МПС 3 курс Лекции Лекция 1 Общие понятия МПС - BysonHunter/Tavrich_college GitHub Wiki

🏠 Главная · Микропроцессорные системы · 3 курс · Лекции

Лекция 1. Общие понятия микропроцессорных систем

Курс: «Микропроцессорные системы»
Тема: основные понятия, структура, классификация и архитектура МПС; шинная организация; краткая история развития.

Примечание. Основной материал лекции перенесён из исходной презентации. Для связности и лучшего понимания добавлены отдельные пояснения, сравнительные таблицы, краткая хронология и контрольные вопросы. Все иллюстрации извлечены из презентации без изменения их содержимого.

План лекции

  1. Основные определения.
  2. Основные параметры и характеристики МПС.
  3. История развития микропроцессорных систем.
  4. Архитектура микропроцессорных систем.
  5. Классификация МПС.
  6. Шинная организация МПС.

1. Основные определения

1.1. Что такое микропроцессорная система

Микропроцессорная система (МПС) — это вычислительная, контрольно-измерительная или управляющая система, основным устройством обработки информации в которой является микропроцессор (МП).

Микропроцессорная система строится из набора микропроцессорных больших интегральных схем и обычно включает:

  • микропроцессор;
  • память;
  • периферийные устройства;
  • средства и системы ввода-вывода.

Ключевое свойство МПС — высокая гибкость. Изменение алгоритма работы во многих случаях выполняется программным путём, без существенной переделки аппаратной части. Это позволяет относительно быстро адаптировать систему к новым требованиям.

Применение микропроцессоров позволило:

  • уменьшить стоимость и размеры средств обработки информации;
  • повысить быстродействие;
  • снизить энергопотребление;
  • перенести значительную часть логики управления из аппаратной схемы в программное обеспечение.

1.2. МПС как система обработки сигналов

Микропроцессорную систему можно рассматривать как электронную систему, которая:

  1. получает входные сигналы;
  2. преобразует и обрабатывает их;
  3. хранит необходимые данные;
  4. формирует выходные и управляющие сигналы.

В качестве входных и выходных сигналов могут использоваться:

  • аналоговые сигналы;
  • одиночные цифровые сигналы;
  • цифровые коды;
  • последовательности цифровых кодов.

Внутри системы выполняются:

  • временное хранение данных;
  • долговременное хранение программ и информации;
  • обработка данных;
  • формирование управляющих воздействий.

МПС является цифровым устройством. Поэтому аналоговые входные сигналы перед обработкой преобразуются в цифровой код с помощью АЦП (аналого-цифрового преобразователя), а формирование аналогового выходного сигнала может выполняться с помощью ЦАП (цифро-аналогового преобразователя).

Пояснение. Не каждая МПС обязательно содержит отдельные АЦП и ЦАП. Они требуются только тогда, когда система непосредственно взаимодействует с аналоговыми сигналами.

2. Классификация микропроцессорных систем

2.1. По назначению

Компьютерные системы — персональные компьютеры, серверы, ноутбуки, планшеты и другие устройства, ориентированные на выполнение широкого круга вычислительных задач и обработку больших объёмов данных.

Встраиваемые системы — микропроцессорные устройства, встроенные в более крупный технический объект и выполняющие специализированную функцию. Примеры:

  • автомобильные электронные блоки;
  • бытовая техника;
  • промышленное оборудование;
  • медицинские приборы;
  • системы автоматики.

2.2. По размеру и сложности

Микроконтроллеры — программируемые микросхемы, в которых на одном кристалле обычно объединены процессорное ядро, память и периферийные модули: таймеры, порты ввода-вывода, АЦП, интерфейсы связи и др.

Микропроцессоры — процессорные устройства, предназначенные прежде всего для вычислительной обработки. Для построения законченной системы микропроцессору обычно требуются внешние память, интерфейсные узлы и периферия.

