Элементы вычислительного ядра: программируемый и непрограммируемый процессор, микропроцессор, микроконтроллер; память и др., их основные характеристики, примеры. Элементы системы ввода-вывода: контроллеры (КВВ) и процессоры ввода-вывода (ПВВ), периферийные устройства. Отличие КВВ от ПВВ, примеры. Вычислительное ядро и система ввода-вывода контроллера SDK-1.1.

Элементы вычислительного ядра: программируемый и непрограммируемый процессор,

Процессор– элемент вычислительной системы, устройство для выборки команд из памяти и выполнения действий, предписанных командами; устройство, осуществляющее процесс обработки информации. В ряде случаев процессором также называют программные средства, предназначенные для обработки информации (например, текстовый процессор, языковой процессор). Процессоры (в смысле устройств) можно классифицировать по разным критериям, например, по способу организации функционирования (конвейерные, матричные), характеру обрабатываемой информации, по назначению и т.д.

Программируемый процессор – процессор, у которого есть система команд. Его можно настроить на решение той или иной задачи.

Непрограммируемый процессор имеет фиксированный набор функций.

Микропроцессор - процессор в интегральном исполнении, реализованный в рамках одной или нескольких интегральных микросхем; программируемый процессор в интегральном исполнении.

Микроконтроллер- следует понимать как контроллер, построенный на основе микропроцессорной элементной базы. Микроконтроллеры могут быть однокристальными, одноплатными, программируемыми, логическими, промышленными, универсальными и т.д. Микроконтроллер в одном кристалле содержит микропроцессор и набор периферийных устройств и контроллеров: контроллер прерываний, таймеры, контроллер сети, контроллер последовательного канала, контроллер памяти, контроллер ПДП и т.д.

Память – совокупность устройств, предназначенных для хранения программ, обрабатываемой информации (данных), промежуточных или окончательных результатов вычислений. Характеристики памяти – емкость, быстродействие и стоимость. Емкость ЗУ определяется предельным количеством информации, размещаемым в ЗУ, и исчисляется в кило-, мега- и гигабайтах. Быстродействие ЗУ характеризуется затратами времени на чтение запись информации при обращении к ЗУ. Стоимость ЗУ – это затраты средств в денежном выражении на хранение всего объема информации, определяемого емкостью ЗУ. Для сравнения качества ЗУ различных типов используется характеристика, называемая удельной стоимостью и равная стоимости ЗУ, деленной на емкость ЗУ.

Контроллер – устройство, управляющее функционированием отдельных блоков вычислительной системы и внешних устройств, например: вводом-выводом информации, доступом к памяти, к накопителям на магнитных дисках, дисплеям.

функции( локального управления чем-то; функции преобразования протокола / преобразование сигнала интерфейса ВУ - оконечное устройство)

Контроллеры ввода-вывода делятся на:

Устройства сопряжения стандартного интерфейса ВС с интерфейсом ВУ (функция преобразования), которые называются адаптерами; 2. Локальные устройства управления конечным оборудованием ВУ (функция управления).

Элементы системы ввода-вывода:

Процессор ввода-вывода: Обеспечивает связь периферийной системы ввода-вывода с вычислительным ядром. Имеет элементы и функции, относящиеся к системе ввода-вывода. Пример: Сетевой контроллер, контроллер жесткого диска

Отличие КВВ от ПВВ- Контроллеры ввода-вывода - устройства не способные самостоятельно избирать команды и для осуществления своих функций требующие управления извне. Простым примером такого устройства может быть контроллер последовательного канала. Для того чтобы он начал передавать посылку по линии связи, обычно требуется отдать ему определенную команду.

