Главная
Каталог
Библиотека
Избранное
Порталы
Библиотеки вузов
Отзывы
Новости
 
12+
 
Предварительный просмотр документа

Микропроцессорные системы. Архитектура и проектирование: Учебное пособие

Автор/создатель: Анкудинов И.Г.
Год: 2003 
Учебное пособие соответствует государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов 654600 - "Информатика и вычислительная техника" (Специальность 220100 - "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети"). В пособии даны классификация, краткая характеристика возможностей и применения микропроцессорных средств. Рассмотрены варианты построения архитектуры микропроцессорных (МПС) и мультимикропроцессорных систем, их основные конфигурации и области использования. Особое внимание уделено организации подсистем обработки, управления, памяти и ввода-вывода МПС. Рассмотрены основные задачи проектирования МПС, включая вопросы организации и особенности проектирования МПС на основе однокристальных микроЭВМ и контроллеров. Приведены сведения о средствах разработки, тестирования и отладки МПС. Пособие содержит также краткий обзор истории развития микропроцессорных средств, современного состояния и перспективных проектов МПС. Учебное пособие предназначено для студентов пятого курса, изучающих дисциплину "Микропроцессорные системы".
Показать полное описание документа
РЕЙТИНГ

Оценка пользователей: 3.5
Количество голосов: 8
Оцените ресурс:
5 4 3 2 1

ОТЗЫВЫ


Популярные ресурсы по теме

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра. Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
DX2 и OverDrive-процессоры (основное различие между процессорами серии DX2 и OverDrive Intel состоит в том, что первые монтируются на системных платах ещё при сборке компьютеров, а вторые должны устанавливаться самими пользователями). Технология умножения частоты. Второе поколение микропроцессоров i486 связано с появлением в начале 1992 года микропроцессоров серии DX2. Модели серии DX2 используют новую технологию, при которой скорость работы внутренних блоков микропроцессора (арифметико-логического устройства, математического сопроцессора, устройства управления памятью, кэш-памяти) в два раза выше скорости остальной части системы, в то время как остальные элементы системной платы (системная и внешняя кэш-память, вспомогательные микросхемы) работают с обычной скоростью. Например, процессор 486DX2-66 устанавливается на 33-мегагерцовую системную плату, что позволяет повысить быстродействие почти в два раза, так как эффективность кэширования внутренней кэш-памяти составляет около 90 процентов. Тем самым появилась возможность объединения высокой производительности микропроцессора с внутренней тактовой частотой 50/66 МГц и эффективной по стоимости 25/33-мегагерцовой системной платой. Микропроцессоры 486DX4-75, 486DX4-83 и 486DX4-100 семейства DX4, имеющие кодовое название P24C, имеют кэш-память 16 Кбайт и предназначены для установки на системные платы, работающие на тактовой частоте 25 и 33 МГц. Напряжение питания этих процессоров составляет 3,3 В, а количество транзисторов на кристалле - 1,6 миллиона. По производительности они занимают нишу между DX2-66 и Pentium-60/66. Отметим, что повышение тактовой частоты процессоров сопровождается существенным увеличением потребляемой мощности. Технология умножения частоты (не только в два, но и, например, в полтора, два с половиной или три раза) широко используется во всех современных процессорах. Pentium. Процессор Pentium – это, по-видимому, главное достижение фирмы Intel. Разработка процессора Pentium началась в 1989 году, а в марте 1993 года фирма Intel объявила о начале промышленных поставок 66- и 60- мегагерцовых версий процессора Pentium (известного ранее как 586 или P5). Достоинством процессора Pentium является полная совместимость систем, построенных на базе этого микропроцессора, со 100 миллионами персональных компьютеров, использующих микропроцессоры i8088, i80286, i80386 и i486. Если для 486-х