Пояснение. В современной технике граница между микропроцессором, микроконтроллером и системой-на-кристалле (SoC) может быть условной. Практически важнее смотреть на степень интеграции, назначение устройства, набор периферии, производительность и требования к программному обеспечению.

2.3. По области применения

МПС могут быть:

  • универсальными — рассчитанными на широкий круг задач;
  • специализированными — оптимизированными для конкретной функции или класса задач.

2.4. По типу системы команд

RISC (Reduced Instruction Set Computing) — архитектурный подход с относительно простыми, унифицированными командами и акцентом на эффективное конвейерное выполнение.

CISC (Complex Instruction Set Computing) — подход с более развитым и сложным набором машинных команд, часть которых может выполнять составные операции.

Важно. RISC и CISC нельзя напрямую сводить к утверждению «RISC всегда быстрее, CISC всегда медленнее». Реальная производительность определяется микроархитектурой, частотой, конвейером, кэш-памятью, компилятором, характером программы и многими другими факторами.

3. Применение микропроцессорных систем

Микропроцессорные системы применяются практически во всех областях современной техники.

Область Примеры применения
Компьютеры и информационные технологии ПК, серверы, планшеты, смартфоны, сетевые устройства
Автомобилестроение управление двигателем, ABS, ESP, навигация, системы помощи водителю
Бытовая техника стиральные машины, холодильники, микроволновые печи, телевизоры, игровые устройства
Промышленность автоматизация производства, робототехника, контроль технологических процессов
Медицина диагностическое оборудование, лечебные аппараты, мониторинг состояния пациентов
Авиация и космонавтика системы управления полётом, навигация, телеметрия

4. Структура микропроцессорной системы

К базовым функциональным компонентам МПС относятся:

  • арифметико-логическое устройство (АЛУ) — выполняет арифметические и логические операции над цифровыми данными;
  • устройство управления (УУ) — организует выборку и выполнение команд, формирует управляющие сигналы;
  • ПЗУ — энергонезависимая память, предназначенная для долговременного хранения информации, например программы;
  • ОЗУ — оперативная память для временного хранения данных;
  • порты ввода-вывода — обеспечивают взаимодействие с внешними устройствами.

Структура МПС: память, процессор и порты ввода-вывода

Рисунок 1 — Укрупнённая структура микропроцессорной системы.

Другой вариант структурного представления показывает связь центрального процессора, памяти и внешних устройств через системные шины.

Структура МПС и системные шины

Рисунок 2 — Связь процессора, памяти и устройства ввода-вывода через шины данных, адреса и управления.

4.1. Пример МПС в составе системы управления

В системах автоматизации микропроцессорная часть связывается с объектом управления через датчики, исполнительные механизмы и согласующие устройства.

Схема микропроцессорной системы управления

Рисунок 3 — Схема микропроцессорной системы управления.

Обозначения на схеме:

  • ОУ — объект управления;
  • Д — датчики;
  • ИМ — исполнительные механизмы;
  • ИК — информационные контроллеры;
  • БСД — блок сопряжения с датчиками;
  • БСИК — блок сопряжения с информационными контроллерами;
  • ОП — основная память;
  • ДП — дополнительная память.

Логика работы такой системы может быть представлена цепочкой:

датчики → согласование сигналов → микропроцессорная обработка → формирование управляющего воздействия → исполнительные механизмы → объект управления.

5. Микроконтроллер и микропроцессорный комплект

5.1. Микроконтроллер

Микроконтроллер — микропроцессорное устройство, ориентированное на выполнение функций управления оборудованием. Как правило, на одном кристалле микроконтроллера размещаются:

  • процессорное ядро;
  • память программ и данных;
  • порты ввода-вывода;
  • таймеры-счётчики;
  • интерфейсы связи;
  • АЦП и другие периферийные модули.

Микроконтроллеры широко применяются как встраиваемые устройства в станках, машинах, приборах и технологических системах.

