Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Микропроцессорные системы и программное обеспечение в средствах связи: Учебное пособие

Голосов: 2

В настоящем учебном пособии рассматриваются вопросы применения микропроцессорной техники и программного обеспечения в средствах связи. Приводится базовая информация по технике микропроцессорных средств, архитектуре и способам построения современных микропроцессоров. Рассматриваются вопросы классификации, построения и особенностей применения телекоммуникационного программного обеспечения различного назначения. Подробно рассматриваются операционные системы реального времени. Даются общие сведения по архитектуре, характеристикам и способам применения специализированных микропроцессоров - сетевых процессоров, процессоров ввода/вывода, процессоров цифровой обработки сигналов. На примере коммутационной системы EWSD рассматриваются вопросы техники микропроцессорных систем и особенности программного обеспечения реального времени. Дополнительно приводятся сведения по развитию архитектур микропроцессоров, в частности по многопоточным и многоядерным процессорам. Учебное пособие подготовлено согласно государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, направление подготовки дипломированного специалиста 210400 "Телекоммуникации" для студентов специальностей 210406 "Сети связи и системы коммутации" и 210401 "Физика и техника оптической связи", аспирантов, работников отрасли "Связь", интересующихся вопросами применения микропроцессорных и программных систем.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
      Микропроцессорные системы и программное обеспечение в средствах связи
мально возможное количество команд. Обычно шина данных имеет 8,
16, 20, 32 или 64 линии/разряда. За один цикл обмена по 64-разрядной
шине может передаваться 8 байт информации, а по 8-разрядной —
только один байт. Под машинным циклом здесь и далее понимается
время, в течении которого производится выборка двух операндов из ре-
гистров, выполнение операции в АЛУ и запоминание результатов в ре-
гистре. Машинный цикл выполняется в течении нескольких тактовых
импульсов (тактов), поступающих от генератора тактовой частоты МПр.
       Шина адреса (address bus) — устройство, предназначенное для
передачи кода адреса ячейки физической памяти. Разрядность шины
адреса определяет максимально возможное количество адресов физи-
ческих ячеек и, следовательно, максимально возможный размер хра-
нимой программы и объем запоминаемых данных. Количество адресов,
обеспечиваемых шиной адреса, определяется как 2N, где N — количе-
ство разрядов шины. Например, 16-разрядная шина адреса обеспечи-
вает адресацию (обращение) к 65 536 уникальным адресам ячеек фи-
зической памяти. Разрядность шины адреса обычно кратна 4 и может
достигать 32 и даже 64. Шина адреса может быть однонаправленной
(тогда шиной       всегда управляет только микропроцессор) или двуна-
правленной (тогда процессор может временно передавать управление
шиной другому устройству, например контроллеру внешнего устройст-
ва).
       Вся совокупность линий интерфейса между компонентами микро-
процессорной системы называется магистралью. Условно можно вы-
делить две магистрали: магистраль информационного канала и магист-
раль управления информационным каналом (cм. Писарев А.П. Интерфейсы
АСОИУ: Курс лекций. – Пенза: Пензенский гос. ун-т, 2007. - 68 с. Режим доступа

[http://window.edu.ru/window/library?p_rid=53991]).

       По магистрали информационного канала передаются коды
данных, коды адресов, коды команд и коды состояний устройств. Ана-

                                           21


  Микропроцессорные системы и программное обеспечение в средствах связи
логичные наименования присваиваются соответствующим шинам, реа-
лизующим интерфейс.
     Коды данных представляют информацию, относящуюся к содер-
жанию процессов в программной системе; здесь используется двоич-
ное кодирование в формате машинного кода. Коды данных передаются
по шине данных.
     Коды адресов предназначены для выбора, с помощью магистра-
ли, заданных устройств или ячеек памяти для записи или считывания
данных. Обычно для адресации используется двоичный номер объекта;
есть варианты, когда каждому устройству выделяется отдельная линия
адреса. Коды адресов передаются по шине адреса.
     Коды команд используются для управления функционированием
устройств и обеспечения сопряжения между ними. Существует мини-
мально необходимый набор команд, который может быть расширен
пользователем за счет резервных полей в кодах команд. Различают
команды управления обменом информации между устройствами, ко-
манды изменения состояния и изменения режимов работы. К наиболее
распространенным командам относятся: «Чтение», «Запись», «Конец
передачи», «Запуск».
     Коды состояния представляют собой сообщения, описывающие
состояния устройств сопряжения. Коды формируются в ответ на дейст-
вия команд или являются отображением состояний функционирования
устройства, таких как «Занятость устройства», «Наличие ошибки», «Го-
товность устройства» к приему или передаче информации и т. п. В
большинстве случаев коды данных, адресов, команд и состояний пере-
даются по шинам с разделением времени за счет мультиплексирования
шин. Это достигается введением дополнительных линий для обозначе-
ния типа передаваемой информации, называемых линиями иденти-
фикации. Их применение позволяет существенно сократить общее



