Реферат: Методические указания по микропроцессорным системам

Для подключения разнообразных устройств ввода или вывода данных (а также комбинированных аппаратов ввода-вывода) необходимо привести все их связи и сигналы к стандартному виду, т.е. провести согласование интерфейсов. Для этого используется специальный аппаратурный блок – информационный контроллер (ИК), имеющий стандартный интерфейс со стороны подключения к информационной магистрали и нестандартный интерфейс со стороны устройства ввода-вывода, т.е. являющийся преобразователем интерфейсных сопряжений.

МП, ОЗУ и ПЗУ вместе с УВВ, называется микроЭВМ. МикроЭВМ – это ЭВМ, центральная часть которой в составе процессора, ОЗУ, ПЗУ, информационного контроллера построена на основе БИС. Применение БИС в качестве основных элементных компонентов обеспечивают микроЭВМ такие преимущества перед другими типами ЭВМ, как компактность, надежность, малая материалоемкость, низкие мощность потребления и стоимость. Но магистральная структура микроЭВМ и скоростные ограничения микропроцессора определяют умеренные характеристики производительности микроЭВМ. Это относится к микроЭВМ на основе микропроцессоров на одном или нескольких кристаллах. В микроЭВМ на основе биполярных микропроцессорных секций можно получить высокое быстродействие за счет реализации конвейерной обработки данных и высокоэффективного скоростного управления вычислительным процессом даже при магистральной структуре.

 При использовании микроЭВМ в контуре управления некоторого объекта (процесса) она становится центральной частью системы контроля, управления и вычисления. Для сопряжения с микроЭВМ объект (процесс) должен быть оснащен датчиками состояния и исполнительными механизмами. Датчики выступают как источники вводимой для микроЭВМ информацией, а исполнительные механизмы – как приемники выводимой информации. Для согласования интерфейсов подключение датчиков и исполнительных механизмов в системе осуществляется через блоки сопряжения датчиков и исполнительных механизмов.

На рис.2.1 приведена обобщенная логическая структура микроЭВМ, в которой в качестве всех управляющих блоков и устройств используются программируемые контроллеры (например, контроллер системного пульта управления КСПУ).

Все устройства ввода-вывода управляются контроллерами устройств ввода-вывода (КУВВ) или групповыми контроллерами устройствами ввода-вывода (ГрКУВВ). Оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ) запоминающие устройства управляются с помощью соответствующих контроллеров (КОЗУ и КПЗУ). При такой организации центральный процессор (ЦП) обеспечивает программируемые контроллеры только управляющей информацией высокого уровня, детализируемой контроллерами. Поэтому количество управляющей информации на информационной магистрали системы резко уменьшается, что позволяет увеличить скорость передачи данных. По существу в этой схеме приведена многопроцессорная вычислительная система, в которой  в пределе контроллер имеет те же возможности, что и центральный процессор. Низкая стоимость и высокая надежность БИС позволяют для достижения желаемых параметров ввести распределенное управление и распределенную обработку во всех подсистемах системы, что определяет новые способы организации вычислительных процессов в системах с децентрализованным управлением и обработкой информации.

Рис 2.1. Обобщенная логическая структура микроЭВМ с микропроцессорными контроллерами.

Для включения МП в любую МПС необходимо установить единые принципы и средства его сопряжения с остальными устройствами системы, т.е. создать унифицированный интерфейс.

Унифицированный интерфейс – совокупность правил, устанавливающих единые принципы взаимодействия устройств МПС. В состав интерфейса входят аппаратурные средства соединения устройств (разъемы и связи), номенклатура и характер связей, программные средства, описывающие характер сигналов интерфейса и их временную диаграмму, а также описание электрофизических параметров сигналов.

На рис. 2.2 представлена общая схема сопряжения МП с устройствами ввода-вывода УВВ и ОЗУ в микропроцессорной системе.

Рис 2.2. Схема интерфейсных связей микропроцессора

Связь МП с УВВ требует пять групп связей, обеспечиваемых через выводы корпуса МП. По группе шин 1 передается код выбора (адреса) устройства, по шине 2 – сигнал управления считыванием – записи, по шине 3 – сигнал запроса на прерывание, шины 4 и 5 используются для передачи данных от МП к УВВ и от УВВ к МП. Связь МП с ОЗУ также содержит пять групп связей, которые необходимо обеспечить через выводы корпуса МП. По группе шин 6 передается адрес в ОЗУ, шина 7 нужна для управления чтением/записью, по сигналам на шине 8 принимаются команды в МП, а шины 9 и 10 обеспечивают передачу данных из ОЗУ в МП и обратно. 