5.2. Микропроцессорный комплект и микропроцессорный набор

Микропроцессорный комплект (МПК) — совокупность микропроцессорных и других интегральных схем, совместимых по архитектуре, конструктивному исполнению и электрическим параметрам и допускающих совместное применение.

Микропроцессорный набор — конкретный набор микросхем из состава МПК, необходимый для построения заданного устройства. В него могут входить не все микросхемы комплекта, а отдельные микросхемы могут использоваться в нескольких экземплярах.

6. Основные параметры и характеристики МПС

Добавленное пояснение. В исходной презентации пункт «Параметры МПС» указан в плане, но не выделен отдельным разделом. Для полноты темы ниже приведены характеристики, которые обычно используют при анализе и сравнении микропроцессорных систем.

К основным параметрам относятся:

  • разрядность процессора — число битов, которое процессор естественным образом обрабатывает за одну операцию;
  • тактовая частота — частота синхронизации процессора и/или системных узлов;
  • разрядность шины данных — объём данных, передаваемых за один цикл обмена;
  • разрядность шины адреса — определяет максимально адресуемое пространство;
  • объём и тип памяти — ОЗУ, ПЗУ, Flash, EEPROM, кэш;
  • состав периферии — таймеры, АЦП, ЦАП, PWM, интерфейсы UART, SPI, I²C и др.;
  • производительность — зависит не только от частоты, но и от архитектуры, системы команд, конвейера и памяти;
  • энергопотребление — особенно важно для автономных и встраиваемых систем;
  • число линий ввода-вывода;
  • набор интерфейсов связи;
  • надежность, температурный диапазон и допустимые условия эксплуатации.

6.1. Связь ширины адресной шины с объёмом адресного пространства

Если адресная шина имеет N линий, то она позволяет сформировать до:

[ 2^N ]

различных адресов.

Например, 16-разрядная шина адреса позволяет сформировать 2^16 = 65 536 адресов. Если каждый адрес указывает на один байт, адресуемое пространство составляет 64 КиБ.

7. Краткая история развития микропроцессорных систем

Добавленное пояснение. В презентации приведены ранние вычислительные машины фон-неймановского типа, но нет отдельной последовательной хронологии развития микропроцессоров. Ниже добавлена краткая связка между ранними ЭВМ и современными МПС.

Основные этапы:

  • 1940-е годы — формирование принципов вычислительной машины с хранимой программой; создание первых практических систем этого класса.
  • 1948–1950 годы — появление ранних компьютеров, реализующих основные идеи архитектуры с хранимой программой.
  • 1971 год — появление Intel 4004, одного из первых коммерчески доступных микропроцессоров на одном кристалле.
  • 1970-е годы — развитие 8-разрядных микропроцессоров, на базе которых строятся терминалы, контроллеры и первые массовые микрокомпьютеры.
  • конец 1970-х — 1980-е годы — переход к 16- и 32-разрядным системам; развитие персональных компьютеров и микроконтроллеров.
  • 1980-е — 1990-е годы — распространение RISC-подходов, развитие специализированных встроенных процессоров и цифровых сигнальных процессоров.
  • 2000-е годы — активное развитие систем-на-кристалле (SoC), мобильных вычислений и высокоинтегрированных микроконтроллеров.
  • 2010-е — 2020-е годы — распространение 32-разрядных микроконтроллеров, IoT, многоядерных и гетерогенных SoC, аппаратных ускорителей и систем с повышенными требованиями к энергоэффективности.

7.1. Ранние компьютеры, построенные на принципах фон Неймана

К первым машинам, в которых были реализованы основные особенности архитектуры с хранимой программой, в исходном материале отнесены:

  1. «Манчестерский Марк I»; его прототип «Манчестерское дитя» — Университет Манчестера, Великобритания, 21 июня 1948 года.
  2. EDSAC — Кембриджский университет, Великобритания, 6 мая 1949 года.
  3. BINAC — США, 1949 год.
  4. CSIR Mk 1 — Австралия, ноябрь 1949 года.
  5. SEAC — США, 9 мая 1950 года.

