Микропроцессорная техника: характеристики, функции и применение

За несколько десятков лет развития микропроцессор проделал путь от объекта применения в узкоспециализированных областях к товару широкой эксплуатации. Сегодня в том или ином виде данные устройства вместе с контроллерами применяются практически в любой сфере производства. В широком смысле микропроцессорная техника обеспечивает процессы управления и автоматизации, но в рамках этого направления формируются и утверждаются все новые области развития высокотехнологичных устройств вплоть до появления признаков искусственного интеллекта.

Общее представление о микропроцессорах

Для управления или контроля определенными процессами требуется соответствующая поддержка программного обеспечения на реальной технической базе. В этом качестве выступает одна или набор микросхем на базовых матричных кристаллах. Для практических нужд почти всегда используются модули chip-set, то есть наборы микросхем, которые связаны общей системой питания, сигналами, форматами информационной обработки и так далее. В научной интерпретации, как отмечается в теоретических основах микропроцессорной техники, такие устройства представляют собой место (основная память) для хранения операндов и команд в закодированном виде. Непосредственное управление реализуется на более высоком уровне, но также через интегральные схемы микропроцессора. Для этого используют контроллеры.

Говорить о контроллерах можно только применительно к микрокомпьютерам или микро-ЭВМ, состоящим из микропроцессоров. Собственно, это и есть рабочая техника, в принципе способная выполнять те или иные операции или команды в рамках заданного алгоритма. Как отмечается в учебнике по микропроцессорной технике Ливенцова С. Н., под микроконтроллером следует понимать компьютер, ориентированный на выполнение логических операций в рамках управления оборудованием. Он базируется на тех же схемах, но с ограниченным вычислительным ресурсом. Задача микроконтроллера в большей степени заключается в реализации ответственных, но простых процедур без сложных схем. Впрочем, технологически примитивными такие устройства тоже нельзя назвать, так как на современных производствах микроконтроллеры могут одновременно управлять сотнями и даже тысячами операций одновременно, учитывая и косвенные параметры их выполнения. В целом логическая структура микроконтроллера проектируется с расчетом на мощность, универсальность и надежность.

Классификации микропроцессоров

Даже в простейших конфигурациях исполнения МП имеют множество технико-эксплуатационных параметров, по которым можно устанавливать классификационные признаки. Для обоснования основных уровней классификации обычно выделяют три функциональных системы – операционную, интерфейсную и управляющую. В каждой из этих рабочих частей также предусматривается целый ряд параметров и отличительных признаков, определяющих характер эксплуатации устройства.

Вам будет интересно:FM-антенна для музыкального центра: характеристики, советы по выбору

С точки зрения типовой структуры микропроцессоров классификация в первую очередь будет разделять устройства на многокристальные и однокристальные модели. Первые характеризуются тем, что их рабочие блоки могут функционировать в автономном режиме и выполнять заранее определенные команды. И в данном примере будут ярко выражены МП, в которых акцент делается на операционной функции. Такие процессоры ориентируются на обработку данных. В этой же группе, к примеру, трехкристальные микропроцессоры могут быть управляющими и интерфейсными. Это не значит, что операционная функция в них отсутствует, но в целях оптимизации большая часть коммуникационных и мощностных ресурсов отводится задачам генерации микрокоманд или возможностям взаимодействия с периферийными системами.

Что касается однокристальных МП, то они разрабатываются с фиксированным набором команд и компактным размещением всех аппаратных средств на одном ядре. С точки зрения функциональности структура однокристального микропроцессора достаточно ограничена, хотя и более надежна, чем сегментные конфигурации многокристальных аналогов.

Еще одна немаловажная классификация относится к интерфейсному исполнению микропроцессоров. Речь идет о способах обработке входных сигналов, которые и в наши дни продолжают делиться на цифровые и аналоговые. Хотя сами процессоры являются цифровыми устройствами, в некоторых случаях использование аналоговых потоков себя оправдывает по цене и надежности. Для конвертации, впрочем, должны использоваться специальные преобразователи, которые вносят свой вклад в энергетическую нагрузку и конструкционную наполненность рабочей платформы. Аналоговые МП (как правило, однокристальные) выполняют задачи стандартных аналоговых систем – например, производят модуляцию, генерируют колебания, кодирование и декодирование сигнала.

