Введение

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.

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.

Термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавший­ся термин «однокристальная микроЭВМ». Первый же патент на однокристальную мик­ро-ЭВМ был выдан в 1971 году М. Кочрену и Г. Буну. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только микропроцессор, но и память, устройства ввода-выво­да. С появлением однокристальных микроЭВМ связывают начало эры компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, это обстоятельство и определило термин «микроконтроллер» (control-управление).

Однако впоследствии расширение сферы использования МК повлекло за собой разви­тие их архитектуры за счет размещения на кристалле устройств (модулей), отражающих своими функциональными возможностями специфику решаемых задач. Такие дополнитель­ные устройства стали называться периферийными. Поэтому неслучайно в последнее время введен еще один термин - «интегрированный процессор» (ИП), который определяет новый класс функционально-емких однокристальных устройств с другим составом модулей. По количеству и составу периферийных устройств ИП уступают МК и занимают промежуточное положение между МП и МК. По этой же причине появились не только семейства МК, которые объединяют родственные МК (с одинаковой системой команд, разрядностью), но и стали выделяться подвиды МК: коммуникационные, для управления и т. д.

МП в настоящее время преимущественно используются для производства персональ­ных ЭВМ, а МК и ИП являются основой создания различных встраиваемых систем, теле­коммуникационного и портативного оборудования и т. д.

Анализ различных семейств МП, ИП и МК показывает, что наиболее жизнеспособными являются такие семейства, которые опираются в своем развитии на предшествующую эво­люцию микропроцессоров, т.е. за счет «селекции» выделяются устойчивые и проверенные практикой структурные решения и закладываются в новые семейства МК. Это позволяет использовать кадры, освоившие микропроцессоры, программное обеспечение, средства поддержки этапов разработки. Фирмы «Motorola» и «Intel», являясь общепризнанными ли­дерами в производстве микропроцессорных средств и развивая свои семейства МК, блес­тяще демонстрируют на практике технологии эволюционного проектирования.

Разные МП или МК объединяют в семейства как технология «микроядра», в качестве которого выступает процессорное ядро, взаимодействующее с периферийными устрой­ствами различной номенклатуры, так и принципы, свойственные открытым системам: совместимость (compatibility), масштабируемость (scalability), переносимость (portability) и взаимодействие приложений (interoperability).

Совместимость, состоящая в выполнении приложений на всех версиях МК, обеспечи­вается использованием в качестве базовой системы команд и интерфейса микропроцес­сора с последующей унификацией путем добавления дополнительных команд и внешних выводов, повышающих эффективность использования в задачах, на которые ориентирует­ся семейство МК. Полученное таким образом структурное образование называется процес­сорным ядром, на орбите которого вращаются как «отрицательно заряженные частицы» - периферийные устройства, требующие ресурсов процессорного ядра, так и <положительно заряженные частицы> - периферийные устройства, аппаратно поддерживающие вычислительный процесс в МК (например, сопроцессор обработки сигналов, таймерный сопроцессор, коммуникационный сопроцессор и др.). Подобная функционально распределенная кристалла МК, с одной стороны позво­ляет добиться более полного соответствия между особенностями предметной области и организацией кристалла, а с другой – обеспечить совместимость как в пределах различных версий определенного типа МК, так и в пределах всего семейства МК.

Масштабируемость обеспечивается выполнением приложений в пределах полного диапазона архитектур. Действительно, за счет технологии процессорного ядра обеспечи­вается переносимость приложений, как для обычных микропроцессоров, так и для встро­енных микропроцессоров (embedded microprocessors), а также для микроконтроллеров.

Переносимость для открытых систем рассматривается как возможность выполне­ния приложения на разных компьютерах с одной операционной системой. В нашем слу­чае этот важный принцип состоит в том, что ядро операционной системы реального вре­мени (OS-9, VxWorks и др.) портируется в целевые платформы на базе МК всех семейств, создавая тем самым комфортные условия для разработчика: процесс проектирования от дешевых систем с невысокой производительностью до многопроцессорных конфигу­раций осуществляется в рамках единой инструментальной среды.

Взаимодействие приложений - возможность общения приложений разных систем, использующих одни протоколы. Этот принцип в полной мере реализуется в системах на базе коммуникационных контроллеров фирмы «Motorola», так как на уровне кристалла реализованы типовые протоколы (HDLC, X.25 и др.).

Таким образом, определенная выше открытая модель взаимосвязи МК (Open Micro controllers/Microprocessors Interconnection - OMI-модель), сформированная в ходе эволюции микропроцессорных средств, находится в русле магистрального развития ин­формационных систем и является гарантом эффективности применения микропроцес­сорных средств, удовлетворяющих требованиям этой модели.

Задачи системной интеграции для российских специалистов являются областью при­ложения их высокого интеллектуального потенциала. При этом эффективность решения этих задач во многом зависит от правильного выбора микропроцессорных средств ввиду их значительного разнообразия.

Если взять за критерий комплексный показатель «количество данных - количество вычислений», то возможны следующие его значения, определяющие классы задач и ос­новные характеристики МК (табл. В.1).

Перечисленным четырем классам задач, безусловно, соответствуют определенные типы МК и ИП, наиболее полно учитывающих в своей архитектуре их специфику, а установлен­ное соответствие, конечно, не является строгим. Так, среди 8-разрядных МК есть развитые модели (например, семейство М68НС11), которые с успехом можно использовать для ре­шения отдельных задач из второго класса. Точно так же семейства 32-разрядных микро­контроллеров в последнее время активно вытесняют 16-разрядные микроконтроллеры, поскольку разница в цене становится несущественной, при более развитой архитектуре.

При создании системы любого назначения на базе микроконтроллеров либо интегри­рованных процессоров, в общем случае, необходимо выполнить следующие этапы.