Процессор ввода-вывода предназначен для работы в рамках системы ввода-вывода с целью увеличения производительности системы. Процессоры отличаются сложностью реализации от контроллеров. Доступ к ВЗУ осуществляется через внешние контроллеры, специализированные для этого ВЗУ. Процессоры могут подключать к себе дополнительно контроллеры, это сделано для увеличения производительности, за счет распараллеливания работы от разных ВЗУ. Процессоры ввода-вывода определяются по критерию сложности, но эта граница тоже расплывчата. Сопроцессор, блок вычислений ЧПЗ, видеопроцессор считаются акселераторами. Если устройство имеет программу, которая выполняется независимо от ЦП или является устройством с множеством сложных функций, то его можно отнести к ПВВ.

Вычислительное ядро: ЦП, Блоки памяти, непосредственно участвующие в работе, ПВВ (50 %), Интерфейсы, Некоторые аппаратные элементы. В SDK – микроконтроллер ADuC812

Система ввода: КВВ, ВУ, ПВВ, Некоторые аппаратные элементы. В SDK – клавиатура, ПЛИС.

Интерфейс. Аппаратный, программный и пользовательский интерфейс. Характеристики аппаратных интерфейсов. Понятие физической и логической организации аппаратных интерфейсов. Классификация аппаратных интерфейсов по различным критериям, в том числе по типу сопрягаемых объектов; особенности выделенных классов аппаратных интерфейсов, примеры. Последовательные и параллельные интерфейсы, особенности. Синхронные и асинхронные интерфейсы. Понятие интерфейсных систем.

Интерфейс - в широком смысле стык, граница раздела двух взаимодействующих систем, устройств или программ. Также интерфейс можно определить как соглашение о взаимодействии объектов: перечень средств взаимодействия, их параметры, в случае аппаратных интерфейсов – параметры сигналов, способы доступа к средствам взаимодействия, правила взаимодействия и т.д.

Аппаратный, программный и пользовательский интерфейс.

1.Аппаратный(устройство-устройство) – совокупность алгоритмов обмена и технических средств, обеспечивающих обмен между устройствами. Примеры: I2C, MicroLAN, Ethernet;

2.Программный– соглашение о связях в программной среде между программными модулями. Примеры: Win32, POSIX, API любого программного модуля (интерфейс прикладного программирования – набор функций, предоставляемый для использования в прикладных программах);

3.Пользовательский(ВС – пользователь) – сценарии, по которым строится общение оператора с вычислительной системой, и стиль их реализации. Примеры: «дружественный интерфейс человек-компьютер», стиль организации работы в программном комплексе Microsoft Office.

Характеристики аппаратных интерфейсов.

К основным характеристикам аппаратных интерфейсов относятся:

1. Скорость передачи (пропускная способность, производительность).

2. Протяжѐнность.

3. Тип сопрягаемых устройств вычислительной системы (см. следующий раздел).

4. Топология.

5. Разрядность слова данных (последовательный или параллельный интерфейс).

6. Синхронный или асинхронный интерфейс.

7. Симплексный, полудуплексный, дуплексный обмен.

Понятие физической и логической организации аппаратных интерфейсов.

Аппаратные интерфейсы определяются двумя уровнями описания: логическая и физическая организация. Логическая организация: группы взаимодействующих объектов, характер взаимодействия, адресное пространство, система команд, информация о состоянии объектов, фазы в работе интерфейса, форматы данных, набор процедур по реализации взаимодействия и последовательность их выполнения для различных режимов функционирования. Физическая организация интерфейса определяется электрической и конструктивной совместимостью сопрягаемых устройств.

Классификация аппаратных интерфейсов по различным критериям, в том числе по типу сопрягаемых объектов; особенности выделенных классов аппаратных интерфейсов, примеры.

По типу сопрягаемых объектов можно выделить следующие группы аппаратных интерфейсов:

1. Внутрисистемные интерфейсы. Являются группой интерфейсов, которая обеспечивает взаимодействие элементов ядра вычислительной системы и должно удовлетворять критерию максимальной производительности.

2. Системные интерфейсы. Служат для развития системы, т.е. наращивания характеристик ядра (например, ISA, PC-104, PCI, ASB). Является компромиссом при создании дешевой вычислительной структуры.

