Модуль 1
Аппаратные средства встроенных систем
В учебном пособии рассматривается класс встроенных систем, разрабатываемых для выполнения функций устройств управления в системах управления. На рис. 2 приведена структура аппаратных средств систем управления.
Рис.2. Структура аппаратных средств систем управления
Сигналы о состоянии объекта управления поступает во встроенную систему в общем случае через аналоговые датчики. Преобразование этих сигналов в цифровую форму выполняет узел аналого-цифрового преобразования (АЦП или ADC), в состав которого входит устройство выборки-хранения (УВХ). Узел обработки информации в соответствии с целевой функцией формирует сигналы для устройства отображения информации и для воздействия на объект управления через узел цифро-аналогового преобразования (ЦАП или DAC) и исполнительные механизмы (в общем случае аналоговые устройства).
Узел обработки информации является основным элементом встроенных систем. Наиболее важное ограничение для него – это мощность, уменьшение потребления которой приводит к уменьшению размеров источника питания, регулятора напряжения, системы охлаждения и уменьшению потребления энергии. Уменьшение потребления энергии важно для мобильных устройств, т.к. технологии производства батарей совершенствуются очень медленно и, следовательно, стоимость энергии остается высокой. Также уменьшение потребления энергии уменьшает требования к охлаждению и увеличивает надежность (время жизни электронных устройств уменьшается при повышении температуры).
Узлы обработки информации могут быть реализованы с помощью специализированных схем, микропроцессорных систем и программируемой логики.
Для реализации задач, требующих высокой производительности и большого рынка сбыта могут быть разработаны специализированные схемы (Application-Specific Circuits – ASICs) или по-другому полностью заказные СБИС. Однако стоимость разработки и изготовления таких кристаллов может быть очень большой. Например, стоимость комплекта масок для формирования топологии на кристалле может достигать 100000 – 1000000 долларов. Остается фактом экспоненциальный рост в последние годы стоимости комплекта масок. Кроме того этот подход имеет длительный период проектирования при отсутствии гибкости: корректировка ошибок проекта обычно требует нового комплекта масок и нового запуска производства.
Следовательно, специализированные схемы подходят, только если требуется максимальная энергетическая эффективность и большое количество таких устройств. По этой причине они не рассматриваются в учебном пособии.
Организация аппаратных средств встроенных
микропроцессорных систем
Под микропроцессорной системой (МПС или MPS) будем понимать функционально законченное изделие, содержащее хотя бы один процессор (часто говорят центральный процессорный узел ЦПУ или CPU), реализованный в виде БИС или СБИС. На рис.3 приведена структурная схема простой MPS. Эта схема является частью понятия организации MPS, которое включает состав программно-аппаратных средств, связи между ними и их функциональные характеристики. Кроме CPU простая MPS содержит основную память (ОП или Main Memory – MM) для хранения программ и данных, устройства ввода-вывода (УВВ или I/O), связывающие MPS с внешним миром и магистраль (М или System Bus – SB), объединяющую эти три компонента в единое целое. Основная память в общем случае включает в себя два типа устройств: оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).
Рис.3. Структурная схема простой микропроцессорной системы
CPU считывает из MM команды, образующие программу, декодирует их. Команда – это элементарное действие, которое определяется типом используемых данных, источником их получения, операцией над ними, приемником результата, а также источником получения следующей команды. По результату декодирования ПУ выполняет выборку данных из MM или I/O, выполняет их обработку и пересылает результат обратно в MM или I/O – программно-управляемый обмен. Передача данных между MM и I/O, минуя CPU, выполняется по каналу прямого доступа в память.
С точки зрения CPU MM и I/O представляют собой линейно упорядоченный набор байт со своими номерами (адресами). Диапазон значений адресов памяти, которые может сформировать CPU для передачи по магистрали, называют логическим (линейным или исполнительным) адресным пространством. Диапазон адресов, реализованных в MM и I/O, называют физическим адресным пространством.
Для хранения программ и данных может использоваться одно пространство памяти. Такая организация получила название архитектуры Дж. фон Неймана – кодирование программ в формате, соответствующем формату данных. Программы и данные хранятся в едином пространстве, и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти.
Для хранения программ и данных может использоваться одно пространство для хранения программ, а другое для хранения данных.Такая организация получила название архитектуры Гарвардской лаборатории. Память программ и память данных разделены и имеют свои собственные адресные пространства и способы доступа к ним.
На рис.4 приведена обобщенная структурная схема CPU. Узел интерфейса (УИ) обеспечивает доступ к магистрали MPS.
Рис.4. Структурная схема процессора
Кэш память предназначена для улучшения взаимодействия основной памяти и процессорного ядра.
Узел управления памятью (УУП или MMU) в общем случае предназначен для организации виртуального адресного пространства.
Узел загрузки/сохранения (УЗС) выполняет команды загрузки и сохранения данных, обеспечивая пересылки данных между регистрами и памятью.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет операции целочисленной арифметики и логические операции над данными из внешней памяти или узла регистров (УР), а узел арифметики с плавающей запятой (УПЗ) выполняет операции над данными, представленными в одноименном формате.
Узел регистровпредназначен для хранения данных и адресов внешней памяти процессора.
Среди регистров CPU выделяется счетчик команд (РС – Program Counter), находящийся в УВК и указывающий на адрес команды, которую необходимо выполнить. В УВК находится также регистр команд (IR – Instruction Register), содержащий команду, выполняемую в данный момент.
CPU выполняет каждую команду за несколько шагов:
1. Вызывает следующую команду из памяти и переносит ее в регистр команд.
2. Меняет содержимое счетчика команд, который теперь указывает на следующую команду.
3. Определяет тип выбранной команды.
4. Если команда использует слово из памяти, определяет, где находится это слово.
5. Передает слово, если это необходимо, в регистр CPU.
6. Выполняет команду.
7. Переходит к шагу 1 для выполнения следующей команды.
Такую последовательность шагов называют выборка-декодирование-исполнение.