов'язаних байти називається словом, 4 байти – подвійне слово, 8 байт – вчетверное слово.
Майже вся інформація, яка оточує нас, є аналоговою. Тому, перш ніж інформація потрапить на обробку в процесор, вона перетворюється за допомогою АЦП (аналого-цифровий перетворювач). Крім того, інформація кодується у певному форматі і може бути числової, логічної, текстової (символьної), графічної, відео та ін.
Наприклад, для кодування текстової інформації використовується таблиця кодів ASCII (від англ. American Standard Code for Information Interchange – Американський стандартний код для обміну інформацією). Запис одного символу здійснюється одним байтом, який може набувати 256 значень. Графічна інформація розбивається на точки (пікселі) і виконується кодування кольору та положення кожної точки по горизонталі та вертикалі.
Крім двійкової та десяткової системи МС використовують шістнадцяткову систему, в якій для запису чисел використовуються символи 0...9 і A...F. Її застосування обумовлюється тим, що один байт описується дворозрядним шістнадцятковим числом, що значно скорочує запис цифрового коду і робить його більш читаним (11111111 – FF).
Таблиця 1 – Запис чисел у різних системах числення
Для визначення значення числа (наприклад, значення числа 100 для різних систем числення може становити 42, 10010, 25616), наприкінці числа додають латинську літеру, що означає систему числення: для двійкових чисел букву b, для шістнадцяткових - h, для десяткових - d. Число без додаткового позначення вважається десятковим.
Переведення чисел з однієї системи в іншу та основні арифметичні та логічні операції над числами дозволяє проводити інженерний калькулятор (стандартний додаток операційної системи Windows).
Основу мікропроцесорної системи становить мікропроцесор (процесор), який виконує функції обробки інформації та управління. Інші пристрої, що входять до складу мікропроцесорної системи, обслуговують процесор, допомагаючи йому у роботі.
Обов'язковими пристроями для створення мікропроцесорної системи є порти введення/виводуі частково пам'ять. Порти вводу/виводу пов'язують процесор із зовнішнім світом, забезпечуючи введення інформації для обробки та виведення результатів обробки, або впливів, що управляють. До портів уведення підключають кнопки (клавіатуру), різні датчики; до портів виведення - пристрої, що допускають електричне керування: індикатори, дисплеї, контактори, електроклапани, електродвигуни тощо.
Пам'ять необхідна насамперед для зберігання програми (або набору програм), яка потрібна на роботи процесора. Програма - це послідовність команд, зрозумілих процесору, написана людиною (частіше програмістом).
Структура мікропроцесорної системи представлена малюнку 1. У спрощеному вигляді процесор складається з арифметично-логічного устрою (АЛУ), здійснює обробку цифрової інформації та устрою управління (УУ).
Пам'ять зазвичай включає постійно-запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ), що є енергонезалежним і призначений для довготривалого зберігання інформації (наприклад, програм), і оперативно-запам'ятний пристрій (ОЗУ), призначений для тимчасового зберігання даних.
Малюнок 1 – Структура мікропроцесорної системи
Процесор, порти та пам'ять взаємодіють між собою за допомогою шин. Шина - це набір провідників, об'єднаних за функціональною ознакою. Єдиний набір системних шин називають внутрішньосистемна магістраль, в якій виділяють:
шину даних DB (Data Bus), через яку виробляється обмін даними між ЦП, пам'яттю і портами;
шину адреси AB (Address Bus), що використовується для адресації процесором осередків пам'яті та портів;
шину управління CB (Control Bus), набір ліній, що передають різні керуючі сигнали від процесора на зовнішні пристрої та назад.
Мікропроцесори
Мікропроцесор - програмно-керований пристрій, призначений для обробки цифрової інформації та управління процесом цієї обробки, виконаний у вигляді однієї (або кількох) інтегральної схеми з високим ступенем інтеграції електронних елементів.
Мікропроцесор характеризується більшим числомпараметрів, оскільки він одночасно є складним програмно-керованим пристроєм та електронним приладом (мікросхемою). Тому для мікропроцесора важливі як тип корпусу, так і система команд процесора. Можливості мікропроцесора визначаються поняттям архітектури мікропроцесора.
Приставка «мікро» в назві процесора означає, що він виконується за мікронною технологією.
Малюнок 2 – Зовнішній виглядмікропроцесора Intel Pentium 4
Під час роботи мікропроцесор зчитує команди програми з пам'яті чи порту введення та виконує їх. Що означає кожна команда, визначається системою команд процесора. Система команд закладена в архітектурі мікропроцесора та виконання коду команди виражається у проведенні внутрішніми елементами процесора певних мікрооперацій.
Архітектура мікропроцесора- це його логічна організація; вона визначає можливості мікропроцесора з апаратної та програмної реалізації функцій, необхідних для побудови мікропроцесорної системи.
Основні характеристики мікропроцесорів:
1) Тактова частота(одиниця виміру МГц чи ГГц) – кількість тактових імпульсів за 1 секунду. Тактові імпульси виробляє тактовий генератор, який найчастіше перебуває усередині процесора. Т.к. всі операції (інструкції) виконуються за тактами, то від значення тактової частоти залежить продуктивність роботи (кількість операцій, що виконуються в одиницю часу). Частотою процесора можна варіювати у певних межах.
2) Розрядність процесора(8, 16, 32, 64 біт тощо.) – визначає кількість байтів даних, оброблюваних за такт. Розрядність процесора визначається розрядністю його внутрішніх регістрів. Процесор може бути 8-розрядним, 16-розрядним, 32-розрядним, 64-розрядним і т.д. дані обробляються порціями по 1, 2, 4, 8 байт. Зрозуміло, що чим більша розрядність, тим вища продуктивність роботи.
Внутрішня архітектура мікропроцесора
Спрощена внутрішня архітектура типового 8-розрядного мікропроцесора показана малюнку 3. У структурі мікропроцесора можна назвати три основні частини:
1) Регістри для тимчасового зберігання команд, даних та адрес;
2) Арифметико-логічний пристрій (АЛП), Яке реалізує арифметичні та логічні операції;
3) Схема управління та синхронізації- Забезпечує вибірку команд, організує функціонування АЛУ, забезпечує доступ до всіх регістрів мікропроцесора, сприймає і генерує зовнішні управляючі сигнали.
