Вычислительная техника и информационные технологии

Вычислительная техника и информационные технологии Лекция 9 Техническое обеспечение компьютерных технологий Микропроцессоры, микроконтроллеры, сигнальные процессоры

Вся схемотехника разделяется на две большие области: аналоговую и цифровую.

Преимущества и недостатки этих технологий известны. Аналоговая схемотехника характеризуется максимальным быстродействием, малым потреблением энергии, но и малой стабильностью параметров. Цифровая схемотехника обладает прекрасной повторяемостью параметров. Это привело к её развитию в последние годы. Успехи электронных технологий привели к тому, что в ряде устройств потребление цифровых модулей оказалось сравнимым и даже меньшим, чем потребление аналоговых схем, реализующих те же функции.

По мере развития цифровых микросхем их быстродействие достигло впечатляющих результатов. Наиболее быстрые из цифровых микросхем обладают скоростью переключения порядка 3. . 5 нс. , а внутри кристалла микросхемы, где нет больших ёмкостей нагрузки, время переключения измеряется пикосекундами. Таким быстродействием обладают программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) и заказные ИС. В этих микросхемах алгоритм решаемой задачи заключён в их принципиальной схеме. Однако за быстродействие приходится платить: • быстродействующие микросхемы потребляют значительный ток; • для решения задачи приходится использовать много микросхем, это выливается в стоимость и габариты устройства.

Первую задачу решает применение технологии КМОП цифровых микросхем Потребляемый ими ток зависит от скорости переключения логических вентилей. В настоящее время подавляющее большинство микросхем выпускается именно по этой технологии. Вторую задачу решают несколькими способами. Для жёсткой логики это разработка специализированных БИС. Использование специализированных БИС позволяет уменьшить габариты устройства, но стоимость его снижается только при крупносерийном производстве. Для среднего и малого объёмов производства такое решение неприемлемо. Ещё одним решением уменьшения габаритов и стоимости устройства является применение программируемых логических схем (ПЛИС). Это направление активно развивается в настоящее время.

Третий способ решения поставленной задачи заключается в том, что можно заставить одно очень быстродействующее устройство последовательно решать различные задачи, изменяя свою структуру во времени. Это микропроцессоры. В микропроцессорах возможен обмен предельного быстродействия на сложность реализуемого устройства. Именно по этой причине стараются максимально увеличить быстродействие микропроцессоров - это позволяет реализовывать все более сложные устройства в одном и том же объеме. Более того, в одном МП можно реализовать несколько устройств одновременно.

В зависимости от области применения микропроцессора меняются требования к нему. Это накладывает отпечаток на внутреннюю структуру микропроцессора. В настоящее время определилось три направления развития микропроцессоров: универсальные микропроцессоры микроконтроллеры сигнальные микропроцессоры

Универсальные микропроцессоры используются для построения компьютеров. При этом используются самые передовые решения по повышению производительности. Габариты, стоимость и потребляемая энергия не являются критическими характеристиками микропроцессора. В технике связи микропроцессоры используются для управления системами связи или устройствами связи высокой сложности и стоимости. Такие компьютеры по сути выполняют функции контроллеров. Причиной широкого распространения микропроцессоров стало то, что микропроцессор - это универсальная микросхема, которая может выполнять практически любые функции. Универсальность обеспечивает широкий спрос на эти микросхемы, а значит массовость производства. Стоимость же микросхем обратно пропорциональна массовости их производства, тем самым ещё больше увеличивается спрос.

Структура 32 -разрядного микропроцессора

Микроконтроллеры используются для управления менее сложными и малогабаритными устройствами связи. Они называются также однокристальными микро. ЭВМ. В микроконтроллерах, в отличие от универсальных микропроцессоров, максимальное внимание уделяется именно габаритам, стоимости и потребляемой энергии. В микроконтроллерах на одном кристалле объединяются все составные части компьютера: микропроцессор (часто называют ядро микроконтроллера), ОЗУ, ПЗУ, таймеры и порты ввода- вывода. В микроконтроллерах в наибольшей степени проявляются все вышеперечисленные свойства микропроцессоров.

Узлы автомобиля, в которых применяются микроконтроллеры

Выводы: 1. КМОП технология позволяет обменивать скорость работы на потребляемый ток (чем с большей скоростью переключаются логические элементы микросхемы, тем больший ток потребляет микросхема); 1. Микропроцессоры позволяют реализовывать схему управления практически любой сложности на одной универсальной микросхеме; 1. Микроконтроллеры позволяют обменивать скорость своей работы на сложность проектируемого устройства. 1. Микроконтроллеры позволяют реализовывать аппаратуру с минимальной стоимостью, габаритами и током потребления. 1. Срок разработки аппаратуры на микроконтроллерах минимален. 1. Модернизация аппаратуры заключается в смене управляющей программы.

Сигнальные процессоры используются для решения задач, которые традиционно решала аналоговая схемотехника. К сигнальным процессорам предъявляются специфические требования. От них требуются максимальное быстродействие, малые габариты, возможности стыковки с аналого- цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, большая разрядность обрабатываемых данных и относительно небольшой набор математических операций, обязательно включающий операцию умножения-накопления и аппаратную организацию циклов. В этих процессорах тоже важны такие параметры как стоимость габариты и потребляемая мощность, но здесь приходится мириться с б. Ольшими значениями этих характеристик по сравнению с микроконтроллерами.

Классификация микропроцессоров По области применения определилось, как уже отмечено, три направления развития микропроцессоров: универсальные микропроцессоры микроконтроллеры сигнальные микропроцессоры По внутренней структуре существует два основных принципа построения микропроцессоров: Архитектура Фон-Неймана Гарвардская архитектура По системе команд микропроцессоры отличаются огромным разнообразием, зависящим от фирмы- производителя. Тем не менее можно определить две крайние политики построения микропроцессоров: Аккумуляторные микропроцессоры Микропроцессоры с регистрами общего назначения

Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является принципиальная возможность работы над управляющими программами точно так же как над данными. Это позволяет производит загрузку и выгрузку управляющих программ в произвольное место памяти процессора, которая в этой структуре не разделяется на память программ и память данных. Любой участок памяти может служить как памятью программ, так и памятью данных. Причём в разные моменты времени одна и та же область памяти может использоваться и как память программ и как память данных. Для того, чтобы программа могла работать в произвольной области памяти, её необходимо модернизировать перед загрузкой, то есть работать с нею как с обычными данными. Эта особенность архитектуры позволяет наиболее гибко управлять работой микропроцессорной системы, но создаёт принципиальную возможность искажения управляющей программы, что понижает надёжность работы аппаратуры. Эта архитектура используется в универсальных компьютерах и в некоторых видах микроконтроллеров.

В Гарвардской архитектуре принципиально различаются два вида памяти: память программ память данных В Гарвардской архитектуре принципиально невозможно производить операцию записи в память программ, что исключает возможность случайного разрушения управляющей программы в случае неправильных действий над данными. Кроме того, в ряде случаев для памяти программ и памяти данных выделяются отдельные шины обмена данными. Эти особенности определили области применения этой архитектуры построения микропроцессоров. Гарвардская архитектура применяется в микроконтролерах, где требуется обеспечить высокую надёжность работы аппаратуры и в сигнальных процессорах, где эта архитектура кроме обеспечения высокой надёжности работы устройств позволяет обеспечить высокую скорость выполнения программы. Это возможно за счёт одновременного считывания управляющих команд и обрабатываемых данных, а так же запись полученных результатов в память данных. Этот тип архитектуры характерен для сигнальных процессоров.

Гарвардская архитектура с раздельными шинами данных и команд

В микропроцессорах с регистрами общего назначения математические операции могут выполняться над любой ячейкой памяти. В зависимости от типа операции команда может быть одноадресной, двухадресной или трёхадресной. Принципиальным отличием аккумуляторных процессоров является то, что математические операции могут производиться только над одной особой ячейкой памяти - аккумулятором. Для того, чтобы произвести операцию над произвольной ячейкой памяти её содержимое необходимо скопировать в аккумулятор, произвести требуемую операцию, а затем скопировать полученный результат в произвольную ячейку памяти. В чистом виде не существует ни та ни другая система команд. Все выпускаемые в настоящее время процессоры обладают системой команд с признаками как аккумуляторных процессоров, так и микропроцессоров с регистрами общего назначения.

Сигнальные процессоры ЦОС (цифровая обработка сигналов, DSP – digital signal processing) – это арифметическая обработка в реальном масштабе времени (РМВ) последовательности значений амплитуды сигнала, получаемых через равные промежутки времени. Примеры обработки: 1. Частотная фильтрация сигнала 2. Свертка двух сигналов 3. Вычисление корреляции двух сигналов 4. Усиление ограничений или трансформация сигнала 5. Прямое и обратное преобразования Фурье Любой сигнал возможно представить в виде либо амплитуда-время, либо частота-амплитуда. Преобразования Фурье позволяют перейти от одной формы к другой. Для эффективной реализации алгоритмов ЦОС необходима аппаратная поддержка базовых операций ЦОС (главная – умножение с накоплением результата).

Особенности архитектуры сигнальных процессоров: 1. Сокращение длительности командного такта, характерное для RISC-процессоров: 2. Конвейеризация на уровне микрокоманд и команд 3. Размещение операндов большинства команд в регистрах 4. Использование теневых регистров для сохранения состояния вычислений при переключении контекста 5. Разделение памяти команд и данных – Гарвардская архитектура

Обобщенная структурная схема сигнального процессора

Особенность структуры сигнального процессора – аппаратная поддержка основных операций, необходимых для цифровой обработки массива дискретных отсчетов входного аналогового сигнала. К основным операциям относятся аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование (АЦП, ЦАП), выполняемое кодеком, организация массива дискретных отсчетов сигналов в памяти данных X, Y, умножение, сложение, умножение с накоплением в блоке MAC (multiply and accumulate), перебор элементов массива в соответствии с выбранной последовательностью индексов с помощью генератора адреса.

Синтезатор тактовой частоты обеспечивает регулирование скорости выполнения программы и потребляемой мощности. Поддержка операций с плавающей запятой может отсутствовать, она включается обычно в 32 - разрядные процессоры. Процессорное ядро часто дополняют средствами тестирования и отладки с помощью унифицированного интерфейса JTAG. Сторожевой таймер WDT обеспечивает выход процессора в исходное состояние при зависании программы. Host-интерфейс применяется в качестве средства связи с компьютером или с другим процессором.

Области применения сигнальных процессоров с гарвардской архитектурой • коммуникационное оборудование; – Уплотнение каналов передачи данных; – Кодирование аудио- и видеопотоков; • системы гидро- и радиолокации; • распознавание речи и изображений; • речевые и музыкальные синтезаторы; • анализаторы спектра; • управление технологическими процессами; • другие области, где необходима быстродействующая обработка сигналов, в том числе в реальном времени.

Основные параметры ЦСП • Тип арифметики. ЦСП делятся на процессоры, обрабатывающие данные с фиксированной точкой и обрабатывающие данные с плавающей точкой. Устройства с плавающей точкой удобнее в применении, но они заметно сложнее по устройству и более дороги; • Разрядность данных. Большинство ЦСП с фиксированной точкой обрабатывают данные с разрядностью 16 бит, процессоры с плавающей точкой — 32 бита. Многие модели могут обрабатывать данные с двойной точностью. • Быстродействие как интегральную характеристику определить достаточно сложно, поэтому скорость работы характеризуют несколькими параметрами, а также временем решения некоторых реальных задач. – Тактовая частота и время командного цикла. Для современных ЦСП тактовая внутренняя частота может отличаться от внешней, поэтому могут указываться два значения. Время командного цикла указывает на время выполнения одного этапа команды, то есть время одного цикла конвейера команд. Так команды могут исполняться за разное количество циклов, а также с учётом возможности одновременного исполнения нескольких команд, этот параметр может характеризовать быстродействие ЦСП достаточно приближённо.

– Количество выполняемых команд за единицу времени. Различное время исполнения команд, а также исполнение нескольких команд одновременно не позволяют использовать этот параметр для надёжной характеристики быстродействия. – Количество выполняемых операций за единицу времени (MIPS). Данный параметр учитывает одновременную обработку нескольких команд и наличие параллельных вычислительных модулей, поэтому достаточно хорошо может указывать на быстродействие ЦСП. Некоторой проблемой здесь остаётся то, что понятие «операции» чётко не формализовано. Оценка – на основе стандартных «наборов» команд. – Количество выполняемых операций с плавающей точкой за единицу времени. Параметр аналогичен предыдущему и используется для процессоров с плавающей точкой.

• Виды и объём внутренней памяти. Объём внутренней оперативной памяти показывает, сколько данных ЦСП может обработать без обращения к внешней памяти, Тип ПЗУ определяет возможности по программированию устройства. Модели с обычным ПЗУ подходят для крупносерийного производства, ППЗУ (однократно программируемое) удобно для небольших тиражей, а применение Flash-памяти позволяет менять программу устройства многократно во время эксплуатации. На данный момент не очень мощные DSP чаще всего снабжены достаточно большой Flash-памятью (её цена неуклонно снижается) и заметным объёмом RAM и поэтому могут являться самодостаточными без добавления внешней памяти и на этапе разработки и на этапе производства, что повышает конкурентоспособность таких DSP в ряде сегментов рынка. Мощные DSP как правило полагаются на внешнюю память подключённую по достаточно быстрым шинам а размещение там Flash-памяти может быть технически проблематичным, например, из-за заметного выделения тепла.

• Адресуемый объём памяти. Объём адресуемой внешней памяти характеризуется шириной внешней шины адреса. • Количество и параметры портов ввода-вывода. Данный параметр показывает возможности ЦСП по взаимодействию с внешними по отношению к нему устройствами. • Состав внутренних дополнительных устройств. В число внутренних могут входить разнообразные по назначению устройства, например, общего применения — таймеры, контроллеры ПДП и т. д. , а также проблемно-ориентированные — АЦП, кодеки, компрессоры данных и другие. • Напряжение питания и потребляемая мощность. Данная характеристика особенно важна для ЦСП, встраиваемых в переносные устройства. Обычно предпочтительнее низковольтные устройства (1, 8 -3, 3 В), которые имеют быстродействие аналогично 5 В процессорам, но заметно экономнее в плане потребления энергии. Многие устройства имеют режимы экономии простое, либо позволяют программно отключать часть своих устройств.