Совершенствование технологии БИС оказывает влияние на архитектуру МПС: создаются принципиально новые функциональные модули на СБИС, что, в свою очередь, обуславливает изменение в архитектуре систем из микроЭВМ. К преимуществам  этих МПС относятся: невысокая стоимость, эксплуатационная надежность, расширение функциональных возможностей, повышение производительности и, как следствие, расширение класса решаемых задач и областей применения. В результате сформировался новый подход к построению МПС и их архитектур.

Традиционная последовательная обработка информации предполагает последовательную архитектуру МПС. В этом случае говорят, что архитектура МПС является архитектурой типа ОКОД: Один поток Команд предназначается только для обработки  Одного потока Данных (SISD - Simple Instructions Simple Dates).

Наряду с этой появились следующие типы организации вычислительного процесса и, соответственно, следующие типы архитектур МПС:

- магистральные - Много потоков Команд обрабатывают Один поток Данных (МКОД или MISD - Many Instruction Simple Dates);

- ассоциативная и матричная - Один поток Команд обрабатывает Много потоков Данных (ОКМД или SIMD - Simple Instruction Many Dates);

- мультимикропроцессорная - Много потоков Команд обрабатывает Много потоков Данных (МКМД  или MIMD - Many Instruction Many Dates).

На основе организации SIMD и MIMD создан вариант архитектуры МПС типа SMIMD - несколько потоков команд и данных с коммутацией.

Современные МПС условно можно подразделить по назначению на два класса, осуществляющие решение: локальных задач отдельными процессорными  элементами; глобальных задач системой в целом. Локальные задачи, как правило, невелики по объему и могут быть решены с помощью МПС, состоящих из отдельных микроЭВМ. Глобальные задачи достаточно сложны и требуют для решения МПС высокой производительности.

Выбор эффективных способов взаимосвязи микроЭВМ в МПС относится к актуальным проблемам теории построения систем обработки данных. При этом выбираются не связи между микроЭВМ, а между реализуемыми программами. Кроме этого на каждую микроЭВМ в системе с распределенными функциями возлагается управление вводом-выводом и межпроцессорным обменом.   

Все возможные способы межпроцессорного обмена в распределенных МПС можно реализовать с помощью следующих основных методов: метод общей шины, метод переключающей матрицы и метод иерархии.

В первом случае через одну шину данных выполняется несколько команд всех микроЭВМ, ЗУ и периферийных устройств (см. рис. 2.3).

Рис. 2.3. Метод общей шины

Во втором случае (см. рис. 2.4)  переключающая коммутирующая матрица соединяет любую микроЭВМ системы с любым ЗУ и периферийным устройством с помощью специальной программы коммутации.

Рис. 2.4. Метод коммутирующей матрицы

В иерархической структуре (см. рис.2.5) управляющая микроЭВМ (УµЭВМ) организует опрос микроЭВМ (µЭВМ) нижних уровней и выдачу им команд данных.

Рис. 2.5. Метод иерархии

Обмен данными между микроЭВМ системы может быть регулярным и  нерегулярным. В первом случае функционирование МПС можно расписать по времени и применить метод разделения, при котором период работы каждого канала разбивается на интервалы времени, закрепленные за каждой микроЭВМ системы. При нерегулярном информационном обмене во избежание прерывания работы микроЭВМ используют общее для всех микроЭВМ ЗУ, связанное также с устройством управления каналами, которое при наличии свободного канала закрепляет его за микроЭВМ и извещает ее об этом.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение микроЭВМ, укажите назначение и состав ее основных узлов и блоков.

2. Перечислить основные типы архитектур МПС и указать особенности их функционирования.

3. Перечислите способы организации межпроцессорного обмена в распределенных МПС.

Качественные и количественные изменения элементной базы средств ВТ привели к изменению сложившихся принципов их проектирования (таких, как жесткая структура, последовательное центральное управление, линейная организация памяти и отсутствие возможности адаптации структуры ЭВМ к особенностям решаемой задачи).