3. Стандартные периферийные интерфейсы. Характерен только для систем ввода-вывода и позволяет объединить процессор ввода-вывода и контроллер ввода-вывода. Характеристики стандартного интерфейса отличаются от предыдущих 2-х групп: критерием является удобство и эффективность управления большим числом периферийных устройств.

4. Малые периферийные интерфейсы. Объединяют контроллер ввода-вывода с внешним устройством, из этого вытекают особенности организации этого интерфейса. Для каждого внешнего устройства требуется свой оптимальный интерфейс.

5. Интерфейсы систем передачи данных . Предназначены для организации взаимодействия вычислительных систем общего назначения. По степени территориального охвата можно выделить локальные, городские и глобальные сети (например, Интернет).

Интерфейсы локальных вычислительных сетей. Являются подмножеством интерфейсов систем передачи данных и предназначены для объединения вычислительных устройств, территориально сосредоточенных на сравнительно небольшой площади. Примеры: Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Wi-Fi)

6. Интерфейсы распределенных систем управления. Объединяют контроллеры с целью организации управления и сбора телеметрической информации с большого количества узлов сети. На первое место в таких системах выдвигается не объем и скорость передаваемой информации, а надѐжность и реальное время.

По среде передачи выделяют:

Проводные интерфейсы.

Оптические интерфейсы.

Беспроводные интерфейсы.

Акустические интерфейсы.

Проводные интерфейсы используют в качестве носителя информации электрический сигнал. В настоящий момент это наиболее распространенный тип интерфейса. К недостаткам интерфейса можно отнести высокую стоимость материалов.

Оптические интерфейсы используют для передачи информации свет. Например, для передачи Hi-Fi звука в музыкальных центрах.

Акустический интерфейс предполагает использование звука для передачи данных в слышимом (20Гц..20кГц) или ультразвуковом диапазонах. Этот интерфейс характеризуется низкой скоростью передачи и используется там, где по каким либо причинам невозможно использование обычных каналов связи (например, под водой).

Последовательные интерфейсы - предполагает для передачи данных в одном направлении единственную сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. При этом скорость изменения передатчиком состояния линии должна равняться скорости распознавания состояний приемником. Эта скорость измеряется в бодах (baud) – количестве изменений состояния линии за одну секунду. В простейшем случае в линии имеется всего два состояния сигнала, т.е. одним состоянием кодируется один бит, и тогда скорость изменения состояния в бодах совпадает со скоростью передачи двоичной информации, определяемой количеством передаваемых за секунду бит информации, bps (bits per second, бит/с)- . RS-232, I2C.

Параллельные интерфейсы - для передачи данных в одном направлении используется несколько линий (8, 16, 24, 32, 64). Примеры параллельных интерфейсов: ISA, ATA, SCSI, PCI, IEEE 1284/Centronics. С понятиемпараллельного интерфейса соседствуют такие понятия, как шина и магистраль. К параллельным интерфейсам можно отнести системную шину, соединяющую микроконтроллер ADuC812 с внешней памятью программ и данных (SRAM) и ПЛИС; интерфейс подключения ЖКИ к ПЛИС.

Шина – совокупность линий, сгруппированных по функциональному назначению (например, шина адреса, шина данных и т.д.).

Магистраль – совокупность всех линий аппаратного интерфейса. Выделяются две магистрали: информационного канала и управления информационным каналом. По информационной магистрали передаются коды адресов, команд, данных, состояния. Аналогичные наименования имеют соответствующие шины интерфейса.

Синхронные интерфейс - Для организации передачи данных с синхронных последовательных интерфейсах, как правило, используется две линии, одна из которых используется для передачи информации, а вторая для синхронизации передачи данныхДля организации передачи данных с синхронных последовательных интерфейсах, как правило, используется две линии, одна из которых используется для передачи информации, а вторая для синхронизации передачи данных. Передающее устройство формирует передаваемое значение по синхросигналу, а принимающее устройство снимает значение с линии данных при изменении синхросигнала, например по его спаду. Главным условием передачи информации по параллельным синхронным интерфейсам является условие, что время передачи сигнала не может превышать половины периода синхронизации.Если устройство вырабатывает сигнал синхронизации и передает или принимает данные, то такое устройство называется ведущим или “master”, все остальные устройства являются ведомыми или “slave”.В качестве ведущего устройства, как правило, выступает микроконтроллер, который вырабатывает синхросигнал и инициирует прием или передачу данных. Ведомыми устройствами могут быть разнообразные датчики, устройства хранения данных, а так же другие микроконтроллеры..