По принципу временной организации функционирования МП делят на синхронные и асинхронные. Разница заключается в характере подачи сигнала к началу новой операции. Например, в случае с синхронным устройством такие команды подают управляющие модули независимо от исполнения текущих операций. В случае с асинхронными МП аналогичный сигнал может подаваться автоматически по факту завершения предыдущей операции. Для этого в логической структуре микропроцессора асинхронного типа предусматривается электронная цепь, обеспечивающая работу отдельных компонентов в автономном режиме при необходимости. Сложность реализации такого способа организации работы МП связана с тем, что не всегда в момент завершения одной операции бывает достаточно тех или иных ресурсов для начала следующей. Память процессора обычно используется как звено, управляющее приоритетами в самом выборе последующих операций.

Архитектура

Разработчики микропроцессорных устройств имеют дело с набором функциональных компонентов, которые в итоге образуют единый рабочий комплекс. Даже простая модель микрокомпьютера предусматривает использование целого ряда элементов, обеспечивающих выполнение поставленных перед машиной задач. Способ взаимодействия между этими компонентами, а также средства коммуникации с входными и выходными сигналами во многом и определяют архитектуру микропроцессора. Что касается самого понятия архитектуры, то оно выражается разными определениями. Это может быть набор технико-физических и эксплуатационных параметров, среди которых число регистров памяти, разрядность, быстродействие и так далее. Но, в соответствии с теоретическими основами микропроцессорной техники, под архитектурой в данном случае следует понимать логическую организацию функций, реализуемых в процессе взаимосвязанной работы аппаратной и программной начинки. Более конкретно архитектура микропроцессора отражает следующее:

• Совокупность физических элементов, которые образуют микропроцессор, а также связи между его функциональными блоками.
• Форматы и способы предоставления информации.
• Каналы обращения к доступным для использования модулям структуры с параметрами их дальнейшего применения.
• Операции, которые может выполнять конкретный микропроцессор.
• Характеристики управляющих команд, которые вырабатывает или принимает устройство.
• Реакции на сигналы извне.

Общие сведения о структуре микропроцессоров

В данном случае под структурой следует понимать не только набор компонентов рабочей системы, но и средства соединения между ними, а также устройства, обеспечивающие их взаимодействие. Как и в функциональной классификации, содержание структуры можно выразить через три оставляющих – операционное наполнение, средства коммуникации с шиной и управляющую инфраструктуру.

Устройство операционной части определяет характер декодирования команд и обработки данных. В этот комплекс могут входить арифметико-логические функциональные блоки, а также резисторы для временного хранения информации – в том числе о состоянии микропроцессора. В логической структуре предусматривается использование 16-разрядных резисторов, которые выполняют не только логические и арифметические процедуры, но и операции сдвига. Работа регистров может быть организована по разным схемам, определяющим в том числе их доступность программисту. Отдельный регистр отводится для обеспечения функции аккумуляторного блока.

Устройства сопряжения с шиной отвечают за соединения с периферийной аппаратурой. В спектр их задач также входит осуществление выборки данных из памяти и формирование очереди команд. В типовую структуру микропроцессора входит указатель IP-команд, сумматоры адресов, сегментные регистры и буферы, посредством которых обслуживаются связки с шинами адреса.

Управляющее устройство, в свою очередь, формирует управляющие сигналы, выполняет дешифровку команды, а также обеспечивает работу вычислительной системы, отдавая микрокоманды по внутренним операциям МП.

Внешние интерфейсы

Микропроцессор крайне редко рассматривается как изолированная система для выполнения односложных команд в статичном формате. Встречаются устройства, обрабатывающие один сигнал по заданной схеме, но чаще всего микропроцессорная техника работает с большим количеством коммуникационных связей от источников, которые и сами не являются линейными в плане обрабатываемых команд. Для организации взаимодействия со сторонней аппаратурой и источниками данных предусматриваются специальные форматы соединения – интерфейсы. Но для начала следует определить, с чем именно выполняется коммуникация. Как правило, в этом качестве выступают управляемые устройства, то есть на них от микропроцессора подается команда, а в режиме обратной связи могут поступать данные о статусе исполнительного органа.

Что касается внешних интерфейсов, то они служат не просто для возможности взаимодействия определенного исполнительного механизма, но и для его интеграции в структуру управляющего комплекса. Применительно к сложной компьютерной и микропроцессорной технике это может быть целая совокупность аппаратно-программных средств, тесно связанных с контроллером. Более того, микроконтроллеры зачастую и объединяют в себе функции обработки и подачи команд с задачами обеспечения коммуникации между микропроцессорами и внешними устройствами.