Рисунок 3 – Спрощена внутрішня архітектура 8-розрядного мікропроцесора
Як видно зі схеми, основу процесора складають регістри, які поділяються на спеціальні (що мають певне призначення) та регістри загального призначення.
Програмний лічильник (PC)- Регістр, що містить адресу наступного командного байта. Процесор повинен знати, яка команда виконуватиметься наступною.
Акумулятор – регістр, який використовується в переважній більшості команд логічного та арифметичного відпрацювання; він одночасно є джерелом одного з байт даних, які потрібні для операції АЛУ, і місцем, куди поміщається результат операції АЛУ.
Реєстр ознак (або регістр прапорів)містить інформацію про внутрішньому станімікропроцесора, зокрема про результат останньої операції АЛП. Регістр прапорів не є регістром у звичайному сенсі, а є просто набір тригер-засувок (прапор піднятий або опущений. Зазвичай є прапорці нуля, переповнення, негативного результату і перенесення).
Покажчик стека (SP)- стежить за положенням стека, тобто містить адресу останньої його використаної комірки. Стек - спосіб організації зберігання даних.
Регістр команди містить поточний байт, який декодується дешифратором команди.
Лінії зовнішніх шин ізольовані від ліній внутрішньої шини за допомогою буферів, а основні внутрішні елементи пов'язані швидкодіючою внутрішньою шиною даних.
Для підвищення продуктивності багатопроцесорної системи функції центрального процесора можуть розподілятися між кількома процесорами. На допомогу центральному процесору в комп'ютер часто вводять співпроцесори, орієнтовані ефективне виконання будь-яких специфічних функций. Широко поширені математичні та графічні, співпроцесори вводу-виводу, що розвантажують центральний процесор від нескладних, але численних операцій взаємодії із зовнішніми пристроями.
на сучасному етапіосновним напрямом підвищення продуктивності є розробка багатоядерних процесорів, тобто. об'єднання в одному корпусі двох і більше процесорів з метою виконання декількох операцій паралельно (одночасно).
Лідуючими компаніями з розробки та виготовлення процесорів є Intel та AMD.
Алгоритм роботи мікропроцесорної системи
Алгоритм - точне розпорядження, що однозначно задає процес перетворення вихідної інформації в послідовність операцій, що дозволяють вирішувати сукупність завдань певного класу і отримувати результат.
Головним керуючим елементом всієї мікропроцесорної системи є процесор. Саме він, за винятком кількох особливих випадків, керує всіма іншими пристроями. Інші пристрої, такі, як ОЗУ, ПЗУ і порти вводу/виводу є веденими.
Відразу після увімкнення процесор починає читати цифрові коди з тієї області пам'яті, яка відведена для зберігання програм. Читання відбувається послідовно осередок за осередком, починаючи з найпершої. У осередку записані дані, адреси та команди. Команда - це одна з елементарних дій, яка здатна виконати мікропроцесор. Вся робота мікропроцесора зводиться до послідовного читання та виконання команд.
Розглянемо послідовність дій мікропроцесора під час виконання команд програми:
1) Перед виконанням чергової команди мікропроцесор містить її адресу у програмному лічильнику РС.
2) МП звертається до пам'яті за адресою, що міститься в РС, та зчитує з пам'яті перший байт чергової команди у регістр команд.
3) Дешифратор команд декодує (розшифровує) код команди.
4) Відповідно до отриманої від дешифратора інформацією пристрій управління виробляє впорядковану в часі послідовність мікрооперацій, що реалізують розпорядження команди, у тому числі:
Витягує операнди з регістрів та пам'яті;
Виконує з них запропоновані кодом команди арифметичні, логічні чи інші операції;
Залежно від довжини команди модифікує вміст РС;
Передає управління черговій команді, адреса якої знову перебуває у програмному лічильнику РС.
Сукупність команд мікропроцесора можна поділити на три групи:
1) Команди переміщення даних
Переміщення відбувається між пам'яттю, процесором, портами вводу/виводу (кожен порт має власну адресу), між регістрами процесора.
2) Команди перетворення даних
Будь-які дані (текст, малюнок, відеоролик і т.д.) є числа, а з числами можна виконувати тільки арифметичні та логічні операції. Тому до команд цієї групи належать додавання, віднімання, порівняння, логічні операції тощо.
3) Команда передачі управління
Дуже рідко програма складається з однієї послідовної команди. Переважна кількість алгоритмів вимагають розгалуження програми. Для того щоб програма мала можливість змінювати алгоритм своєї роботи в залежності від будь-якої умови, і служать команди передачі управління. Дані команди забезпечують протікання виконання програми по різним шляхамта організують цикли.
Зовнішні пристрої
До зовнішніх відносяться всі пристрої, що знаходяться поза процесором (крім оперативної пам'яті) та підключаються через порти введення/виводу. Зовнішні пристрої можна поділити на три групи:
1) пристрої для зв'язку людина-ЕОМ (клавіатура, монітор, принтер тощо);
2) пристрої для зв'язку з об'єктами управління (датчики, виконавчі механізми, АЦП та ЦАП);
3) зовнішні запам'ятовуючі пристрої великої ємності ( жорсткий диск, дисководи).
Зовнішні пристрої підключаються до мікропроцесорної системи фізично - з допомогою роз'ємів, і логічно - з допомогою портів (контролерів).
Для взаємодії процесора та зовнішніх пристроїв застосовується система (механізм) переривань.
Система переривань
Це спеціальний механізм, який дозволяє в будь-який момент, за зовнішнім сигналом змусити процесор призупинити виконання основної програми, виконати операції, пов'язані з подією, що викликає переривання, а потім повернутися до виконання основної програми.
Будь-який мікропроцесор має хоча б один вхід запиту на переривання INT (від слова Interrupt - переривання).
Розглянемо приклад взаємодії процесора персонального комп'ютера із клавіатурою (рисунок 4).
Клавіатура - пристрій для введення символьної інформації та команд керування. Для підключення клавіатури на комп'ютері є спеціальний порт клавіатури (мікросхема).
Рисунок 4 – Робота процесора з клавіатурою
Алгоритм роботи:
1) При натисканні клавіші контролер клавіатури формує цифровий код. Цей сигнал надходить у мікросхему порту клавіатури.