                                   22


  Микропроцессорные системы и программное обеспечение в средствах связи
число линий информационной магистрали, однако при этом происходит
снижение быстродействия передачи информации.
     Магистраль управления информационным каналом по своему
функциональному назначению делится на ряд шин:
     • шина управления обменом;
     • шина передачи управления;
     • шина прерывания;
     • шина специальных управляющих сигналов.
     Шина управления обменом включает в себя линии синхрониза-
ции передачи информации. В зависимости от принятого принципа об-
мена (асинхронного, синхронного) число линий может изменяться от
одной до трех. Асинхронная передача происходит при условии под-
тверждения приемником готовности к приему и завершается подтвер-
ждением о приеме данных. При синхронной передаче темп выдачи и
приема данных задается регулярной последовательностью сигналов.
     Шина передачи управления выполняет операции приоритетного
занятия магистрали информационного канала. Наличие этой шины оп-
ределяется тем, что взаимодействие в большинстве интерфейсов вы-
полняется по принципу «ведущий-ведомый», при котором «ведущее»
устройство может брать управление шиной на себя в определенные
моменты времени. При наличии в системе нескольких устройств, спо-
собных выполнять функции «ведущего», возникает проблема приори-
тетного распределения ресурсов шины (арбитража).
     Шина прерывания применяется в основном в машинных интер-
фейсах ЭВМ и программно-модульных системах. Основная ее функция
— идентификация устройства, запрашивающего сеанс обмена инфор-
мацией. Идентификация состоит в определении контроллером (процес-
сором ввода-вывода) исходной информации о запрашиваемом устрой-
стве. В качестве информации об устройстве используется адрес источ-



                                   23


  Микропроцессорные системы и программное обеспечение в средствах связи
ника прерывания либо адрес программы обслуживания прерывания
(вектор прерывания).
        Шина специальных управляющих сигналов включает в себя
линии, предназначенные для обеспечения работоспособности и повы-
шения надежности устройств интерфейса. К этим линиям относятся:
линии питания, контроля источника питания, тактирующих импульсов,
защиты памяти, общего сброса, контроля информации и т. п.
        Среди перечисленных сигналов магистрали управления наиболее
часто используются следующие :
        RD (read) – сигнал чтения из памяти;
        WR (write) – сигнал записи в память;
        MREQ (memory request) – сигнал инициализации памяти МПр;
        IORQ (input – output request) – сигнал инициализации портов вво-
да-вывода;
        READY – сигнал готовности;
        RESET – сигнал сброса.
        Способ организации магистрали управления информационным
каналом не оказывает существенного влияния на архитектуру процес-
сора.
        Одним из главных признаков для формирования различных архи-
тектур МПр является организации памяти микропроцессора. Здесь вы-
деляют две основные архитектуры МПр :
        • архитектура фон Неймана с общей памятью;
        • гарвардская архитектура, предложенная Говардом Айкеном
          (Howard Aiken) с разделяемой памятью.
        Архитектура фон Неймана с общей памятью представлена на рис.
1.2.




