Термины и определения

Договоримся об основных понятиях, используемых ниже.

Под микропроцессором (МП) будем понимать в дальнейшем программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс цифровой обработки информации и управления им и построенное, как правило, на одной БИС.

Микропроцессорная техника (МПТ) включает технические и программные средства, используемые для построения различных микропроцессорных систем, устройств и персональных микроЭВМ.

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом микропроцессорных: микропроцессора и/или микроконтроллера.

Микропроцессорное устройство (МПУ) представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в состав которых входит микропроцессор; оно предназначено для выполнения определенного набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление.

Элемент – часть системы, внутренняя организация которой несущественна на данном уровне исследования, но функции которого однозначно определены. Этот термин относится как к аппаратным, так и к прог­раммным средствам.

Структура – совокупность элементов с однозначно определенными функциями и однозначно определенных связей между ними.

Функционирование подобных сложных систем не определяется лишь их структурой. Необходимо задание определенного порядка, правил функционирования системы, обычно называемых протоколом (задается система протоколов, например, протокол связи между подсистемами, протокол обмена информацией и т.д.).

Протоколы и структура определяют архитектуру систе­мы, но не в виде простой суммы. Струк­тура вычислительного средства однозначно определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки, узлы и т.д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же (рис. 9) дает описание составных частей вы­числительного средства в той мере,

Рис. 9. Основные компоненты архитектуры ЭВМ

в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи и не все протоколы функционирования, а наиболее важные, которые должны быть известны пользователю для грамотного использования данного средства. Архитектура содержит также основные сведения о параметрах системы.

Итак, под архитектурой управляющей вычислительной системы понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности системы при решении соответствующих классов задач управления.

Особенности архитектуры управляющей эвм как разновидности вычислительной системы

При управлении объектами микроЭВМ должна производить сбор, обра­ботку и выдачу информации во взаимодействии с процессами, происходящи­ми в управляемом устройстве, т.е. работать в режиме реального времени. Это обеспечивается программированием последовательности измерений ин­фор­ма­ци­он­ных сигналов и выдачи управляющих воздействий с необходимыми временными интервалами, длительность которых достаточно мала и опреде­ляется динамикой управляемой системы. Так, для робототехнических систем эта дли­тельность составляет менее десятых долей секунды. В процессе управле­ния вычисления в микроЭВМ непрерывно повторяются для новых данных, а цикл вычислений занимает сравнительно небольшой промежуток времени.

Таким образом, в отличие от МПУ вычислительного типа управляющая ЭВМ (МПУУ) не занимается длительными вычислениями, при которых накапливаются погрешности численных методов, а проводит их кратковременно, но перио­дически, постоянно оценивая расхождения и внося поправки. Это дает возможность получить необходимую для целей управления точность вычис­лений при использовании уменьшенной разрядности двоичных чисел, с ко­торыми работает процессор, и не требует очень высокого его быстродейс­твия.

Принцип обратной связи с управляемым процессом дал основу для ис­пользования во многих УЭВМ микроЭВМ с малой точностью вычислений (раз­рядностью) и невысоким быстродействием. Основные требования к такой ЭВМ:

• иметь разветвленную и гибкую систему устройств связи с разнород­ными источниками управляющих воздействий и с управляемыми объектами;

• согласовывать ход вычислительного процесса с ходом процесса уп­равления объектами (работа в реальном масштабе времени), выдавать воз­действия в соответствии с показаниями таймера;

• обладать специальными режимами обмена с внешними устройствами, связанными с прерыванием хода основных вычислений процессора для об­служивания таких устройств или с передачей своей активной роли другому устройству.

Помимо перечисленных, УЭВМ должна удовлетворять и таким требованиям как дешевизна, надежность, климатоустойчивость, функциональная гибкость.

Основным критерием при выборе архитектуры УЭВМ является минимальная стоимость проектируемой системы, а ограничениями – удовлетворение перечисленных выше требований со стороны интерфейса. Конкурирующими вариантами микропроцессорной базы в данном случае могут быть:

• промышленный контроллер;

• персональная ЭВМ (ПК);

• система однокристальных процессоров;

• сочетание каких-либо перечисленных вариантов.

Естественно (см. выше), система управления, помимо микропроцессора, должна иметь память и разнообразные узлы сопряжения с внешними объектами. Укрупненно, можно считать, что УЭВМ поддерживают двунаправленные связи со следующими группами объектов и отдельными объектами внешнего мира:

• с подсистемами данного объекта управления;

• с вспомогательным технологическим оборудованием и с другим оборудованием (внешней средой);

• с СУ верхнего уровня (АСУ ГПС);

• с оператором;

• с устройствами внешней памяти;

• с реальным временем.