На смену классическим фоннеймановским принципам организации вычислительных систем пришли идеи проблемной ориентации МПС, параллельной и конвейерной обработки информации, использование табличных методов обработки данных, принципы регулярности и однородности структур МПС; становится реальной возможностью идея создания адаптивно-перестраиваемых систем, а также аппаратная реализация функций программного обеспечения. Поэтому в настоящее время при проектировании вычислительных систем на основе МПС получил применение так называемый принцип «3М»: модульность, магистральность, микропрограммируемость.  

Принцип модульной организации предполагает построение вычислительных и управляющих МПС на основе набора модулей: конструктивно, функционально и электрически законченных вычислительных устройств, позволяющих самостоятельно или в совокупности с другими модулями решать задачи данного класса. Модульный подход при проектировании микроЭВМ и систем позволяет (при реализации как универсальных, так и специализированных модулей) обеспечить создание семейств (рядов) МПС, отличающихся функциональными возможностями и характеристиками, перекрывающими значительный диапазон применений, способствует сокращению затрат на проектирование, а также упрощает наращивание мощности и реконфигурацию систем, отодвигает время морального старения вычислительных средств.

Магистральный способ обмена информацией в отличие от способа организации произвольных связей (по принципу «каждый с каждым») позволяет упорядочить и минимизировать число связей в МПС. Он обеспечивает обмен информацией между функциональными и конструктивными модулями различного уровня с помощью магистралей, объединяющих входные и выходные шины. Различают одно-, двух-, трех- и многомагистральные связи. Необходимо отметить взаимосвязь схемотехнических и структурных решений, которые проявляются при реализации данного способа обмена в виде создания специальных двунаправленных буферных каскадов с тремя устойчивыми состояниями и использовании временного мультиплексирования каналов обмена.

Микропрограммное управление  обеспечивает наибольшую гибкость при организации многофункциональных модулей и позволяет осуществить проблемную ориентацию МПС,  а также использовать в них макрооперации, что эффективнее использования стандартных подпрограмм. Кроме этого, передача управляемых слов в виде зашифрованных кодовых последовательностей соответствует условиям минимизации числа выводов  СБИС и сокращению числа межсоединений в модулях.

Кроме перечисленных выше основных особенностей проектирования МПС, следует отметить принцип регулярности, который предполагает закономерную повторяемость элементов структуры МПС и связей между ними. Применение данного принципа позволяет увеличить интегральную плотность, уменьшить длину связей на кристалле, сократить время топологического и схемотехнического проектирования БИС и СБИС, уменьшить число пересечений и типов функциональных и конструктивных элементов.

При разработке архитектуры МПС (системный этап) необходимо решить следующие задачи:

- дать описание концептуальной структуры функционального поведения системы с позиций учета интересов пользователя при ее построении и организации вычислительного процесса в ней;

- определить структуру, номенклатуру и особенности построения программных и микропрограммных средств;

- описать характеристики внутренней организации потоков данных и управляющей информации;

-  провести  анализ функциональной  структуры и особенности физической реализации устройств системы с позиции сбалансированности программных, микропрограммных и аппаратурных средств.

Основные этапы проектирования МПС приведены на рис. 3.1.

На начальной стадии проектирования МПС может быть описана на одном из следующих концептуальных уровней: “черный ящик”, структурный, программный, логический, схемный.

На уровне “черного ящика” МПС описывается внешними спецификациями, где перечисляются внешние характеристики.

Рис. 3.1. Этапы проектирования МПС

Структурный уровень создается аппаратными компонентами МПС, которая описывается функциями отдельных устройств, их взаимосвязью и информационными потоками.

Программный уровень разделяется на два подуровня (команд процессора и языковый) и МПС интерпретируется как последовательность операторов или команд, вызывающих то или иное действие над некоторой структурой данных.

Логический уровень присущ  исключительно дискретным системам и разделяется на два подуровня: переключательных схем и регистровых пересылок. Первый подуровень образуется вентилями (комбинационные схемы и элементы памяти) и построенными на их основе операторами обработки данных. Второй подуровень характеризуется более высокой степенью абстрагирования и представляет собой описание регистров и передачу данных между ними. Он включает в себя две части: информационную  и управляющую: первая образуется регистрами, операторами и путями передачи данных, вторая обеспечивает зависящие от времени сигналы, инициирующие пересылку данных между регистрами.

Схемный уровень базируется на описании работы элементов дискретных устройств.

В жизненном цикле МПС, как и любой дискретной системы, выделяются три стадии: проектирование, изготовление и эксплуатация. Каждая из стадий подразделяется на несколько фаз,  для которых существуют вероятности возникновения конструктивных или физических неисправностей. Неисправности классифицируют в соответствии с их причинами: физическая, если причиной ее служат дефекты элементов, и субъективная, если ее причиной служат ошибки проектирования.