Понятие микропроцессора

Вам будет интересно:Mi Drop Xiaomi: что это за приложение и как им пользоваться?

В общем смысле понятие микропроцессора представляется как программно-управляемое устройство или система, базирующаяся на большой интегральной схеме (БИС). С помощью МП выполняются операции обработки данных или же управление системами, обрабатывающими информацию. На первых этапах развития МП базировались на отдельных низкофункциональных микросхемах, в которых присутствовали транзисторы в количестве от нескольких единиц до сотен. Простейшая типовая структура микропроцессора могла содержать группу микросхем, имеющих общие электротехнические, конструкционные и электрические параметры. Такие системы называются микропроцессорным комплектом. Наряду с МП, в одной системе могли также состоять постоянные и оперативные запоминающие устройства, а также контроллеры и интерфейсы для подключения внешней аппаратуры – опять же, по совместимым коммуникациям. В результате развития концепции микроконтроллеров микропроцессорный комплект дополнялся более сложными сервисными устройствами, регистрами, шинными формирователями, таймерами и т. д.

Вам будет интересно:Тюнер — это… ТВ-тюнер для телевизора: обзор, характеристики и отзывы

На сегодняшний день микропроцессор все реже рассматривается как отдельное устройство в контексте практического применения. Функциональная структура и принцип работы микропроцессора уже на этапах проектирования ориентируются на применение в составе вычислительного устройства, предназначенного для выполнения целого ряда задач, связанных с выполнением обработки и управления информацией. Ключевым звеном в процессах организации работы микропроцессорного устройства является контроллер, который обслуживает конфигурацию управления и режимы взаимодействия вычислительного ядра системы с внешней аппаратурой. В качестве промежуточного звена между контроллером и микропроцессором можно рассматривать интегрированный процессор. Его функционал ориентируется на решение вспомогательных задач, не связанных напрямую с назначением основного МП. В частности, это могут быть сетевые и коммуникационные функции, обеспечивающие работу микропроцессорного устройства.

Характеристики микропроцессора

К основным характеристикам микропроцессорных устройств можно отнести следующие:

• Тактовая частота. Временной период, в течение которого происходит переключение компонентов вычислительной машины.
• Разрядность. Число максимально возможных для одновременной обработки двоичных разрядов.
• Архитектура. Конфигурация размещения и способы взаимодействия рабочих элементов микропроцессора.

О характере эксплуатационного процесса можно судить и по критериям регулярности с магистральностью. В первом случае речь идет о том, насколько в конкретной единице вычислительной микропроцессорной техники реализуем принцип закономерной повторяемости. Иными словами, каков условный процент дублирующих друг друга связей и рабочих элементов. Регулярность может применяться и в целом к структуре организации схемы в рамках одной системы обработки данных.

Магистральность же указывает на способ обмена данными между внутренними модулями системы, затрагивая также характер упорядочения связей. Объединяя принципы магистральности и регулярности, можно выработать стратегию создания унифицированных под определенный стандарт микропроцессоров. Такой подход имеет преимущество в виде облегчения коммуникационной организации на разных уровнях в плане взаимодействия через интерфейсы. С другой стороны, стандартизация не позволяет расширять возможности системы и повышать ее устойчивость перед внешними нагрузками.

Компоненты микропроцессора

Большая часть функциональных блоков, а также внешних устройства организуется между собой и центральной микросхемой МП через внутреннюю шину. Можно сказать, это магистральная сеть устройства, обеспечивающая всестороннюю коммуникационную связь. Другое дело, что и шина может иметь в составе разные по функциональному назначению элементы – например, контуры для передачи данных, линии передачи ячеек памяти, а также инфраструктура для записи и считывания информации. Характер взаимодействия между блоками самой шины определяется структурой микропроцессора. К устройствам, входящим в состав МП, помимо шины, можно отнести следующие:

• Арифметико-логическое устройство. Как уже говорилось, данный компонент предназначен для выполнения логических и арифметических операций. Он работает как с числовыми, так и с символьными данными.
• Устройство управления. Отвечает за координацию при взаимодействии разных частей МП. В частности, этот блок генерирует сигналы управления, направляя их к разным модулям устройства машины в определенные моменты времени.
• Микропроцессорная память. Используется для записи, хранения и выдачи информации. Данные могут быть связаны как с рабочими вычислительными операциями, так и с процессами, обслуживающими машину.
• Математический процессор. Применяется как вспомогательный модуль для повышения скорости при выполнении сложных вычислительных операций.

Память в микропроцессорной технике

Хранение информации организуется с помощью специальных запоминающих устройств, выполненных из полупроводников. Это касается внутренней памяти, но также могут применяться внешние оптические и магнитные носители. Также элементы хранения данных на основе полупроводниковых материалов можно представить в качестве интегральных схем, которые включаются в состав микропроцессора. Такие ячейки памяти используются не только для хранения программ, но и для обслуживания памяти центрального процессора с контроллерами.

Если глубже рассматривать структурную основу запоминающих устройств, то на первый план выйдут схемы из металла, диэлектрика и полупроводника из кремния. В качестве диэлектриков используются компоненты из металла, оксида и полупроводника. Уровень интеграции запоминающего устройства определяется целевыми задачами и характеристиками аппаратной части. В цифровой микропроцессорной технике с обеспечением функции видеопамяти к универсальным требованиям надежной интеграции и соответствия электротехническим параметрам также добавляется помехоустойчивость, стабильность работы, быстродействие и так далее. Оптимальным решением с точки зрения критериев быстродействия и универсальности по интеграции являются биполярные цифровые микросхемы, которые в зависимости от текущих задач могут также использоваться в качестве триггера, процессора или инвертора.

Структура команд микропроцессора

Данная структура во многом зависит от общей конфигурации и характера взаимодействия функциональных блоков МП. Однако еще на этапе проектирования системы разработчики закладывают возможности для применения определенного массива операций исходя из которого в дальнейшем формируется и набор команд. К наиболее распространенным функциям команд можно отнести следующие:

• Передача данных. Команда осуществляет операции присваивания значений операндов источника и приемника. В качестве последних могут использоваться регистры или ячейки памяти.
• Ввод-вывод. Через интерфейсные устройства ввода-вывода осуществляется передача данных в порты. В соответствии со структурой микропроцессора и его взаимодействием с периферийными аппаратными и внутренними блоками командами задаются адреса портов.
• Преобразование типов. Определяются форматы и размерные значения используемых операндов.
• Прерывания. Данный тип команд предназначен для управления программных прерываний – например, это может быть остановка функции процессора на фоне начала работы устройств ввода-вывода.
• Организация циклов. Команды изменяют значение регистра ECX, который может использоваться в качестве счетчика при исполнении определенного программного кода.

Вам будет интересно:Германиевые транзисторы: обзор, характеристики, отзывы. Самые музыкальные транзисторы

Как правило, на базовые команды накладываются ограничения, связанные с возможностями оперирования определенными объемами памяти, одновременного управления регистрами и их содержимым.

Функции

Спектр функций в значительной степени основывается на задачах, которые микропроцессор будет решать в рамках того или иного технологического процесса. Универсальный набор функций в обобщенном варианте можно представить так:

• Чтение данных.
• Обработка данных.
• Обмен информацией с внутренней памятью, модулями или внешними подключенными устройствами.
• Запись данных.
• Ввод и вывод данных.

Значение каждой из вышеназванных операций определяется контекстом общей системы, в которой используется устройство. К примеру, в рамках арифметическо-логических операций электронная и микропроцессорная техника в результате обработки входной информации может представлять новую информацию, которая, в свою очередь, станет поводом для того или иного командного сигнала. Также стоит отметить внутренний функционал, за счет которого регулируются рабочие параметры самого процессора, контроллера, питания, исполнительных устройств и прочих модулей, работающих в рамках управляющей системы.

Микропроцессоры общего и специального назначения

Основной сферой применения МП общего назначения являются рабочие станции, персональные компьютеры, серверы и электронные устройства, предназначенные для массового использования. Их функциональная инфраструктура ориентируется на выполнение широкого спектра задач, связанных с обработкой информации. Разработкой таких устройств занимаются компании SPARC, Intel, Motorola, IBM и другие.

Специализированные микропроцессоры, характеристики и структура которых строится на базе мощных контроллеров, реализуют сложные процедуры по обработке и преобразованию цифровых и аналоговых сигналов. Это весьма разнообразный сегмент, в котором представлены тысячи типов конфигураций. К особенностям структуры МП данного типа относят использование одного кристалла в качестве базы для центрального процессора, который, в свою очередь, может быть сопряжен с большим количеством периферийных устройств. В их числе значатся средства ввода/вывода, блоки с таймерами, интерфейсы, аналого-цифровые преобразователи. Также практикуется подключение специализированных устройств наподобие блоков генерации широтно-импульсных сигналов. За счет применения внутренней памяти такие системы имеют небольшое количество вспомогательных компонентов, поддерживающих работу микроконтроллера.

Производители устройств

У истоков создания микропроцессорных устройств стояли инженеры компании Intel, выпустившие целую линейку 8-разрядных микроконтроллеров на платформе MCS-51, которые в некоторых сферах применяются и сегодня. Также многие другие изготовители использовали семейство x51 для собственных проектов уже в рамках развития новых поколений электроники и микропроцессорной техники, в числе представителей которой значатся и отечественные разработки наподобие однокристальной ЭВМ К1816ВЕ51.

Выйдя в сегмент более сложных процессоров, фирма Intel уступила место микроконтроллеров другим компаниям, в числе которых оказались Analog Device и Atmel. Принципиально новый взгляд на архитектуру микропроцессоров предлагают фирмы Zilog, Microchip, NEC и др. На сегодняшний день в контексте развития микропроцессорной техники можно рассматривать линейки x51, AVR и PIC как наиболее успешные. Если же говорить о тенденциях разработки, то в наши дни на первое место выходят требования к расширению спектра задач внутреннего управления, компактности и низкому энергопотреблению. Иными словами, микроконтроллеры становятся меньше и рациональнее с точки зрения обслуживания, но при этом наращивают мощностный потенциал.

Особенности структуры сопроцессора

Даже в рамках выполнения типовых арифметико-логических операций бывает недостаточно мощностей обычного МП. Например, микропроцессор не имеет возможностей для выполнения арифметических команд, предусматривающих использование чисел с плавающей точкой. Для подобных задач применяют сопроцессоры, в структуре которых предусматривается объединение центрального процессора с несколькими МП. При этом сама логика работы устройства не имеет принципиальных отличий от базовых правил построения арифметических микросхем.

В сопроцессорах выполняются типовые команды, но в тесном взаимодействии с центральным модулем. В данной конфигурации предполагается постоянный контроль очередей команд по нескольким линиям. В физической структуре микропроцессора данного типа допускается использование независимого модуля для обеспечения ввода-вывода, особенностью которого является возможность выбора своих команд. Однако для корректной работы такой схемы сопроцессоры должны четко определять источник выбора команд, координируя взаимодействие между модулями.

С концепцией устройства сопроцессора связан и принцип построения обобщенной структуры микропроцессора с сильно связанной конфигурацией. Если в предыдущем случае речь может идти о независимом блоке ввода-вывода с возможностью собственного подбора команд, то сильно связанная конфигурация предполагает включение в структуру независимого процессора, управляющего командными потоками.

Обслуживание техники на базе микропроцессора

В соответствии с нормативными положениями, микропроцессорные системы обслуживаются бригадами рабочих во главе с электромехаником. Среди основных задач техобслуживания в данной сфере можно назвать следующие:

• Фиксация сбоев в процессе работы системы и их анализ с определением причин нарушения.
• Предупреждение отказов устройства и его компонентов за счет назначенного регламентного обслуживания.
• Устранение отказов устройства путем ремонта поврежденных элементов или их замены на исправные аналогичные детали.
• Производство своевременного ремонта компонентов системы.

Непосредственно обслуживание микропроцессорной техники может быть комплексным или мелкооперационным. В первом случае объединяется перечень технических операций независимо от их трудоемкости и уровня сложности. При мелкооперационном подходе акцент делается на индивидуализации каждой операции, то есть отдельные ремонтные или обслуживающие действия производятся в изолированном с точки зрения организации формате в соответствии с технологической картой. Недостатки данного метода связаны с высокими затратами на рабочий процесс, что в рамках масштабной системы может быть экономически неоправданным. С другой стороны, мелкооперационное обслуживание повышает качество технической поддержки аппаратуры, минимизируя риски ее дальнейшего выхода из строя вместе с отдельными компонентами.

Структура управления МП

Система управления МП базируется на управляющем блоке, который связан с несколькими функциональными частями:

• Датчик сигналов. Определяет очередность и параметры импульсов, равномерно распределяя их во времени по шинам. Среди характеристик работы датчиков значится количество тактов и управляющих сигналов, требуемых для выполнения операций.
• Источник сигналов. Одна из функций блока управления в структуре микропроцессора отводится генерации или обработке сигналов – то есть их коммутации в рамках конкретного такта на определенной шине.
• Дешифратор кода операций. Выполняет дешифровку кодов операций, присутствующих в регистре команд на текущий момент. Совместно с определением активной шины данная процедура помогает также формировать последовательность управляющих импульсов.

Немаловажное значение в управляющей инфраструктуре имеет постоянное запоминающее устройство, которое содержит в своих ячейках сигналы, требующиеся для выполнения операций обработки. Для счета команд при обработке данных импульса может применяться узел формирования адреса – это необходимый компонент внутренней структуры микропроцессора, который входит в интерфейсный блок системы и позволяет считывать реквизиты регистров памяти с сигналами в полном объеме.

Применение микропроцессорной техники

Перед широким внедрением микропроцессоров в разных сферах промышленности, бытового и народного хозяйства стоит все меньше барьеров. Это вновь обуславливается оптимизацией данных устройств, их удешевлением и ростом потребности в элементах автоматизации. К областям наиболее распространенного использования таких устройств можно отнести:

• Промышленность. Микропроцессоры используются в управлении рабочими операциями, координации машин, систем контроля и сбора производственных показателей.
• Торговля. В данной сфере эксплуатация микропроцессорной техники связана не только с вычислительными операциями, но и с обслуживанием логистических моделей при управлении товарами, запасами, а также информационными потоками.
• Системы безопасности. Электроника в современных комплексах охраны и сигнализации задает высокие требования к автоматизации и интеллектуальному контролю, что и позволяют обеспечивать микропроцессоры новых поколений.
• Связь. Разумеется, и коммуникационные технологии не могут обходиться без программируемых контролеров, обслуживающих мультиплексоры, дистанционные терминалы и схемы коммутации.

Типы микропроцессорных систем

Тема 1. Общие сведения о микропроцессорах и микропроцессорных системах

Лекция 1.1

Общие сведения о микропроцессорах и микропроцессорных системах

Введение

Дисциплина «Микропроцессорные устройства в радиоэлектронном оборудовании» относится к циклу специальных дисциплин.

Изучается во втором семестре 4го курса в объеме 72 часов. Содержит 38 часов лекционных занятий, 10 – ЛР, 14 – ПЗ, курсовой проект 10 часов и самостоятельная работа.

Экзамен проводиться в 8 семестре (+ обязательная контрольная работа и защита курсового проекта).

В результате изучения дисциплины курсанты должны

ЗНАТЬ:

· арифметические и логические основы вычислительной техники;

· общую структуру и принцип функционирования микропроцессорных систем;

· организацию и режимы работы микропроцессоров и микроконтроллеров;

· элементы программирования микропроцессоров и микроконтроллеров;

· особенности применения микропроцессорных устройств в радиоэлектронном оборудовании;

· основные этапы разработки микропроцессорных систем на основе микроконтроллеров и микропроцессоров.

УМЕТЬ:

· работать с учебной и научно-исследовательской литературой;

· обоснованно выбирать архитектурные и структурные решения микропроцессорных систем;

· рационально распределять выполняемые микропроцессорной системой функции между аппаратурой и программным обеспечением;

· оптимизировать используемые технические средства при построении микропроцессорных устройств.

БЫТЬ ОЗНАКОМЛЕНЫ:

· с тенденциями развития микроконтроллеров, микропроцессоров и микропроцессорных систем;

· с методикой использования литературных источников и справочников по тематике дисциплины.

Порядок проведения и посещения занятий

ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНАЯ:

1. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. – 4-е изд., испр. – М.: Интернет-Университет Информационных Технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 357 с.

2. Безуглов Д.А., Калиенко И.В. Цифровые устройства и микропроцессоры – Ростов н/Д.: Феникс, 2006. – 480 с.

3. Микушин А.В. и др. Цифровые устройства и микропроцессоры. – СПб.: БХВ-Петербург, 2010. 832 с.

4. Корячко В.П. Микропроцессоры и микроЭВМ в радиоэлектронных средствах. Учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 1990. – 407 с.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ:

5. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. Учеб. Пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 800 с.

6. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы: Учебник для техникумов связи. – Горячая линия-Телеком, 2007. – 336 с.

7. Ушкар М. Н. Микропроцессорные устройства в радиоэлектронной аппаратуре/Под ред. Б. Ф. Высоцкого. — М.: Радио и связь, 1988. – 128 с.

