Микропроцессоры и микроконтроллеры

Функціональна класифікація мікропроцесорів

Загальна функціональна класифікація мікропроцесорних засобів показано на мал. 1.1.

Мікропроцесори з апаратним принципом управління характеризуються фіксованого розрядність шин адреси і даних і незмінною системою команд. Остання характеристика означає, що набір можливих елементарних дій процесора утворює кінцеве фіксоване безліч, причому кожному дії відповідає конкретний керуючий код - код команди. Вказане властивість визначається тим, що до складу процесора входить блок дешіфраціі команд , функціонуючий з жорсткої апаратної логіці.

мікропроцесорний комплект (МПК) - набір НВІС і ВІС із загальними конструктивно-технологічними принципами і електричними характеристиками (рівні сигналів, швидкодія), призначених для побудови функціонально повнофункціональної мікропроцесорної системи (МПС) < /strong> для задач обчислень або управління. До складу МПК входять власне центральний процесор (ЦП), або мікропроцесор, арифметичний сопроцессор - засіб ефективної реалізації обчислювальних дій під керуванням ЦП, а також контролери периферійних функцій з програмної настройкою режимів: порти паралельної і послідовної зв'язку, < strong> таймери - засоби реалізації часових інтервалів, контролери переривань та прямого доступу до пам'яті. Мікросхеми ПЗУ і ОЗУ не входять до складу МПК і утворюють самостійні функціональні групи.

Рис. 1.1. Функціональна класифікація мікропроцесорних коштів

Універсальні мікропроцесори орієнтовані на використання в різних обчислювальних, інформаційних та керуючих системах, в яких вимагається обробка великих обсягів інформації (наприклад, для цифрової обробки зображень, управління базами даних, візуалізації даних оператора або екіпажу), але немає спеціальних вимог до архітектури обчислювача, великій кількості коштів УСО, габаритним розмірами і енергоспоживання. Універсальність мікропроцесора увазі як широку сферу використання, так і типову структуру обчислювальної системи. Для таких пристроїв зазвичай реалізується архітектура фон Неймана, і рідше Гарвардській архітектура. Типова структура універсального мікропроцесора показана на ріс.1.2 (К1).

Універсальні мікропроцесори не є самодостатніми пристроями, і для побудови обчислювальної системи вимагають підключення ряду додаткових мікросхем (пам'ять, контролери, порти). Тому зазвичай для конкретного універсального МП розроблений т.зв. мікропроцесорний комплект, який містить різні буферні елементи і контролери, функціонально і електрично сумісні з цією моделлю МП (chipset).

Рис. 1.2. Типова структура універсального мікропроцесора.

Однокристальний мікроконтроллер (МК) являє собою мікропроцесорних систем, реалізовану на одному кристалі НВІС. Типова архітектура МК включає в себе власне процесор, генератор тактовим імпульсів (ГТВ), блоки пам'яті (ОЗУ і ПЗУ), порти вводу-виводу, таймери, контролер переривань. Функціональні можливості цих блоків нижче, ніж у відповідних спеціалізованих ВІС з МПК. Основними достоїнствами МК є конструктивне і схемотехнічне єдність всіх блоків, загальний електричний інтерфейс, зручність програмної установки режимів роботи всіх підсистем. Завдяки цьому мікроконтролери є популярним засобом для побудови вбудованих цифрових керуючих систем. Самі Однокристальний мікроконтролери й обчислювально-керуючі системи на їх основі реалізовані відповідно до Гарвардської архітектурою.

МК для задач логічного управління - логічні процесори - мають спеціальні апаратні розширення (пам'ять з бітової адресацією, порти з індивідуальною настройкою кожній лінії) і розширений набір команд логічної обробки даних. У сучасних розробках широке застосування знайшли МК серії К1816 (аналог Intel MCS-51), а також AVR - і PIC-контролери. Існують також численні розширення стандартного MCS-51 - з підвищеним швидкодією, збільшення обсягу пам'яті і набором функцій. Типова структура МК для задач логічного керування показана на ріс.1.3 (К2).

Рис. 1.3. Типова структура мікроконтролера для логічного керування.

Аналогові процесори для обробки сигналів-включають в себе, крім типових блоків МК, включають в себе багатоканальні АЦП і ЦАП, блоки формування керуючих імпульсів (наприклад, шим-імпульсів). Такий процесор представляє собою інтегровану систему обробки аналогової інформації в цифровому вигляді.

Ще один різновид МК - конвеєрні сигнальні процесори, містять конвеєри для реалізації алгоритмів цифрової фільтрації даних і обробки зображень. Такі алгоритми складаються з послідовності операцій множення і додавання. Конвеєр представляє собою набір однотипних блоків для виконання операцій множення-підсумовування, включених послідовно один за одним. Таким чином, результат виконання операції в одному блоці автоматично є вхідними даними для наступного блоку. Застосування конвеєрної обробки дозволяє видавати на кожному такті роботи системи черговий результат обчислень. Прикладом подібних пристроїв є мікроконтролери Intel MCS-196/296. Приклад структури такого мікропроцесорного пристрою показаний на мал. 1.4.

Приклад найпростішої структури сигнального процесора показано на мал. 1.4. Особливість мікропроцесора даного типу полягає в тому, що до його складу входить блок апаратного множення (MUL), який спільно з арифметикою-логічним пристроєм (ALU) і зсувний регістра (SHIFTER) утворює блок для ефективної реалізації обчислень по алгоритмам цифрової фільтрації даних.

МП з мікропрограмного принципом управління конструктивно виконують у вигляді секцій БІС малої розрядність, що мають засоби для нарощування розрядність оброблюваних даних. Для подібних МП в принципі відсутнє поняття системи команд. Дії процесора на той чи інший керуючий код (лічені з пам'яті код команди) визначаються програмістом шляхом установки спеціального блоку або ВІС - блоку мікропрограмного управління. Таким чином, розробники системи можуть сформувати систему команд, орієнтовану на ефективне вирішення певного кола завдань. Істотним недоліком подібних систем є громіздкість апаратних модулів на їх основі, а також необхідність написання програмного забезпечення буквально в машинних кодах, що ускладнює розробку. В даний час такі секціонірованние МП практично витіснені Однокристальний МП і мікроконтролерів.

Сучасна реалізація ідеї мікропрограмного керування представлена програмованими логічними інтегральними схемами (Плис) . Основу Плис становить матриця елементарних логічних блоків. За рахунок зміни зв'язків між блоками можна побудувати обчислювальний пристрій довільної структури, яка ідеально відповідає конкретної задачі. Проектування структури Плис виконується на спеціальному мовою опису апаратури (VHDL) або за допомогою графічних засобів з наступною генерацією програми формування структури. Як правило, на Плис реалізують нетривіальні алгоритми (нечітка логіка, емуляція апаратури, адаптивне управління).

Рис. 1.4. Типова структура процесора обробки сигналів (без АЦП і ЦАП)