Субъективные неисправности делят на проектные и интерактивные. Проектные неисправности вызваны недостатками, вносимыми в систему на различных стадиях реализации исходного задания. Интерактивные неисправности возникают в процессе работы по вине обслуживающего персонала (оператора). Результатом проявления неисправности является ошибка, причем  одна неисправность может служить причиной целого ряда ошибок, а одна и та же ошибка может быть вызвана множеством неисправностей.

Существует также понятие дефекта - физическое изменение параметров компонентов системы, выходящих за допустимые пределы. Дефекты называют сбоями, если они носят временный характер, и отказами, если они постоянны. Дефект не может быть обнаружен до тех пор, пока не будут созданы условия для возникновения из-за него неисправности, результат которой должен быть, в свою очередь, передан на выход исследуемого объекта для того, чтобы сделать неисправность наблюдаемой.

Диагностика неисправности – процесс определения причины появления ошибки по результатам тестирования. Отладка – процесс обнаружения ошибок и определения источников их появления по результатам тестирования при проектировании МПС. Средствами отладки являются приборы, комплексы и программы. Иногда под отладкой понимают обнаружение, локализацию и устранения неисправности. Успех отладки зависит от того, как спроектирована система, предусмотрены ли свойства, делающие ее удобной для отладки, а также от средств, используемых для отладки. Для проведения отладки проектируемая МПС должна обладать свойствами управляемости, наблюдаемости и предсказуемости.

Управляемость – свойство системы, при котором ее поведение поддается управлению, т.е. имеется возможность остановить функционирование системы в определенном состоянии и заново запустить систему.

Наблюдаемость – свойство системы, позволяющее проследить за поведением системы, за сменой ее внутренних состояний.

Предсказуемость – свойство системы, позволяющее установить систему в состояние, из которого все последующие состояния могут быть предсказуемы.

МПС по своей сложности, требованиям и функциям могут значительно отличаться эксплуатационными параметрами, объемом программных средств, типом микропроцессорного набора и т.д. В связи с этим процесс проектирования может видоизменяться в зависимости от требований, предъявляемых к системе. Например, процесс проектирования МПС, отличающихся одна от другой содержанием ПЗУ, будет состоять из разработки программ и изготовления ПЗУ. При проектировании многопроцессорных МПС, содержащих несколько типов МПК, необходимо решать вопросы организации памяти, взаимодействия с процессорами, организации обмена между устройствами системы и внешней средой и т.п.

Наиболее типичными этапами проектирования и разработки МПС являются: формализация требований к системе; разработка структуры и архитектуры МПС; разработка и изготовление аппаратурных средств и программного обеспечения системы; комплексная отладка и приемосдаточные испытания.

Процесс проектирования – итерационный процесс. Неисправности, обнаруженные на этапе приемосдаточных испытаний, могут привести к коррекции спецификации, а следовательно, к началу проектирования всей системы. Обнаруживать неисправности необходимо как можно раньше; для этого надо контролировать корректность проекта на каждом этапе разработки. Существуют следующие методы контроля правильности проектирования: верификация (формальные методы доказательства корректности проекта); моделирование; тестирование.

В последнее время появилось много работ по верификации программного обеспечения, микропрограмм, аппаратуры. Однако эти работы пока носят теоретический характер. Поэтому на практике чаще используют моделирование поведения объекта и тестирование на различных уровнях абстрактного представления системы.

На этапе формализации требований  к системе контроль корректности проекта особо необходим, поскольку  многие цели проектирования не формализуются или  не могут быть формализованы в принципе. Функциональная спецификация может анализироваться коллективом экспертов или моделироваться и проверяться в опытном порядке для выявления достижения желаемых целей. После утверждения функциональной спецификации начинается разработка  тестовых программ, предназначенных для установления правильности работы системы в соответствии с ее спецификацией. В идеальном случае разрабатываются тесты, целиком основанные на этой спецификации и дающие возможность проверки любой реализации системы, которая объявляется способной выполнять функции, оговоренные в спецификации. Этот способ – полная противоположность другим, где тесты строятся применительно к конкретным реализациям. Однако на практике разработке тестов часто присваивают более низкий приоритет по сравнению с проектом, поэтому тестовые программы появляются значительно позже его завершения.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6