Основы микропроцессорной техники

Раздел 1. Фиософия микропроцессорной техники

1.4. Архитектура микропроцессорных систем

До сих пор мы рассматривали только один тип архитектуры микропроцессорных систем - архитектуру с общей, единой шиной для данных и команд (одношинну или Принстонский, фон-нейманивську архитектуре). Соответственно, в составе системы в этом случае присутствует одна общая память, как для данных, так и для команд (Рис. 1.15).

Рис. 1.15. Архитектура с общей шиной данных и команд.

Но существует также и альтернативный тип архитектуры микропроцессорной системы - это архитектура с раздельными шинами данных и команд (двохшинна или гарвардская архитектура). Эта архитектура предполагает наличие в системе отдельной памяти для данных и отдельной памяти для команд (Рис. 1.16). Обмен процессора с каждым из двух типов памяти происходит по своей шине.

Архитектура с общей шиной распространена гораздо больше, она применяется, например, в персональных компьютерах и в сложных микрокомпьютерах. Архитектура с раздельными шинами применяется, в основном, в однокристальных микроконтроллерах.

Рассмотрим некоторые преимущества и недостатки обоих архитектурных решений.

Архитектура с общей шиной (Принстонский, фон-нейманивська) является простой, она не требует от процессора одновременного обслуживания двух шин, контроля обмена двумя шинами сразу. Наличие единой памяти данных и команд позволяет гибко распределять ее объем между кодами данных и команд. Например, в некоторых случаях требуется большая и сложная программа, а данных в памяти надо хранить не слишком много. В других случаях, наоборот, программа проста, но необходимы большие объемы хранимых данных. Перераспределение памяти не вызывает никаких проблем, главное - чтобы программа и данные вместе помещались в памяти системы. Как правило, в системах с такой архитектурой память бывает достаточно большого объема (до десятков и сотен мегабайт). Это позволяет решать самые сложные задачи.

Рис. 1.16. Архитектура с раздельными шинами данных и команд.

Архитектура с раздельными шинами данных и команд сложнее, она заставляет процессор работать одновременно с двумя поток ами кодов, обслуживать обмен двумя шинами одновременно. Программа может размещаться только в памяти команд, данные - только в памяти данных. Такая узкая специализация ограничивает круг задач, которые решаются системой, так как не дает возможности гибкого перераспределения памяти. Память данных и память команд в этом случае имеют сравнительно небольшой объем, поэтому применение систем с данной архитектурой ограничивается преимущественно не слишком сложными задачами.

В чем же преимущество архитектуры с двумя шинами (гарвардской)? В первую очередь, в быстродействии.

Дело в том, что при единой шине команд и данных процессор вынужден по одной этой шине принимать данные (из памяти или устройства ввода / вывода) и передавать данные (в память или в устройство ввода / вывода), а также читать команды из памяти. Естественно, одновременно эти пересылки кодов магистралями происходить не могут, они должны проходить поочередно. Современные процессоры способны объединить во времени выполнения команд и проведения циклов обмена системной шиной. Использование конвейерных технологий и быстрой кэш-памяти позволяет им ускорить процесс взаимодействия со сравнительно медленной системной памятью. Повышение тактовой частоты и усовершенствования структуры процессоров позволяют сократить время выполнения команд. Но дальнейшее увеличение быстродействия системы возможно только при сочетании пересылки данных и чтения команд, т.е. при переходе к архитектуре с двумя шинами.

В случае двохшиннои архитектуры обмен обеими шинами может быть независимым, параллельным во времени. Соответственно, структуры шин (количество разрядов кода адреса и кода данных, порядок и скорость обмена информацией и т.д.) могут быть выбраны оптимально для той задачи, которая выполняется каждой шиной. Поэтому при прочих равных условиях переход на двохшинну архитектуру ускоряет работу микропроцессорной системы, хотя и требует дополнительных затрат на аппаратуру, усложнение структуры процессора. Память данных в этом случае имеет свой распределение адресов, а память команд - свой.

Проще преимущества двохшиннои архитектуры реализуются внутри одной микросхемы. В этом случае можно также существенно уменьшить влияние недостатков этой архитектуры. Поэтому основное ее применение - в микроконтроллерах, от которых не нужно решение очень сложных задач, но зато необходима максимальная производительность при заданной тактовой частоте.