8. Принципы фон Неймана

В исходном материале выделены следующие принципы:

  1. Использование двоичной системы счисления для представления данных и команд.
  2. Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором в определённой последовательности.
  3. Принцип однородности памяти. Команды и данные хранятся в общей памяти и представляются в одинаковой форме — как двоичные коды.
  4. Принцип адресуемости памяти. Память состоит из адресуемых ячеек, к которым процессор может обращаться по их номерам.
  5. Принцип последовательного программного управления. При обычном ходе программы команды выбираются и выполняются последовательно.
  6. Принцип условного перехода. Порядок выполнения программы может изменяться в зависимости от результата вычислений или состояния условий.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к фон-неймановским.

Пояснение. В современной литературе набор «принципов фон Неймана» может формулироваться несколько по-разному. Для архитектуры МПС наиболее важна идея хранимой программы и общей адресуемой памяти для программ и данных.

9. Фон-неймановская архитектура

С точки зрения организации процессов выборки и исполнения команд в МПС часто противопоставляют две модели:

  • фон-неймановскую (принстонскую);
  • гарвардскую.

Основная особенность фон-неймановской архитектуры — общая память для хранения программ и данных.

Фон-неймановская архитектура

Рисунок 4 — Пример организации процессора и общей памяти в фон-неймановской архитектуре.

9.1. Преимущества

  • более простая организация системы;
  • одна общая область памяти;
  • возможность гибко распределять память между кодом программы и данными;
  • удобство доступа к общим структурам данных, включая стек.

9.2. Ограничение: «узкое место фон Неймана»

Если команды и данные используют один и тот же путь обмена с памятью, то в конкретный момент времени пропускная способность этого пути разделяется между выборкой команд и передачей данных. Это ограничение часто называют узким местом фон Неймана.

10. Архитектура с общей шиной

В системах с общей магистралью процессор, память и устройства ввода-вывода используют общие линии обмена.

Архитектура с общей шиной

Рисунок 5 — Пример организации процессора, общей памяти и устройств ввода-вывода на системной шине.

Преимущества такой организации:

  • относительно простая схемотехника;
  • единый механизм обмена;
  • гибкое распределение памяти между программами и данными.

Недостаток — общие линии связи являются совместно используемым ресурсом. Одновременные обращения разных участников требуют арбитража, а пропускная способность магистрали ограничивает общую производительность.

11. Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура — архитектура вычислительной системы, в которой память программ и память данных разделены и могут обслуживаться независимыми каналами обмена.

Исторически эта идея связана с работами Говарда Эйкена и гарвардскими вычислительными машинами конца 1930-х — 1940-х годов.

Гарвардская архитектура

Рисунок 6 — Раздельные память программ и память данных в гарвардской архитектуре.

11.1. Основное преимущество

Раздельные каналы дают возможность параллельно:

  • выбирать следующую команду;
  • читать или записывать данные.

Это повышает потенциальную пропускную способность системы и упрощает построение конвейера.

11.2. Ограничения

  • аппаратная часть сложнее;
  • программная и информационная память имеют раздельные пространства;
  • перераспределение ёмкости между памятью программ и памятью данных сложнее или невозможно.

12. Архитектура с раздельными шинами данных и команд

Архитектура с раздельными шинами

Рисунок 7 — Раздельные шины команд и данных.

В такой архитектуре процессор одновременно обслуживает два потока:

  • поток команд;
  • поток данных.

Обмен по обеим шинам может выполняться независимо и параллельно во времени. Параметры каждой шины — разрядность, скорость, формат обмена — могут быть выбраны с учётом её назначения.

При прочих равных условиях это может повысить быстродействие, однако требует:

  • большего числа аппаратных ресурсов;
  • более сложной структуры процессора;
  • отдельной организации адресных пространств программ и данных.

Такая организация особенно удобна внутри одной микросхемы и поэтому широко используется в микроконтроллерах и процессорных ядрах с модифицированной гарвардской архитектурой.