Принято считать, что первые три группы объек­тов, а также функциональные вспомогательные узлы преобразования информации внутри УЭВМ (например, преобразователи кодов) обслуживаются связями "вниз" (управление), вторые четыре группы – связями "вверх" (подчинение и осведомление). Еще од­на группа связей обеспечивает взаимодействие СУ с подсистемой адаптации.

Существует два пути реализации этих узлов: спецпериферия для персонального компьютера и выбор микроконтроллера с наличием требуемых функций.

Микроконтроллеры (МК) – разновидность микропроцессорных систем (микроЭВМ), ориентированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами. В сравнении с универсальными микроЭВМ микроконтроллеры проще, и уже около 30 лет тому назад оказалось возможным разместить практически всю схемотехнику МК на одном кристалле, что и дало начало их развитию. Вторым названием МК стало название "однокристальная микроЭВМ". Разработка МК означала появление БИС такой функциональной законченности, которая позволяет решать в полном объеме задачи определенного класса.

В СУ в основном используются ЭВМ, в состав которых структурно входят (рис. 10) операционно-логический блок (ОЛБ), устройство управления (УУ) и запоминающие устройства (ЗУ). В составе ЗУ условно выделяют массив памяти для команд (память программ) и массив памяти для хранения данных. Команды К при выполнении программы поступают в УУ, которое дешифрирует команду и определяет условия работы ОЛБ и условия использования памяти данных.

Рис. 10. Структура микроЭВМ с микроконтроллерным управлением

При классической организации обработки информации УУ работает в последовательном цикле:

IF – извлечение команды;

D – дешифрация команды;

OA – определение адресов операндов;

OF – извлечение операндов из памяти;

EX – выполнение операций;

S – размещение результатов.

Для повышения производительности в вычислительных машинах применяется несколько способов (модификаций) управления обработкой информации, одним из них является организация конвейера команд (конвейерная обработка данных). Организация конвейера – функция УУ, и это находит отражение в его исполнении.

На циклограмме представлен поток управляющих воздействий УУ при организации конвейера команд (рис.11).

Рис. 11. Циклограмма конвейерной обработки данных

Для поддержки конвейера необходимо строгое временное соответствие для отдельных циклов выполнения команды, нарушение этого принципа приводит к зависанию программы. При шестицикловой обработке команды УУ должен организовать внутреннюю диспетчеризацию шести управляющих воздействий, адресуя их в соответствии с циклом конвейера в должное устройство.

Метод конвейеризации неприменим напрямую для машин классической организации, система команд которых является полной (CISC, Complex Instruction Set Computer). Они характеризуются следующим набором свойств:

• нефиксированное значение длины команды;

• арифметические действия кодируются в одной инструкции;

• небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определённую функцию.

Различные группы команд имеют различную длительность микроопераций, так что одни из команд выполняются в несколько раз медленнее других. Для эффективной конвейеризации процесса вычислений в начале 1980-х годов в Стэнфордском и Калифорнийском университетах США были разработаны варианты RISC-архитектуры ЦП (Reduced Instruction Set Computer), в которых каждая команда выполняется за одинаковое количество тактов. В таком случае набор машинных команд для пользователя сокращается по отношению к классическому варианту ЭВМ иногда на порядок. Естественно, сложные команды языков высокого уровня должны при этом компилироваться в цепочки RISC-команд, что приводит к увеличению количества машинных команд в конкретной программе. Однако справедлив принцип: «более компактные и простые инструкции выполняются быстрее, любой CISC-процессор уступает RISC-процессорам по количеству выполняемых операций в секунду», даже в пересчете на команды высокого уровня. В результате современные процессоры на основе x86-команд (Intel Pentium 4, Pentium D, Core, AMD Athlon, Phenom) являются CISC-процессорами с RISC-ядром. Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструк­ции процессоров x86 в более простой набор внутренних инструкций RISC. В микропроцессор встраивается аппаратный транслятор, превращающий команды x86 в команды внутреннего RISC-процессора. При этом одна команда x86 может порождать несколько RISC-команд (в случае процессоров типа P6 — до 4-х RISC-команд в большинстве случаев). Исполнение команд происходит на суперскалярном конвейере одновременно по несколько штук.

Характерные особенности RISC-процессоров:

• фиксированная длина машинных инструкций (например, 16 или 32 бит) и простой формат команды;

• специализированные команды для операций с памятью — чтения или записи. Операции вида «прочитать-изменить-записать» отсутствуют, любые операции «изменить» выполняются только над содержимым регистров;

• большое количество регистров общего назначения (32 и более);

• отсутствие поддержки операций вида «изменить» над укороченными типами данных — байт, 16-битное слово;

• отсутствие микропрограмм внутри самого процессора – то, что в CISC процессоре исполняется микропрограммами, в RISC процессоре исполняется как обыкновенный (хотя и помещенный в специальное хранилище) машинный код, не отличающийся принципиально от кода ядра ОС и приложений.