процессоров использовалась CMOS-технология, то для для производства Pentium фирма Intel применила 0,8-микронную BiCMOS- технологию. Микросхема процессора имеет более 3 миллионов транзисторов, 32-разрядную адресную и 64-разрядную внешнюю шину данных, что обеспечивает обмен данными с системной платой со скоростью до 528 Мбайт/с. Суперскалярная архитектура процессора Pentium имеет два пятиступенчатых конвейера, работающих независимо и обрабатывающих две команды за один такт синхронизации. Наиболее интересное новшество, используемое в Pentium, это небольшая кэш-память Branch Target Buffer - BTB (буфер меток перехода), которая позволяет динамически предсказывать переходы в исполняемых программах. Другое новшество заключается в том, что Pentium имеет два раздельных 8- Кбайтных кэша: один для команд и один для данных. Pentium с тактовой частотой 66 МГц обеспечивает производительность 112 MIPS (миллионов операций в секунду). Процессор Pentium имеет усовершенствованный встроенный блок с восьмиступенчатой конвейеризацией для выполнения операций с плавающей запятой, что позволяет выполнять такие операции за один такт. Высокое быстродействие процессора Pentium позволило реализовать мультимедийный приложения, но в настоящее время эти микросхемы сняты с производства. Pentium Pro. В 1995 году фирма Intel начала производить микропроцессор нового поколения - Pentium Pro (ранее именовался P6), использующий технологию Dynamic Execution, для которой характерны многократное предсказание ветвлений, анализ потоков данных и эмуляция выполнения инструкций. Отличительная особенность архитектуры Pentium Pro − масштабируемость, т.е. возможность объединения большого числа процессоров. Корпус микросхемы (PGA) имеет 387 выводов, содержит отдельный кристалл кэш-памяти второго уровня (256- или 512-Кбайт, соответственно 15,5 или 31 миллион транзисторов) и кристалл процессора (5,5 миллионов транзисторов), на котором расположен 16-Кбайтный кэш. При напряжении питания около 3 В процессор (вместе с кэш-памятью второго уровня) потребляет около 14 Вт. На сегодняшний день в семейство Pentium Pro входят микропроцессоры с тактовыми частотами 200, 180, 166 и 150 МГц. Микросхема Pentium Pro 150 выпускается согласно технологическим нормам 0,6 мкм, а процессоры с более высокой тактовой частотой используют уже технологические нормы 0,35 мкм. Показатель производительности для Pentium Pro 200 по тесту SPECint92 равен 366, т.е. выше производительности RISC-архитектур. Pentium II Xeon. В 1998 году корпорация Intel представила миру самый мощный процессор архитектуры х86, а именно Pentium II Xeon (на английском произносится как «Зеон», хотя по нормам русского и греческого языков можно произносить как «Ксеон»). Тактовая частота достигает 450 МГц, а емкость кэш-памяти второго уровня 2 Мбайт, причем она работает на тактовой частоте процессорного ядра. Увеличение ёмкости емкость кэш-памяти повышает пропускную способность системы благодаря мгновенному доступу процессоров к часто используемым данным и инструкциям. Например, увеличение ёмкости кэша с 512 Кбайт до 1 Мбайт приводит к 20% росту общей производительности системы. В связи с таким увеличением ёмкости кэш-памяти увеличиваются теплоотдача, размеры и вес процессорного блока и поэтому он устанавливается в разъём новой конструкции Slot 2. Возникает также необходимость контроля температурного режима блока. Большая емкость кэш-памяти второго уровня позволяет получить почти пропорциональный рост производительности системы по мере установки дополнительных процессоров с мегабайтным кэшем. Архитектура Xeon, допускающая 36-разрядную адресацию физической памяти, позволяет процессору получать доступ к системной памяти ёмкостью до 64 Гбайт. Однако новый механизм постраничного обмена PSE-36 (Page Size Extension-36) в настоящее время поддерживают только операционные системы Windows NT, SCO UnixWare и Sun Solaris, а для остальных − требуется обновить драйвер блока управления