Основные достоинства: Потенциально, синхронный обмен – самый быстрый из всех рассматриваемых в данном разделе; Синхронный обмен требует минимум аппаратного обеспечения.

Асинхронный обмен с программной проверкой готовности предполагает возможность программно оценить степень готовности элемента СВВ, к которым происходит взаимодействие. Обычно для этих целей служит программно доступный (через порт) регистр состояния устройства. Перед тем, как передать данные устройству или забрать их из него, программа имеет возможность определить, готово ли само устройство к этой операции, прочитав значение из порта состояния.

Контроллер последовательного канала (UART) «по опросу»: перед тем, как прочитать данные из порта данных контроллера, необходимо проверить, являются ли эти данные результатом приема посылки и не забирались ли они программой ранее. Т.е. необходимо проверить данные на достоверность. Перед тем же, как записывать данные для передачи в буфер контроллера, необходимо убедиться, что в буфере есть место, т.е. что запись новых данных в буфер не приведет к уничтожению ранее помещенных и еще не переданных данных.

Интерфейсная система - это совокупность нескольких интерфейсов, обладающих различной функциональностью и объединенных в рамках единой архитектуры. Главное преимущество таких систем – концептуальная целостность, позволяющая строить сложные компьютерные системы в рамках некоего отлаженного и единого для разных разработчиков шаблона.

Примером современной интерфейсной системы можно назвать систему AMBA, объединяющую в себе внутрисистемный, системный и периферийный интерфейсы, Еще одним хорошим примером интерфейсной системы является Multibus

фирмы Intel Corp., состоящая из системной шины (Multibus System Bus)

Порты ввода-вывода. Адресное пространство портов ввода-вывода: единое с оперативной памятью и раздельное. Дискретные однонаправленные, двунаправленные и с альтернативной функцией порты ввода-вывода. Примеры. Порты ввода-вывода микроконтроллера ADuC812.

Порт ввода-вывода – это логическая адресуемая единица системы ввода-вывода, которая характеризуется, следующими признаками: адресом, форматом данных, пересылаемых через него (под форматом данных подразумевается как их разрядность, так и положение значащих разрядов), набором допустимых с ним операций (чтение, запись, или и то, и другое).

Адресное пространство портов ввода-вывода: единое с оперативной памятью и раздельное.

При программном взаимодействии совокупность портов нумеруется и представляет собой адресное пространство (т.е. к каждому порту доступ осуществляется по его адресу). Это адресное пространство может быть отдельным, а может входить в другое адресное пространство (например, пространство адресов ячеек памяти).

Дискретные однонаправленные, двунаправленные и с альтернативной функцией порты ввода-вывода.

Однонаправленные порты, предназначенные только для ввода (входные порты, порты ввода) или только для вывода (выходные порты, порты вывода).

Двунаправленные порты - направление передачи определяется в процессе программно управляемой настройки схемы.

Порты с альтернативной функцией. Отдельные линии этих портов связаны со встроенными периферийными устройствами, такими, как таймер, контроллеры последовательных приемопередатчиков. Если соответствующий периферийный модуль не задействован, то линии можно использовать как обычные порты, если модуль активизирован, то связанные с ним линии автоматически или «вручную» (программно) конфигурируются в соответствии с функциональным назначением и не могут быть использованы в качестве универсальных портов ввода-вывода. В некоторых случаях порты могут использоваться только для связи с периферийным модулем (например, входы АЦП в некоторых процессорах).