1.5. Типы микропроцессорных систем

Диапазон применения микропроцессорной техники сейчас очень широк, требования к микропроцессорных систем предъявляются самые разные. Поэтому сформировалось несколько типов микропроцессорных систем, отличающихся мощностью, универсальностью, быстродействием и структурными различиями. Основные типы следующие:

• микроконтроллеры - самый простой тип микропроцессорных систем, в которых все или большинство узлов системы выполнены в виде одной микросхемы;
• контроллеры - управляющие микропроцессорные системы, выполненные в виде отдельных модулей;
• микрокомпьютеры - мощные микропроцессорные системы с развитыми средствами сопряжения с внешними устройствами.
• компьютеры (в том числе персональные) - самые мощные и самая универсальная микропроцессорные системы.

Четкую границу между этими типами иногда провести достаточно сложно. Быстродействие всех типов микропроцессоров постоянно растет, и нередки случаи, когда новый микроконтрол� �ер оказывается быстрее, например, персонального компьютера, который устарел. Но некоторые принципиальные различия все же существуют.

Микроконтроллеры являются универсальными устройствами, которые практически всегда используются не сами по себе, а в составе более сложных устройств, в том числе и контроллеров. Системная шина микроконтроллера скрыта от пользователя внутри микросхемы. Возможности подключения внешних устройств к микроконтроллера ограничены. Устройства на микроконтроллерах обычно предназначены для решения одной задачи.

Контроллеры, как правило, создаются для решения какой-то отдельной задачи или группы близких задач. Они обычно не имеют возможностей подключения дополнительных узлов и устройств, например, великой памяти, средств ввода / вывода. Их системная шина зачастую недоступна пользователю. Структура контроллера проста и оптимизирована под максимальное быстродействие. В большинстве случаев выполняемые программы хранятся в постоянной памяти и не изменяются. Конструктивно контроллеры выпускаются в одноплатный варианте.

Микрокомпьютеры отличаются от контроллеров более открытой структурой, они допускают подключение к системной шины нескольких дополнительных устройств. Производятся микрокомпьютеры в каркасе, корпусе с разъемом системной магистрали, доступными пользователю. Микрокомпьютеры могут иметь средства хранения информации на магнитных носителях (например, магнитные диски) и достаточно развиты средства связи с пользователем (видеомонитор, клавиатура). Микрокомпьютеры рассчитаны на широкий круг задач, но в отличие от контроллеров, к каждой новой задачи его надо приспосабливать заново. Выполняемые микрокомпьютером программы можно легко изменять.

Наконец, компьютеры и самые распространенные из них - персональные компьютеры - это самые универсальные с микропроцессорных систем. Они обязательно предусматривают возможность модернизации, а также широкие возможности подключения новых устройств. Их системная шина обычно доступна пользователю. Кроме того, внешние устройства могут подключаться к компьютеру через несколько встроенных портов связи (количество портов доходит иногда до 10). Компьютер всегда сильно развиты средства связи с пользователем, средства длительного хранения информации большого объема, средства связи с другими компьютерами информационными сетями. Области применения компьютеров могут быть самыми разными: математические расчеты, обслуживание доступа к базам данных, управления работой сложных электронных систем, компьютерные игры, подготовка документов и т.д.

Любую задачу, в принципе, можно выполнить с помощью каждого из перечисленных типов микропроцессорных систем. Но при выборе типа следует по возможности избегать излишеств и предусматривать необходимую для данной задачи гибкость системы.

В настоящее время при разработке новых микропроцессорных систем чаще всего выбирают путь использования микроконтроллеров (примерно в 80% случаев). При этом микроконтроллеры применяются или самостоятельно, с минимальной дополнительной аппаратурой, или в составе более сложных контроллеров с развитыми средствами ввода / вывода.

Классические микропроцессорные системы на базе микросхем процессоров и микропроцессорных комплектов выпускаются сейчас довольно редко, в первую очередь, из-за сложности процесса разработки и отладки этих систем. Данный тип микропроцессорных систем выбирают, в основном, тогда, когда микроконтроллеры не могут обеспечить необходимых характеристик.

Наконец, заметное место занимают сейчас микропроцессорные системы на основе персонального компьютера. Производителю в этом случае нужно только оснастить персональный компьютер дополнительными устройствами сообщения, а ядро микропроцессорной системы уже является готовым. Персональный компьютер имеет развитые средства программирования, что существенно упрощает задачу производителя. К тому же он может обеспечить самые сложные алгоритмы обработки информации. Основные недостатки персонального компьютера - большие размеры корпуса и аппаратурно избыточность для простых задач. Недостатком является и неприспособленность большинстве персональных компьютеров к работе в сложных условиях (запыленность, высокая влажность, вибрации, высокие температуры и т.д.). Однако выпускаются и специальные персональные компьютеры, которые приспособлены к различным условиям эксплуатации.