                                     24


  Микропроцессорные системы и программное обеспечение в средствах связи




           Рис. 1.2 – Архитектура процессора с общей памятью


     Машина фон Неймана является наиболее универсальной по спо-
собу применения и отличается гибкостью при использовании различ-
ных программных средств. Недостатком машины фон Неймана можно
считать некоторое снижение быстродействия для поиска нужной ячей-
ки в общей памяти данных и команд. Это обусловлено тем, что быстро-
действие ЦПУ в несколько раз больше быстродействия физической
памяти.
     Гарвардская архитектура представлена на рис. 1.3 :




  Рис. 1.3 – Гарвардская архитектура процессора с разделяемой памятью


     Основной особенностью гарвардской архитектуры является ис-
пользование раздельных адресных пространств и раздельных физиче-
ских областей памяти для хранения команд и хранения данных. Па-
мять данных представляет собой функциональную часть вычисли-
тельной машины или системы обработки информации, предназначен-
ную для приема, хранения и выдачи данных. Соответственно память
команд предназначена для приема, хранения и выдачи команд, объе-
диненных в программу для ЭВМ.
     Как уже говорилось, информация для МПр в двоичном коде соот-
ветствует определенным уровням напряжения на внешних контактах

                                   25


  Микропроцессорные системы и программное обеспечение в средствах связи
его корпуса. Каждый контакт корпуса МПр передаёт сигнал, соответст-
вующий значению одного бита, и процессору нужно различать только
две градации напряжения: есть сигнал – нет сигнала, высокий уровень
– низкий уровень. По шине адреса сигналы (уровни напряжений) син-
хронно передаются/поступают на контакты МПр. Однако при появлении
различных шин для обмена адресами и данными на кристалле
процессора неизбежно увеличивается количество выводов/контактов
корпуса, т.е. происходит усложнение конструкции процессора. Этой
проблема решается использованием общей шины данных и шины ад-
реса для всех внешних данных. Внутри процессора проблема решается
использованием шины данных, шины команд и двух шин адреса. Такую
концепцию называют модифицированной Гарвардской архитекту-
рой.
       Гарвардская архитектура начала интенсивно использоваться
только в конце 1970-х годов, когда началось интенсивное применение
цифровых сигнальных процессоров. Причиной появления интереса к
гарвардской архитектуре было то, что в цифровых сигнальных процес-
сорах необходимый объем памяти данных МПр, используемый для
хранения промежуточных результатов, как правило, на порядок меньше
требуемого объема памяти программ. Следует отметить, что при циф-
рой обработке сигналов зачастую требуется выбрать три составляю-
щие — два операнда и команду, например в БПФ–фильтрах. Для этого
используется т.н. кэш-память. В кэш-памяти может храниться коман-
да — при этом обе шины остаются свободными, и появляется возмож-
ность передать два операнда одновременно. Использование кэш-
памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super
Harvard Architecture» (SHARC), расширенная Гарвардская архитек-
тура. Особенности организации кэш-памяти рассматриваются в раз-
деле 1.7.
       Достоинства гарвардской архитектуры следующие :

                                   26


  Микропроцессорные системы и программное обеспечение в средствах связи
   1. Применение небольшой по объему памяти данных способствует
      ускорению поиска информации в памяти, что увеличивает быст-
      родействие МПр.
   2. Гарвардская архитектура позволяет организовать параллельное
      выполнение программ – выборка следующей команды может про-
      исходить одновременно с выполнением предыдущей, в результа-
      те чего сокращается время выборки команды.
      Недостатком гарвардской архитектуры является усложнение ар-
хитектуры МПр. Также необходимо генерировать дополнительные
управляющие сигналы для памяти команд и памяти данных. В системах
коммутации и, в более широком смысле – в средствах связи, применя-
ются как процессоры с архитектурой фон Неймана, так и процессоры с
гарвардской архитектурой.
      В целом все типы МПр характеризуются тремя основными техни-
ческими характеристиками :
      Тактовая частота (clock rate) – частота синхронизирующих ра-
боту МПр («тактовых») импульсов, которые задаются генератором так-
товой частоты, которые регулируют выполнение циклов выборки и ис-
полнения команд. Измеряется тактовая частота в Гц.
      Быстродействие, производительность МПр (performance) –
показатель качества МПр, который выражается в миллионах элемен-
тарных операций, выполняемых в одну секунду (операций/с). Различа-
ют производительность для обработки данных с фиксированной точкой
(целые числа) и производительность для обработки данных с плаваю-
щей точкой (повышенная точность).
      Разрядность МПр – количество бит информации, которое ЦПУ
может обработать с помощью одной команды за 1 такт (см. Денисов К.М.,
режим доступа [http://ets.ifmo.ru:8101/denisov/lec/lec5.htm]). Разрядность микро-

процессора определяется разрядностью арифметико-логического уст-
ройства, внутренних регистров данных и шины данных. На сегодняшний

                                       27


  Микропроцессорные системы и программное обеспечение в средствах связи
день существуют 8-, 16-, 24-, 32- и 64-разрядные микропроцессоры. Для
обработки данных с разрядностью большей, чем разрядность микро-
процессора, необходимо реализовывать специальные алгоритмы вы-
числений с повышенной разрядностью. Это может снизить быстродей-
ствие МПр.