памятью. Выпускаются два варианта микросхемных комплектов Intel 450NX PCIset, оптимизированных для Pentium II Xeon, имеющих одинаковую структуру ядра, но отличающихся производительностью и ценой: Basic для серверных систем и Full для систем среднего уровня. Комплект Basic PCIset поддерживает до двух разъёмов 32-разрядной шины PCI, один разъем для 64-разрядной PCI и до 4 Гбайт системной памяти типа EDO. Комплект Full PCIset имеет более совершенные характеристики: он поддерживает до четырёх слотов типа EDO. Эти комплекты имеют одинаковую 100-мегагерцовую системную шину и поддерживают многопроцессорные конфигурации (до четырёх Xeon). Появляется возможность согласовать мощность процессора и производительность подсистемы ввода-вывода: 64-разрядная шина PCI способна существенным образом повысить общую производительность системы при использовании оптоволоконной технологии обмена данными с дисковыми массивами и высокопроизводительных сетевых магистралей на основе АТМ, Gigabit Ethernet и других. Для рабочих и графических станций разработан комплект Intel 440GX AGPset на базе известного микросхемного набора 440BX. Комплект Intel 440GX дает возможность обращения к памяти ёмкостью до 2 Гбайт, что в два раза больше, чем у 440BX. Производительность видеоподсистемы рабочих и графических станций возрастает, поскольку 440GX управляет работой порта AGP в режиме удвоения частоты(2х) с использованием технологии “двойной накачки” - данные передаются как по переднему, так и по заднему фронтам тактовых импульсов (у обычной AGP - только по переднему), при этом полоса пропускания достигает значения 533 Мбайт/с, а физические параметры интерфейса AGP остаются прежними. Фирма Intel разрабатывает также многопроцессорные системы. Сначала создавались системы с четырьмя устройствами на одной плате, затем симметричные мультипроцессорные системы, поддерживающие до восьми микропроцессоров Xeon. Предусматривается возможность кластерных решений. Например, в процессорной шине набора Intel 450NX PCIset предусмотрен разъём кластерного соединения на основе стандартных четырёхпроцессорных узлов. При использовании архитектуры распределённой памяти, как правило, не требуется «переписывать» прикладные программы. Рассмотренные выше микропроцессоры фирмы Intel реализуют CISC- архитектуру. Некоторые фирмы (например, AMD, Cyrix, Texas Instruments, IBM) выпускают процессоры, которые совместимы с рассмотренными выше процессорами Intel, однако имеют свои характерные особенности. Назовем также серию МС680ХХ CISC-микропроцессоров фирмы Моtorola. Как Intel, так и другие фирмы выпускают гораздо более мощные процессоры, относящиеся как к CISC-, так и к RISC-архитектуре. Микропроцессоры с RISC-архитектурой (80860, 80960, 80870, Power PC) выпускаются или выпускались многими фирмами. В качестве примера, назовем также проект Alpha AXP фирмы Digital Equipment, первоначально ориентированный на обработку 64-разрядных приложений в среде Unix, а позднее дополненный средствами поддержки операционной системы Microsoft Windows NT. Компании IBM, Motorola и Apple совместно реализовали проект создания семейства RISC-процессоров POWER ( Performance Optimised With Enchanced RISC ) для широкого профиля применений в качестве серверов и ПК типа Macintosh. К микропроцессорам с RISC-архитектурой относятся также изделия ARM (Acorn RISC Machine) фирмы Acorn. Если первый микропроцессор, а именно i4004, выпущенный в 1971 году, имел около 2300 транзисторов и работал на тактовой частоте 750 кГц, то современные микропроцессоры могут иметь более 100 миллионов транзисторов и тактовую частоту в десятки гигагерц. Соответственно возросли технические характеристики и функциональные возможности МПС. Глава 2 АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ 2.1. Унифицированный системный интерфейс Внутримашинный системный интерфейс – это система связи и сопряжения всех узлов и блоков микроЭВМ в виде набора электрических линий (проводов), схем сопряжения и алгоритмов (протоколов) передачи и преобразования сигналов [2, 4, 5, 6, 9, 15]. Можно выделить два варианта построения внутримашинного системного интерфейса. Многосвязный интерфейс: каждый блок микроЭВМ связан с другими блоками своими отдельными электрическими линиями (применяется в простейших микроЭВМ). Односвязный интерфейс: все блоки микроЭВМ связаны друг с другом через общую системную шину. Хранимая в памяти программа, адресное обращение устройств друг к другу и магистрально-модульная структура являются характерными признаками архитектуры микроЭВМ. Центральный процессор (ЦП) микроЭВМ имеет набор выводов для подачи электропитания и соединения с оперативным запоминающим устройством и контроллерами внешних устройств. Выделяют три логические группы выводов (контактов) БИС ЦПЭ и соответственно шин: • Шина адреса (ША, address bus = AB) служит для передачи адреса устройства, затребованного ЦПЭ для проведения обмена.) • Двунаправленная шина данных (ШД, data bus=DB) используется для обмена командами и данными (операндами) между блоками МПС. • Шина управления (ШУ, control bus=CB) служит для передачи сигналов, управляющих организацией обмена и работой микропроцессора. Эти три шины и шина электропитания образуют унифицированный системный интерфейс, называемый системной шиной микроЭВМ. ША ША Вв/Выв ЦП ШД ШД Вв/Выв К ШУ ШУ Вв/Выв • • • К контроллерам внешних устойств Рис. 2.1. Структура с раздельными шинами На рис.2.1 представлена структура микрокомпьютера с раздельными двунаправленными шинами, в которой используются отдельные шины адреса данных и управления для связи с памятью и внешними устройствами. Структура с раздельными шинами при реализации в виде одного кристалла требует слишком большого числа выводов БИС. Первый шаг к сокращению числа выводов БИС заключается в совместном использовании ША, ШД и ШУ внешними устройствами и памятью, что приводит к структуре на рис. 2.2. ША ШД ЦП I/O ШУ • • • К памяти К контроллерам внешних устойств R/W Рис. 2.2. Структура с объединенными шинами памяти и ВУ Однако при этом теряется возможность одновременного обмена данными между МП, памятью и каким-либо ВУ. Кроме того, приходится вводить управляющие сигналы R/W (READ/WRITE) для обмена с памятью и I/O (INPUT/OUTPUT) – для обмена с ВУ. Для дальнейшего сокращения числа выводов СБИС можно совместить (мультиплексировать) ША и ШД (рис.2.3). ША и Д МП I/O ШУ • • • К памяти К контроллерам внешних устойств R/W Рис. 2.3. Структура с объединенными шинами памяти и ВУ и мультиплексированием ША и ШД Дальнейшее упрощение структуры достигается за счет исключения команд ввода-вывода из системы команд микрокомпьютера. В этом случае для ввода и вывода (обмена данными с ВУ) используют любые команды чтения и записи в память, причем часть адресного пространства памяти отводится для адресов регистров контроллеров ВУ. Такая структура называется структурой с общей шиной. На рис.2.4 представлены два варианта структуры с общей шиной: а) без мультиплексирования; б) с мультиплексированием ША и ШД. ША а) ШД МП ШУ • • • К памяти К контроллерам внешних устойств б) ША и Д МП ШУ • • • К памяти К контроллерам внешних устойств Рис. 2.4. Структура с общими шинами: а) без мультиплексирования; б) с мультиплексированием ША и ШД На рис.2.5 представлена более подробная трехшиннная (т.е. без мультиплексирования ША и ШД) структура микрокомпьютера для варианта с общими шинами (рис.2.4, а). ША ШД ШУ C1 ГТИ ЦП ПЗУ ОЗУ УВВ C2 Рис. 2.5. Трехшинная структура с общими шинами Генератор тактовых импульсов (ГТИ, clock) синхронизирует работу всех блоков микроЭВМ. Центральный процессорный элемент (ЦПЭ, central processing unit=CPU) микроЭВМ, или микропроцессор — электронный прибор, работающий под управлением программы, выполненный обычно на одном полупроводниковом кристалле по технологии БИС или СБИС. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, read only memory=ROM) служит для долговременного хранения на протяжении всего жизненного цикла микроЭВМ постоянно используемых программ и данных (например, программ и данных специализированных микроЭВМ). Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, память с произвольным доступом, random access memory=RAM) служит для временного хранения программ и данных. Устройства ввода-вывода (УВВ, input-output=I/O) служат для связи микроЭВМ с внешней средой: • для ввода данных с клавиатуры, датчиков, линий передачи или из внешних ЗУ; • для вывода данных на экран монитора, систему привода исполнительных механизмов, в линии передачи или на внешние ЗУ. Для подключения внешних устройств к системной шине используются контроллеры (адаптеры) ВВ. Функция контроллеров – это согласование уровней электрических сигналов, а в случае необходимости также и преобразование форматов машинных данных при их пересылке из одного устройства в другое. В процессе ввода-вывода передается информация двух видов: управляющие данные (слова) и собственно данные, или данные- сообщения. Следует различать четыре вида обмена УВВ микроЭВМ с внешней средой: 1. С устройствами, всегда готовыми к обмену (ПЗУ, датчики непрерывных физических величин). 2. С ожиданием сигнала готовности устройства. 3. С прерыванием выполняемой программы для обслуживания пересылок данных. 4. С прямым доступом в память (пересылки между такими периферийными устройствами, как НЖМД и ОЗУ без участия процессора). ША ШД ШУ Контрол- • ВУ Контрол- • ВУ лер пре- • лер • • • рываний ВУ ПДП ВУ Рис.2.6. Подключение ВУ с контроллерами прерываний и ПДП Для организации процесса обмена используются контроллеры, управляющие системными связями, согласованием и буферизацией (временным хранением) данных. На рис.2.6 представлена схема подключения внешних устройств с контроллером прерываний и контроллером прямого доступа в память (ПДП). Центральный процессор может быть выполнен в виде одной БИС (однокристальный ЦП) или в виде набора малоразрядных секций (многокристальный секционный ЦП). Однокристальные ЦП имеют фиксированную разрядность и набор машинных команд. Повышение разрядности вычислений возможно только программным путем. Секционные ЦП позволяют наращивать разрядность машинных слов и изменять состав машинных команд за счет микропрограммирования. Односвязный системный интерфейс микроЭВМ может быть построен с использованием шин расширений и локальных шин. Математ ОП Адаптер НЖМД Адаптер НГМД ес й ЦП Системная шина Интерфейс клавиатуры Адаптер Адаптер Сетевой Другие адаптер устройства Клавиатура Монитор Принтер Канал связи Рис. 2.7. МикроЭВМ с шиной расширений Шина расширений – это шина общего назначения для подключения разнообразных внешних устройств: НЖМД и НГМД, мониторов, модемов, сетевых карт и т. д. На рис. 2.7, а приведен вариант организации односвязного интерфейса микроЭВМ только на основе шины расширения. Локальная шина служит для обеспечения высокой пропускной способности при подключении небольшого числа устройств определенного класса, например основной памяти (ОЗУ и ПЗУ) и видеосистемы. В табл. 2.1 приведены характеристики некоторых шин расширения и локальных шин. Кроме указанных в табл. 2.1 в качестве интерфейса только для внешних ЗУ широко используются также локальные шины IDE (Integrated Device Electronics), EIDE (Enhanced IDE) и SCSI (Small Computer Interface). Шины PC/XT (Personal Computer eXtended Technology) и PC/AT (PC Advanced Technology) являются вариантами ранее широко распространенной системной шины Mulibus1. С появлением 32-разрядных МП шина ISA (Intdustry Standard Architecture) стала препятствием к увеличению быстродействия ПК. Для применения в быстродействующих сетевых серверах и рабочих станциях в 1989 г. была предложена шина EISA (Extended ISA), полностью совместимая с ISA . Шина MCA (Micro Channel Architecture), предложенная в 1987 г. фирмой IBM, предназначается только для машин PS/2, поэтому используется редко. Локальные шины подключаются непосредственно к шине МП и работают на тактовой частоте МП.
Яндекс цитирования