12.1. Сравнение фон-неймановской и гарвардской архитектур

Характеристика Фон-неймановская Гарвардская
Память команд и данных общая раздельная
Каналы обмена общий или логически общий раздельные
Параллельный доступ к командам и данным ограничен возможен
Гибкость распределения памяти выше ниже
Аппаратная сложность обычно ниже обычно выше
Типичные области универсальные вычислительные системы микроконтроллеры, DSP, встроенные системы

Терминологическое замечание. Не следует смешивать два разных способа подсчёта «шин». Когда говорят о фон-неймановской и гарвардской архитектуре, речь идёт прежде всего о разделении потоков команд и данных. Когда ниже рассматриваются ША, ШД и ШУ, речь идёт о функциональном назначении сигналов системной магистрали.

13. Шинная структура микропроцессорной системы

Процессор, память и порты ввода-вывода взаимодействуют между собой посредством шин.

Шина — совокупность электрических проводников, предназначенных для передачи информации и объединённых единым функциональным назначением.

Физически шины могут быть реализованы:

  • дорожками печатной платы;
  • группой проводников или кабелем;
  • внутренними соединениями кристалла;
  • разъёмами и магистралями между платами.

Шинная структура МПС

Рисунок 8 — Типовая системная магистраль: шины питания, данных, адреса и управления.

14. Шина данных

Шина данных — ШД, DB (Data Bus) — основная шина, по которой передаются информационные коды между устройствами системы.

Типичные операции:

  • процессор считывает данные из памяти;
  • процессор записывает данные в память;
  • процессор принимает данные от устройства ввода;
  • процессор передаёт данные устройству вывода.

В некоторых системах возможен обмен без непосредственного участия процессора, например при прямом доступе к памяти (DMA/ПДП).

Шина данных обычно является двунаправленной.

Пример. Если шина данных имеет ширину 8 бит, за один цикл по ней можно передать один байт. 16-разрядная шина может передать 16 бит, а 32-разрядная — 32 бита, если архитектура и конкретный режим обмена это предусматривают.

15. Шина адреса

Шина адреса — ША, AB (Address Bus) — служит для передачи адреса устройства или ячейки памяти, с которыми выполняется обмен.

Каждому адресуемому элементу системы соответствует адрес или диапазон адресов. Когда процессор выставляет адрес, логика декодирования определяет, какое устройство должно участвовать в текущем цикле обмена.

Именно адрес позволяет ответить на вопрос: «с каким устройством или ячейкой памяти выполняется операция?»

В классической процессорной системе адрес формируется процессором и шина адреса является однонаправленной. В более сложных системах с несколькими ведущими устройствами магистрали организация адресных линий может быть сложнее.

16. Шина управления

Шина управления — ШУ, CB (Control Bus) — набор отдельных управляющих сигналов, которые определяют тип и временные параметры обмена.

К управляющим сигналам могут относиться:

  • чтение;
  • запись;
  • подтверждение готовности;
  • тактирование;
  • сброс;
  • запрос и подтверждение прерывания;
  • запрос и предоставление управления шиной;
  • сигналы выбора режима обмена.

В отличие от шины данных, шина управления не обязательно представляет собой группу одинаковых линий. Каждая линия имеет собственное назначение и направление передачи.

17. Шина питания

Шина питания — PB (Power Bus) не используется для передачи информационных кодов. Она предназначена для подачи питания и общего потенциала на элементы системы.

В составе шины питания могут присутствовать:

  • одна или несколько линий положительного питания;
  • линии отрицательного питания, если они требуются схемой;
  • общий провод (GND).

В современных цифровых системах типичные напряжения питания могут составлять 5 В, 3,3 В, 1,8 В и ниже — конкретное значение определяется элементной базой.

18. Трёхшинная и мультиплексированная организация

В классическом представлении данные, адреса и управляющие сигналы передаются по отдельным функциональным группам линий:

  • ШД — шина данных;
  • ША — шина адреса;
  • ШУ — шина управления.