     1.3   Состав и функциональная архитектура управляющих
           комплексов

     Исторически управление средствами связи развивалось следую-
щим образом. На механо-электрических средствах связи с индивиду-
альными коммутационными приборами (приборами искания), таких как
АТС декадно-шагового типа, применялось индивидуальное управление.
Здесь сигналы управления – цифры набора номера – поступали непо-
средственно от абонента на приборы искания. В механо–электрических
средствах связи с групповыми приборами искания, такими как много-
кратные координатные соединители, появились групповые управляю-
щие устройства, выполненные по аппаратной логике, в виде последо-
вательно соединенных реле («пирамиды реле») – т.н. схемное управ-
ление. Управляющие устройства, такие как групповой искатель, або-
нентский регистр могли не только принимать и обрабатывать цифры
набора номера абонентов, но и обмениваться сигналами занятия,
разъединения с помощью передачи электрических сигналов по специ-
альным проводам управления. Такое управление можно охарактеризо-
вать как «жёсткое», реализующее только один алгоритм управления ус-
тановлением соединения. Впрочем, решение по схемному управлению
соответствовало уровню применяемой коммутационной техники. Реши-
тельный переворот в развитии управляющих комплексов средств связи
произошёл с началом внедрения электронных и квазиэлектронных
коммутационных элементов, программного управления, что потребова-


                                   28


  Микропроцессорные системы и программное обеспечение в средствах связи
ло применения вычислительных машин для управления процессами
коммутации и передачи.
     Под управлением в настоящем учебном пособии понимается лю-
бое изменение состояния средства связи, его компонента, процесса,
ведущие к достижению поставленной цели. Целью, здесь является
поддержание средства связи в состоянии, соответствующему штатному
режиму эксплуатации с показателями, соответствующими паспортным
показателям.
     Программное управление работой некоторого объекта осуще-
ствляется системой автоматического управления (на основе микропро-
цессора или электронной вычислительной машины) по заданной про-
грамме для ЭВМ, в результате чего вырабатываются сигналы, воздей-
ствующие на исполнительные органы управляемого объекта для целе-
направленного изменения его режима работы или состояния. В средст-
вах связи для реализации системы автоматического управления ис-
пользуется управляющий комплекс средств связи.
     Управляющий комплекс (УК) средства связи – совокупность
технологически сопряженных управляющих устройств, предназначен-
ных для автоматического управления процессами преобразования сиг-
налов электросвязи, коммутацией и передачей каналов и пакетов, а
также для реализации автоматизированных функций технической экс-
плуатации средств связи, учёта и контроля трафика.
     Управляющее устройство (УУ) – функционально и конструктив-
но законченное изделие, вырабатывающее из потока поступающей ин-
формации последовательность управляющих сигналов или машинных
команд для целенаправленного воздействия на аппаратуру и приборы
средства связи. Под аппаратурой понимаются технические средства
определенного класса.
     Управляющий комплекс средства связи включает следующие ви-
ды устройств управления :

                                   29


  Микропроцессорные системы и программное обеспечение в средствах связи

     •   индивидуальные управляющие устройства (контроллеры);
     •   групповые управляющие устройства;
     •   центральное управляющее устройство (см. рис. 1.4).




 Рис. 1.4 – Общая функциональная схема управляющих устройств средства
                                 связи


     Под модулем на рис. 1.4 понимается сборочная единица средст-
ва связи, состоящая из одной или нескольких деталей, соединенных на
предприятии изготовителе, установленная на монтажном месте (пози-
ции) и предназначенная для обеспечения паспортных функций средст-
ва связи, включая функции технической эксплуатации. Модули могут
объединяться в блоки с общим функциональным назначением – блок
соединительных линий (блок СЛ), блок линий доступа (блок ЛД). На ри-
сунке 1.4 модуль соединительных линий, модуль линий доступа и циф-
ровое коммутационное поле (матрица коммутации) выполняют свои
стандартные функции для создания сквозного канала связи между
                                   30



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика