Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Периферийное устройство подсоединяется к шинам контроллера не непосредственно, а через программируемый периферийный адаптер (ППА) или программируемый связной адаптер (ПСА), обслуживающие периферийные устройства соответственно с передачей информации параллельным или последовательным кодом. Наличие программно- настраиваемых адаптеров делает весьма гибкой и функционально богатой систему ввода-вывода информации в контроллер -системе.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) хранит системные программы, необходимые для управления процессом обработки. В оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) хранятся прикладные программы, данные и результаты вычислений.

Работа контроллера синхронизируется тактовыми сигналами CLK, поступающими на его входы от генератора синхронизации. Схема начальной установки вырабатывает сигнал RESET (сброса) микропроцессора на основе анализа напряжений на выходе блока питания или при принудительной остановке работы контроллера с ее клавиатуры.

В состав этих контроллеров, как правило, входят:

- шинный контролер для сопряжения устройств с системной шиной по параллельному интерфейсу;

- адаптер последовательного интерфейса для построения многопроцессорных систем или сопряжения источников и приемников сигналов, не увеличивающих нагрузку на системный интерфейс;

- специализированный процессор арифметической обработки сигналов (сопроцессор);

- ПЗУ команд и констант;

- ОЗУ операндов.

Для обеспечения работы контроллер к их системному интерфейсу можно подключать устройства специализированной обработки арифметических алгоритмов, таких как быстрое преобразование Фурье, и устройства обработки аналоговых сигналов.

В состав таких устройств обработки аналоговых сигналов входят:

-аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи, обеспечивающие непосредственное сопряжение цифрового устройства обработки с аналоговыми сигналами датчиков и приемников;

- система памяти ПЗУ и ОЗУ;

- буферы данных, используемые для временного хранения (буферизации) данных при передаче между устройствами;

- контроллер, предназначенный для цифровой обработки аналоговых сигналов.

В рассматриваемых структурах контроллеров реализуются три способа организации (обслуживания) передачи информации:

• программно-управляемая передача, инициируемая процессором;

• программно-управляющая передача, инициируемая запросом прерывания от периферийного устройства;

• прямой доступ к памяти (ПДП).

При первом способе передача инициируется самим процессором, а при втором - запросом прерывания от периферийного устройства.

При программно-управляемой передаче данных контроллера на все время этой операции отвлекается от выполнения основной программы, что ведет к снижению производительности МП-системы. Кроме того, скорость передачи данных через МП может оказаться недостаточной для работы с высокоскоростными внешними устройствами.

2.2.1 Классификация

Различают три основных типа микропроцессорных устройств:

• секционные микропроцессоры с наращиванием разрядности и микропрограммным управлением;

• однокристальные микропроцессоры с фиксированной разрядностью и фиксированной системой команд;

• однокристальные микро ЭВМ (микроконтроллеры).

Секционный микропроцессор (МП) образуется из нескольких модулей, конструктивно реализованных в виде отдельных БИС. К их числу относятся: процессорные секции, содержащие АЛУ и РОН; контроллер последовательности микрокоманд (КПМК); память микрокоманд (ПМК). МП состоит из двух функциональных блоков: микропрограммного устройства управления (МПУУ), включающего в себя ПМК и КПМК, и операционного устройства (ОУ), построенного из набора секций. Благодаря микропрограммированию и секционированию можно реализовать МП с нужными разрядностью и функциональными возможностями.

Секционные МП позволяют разрабатывать более быстродействующие МПС. Это достигается за счет гибкой адаптации структуры, длины слова и специального набора команд проектируемого МП к классу решаемых задач. Кроме того, иногда только за счет микропрограммирования критичных по времени функций или алгоритма решаемой задачи можно повысить быстродействие системы в несколько раз по сравнению с реализацией на основе однокристального МП с фиксированной системой команд.

Перечисленные достоинства не даются даром, так как, например, разработка собственной системы команд требует также разработки ПО для моделирования, редактирования и загрузки микропрограмм, интерпретирующих систему команд. Кроме того, сам процесс микропрограммирования даже при использовании микроассемблера является более трудоемким из-за сложных форматов микрокоманд по сравнению с командами, необходимости учета временных диаграмм микрокомандного цикла и изучения других деталей на аппаратном уровне. Однако, несмотря на отмеченные трудности, секционные МП с микропрограммированием представляют мощное средство для построения МПС средней и высокой производительности, замены быстродействующих контроллеров, реализованных на основе схем с жесткой логикой, создания спецпроцессоров для обработки сигналов (быстрое преобразование Фурье, цифровая фильтрация), процессоров систем передачи данных и других применений.