Для уменьшения числа выводов микросхем и проводников часть линий может быть мультиплексирована.

Например, при использовании совмещённой шины адреса/данных (ША/Д) одни и те же физические линии работают по очереди:

  1. сначала по ним передаётся адрес;
  2. затем — данные.

Чтобы система различала эти фазы, применяются специальные управляющие сигналы и внешние или внутренние регистры-защёлки.

Преимущество: уменьшается число физических линий и выводов микросхем.
Недостаток: адрес и данные нельзя передавать по этим линиям одновременно, а протокол обмена становится сложнее.

19. Как происходит типичный цикл обмена

Рассмотрим упрощённую операцию чтения байта из памяти:

  1. Процессор выставляет адрес требуемой ячейки на шину адреса.
  2. Формирует на шине управления сигнал «чтение».
  3. Дешифратор адреса выбирает требуемую микросхему памяти.
  4. Память выставляет содержимое выбранной ячейки на шину данных.
  5. Процессор считывает значение с шины данных.
  6. Управляющие сигналы снимаются, шина освобождается для следующего цикла.

При операции записи направление передачи по шине данных меняется: данные выдаёт процессор, а выбранная память или периферийное устройство их принимает.

20. Итоги лекции

После изучения материала необходимо понимать, что:

  • МПС — это аппаратно-программная система, в которой центральную роль играет микропроцессор или микроконтроллер;
  • типовая МПС включает процессор, память, ввод-вывод и средства связи между компонентами;
  • программы позволяют менять алгоритм работы системы без полной переработки аппаратной части;
  • микропроцессорные системы бывают универсальными и специализированными, компьютерными и встраиваемыми;
  • фон-неймановская архитектура использует общее пространство памяти программ и данных;
  • гарвардская архитектура разделяет память и потоки команд и данных;
  • шины данных, адреса и управления совместно обеспечивают обмен информацией внутри МПС;
  • мультиплексирование позволяет уменьшить количество физических линий ценой усложнения обмена.

21. Контрольные вопросы

  1. Что называется микропроцессорной системой?
  2. Какие основные устройства входят в состав МПС?
  3. Почему программная перенастройка является важным преимуществом МПС?
  4. Какие типы входных и выходных сигналов может обрабатывать МПС?
  5. Для чего применяются АЦП и ЦАП?
  6. Чем встраиваемая система отличается от универсальной компьютерной системы?
  7. В чём принципиальное отличие микроконтроллера от классического микропроцессора?
  8. Что такое микропроцессорный комплект?
  9. Какие основные принципы фон Неймана приведены в лекции?
  10. В чём состоит различие между фон-неймановской и гарвардской архитектурами?
  11. Почему раздельные шины команд и данных могут повысить производительность?
  12. Для чего предназначена шина данных?
  13. Для чего предназначена шина адреса?
  14. Какие сигналы входят в шину управления?
  15. Что такое мультиплексированная шина адреса/данных?
  16. Как разрядность адресной шины связана с размером адресного пространства?
  17. Почему ширина шины данных влияет на производительность обмена?
  18. Опишите последовательность чтения данных процессором из памяти.

22. Краткий словарь терминов

Термин Значение
МП микропроцессор
МПС микропроцессорная система
МК микроконтроллер
АЛУ арифметико-логическое устройство
УУ устройство управления
ПЗУ постоянное запоминающее устройство
ОЗУ оперативное запоминающее устройство
АЦП аналого-цифровой преобразователь
ЦАП цифро-аналоговый преобразователь
ШД / DB шина данных / Data Bus
ША / AB шина адреса / Address Bus
ШУ / CB шина управления / Control Bus
PB шина питания / Power Bus
RISC Reduced Instruction Set Computing
CISC Complex Instruction Set Computing
DMA / ПДП прямой доступ к памяти
SoC система-на-кристалле

Конец лекции 1.

Лекция 2. Микропроцессор →

Оригинал материала на GitHub