2) Порт клавіатури посилає процесору сигнал переривання. Кожен зовнішній пристрій має свій номер переривання, яким процесор його і розпізнає.
3) Отримавши переривання від клавіатури, процесор перериває виконання програми (наприклад, редактор Microsoft Office Word) і завантажує програму обробки кодів з клавіатури. Така програма називає драйвер.
4) Ця програма направляє процесор до порту клавіатури і цифровий код завантажується в регістр процесора.
5) Цифровий код зберігається у пам'яті, і процесор переходить до виконання іншого завдання.
Завдяки високій швидкості роботи, процесор виконує одночасно велику кількість процесів.
1.1 Визначення мікропроцесора
На початку 70-х років успіхи технології в мікроелектроніці призвели до створення нової елементної бази електроніки - мікроелектронних великих інтегральних схем (ВІС) (модуль 1 глава 1.6.3). За ступенем інтеграції (кількістю активних елементів: діодів і транзисторів) інтегральні схеми (ІС) умовно поділяються на ІС малого ступеня інтеграції - до 100 активних елементів, середнього ступеня інтеграції (СІС) - до 1000 активних елементів, БІС - понад 1000 активних елементів - Понад 10000 елементів. Випуск нової БІС при сучасному рівніавтоматизації проектування - дуже складний і дорогий процес через великі початкові витрати на її розробку логічної структурита топології, виготовлення фотошаблонів та технологічної підготовки виробництва. Це 0,5-1 рік роботи великого колективу. Тому виготовлення БІС економічно виправдане під час їх випуску, який обчислюється десятками-сотнями тисяч штук на рік. Випускати спеціалізовані ВІЛ для кожного конкретного застосування практично не реально. В результаті пошуку областей масового застосування мікросхем з високим рівнем інтеграції їх розробниками було запропоновано ідею створення однієї універсальної ВІС або деякого набору ВІС, спеціалізація яких для кожного конкретного випадку застосування досягається не схемно, а програмно. Так з'явилися стандартні універсальні елементи - мікропроцесорні ВІС зі структурою, аналогічною до структури ЕОМ.
Мікропроцесор (МП) - це обробний і керуючий пристрій, здатний під програмним управлінням виконувати обробку інформації, прийняття рішень, введення та виведення інформації та виконане у вигляді однієї або кількох ВІС.
1.2 Технологія виготовлення МП БІС
Існують два види технології виготовлення БІС: біполярна – заснована на застосуванні біполярних транзисторів та МОП (метал – оксид – напівпровідник) – технологія, заснована на використанні польових транзисторів.
БІС, що виготовляються за біполярною технологією, розрізняються за схематичними способами реалізації. В основному застосовується транзисторно-транзисторна логіка з діодами Шоттки (ТТЛШ) та емітерно-пов'язана логіка (ЕСЛ). У логіці ТТЛШ використовують біполярні n-p-n транзистори, доповнені діодами Шоттки (ДШ). ДШ є випрямний контакт на межі метал-напівпровідник Al-nSi. У металі та кремнії основні носії того самого типу - електрони, а неосновних носіїв немає. ДШ відкриваються при U=0,1-0,3 і мають круту вольт-амперну характеристику. Вони підключаються паралельно колекторному переходу n-p-nтранзистора і утворюють транзистор Шоттки, що виготовляється в єдиному технологічному процесі. Застосування ДШ значно підвищує швидкодію транзистора, оскільки усувається насичення колекторного переходу і немає розсмоктування зарядів у ньому.
Перше покоління
4004 - 1971 р.
Історія МП почалася в 1971 році, коли фірма INTEL (її назва походить від слів Integrated Elecronics) випустила перший МП i4004, виготовлений за p-МОП технологією з роздільною здатністю 10 мкм. Він мав розрядність даних 4 біти, здатність адресувати 640 байт пам'яті, тактову частоту f=108 кГц і виконував 60 тис.оп./сек. Такий процесор вже міг працювати як обчислювальне ядро калькулятора. Він містив 2300 транзисторів.
8008 - 1972 р.
У 1972 р. з'явився перший удосконалений восьмирозрядний МП i8008, виготовлений також за технологією р-МОП. Він був розміщений у корпусі з 16-ма висновками. Виконував 48 команд, адресував 16 Кб пам'яті, f = 800 КГц. Мав 7 внутрішніх 8-розрядних регістрів та 7-рівневий внутрішній стек.
Друге покоління
8080 - 1974 р.
У 1974 р. з'явився МП i8080, виготовлений за n-МОП технологією з роздільною здатністю 6 мкм, що дозволило розмістити в кристалі 6000 транзисторів. Процесор вимагав трьох джерел живлення (+5, +12,-5) і складної двотактної синхронізації з частотою 2 МГц. Його повний аналог російського виробництва КР580ВМ80 докладно розглянуто вище. В цей же час фірмою Motorola був випущений МП М6800, який відрізняється від i8080 тим, що мав одну напругу живлення, потужнішу систему переривань, містив два акумулятори, але не мав РОН. Дані для обробки витягувалися із зовнішньої пам'яті і потім поверталися туди. Команди роботи з пам'яттю коротші і простіші ніж у ВМ80, але пересилання займає більше часу. Переваг у внутрішній структурі М6800 не виявилося і досі. Залишилися два конкуруючі сімейства Intel і Motorola. Проте більшу частину як світового, і російського ринку займає продукція фірми Intel.
Наступним став процесор i8085 (f=5МГц, 6500 транзисторів, 370 тис.оп./с., 3-мкм технологія). Він зберіг популярну реєстрову архітектуру i8080 та програмну сумісність, але до нього додали порт послідовного інтерфейсу, тактовий генератор і системний контролер. Напруга живлення одна: +5В.
Z80 - 1977 р.
Частина розробників фірми Intel, не згодних із низкою рішень керівництва, перейшли у фірму Zilog й у 1977 р. створили МП Z80 (російський аналог К1810ВМ80). Цей МП був використаний у англійському комп'ютері"Спектрум" фірми Sincler, який вважався найкращим представником 8-розрядних МП 2-го покоління.
Третє покоління
8086 - 1978 р.
Це покоління МП фірми Intel заклало основу сучасних комп'ютерів. У 1978 р. було випущено 16-розрядний процесор i8086. Його дані: f = 5 МГц, продуктивність 330 тис. оп. / С., Технологія 3мкм, 29 тис. транзисторів. У ньому почала використовуватися сегментація пам'яті та нова схема кодування команд.