8. Полуянов М.И. Бортовые цифровые вычислительные устройства и машины: Методическое пособие и задания на практические занятия. – Мн.: МГВАК, 2009. – 86 с.

9. Полуянов М.И. Бортовые цифровые вычислительные устройства и машины: Лабораторный практикум. – Мн.: МГВАК, 2010. – 55 с.

Применение микропроцессоров и микроЭВМ в радиоэлектронной аппаратуре привело к расширению функциональных возможностей этой аппаратуры, улучшению качества обработки информации, повышению надежности и стабильности функционирования.

Поэтому понятно, что современному радиоинженеру необходимы знания и в области микропроцессорной техники и в программировании радиотехнических задач на языках различных уровней.

Основные понятия

Интегральная микросхема (ИМС) — это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов и кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставки и эксплуатации рассматривается как единое целое.

Самостоятельно: Безуглов Д.А. Цифровые устройства и микропроцессоры. §2.1. Логические микросхемы. Стр. 72-92.

Функциональную сложность ИМС характеризуют степенью интеграции — числом содержащихся в ней элементов и компонентов. Количественную оценку степени интеграции производят по коэффициенту К = lg (N) , где N число элементов и компонентов схемы.

Микропроцессором (МП) называют функционально завершенное программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс цифровой обработки информации и управление этим процессом. Выполняется в виде одной или реже нескольких БИС/СБИС.

Техническая система — совокупность взаимосвязанных разнородных устройств (подсистем), совместно выполняющих заданные функции в условиях взаимодействия с внешней средой. С определенной долей уверенности можно сказать, что каждая система состоит из подсистем и в свою очередь входит в систему более высокого уровня.

Микропроцессорная система (МПС) – функционально и конструктивно законченное изделие, представляющее собой схемно-конструктивное соединение нескольких микросхем, предназначенное для выполнения функций по обработке информации и управлению.

Составными частями МПС являются:

— микропроцессор;

— память;

— устройство ввода-вывода (внешние устройства);

— интерфейсные схемы.

Микропроцессорный комплект – совокупность конструктивно-технологически и электрически совместимых интегральных микросхем, предназначенных для построения МПС с требуемыми техническими характеристиками.

Типы микропроцессорных систем

Диапазон применения микропроцессорной техники сейчас очень широк, требования к микропроцессорным системам предъявляются самые разные. Поэтому сформировалось несколько типов микропроцессорных систем,

различающихся мощностью, универсальностью, быстродействием и структурными отличиями.

Условно можно выделить следующие типы:

· микроконтроллеры— наиболее 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 — более мощные микропроцессорные системы с развитыми средствами сопряжения с внешними устройствами.

· компьютеры (в том числе персональные) — самые мощные и наиболее универсальные микропроцессорные системы.

Четкую границу между этими типами иногда провести довольно сложно. Быстродействие всех типов микропроцессоров постоянно растет, и нередки ситуации, когда новый микроконтроллер оказывается быстрее, например, устаревшего персонального компьютера. Но кое-какие принципиальные отличия все-таки имеются.

Микроконтроллеры представляют собой универсальные устройства, 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 микроконтроллеру ограничены. Устройства на микроконтроллерах обычно предназначены для решения одной конкретной 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, большой памяти, средств ввода/вывода. Их системная шина чаще всего недоступна пользователю. Структура контроллера проста и оптимизирована под максимальное быстродействие. В большинстве случаев выполняемые программы хранятся в постоянной памяти и не меняются. Конструктивно контроллеры выпускаются в одноплатном варианте.

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

Наконец, компьютеры и самые распространенные из них — персональные компьютеры — это самые универсальные из микропроцессорных систем.

Они обязательно предусматривают возможность модернизации, а также широкие возможности подключения новых устройств. Их системная шина доступна пользователю. Кроме того, внешние устройства могут подключаться к компьютеру через несколько встроенных портов связи (количество портов доходит иногда до 10). Компьютер всегда имеет сильно развитые средства связи с пользователем, средства длительного хранения информации большого объема, средства связи с другими компьютерами по информационным сетям. Области применения компьютеров могут быть самыми разными: математические расчеты, обслуживание доступа к базам данных, управление 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 надо по возможности избегать избыточности 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 системвыбирают в основном тогда, когда микроконтроллеры не могут обеспечить требуемых характеристик.

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