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.
| Степень интеграции | Значение К | Число элементов | Название ИМС |
| <1 | до 10 | Простая (малая) | |
| 1<k<2 | 11-100 | Средняя (СИС) | |
| 2<k<4 | 101-10000 | Большая (БИС) | |
| 4-5 | >4 | >10000 | Сверхбольшая (СБИС) |
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.