8088 - 1979 р.
Однак надто складна і дорога технологія виробництва цього процесора змусила фірму Intel c 1979 деякий час випускати дещо спрощений варіант під назвою i8088, шина даних якого була лише 8 біт. Саме цей процесор фірма IBM вибрала для першого персонального комп'ютера моделі IBM PC/XT.
80186 - 1980 р.
У 1980 р. створено МП i80186. У ньому, порівняно з i8086, додатково включені два незалежні швидкісні канали ПДП, програмований контролер переривань, генеруються сигнали вибору 7 периферійних пристроїв. Є 16 внутрішніх програмованих таймерів, два мають вихід назовні, інші можуть створювати тимчасові затримки. Черга команд - 6 байтів (в i8088 - 4 байти). Є 10 додаткових команд, які прискорюють виконання програм, порівняно з i8086. Однак широкого застосування у комп'ютерах цей процесор не отримав.
Четверте покоління
80286 - 1982 р.
У 1982 р. з'явився процесор i80286, який був використаний фірмою IBM у комп'ютері PC/AT (AT – Advanced Technology – перспективна технологія). Він уже мав 134 тис. транзисторів (технологія 1,5 мкм) та адресував до 16 Мб фізичної пам'яті. Він міг працювати у двох режимах: реальному та захищеному. У реальному режимі i80286 працює як i8086 з підвищеною швидкодією(f до 20 МГц). Пам'ять сприймається як кілька сегментів, кожен із яких містить 2 16 байт. Сегменти починаються з адрес, кратних 16 (молодші 4 адресні біти завжди дорівнюють 0). Сегменти можуть задаватися у програмах довільно. Адреси сегментів зберігаються у сегментних регістрах. У захищеному режимі старша адреса сегмента не обчислюється шляхом додавання 4-х молодших нулів, а витягується з таблиць, що індексуються за допомогою сегментних регістрів. Це дозволяє працювати з великими масивами інформації, обсяг яких перевищує обсяг фізичної пам'яті. Якщо фізична пам'ять повністю завантажена, то дані, що не помістилися, розташовуються на вінчестері. Крім того, у захищеному режимі можлива підтримка мультизадачного режиму. Для цієї мети була створена операційна система OS/2.
У такому режимі процесор може виконувати різні програми у виділені кванти часу, відведені для кожної програми. Користувачеві ж здається, що програми виконуються одночасно.
П'яте покоління
80386 - 1985 р.
Першим його представником був 32-розрядний МП i80386DX, що містить 275 тис. транзисторів, технологія 1,5 мкм, фізична пам'ять, що адресується 4 Гб. З'явилися нові регістри, нові 32-бітові операції.
Для того, щоб МП міг виконувати програми, написані для попередніх поколінь, він має три режими роботи.
Після скидання або подачі напруги живлення МП переходить у реальний режим і працює як дуже швидкий i8086, але, за бажанням програміста, з 32-ма розрядами. Всі дії: адресація, звернення до пам'яті, обробка переривань виконується як у i8086. Другий режим - захищений, включається завантаженням у регістр управління певного стану слова. У цьому випадку МП працює як i80286 у захищеному режимі. Реалізується багатозадачність, захист пам'яті за допомогою чотирирівневого механізму привілеїв та її сторінкової організації. МП працює як кілька віртуальних процесорів із загальною пам'яттю, кожен із яких може бути в режимах i8086, i80286 або i80386.
У третьому, віртуальному режимі повністю розкриваються переваги цього процесора. Тут повністю використовуються всі 32 розряди адреси та можлива робота з віртуальною пам'яттю. Тільки з появою i80386 почалося бурхливе впровадження ОС Windows, оскільки потужність процесорів попередніх поколінь була недостатньою для Windows.
80386 SX – 1988
У 1988 р. з'явився процесор i80386SX, який заповнив проміжок між застарілим процесором i80286 і дуже дорогим процесором i80386DX. Заміна на материнській платі застарілого процесора i80286 на i80386DX неможлива через більшу ширину шини даних останнього. Процесор i80386SX таку заміну дозволяє. Внутрішні процеси в i80386SX відбуваються також як і i80386DX, але зв'язок з " зовнішнім середовищемВ результаті, спілкування відбувається в 2 кроки по 16 біт, що уповільнює роботу приблизно на 10%. Інше обмеження процесора i80386SX - 24-розрядна адресна шина, що обмежує розмір оперативної пам'яті до 16Мб. розглянутим МП i80386SX фірма Intel створила та поставила на ринок процесор i80386SL з тактовою частотою 33 МГц, побудований на КМОП структурах, які забезпечують мінімальну витрату електроенергії. Завдяки цьому стали розвиватися персональні комп'ютери типу Notebook, що працюють від батареї.
Шосте покоління
80486 - 1989 р.
Воно з'явилося 1989 р. як МП i80486DX. На відміну від МП попередніх поколінь цей МП не представляє щось принципово нове.
Примітка.
Незважаючи на 32-розрядну архітектуру, що дісталася від МП i80386, в результаті поєднання процесора, співпроцесора і кеша на одному кристалі та інших удосконалень, i80486 при тій же тактовій частоті робить обчислення в 3-4 рази швидше, ніж його попередник.
Фірма Intel весь час удосконалювала цей процесор, і були випущені МП i80486DX2, в якому зовнішня тактова частота подвоюється власним кварцом мікросхеми, і i80486DX4, в якому частота множиться на 3. У цих процесорах всі команди, для яких не потрібна передача даних на зовнішню виконуються у 2 -3 рази швидше. Лише час, що витрачається на доступ до оперативної пам'яті та повільніша периферія знижують швидкість роботи. Крім того, i80486DX4 кеш пам'ять збільшена до 16 Кбайт.
Покоління Pentium
Pentium P5 - 1993 р.
У 1993 р. з'явився i80586, якому було надано ім'я Pentium (P5). Це був 32-розрядний процесор із зовнішньою тактовою частотою 66 МГц, побудований за субмікронною технологією з КМОП структурою (0,8 мкм), що містить 3,1 млн. транзисторів. Pentium має два 32-бітові адресні простори (логічний і фізичний), 64 - розрядну шину даних, 2 конвеєрні лінії обробки команд, що працюють паралельно. Одночасно виконуються два набори команд. Кеш пам'ять об'ємом 16 Кбайт розділена: 8 Кбайт – кеш команд та 8 Кбайт – кеш даних. Міститься новий блок обчислень з плаваючою точкою, в якому операції виконуються в 4-8 разів швидше, ніж i80486.
Р54, Pentium Pro - 1994 р.
У 1994 р. з'явилися процесори Pentium другого покоління (P54). При майже тому числі транзисторів вони виконувались за технологією 0,6 мкм, що дозволило знизити споживану потужність. Напруга живлення знижена до 3,3 В. Застосовано внутрішнє множення частоти. При цьому інтерфейсні схеми весняної системної шини працюють на частотах 50,60,66 МГц, а ядро процесора працює на вищій частоті (75,90,100,120,133, 150, 166 та 200 МГц). Поділ частот дозволяє реалізувати досягнення технології виготовлення МП, що суттєво випереджають можливості підвищення продуктивності пам'яті. Коефіцієнт множення (1,5;2;2,5;3) визначається комбінацією рівнів сигналів на двох керуючих входах. Процесори з різними значеннями f, вказаними в маркуванні на корпусі, виготовляють за тими самими шаблонами. Маркування частоти наноситься після жорстких випробувань вибракування. Залежно від астоти, де МП повністю пройшов вихідний контроль.
Паралельно із Pentium розвивався і процесор Pentium Pro. Його головна відмінність принципу організації обчислення – динамічне виконання. При цьому всередині процесора інструкції можуть виконуватися не так, як передбачає програма. Це збільшує продуктивність без збільшення частоти f. Крім того, застосовано архітектуру подвійної незалежної шини, що підвищує сумарну пропускну здатність. Одна шина – системна, служить для спілкування ядра з основною пам'яттю та інтерфейсними пристроями. Інша призначена виключно для обміну із вторинним кешем об'ємом 256 Кбайт (512 Кбайт), інтегрованим у корпус МП. Для зменшення нагріву кристала передбачена можливість миттєвого зниження споживаної потужності приблизно 10 разів шляхом припинення тактування більшості вузлів процесора. У цей стан МП переходить сигналом від внутрішнього датчика температури, а також при виконанні команди HALT.
Pentium MMX - 1997 р.
У 1997 р. випущено процесор Pentium ММХ (Р55С). Технологія ММХ є найбільш істотним поліпшенням архітектури. процесорів Intelз моменту появи i80386. Кристал Pentium ММХ має площу на 50% більше, ніж класичний Pentium. Буферні схеми вихідних ланцюгів мікросхеми працюють при напрузі 3,3 В, внутрішня схема - 2,8 для настільних і 2,45 для портативних моделей комп'ютера.
Технологія ММХ орієнтована рішення завдань мультимедіа, потребують інтенсивних обчислень над цілими числами. Подібні завдання вирішують ігрові, комунікаційні, навчальні та інші програми, які використовують графіку, звук, тривимірне зображення, мультиплікацію тощо.
Сутність технології ММХ полягає у появі в процесорі 8 нових віртуальних 64-розрядних регістрів та 57 нових команд для вирішення задач мультимедіа. Вісім нових регістрів є віртуальними тому, що фізично ці регістри є регістрами співпроцесора. Таким чином зберігається сумісність із попередніми поколіннямипрограм.
Pentium II - 1997 р.
У травні 1997 р. на ринку з'явився Pentium II, виготовлений за 0,3 мкм технологією. Він є злегка урізаним варіантом ядра Pentium Pro з більш високою внутрішньою тактовою частотою, в яке ввели підтримку ММХ. У цьому процесорі застосовано нова технологія- кристал з ядром процесора та набір кристалів статичної пам'яті та додаткових схем, що реалізують вторинний кеш, розміщені на невеликій друкованій платі – картриджі. Всі кристали закриті загальною кришкою та охолоджуються спеціальним вентилятором.
Внутрішня тактова частота 233266300 МГц, зовнішня залишилася 666 МГц.
Процесор має додаткові режими зниженого споживання енергії:
1. Sleep ("Сплячий режим"), коли він не тактує свої внутрішні вузли, крім схеми помножувача частоти.
2. Deep sleep ("Глибокий сон"). Виникає зі зняттям зовнішніх тактових імпульсів. У цьому режимі процесор не виконує жодних функцій і споживаний струм визначається тільки струмами витоку.
Pentium III - 1999 р.
У 1999 р. виник процесор Pentium III з тактовою частотою 600 МГц, що містить 9,5 млн. транзисторів. За заявою компанії Intel цей процесор дозволить отримувати з Інтернету аудіо- та відеоінформацію, а також тривимірну графіку найвищої якості. За прогнозами компаній-виробників подальший розвитоктехнології виробництва МП йтиме у напрямі збільшення щільності транзисторів на кристалі, зростання числа шарів металізації та підвищення тактової частоти, поряд зі зменшенням напруги живлення та питомої (на один транзистор) споживаної електричної та теплової енергії, що виділяється. В даний час випускається процесор Pentium IV, тактова частота якого досягла 3000 МГц.
Технологічна межа лінійних розмірів транзисторів на кристалі, зумовлена фізичними обмеженнями, становить близько 0,05 мкм. На шляху подальшої мінімізації, крім фізичних обмежень, є й економічні. До кожного наступного покоління мікросхем вартість технології подвоюється. 1986 р. i80386 випускався на заводі вартістю 200 млн. доларів. В даний час завод компанії Intel коштує 2,4 млрд доларів. Отже, завод, що виробляє мікросхеми за технологією 0,25 мкм, коштуватиме 10 млрд. доларів. Зростають терміни виготовлення МП. Так процесор Pentium виробляється за 6 місяців, а новий Pentium Pro - за 9 місяців. Зміна поколінь МП відбувається кожні 2-3 роки. З кожним поколінням лінійні розміри елементів зменшуються приблизно 1,5 разу. У 2000 р. ширина провідників становила 0,2 мкм, а 2006 р. досягла 0,1 мкм, тактова частота вже перевищила 2000 МГц.
Наведені вище короткі дані про розвиток МП на прикладі продукції фірми Intel показують, як стрімко розвивається і вдосконалюється виробництво МП. Жодна галузь техніки не розвивається так швидко. Про це дуже образно висловився засновник фірми Intel Гордон Мур: "Якби автомобілебудування розвивалося зі швидкістю напівпровідникової промисловості, то сьогодні "Роллс-Ройс" коштував би 3 долари, міг би проїхати півмільйона миль на одному галоні бензину і було б дешевше його викинути, ніж платити за паркування”.
У наведеному огляді розглянуті процесори лише фірми Intel. Слід зазначити, що аналогічний шлях розвитку проходить і технологія інших фірм, що випускають процесори, таких як AMD, Cyrix, Motorola та інших. Але провідним "законодавцем мод" у цій боротьбі за якість залишається Intel.
9 Мікропроцесори та мікроЕОМ в інформаційно-вимірювальній апаратурі
9.1 Основні функції МП у вимірювальній апаратурі
Найчастіше використовуються вбудовані МП та МК. Вони суттєво покращують характеристики приладів (точність, надійність, економічність та ін.). Застосування вбудованого МП дозволяє однофункціональний прилад перетворити на багатофункціональний шляхом об'єднання декількох функціональних вузлів спільно з пристроями, що комутують, в одному блоці. МП робить такий пристрій програмно керованим.
МП підвищує точність вимірювального приладу за рахунок автоматичної компенсації установки нуля перед початком вимірювань, автоматичного виконання градуювання (самокалібрування, самоконтролю), проведення автоматичної статистичної обробки результатів вимірювання.
МП розширює вимірювальні можливості приладів за рахунок використання непрямих та сукупних вимірів. При непрямих вимірах вимірюється не шуканий параметр, інші параметри, із якими шуканий пов'язаний функціональної залежністю. Наприклад, потужність може бути визначена шляхом вимірювання напруги та опору та розрахована за формулою P=U 2 /R. При використанні методу сукупних вимірювань одночасно вимірюється кілька однойменних фізичних величин, при яких значення величин, що шукаються, знаходяться шляхом вирішення системи рівнянь. МП у своїй програмується у необхідних аналітичних залежностей.
9.2 Приклади використання МП у вимірювальній апаратурі
9.2.1 Мікропроцесорний цифровий частотомір
Для вимірювання високих частот використовується прямий метод, у якому вибирається певний інтервал часу та підраховується кількість періодів досліджуваного сигналу. Точність виміру підвищується зі збільшенням числа періодів N. На низьких частотах це зажадало занадто великий інтервал часу. Тому на низьких частотах використовується опосередкований метод. Ширина часових воріт вибирається кратною періоду досліджуваного сигналу qT x ворота заповнюються імпульсами генератора відомої частоти F рах, і підраховується число імпульсів n. Обидва методи ілюструють рис.9-1
Рис.9-1 Тимчасові діаграми процесу вимірювання частоти.
Тут:
а - вимірюваний сигнал;
б - сигнал, перетворений на послідовність імпульсів;
в - часовий інтервал при непрямому вимірі;
г - імпульси заповнення при непрямому вимірі;
д - часовий інтервал при прямому вимірі;
е - пачка імпульсів при прямому вимірі.
На рис.9-2 наведено структурну схему приладу для вимірювання частоти сигналу прямим і непрямим методом під управлінням МП, в якій зазначені точки, що відповідають часовим діаграмам.
Рис.9-2
Прямий метод
При А 0 = 1 реалізується прямий метод виміру. Мультиплексори вибирають входи х 1 . МП створює тимчасові ворота тривалістю Т. Якщо лічильник у цьому інтервалі нарахував N імпульсів, то Т=nT x ,або T=n/F x ,звідси F x =n/T.
Непрямий метод
При А 0 =0 вибираються х 0 входи мультиплексорів і реалізується непрямий метод вимірювання. Формувач часових воріт містить дільник частоти з коефіцієнтом перерахунку q=2 до, де k вибирається так, щоб отримати число імпульсів (графік г), що забезпечує необхідну точність вимірювання F x . В інтервалі qT x уклалося n імпульсів qT x =nT рахунку або q/F x =n/F рахунку, тому F x =qF рахунок /n.
9.2.2 Широкодіапазонний частотомір
У ньому використовується гетеродинний спосіб зниження частоти вимірюваного сигналу. Якщо змішати вимірюваний сигнал F ізм із сигналом гетеродина (допоміжного генератора) F 1 , то в результаті утворюються сигнали з частотами F ізм +nF 1 і F ізм -nF 1 . Для зниження частоти використовується варіант F ізм -nF 1 = F пр, де F пр - проміжна частота, що виділяється наступним блоком.
Рис.9-3
ПСЧ - програмований синтезатор частоти (гетеродин).
УПЧ – підсилювач проміжної частоти.
ЦЧ – цифровий частотомір типу рис.9-2
При роботі МП змінює синт F до значення F" синт, при якому
F ізм -F" синт = F пр. Тоді F ізм = F пр +nF" синт.
9.2.3 Вимірювальний генератор з МП керуванням
Найчастіше використовуються функціональні генератори, що виробляють сигнали різної форми (трикутні, прямокутні, синусоїдальні та інші) з нормованими метрологічними характеристиками. Частотний діапазон таких генераторів 10 -6 Гц - 50*10 6 Гц. На рис.9-4 показано структурну схему такого генератора.
Рис.9-4
Тут БС – програмований блок лічильників, ГТІ – програмований генератор тактових імпульсів.
Після введення оператором функції f(t) для генерування сигналу тієї ж форми МП обчислює відліки f(t i) на інтервалі одного періоду із заданою частотою вибірки. Відліки записуються у ОЗУ. Вихідний сигнал ГТІ надходить на БС, де формується адреса ОЗП.
9.2.4 Цифрові фільтри
Цифровий фільтр - пристрій, що здійснює перетворення одного дискретного сигналу x n в інший дискретний сигнал y n , причому самі сигнали x n і y n являють собою двійкові цифрові коди.
Аналоговий фільтр являє собою частотно вибірковий ланцюг, що здійснює деяке лінійне перетворення над безперервним вхідним сигналом U 1 (t) безперервний вихідний сигнал U 2 (t). На відміну від нього, цифровий фільтр виконує перетворення вхідної цифрової послідовності x(nT) у вихідну цифрову послідовність y(nT). Розглянемо перетворення аналогового фільтра на цифровий на прикладах найпростіших фільтрів.
Найпростіший аналоговий фільтр ВЧ є RC-ланцюг (рис 9-5).
Рис.9-5
Визначимо співвідношення між вхідною та вихідною напругою.
U 2 (t) = i (t) * R = RC * d (U 1 -U 2) / dt (1)
Представимо U 1 (t) і U 2 (t) відповідними цифровими послідовностями U 1 =x(nT) і U 2 =y(nT), тоді:
Підставивши (2) до (1), отримаємо:
Позначимо
.
Отримане вираз визначає алгоритм розрахунку вихідного сигналу фільтра Y n на n-му кроці квантування в залежності від його значення на попередньому n-1-му кроці, значень вхідного сигналу X n , X n -1 та кроку дискретизації τ. Визначимо перехідну характеристику фільтра ВЧ.
Якщо вибрати крок дискретизації τ=1, отримаємо
X(nT)=1 при n>=0,X(nT)=0 при n<0.
При дрібнішому кроці τ=0,125 маємо
При використанні аналогового фільтра рішення його диференціального рівняння дає
На рис.90-6 наведено значення вихідного сигналу, розрахованого за формулами (3), (4) та (5) та відповідні графіки.
Рис.9-6
Можна помітити, що зі зменшенням інтервалу дискретизації перехідна характеристика цифрового фільтра наближається до перехідної характеристики аналогового фільтра.
Найпростіший аналоговий фільтр НЧ, зображений на рис 9-7.
Рис 9-7
Він описується рівнянням:
Перейдемо до прирощень:
і, остаточно:
Можна показати, що і в цьому випадку при зменшенні τ перехідна характеристика цифрового фільтра необмежено наближається до перехідної характеристики аналогового фільтра.
У цифрових фільтрах все зводиться до операцій множення деякі коефіцієнти і додавання. Вищерозглянуті фільтри є фільтрами першого порядку. Найкращі результати дають фільтри більш високих порядків, у яких для обчислення вихідної величини Y n використовуються значення х і у, затримані кілька кроків.
Обчислення такого висловлювання дуже просто програмується та виконується на МП. Затримані сигнали розміщуються у стеку.
10 Тестування мікропроцесорних систем
10.1 Тестування статичними сигналами
У мікропроцесорних системах потоки даних аперіодичні, тривалості сигналів змінюються, що викликає великі труднощі при тестуванні та діагностиці - визначенні причини появи помилок. Один із способів подолати ці труднощі – тестувати систему у статиці. Для МП К580ВМ80 це виконується в такий спосіб. МП не впаюється у плату, а встановлюється в панель. При тестуванні МП виймається і вставляється перехідна колодка імітації та індикації сигналів. До висновків адресної шини підключаються тумблери, до шини даних - тумблери через схеми з трьома станами та світлодіоди через логічні елементи з відкритим колектором. Набираючи тумблерами необхідні адреси та вихідні сигнали МП, можна протестувати систему.
10.2 Автодіагностика мікропроцесорних систем
Автодіагностика - це вбудована діагностика, що ґрунтується на використанні внутрішніх діагностичних програм. Ці програми можуть бути самозапускаються або викликаються користувачем системи. Вони закладаються під час проектування мікропроцесорної системи.
10.3 Логічні аналізатори
Тестування статичними сигналами – це повільний і не завжди застосовний процес. Більш універсальним є застосування спеціальних приладів – логічних аналізаторів.
10.3.1 Аналізатори логічного стану (синхронний режим)
Вони випускаються 8-, 12-, 16- та 32-х розрядними. Вихідна інформація видається у вигляді таблиць одиниць та нулів, вісімкових або шістнадцяткових кодів. Аналізатор підключається до шини, що тестується, і на табло або дисплей видається таблиця n станів шини, починаючи з заданого стану, або n попередніх станів. Будуються такі аналізатори за структурною схемою рис.10-1.
Рис.10-1
К0-К15 – компаратори вхідних сигналів;
R – потенціометр для встановлення рівня компарування;
KC – компаратор слів;
Кл – клавіатура введення слова;
ФУС - формувач керуючого сигналу;
Рг0-Рг15 - зсувні регістри (модуль 2 глава 7.2) для запису 16 значень i-го входу;
f:n – дільник частоти; БПр – блок перетворення.
На початку роботи логічного аналізатора на клавіатурі набирається слово, починаючи з якого проводиться аналіз. При збігу коду на виходах К0-К15 і набраного коду КС видає імпульс під впливом якого ФУС формує керуючі сигнали УС1 і УС2. При надходженні кожного тактового імпульсу на виході лічильника - дільника з'являється рахунковий імпульс УС1*ТІ. Після надходження n тактових імпульсів кон'юнктор &2 закривається, і запис регістри припиняється. Блок перетворення з n вихідних значень регістрів Рг0-Рг15 формує на екрані дисплея таблицю, що містить рядків n.
10.3.2 Аналізатори логічних часових діаграм (асинхронний режим)
Такі аналізатори сканують вхідні сигнали з частотою значно перевищує частоту сигналів. Це дозволяє як визначати наявність чи відсутність сигналу у кожному тактовому періоді, а й досліджувати динаміку зміни, виявляти спотворення фронту, короткочасні піки, провали тощо. Аналізатори асинхронного режиму тактуються значно більшою внутрішньою частотою. Випускаються прилади f=20, 50, 100, 200 МГц. Вони застосовуються додаткові тригерные схеми фіксації хибних імпульсів до 5 нс, що дозволяє значно легше виявляти такі імпульси.
10.4 Внутрішньосхемні емулятори
Емуляція – процес, у якому одна система використовується для відтворення властивостей іншої системи. Для організації емуляції різних компонентів мікропроцесорного пристрою, що розробляється, використовуються внутрішньосхемні емулятори. Вони призначені для організації комплексного налагодження розробки. Промисловість випускає емулятори як автономних приладів. Вони емулюють поведінку мікропроцесора, пристроїв, що запам'ятовують, периферійних пристроїв.
Внутрішньосхемний емулятор може працювати в режимах опитування стану різних вузлів МПС, покрокового виконання програми користувача. З його допомогою перевіряються ядро МПС, магістралі, виконуються тести ПЗП та ОЗП. Найкращий варіант тестування - поєднання методів внутрішньосхемної емуляції та сигнатурного аналізу.
10.5 Сигнатурний аналіз
Сигнатура - це число, що складається з 4-х знаків шістнадцяткового коду і умовно, але однозначно характеризує певний вузол контрольованого пристрою. Сигнатура визначається на заводі - виробнику приладу та вказується в окремих точках схеми (рис.10-2) або в інструкції до приладу.
Рис.10-2 Сигнатури, що вказуються на схемі пристрою
Сигнатура формується з випробувального сигналу (тест-послідовності), що виробляється МП. На вхід будь-якого вузла подаючи тест-послідовність, що складається не менше ніж з 16 нулів та одиниць. З виходу вузла (контрольованої точки) знімається перетворена послідовність і подається на вхід сигнатурного аналізатора. Сигнатурний аналізатор містить блок формування сигнатури БФС (рис.10-3), що складається з 16 тригерів, пов'язаних між собою через суматори за модулем 2. При роботі аналізатора виконується операція поділу поліномів. Вхідна послідовність утворює подільне, схема БФС - дільник, а результат, зафіксований у тригерах після закінчення тест-послідовності, є залишком від поділу. Якщо тест-послідовності на заводі-виробнику і в споживача, що проводить тест, однакові, а також однакові БФС, то при перевірці справного блоку сигнатура, що отримується, збігається з сигнатурою, зазначеною в документації.
Рис.10-3
Імовірність отримання однакових сигнатур для двох двійкових послідовностей, що відрізняються один від одного одним бітом, дорівнює нулю, а відрізняються декількома помилковими бітами дорівнює 0,00001526. Інакше висловлюючись, достовірність виявлення помилки >=99,998%. Перевірка окремих вузлів пристрою зводиться визначення сигнатури на виході вузла. Якщо вона збігається із заводською – вузол справний.
11 Забезпечення перешкодозахищеності мікропроцесорних систем
11.1 Придушення перешкод по первинній мережі живлення
Під час розробки мікропроцесорних систем необхідно звертати особливу увагуна захист від перешкод, які призводять до збоїв у роботі. Значна частина перешкод проникає з мережі живлення. МПС, добре налагоджена в лабораторних умовах, може виявитися зовсім непрацездатною у виробничих умовах через перешкоди. Перешкоди виникають при різких змінмережевого навантаження, наприклад, при включенні потужного електродвигуна, печі, зварювального апарату. Тому слід по можливості здійснювати розв'язку від таких джерел перешкод через мережу. На рис.11-1 показані різні варіанти підключення пристроїв, до складу яких входить мікропроцесор.
Рис.11-1
Для придушення короткочасних перешкод установлюється мережевий фільтр рис.11-2.
Рис.11-2
У деяких випадках необхідно вводити електростатичний екран (наприклад, звичайну водопровідну трубу, з'єднану із заземленим корпусом щита живлення) для прокладки всередині мережних проводів.
11.2 Придушення мережевих перешкод у блоці живлення
Незважаючи на правильне підключення, електростатичний екран і наявність мережевого фільтра, перешкоди все ж таки частково проникають на мережевий введення приладу. За рахунок ємнісного зв'язку між мережевим і вторинним обмотками імпульсні перешкоди проходять через силовий трансформатор і потрапляють на випрямляч і далі.
Методи придушення:
1. Первинна та вторинна обмотки силового трансформатора розташовуються на різних котушках. Це значно зменшує міжобмотувальний ємнісний зв'язок, але знижує ккд трансформатора.
2. Обмотки розташовуються на одній котушці, але розділяються екраном з мідної фольги товщиною не менше 0,2 мм, який з'єднується з землею. Екран у жодному разі не повинен бути короткозамкненим!
3. Первинна обмотка повністю полягає в екрані (не короткозамкнутому), який заземляється.
4. Первинна та вторинна обмотки полягають в окремі екрани, і між ними розміщується розділовий екран. Усі екрани заземлюються. Паралельно первинній обмотці підключається ланцюжок із послідовно з'єднаних С=0,1 мкФ і R=100 Ом для гасіння енергії в момент вимкнення. 11.3 Правила заземлення
У конструктивно-закінчених блоках завжди є два типи шин «землі» - корпусна та схемна.
Корпусна шина за правилами техніки безпеки обов'язково підключається до шини заземлення, прокладеної у приміщенні. Схемна шина («земля» схеми приладу) має з'єднуватися з корпусної, а неї має бути окремий затискач, ізольований від корпуса. Якщо в систему входить кілька пристроїв, пов'язаних інформаційними лініями, то далеко не байдуже, як їх корпусні та схемні шини землі підключені до шини приміщення.
При неправильному з'єднанні імпульсні напруги, що породжуються зрівнювальними струмами по шині «землі», будуть фактично прикладені до входів пристроїв, що може викликати їхнє хибне спрацювання.
Найменші взаємні перешкоди виходять у тому випадку, коли схемні шини «землі» поєднуються в одній точці, а корпусні - в іншій точці (рис.11-3). Відстань між точками підбирається експериментально. У деяких випадках точка А може не підключатися до шини землі.
Рис.11-3
11.4 Придушення перешкод за ланцюгами вторинного електроживлення
У моменти перемикання інтегральних схем та у двотактних вихідних схемах виникають великі кидки струму. Через кінцеву індуктивність шин живлення на платах вони викликають імпульси напруги. Якщо шини тонкі, і немає ємностей, що розв'язують, то на «далекому» кінці шини виникають імпульси з амплітудою до 2В! Рівень таких імпульсів відповідає логічній одиниці, що спричиняє збої. Для усунення цього ефекту необхідно виконати такі рекомендації:
1. Шини живлення та землі на платах повинні мати мінімальну індуктивність. Для цього їм надається гратчаста структура, що покриває всю вільну поверхню плати.
2. Підключення зовнішніх шин живлення та землі до плати здійснюється через кілька контактів, рівномірно розподілених на роз'ємі.
3. Здійснюється придушення перешкод поблизу місць їх виникнення. Для цього біля кожної ТТЛ схеми встановлюється конденсатор С=0,02 мкФ для усунення високочастотних перешкод, і групу з 10-15 схем додатково встановлюється електролітичний конденсатор С=100 мкФ.