Однокристальные МП и их архитектура МП с фиксированной разрядностью и набором команд конструктивно выполняется в виде одной БИС. Все выполняемые однокристальными МП операции определяются системой команд, которые он может выполнить [8].

Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя структуру МП, систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

В настоящее время, когда процессор выполняется в виде микропроцессора, тем более как часть микроконтроллера, его структуру лучше представлять так называемой "моделью программиста". Модель программиста позволяет представить его структуру в виде программно- доступных ресурсов, не вдаваясь в подробности внутренних связей. Такая модель используется проектировщиками МПС при разработке микропроцессорного устройства.

2.2.2 Назначение устройства

Различают следующие виды контроллеров:

• групповой контроллер - контроллер группы однотипных устройств или механизмов;

• дисплейный контроллер - компонент дисплейного процессора, непосредственно управляющий выводом данных из буфера изображения на экран дисплея;

• контроллер ввода-вывода (периферийный, внешнего устройства) - процессор, управляющий обменом между внешним устройством и памятью ЭВМ;

• интеллектуальный контроллер - контроллер, выполняющий кроме непосредственного управления обменом дополнительные функции: контроль правильности данных, их редактирование, обработку сложных команд;

• контроллер канала - устройство управления каналом ввода-вывода;

• коммуникационный (связной) контроллер - аппаратный интерфейс и микропрограммные средства, используемые в качестве линейного адаптера и реализующие конкретный протокол связи;

• местный (встроенный) контроллер - контроллер, встроенный в управляемое им устройство;

• контроллер передачи данных - периферийное устройство, предназначенное для дистанционного подключения к ЭВМ нескольких абонентских пунктов и обеспечивающее работу с ними под управлением вычислительной системы;

• разделяемый контроллер - контроллер, попеременно выполняющий функции управления несколькими устройствами;

• контроллер устройства - устройство сопряжения ЭВМ с внешним устройством и управления обменом между ними. По сравнению с адаптером выполняет более сложные функции.

Определение понятия микроконтроллера адекватно (и даже несколько уже) по отношению к интерфейсу.

Интерфейс - это совокупность средств и правил, обеспечивающих взаимодействие устройств вычислительной системы и (или) программ;

- совокупность унифицированных технических и программных средств, используемых для сопряжения устройств в вычислительной системе или сопряжения между системами;

граница раздела двух систем, устройств или программ; граница между двумя функциональными устройствами, определенная их характеристиками, характеристиками соединения, сигналов обмена.

Первые микроконтроллеры (восьмиразрядные МК 8048) были выпущены фирмой Intel в 1976 году. В настоящее время выпускаются 8-и, 16-ти, и 32-х,-разрядные МК с емкостью памяти до десятков Кбайт, небольшими оперативными ЗУ данных и набором таких интерфейсных и периферийных схем, как параллельные и последовательные порты ввода/вывода, таймеры, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, широтно-импульсные модуляторы и другие.

Среди выпускаемых МК широко известно семейство восьмиразрядных контроллеров MCS-51/151/251 и шестнадцатиразрядных MCS 96/196/296 фирмы Intel. Очень многие производители выпускают аналоги этих семейств или совместимые с ними МК. В отечественной номенклатуре - это восьмиразрядные МК К1816ВЕ51 и К1830ВЕ51. Фирма Atmel выпускает семейство МК серии АТ89 с флэш-памятью программ, являющееся функциональным аналогом семейства восьмиразрядных МК фирмы Intel. Несмотря на появление 16-и 32-разрядных МК, наибольшим спросом на рынке пользуются восьмиразрядные. Сейчас около половины всего рынка МК остается за ними, что означает их лидирование с большим отрывом относительно микроконтроллеров других разрядностей. Признанными авторитетами в области создания и производства МК являются также такие фирмы, как Motorola и Microchip.

На рынке восьмиразрядных микроконтроллеров доминирует следующая тройка: семейство 8051 фирмы Intel (аналоги микроконтроллеров этого семейства выпускаются несколькими фирмами), семейство AVR (фирмы Atmel) и микроконтроллеры семейства PIC (фирмы Microchip). В качестве примера современного микроконтроллера будет рассмотрена микросхема семейства AVR. Микроконтроллеру AVR предпочтение отдано как обладающему хорошо продуманной архитектурой и высоким быстродействием.

Микроконтроллеры марки AVR подразделяются на три семейства, среди которых базовым является семейство Classic.

Микроконтроллеры AVR имеют RISC-архитектуру и изготовляются по усовершенствованной КМОП-технологии. КМОП-технология – комплементарная «металл-оксид-полупроводник» технология.

По одному из классификационных признаков микроконтроллеры принадлежат к CISC- или RISC-процессорам. Процессоры CISC имеют сложную систему команд (CISC - Complex Instruction Set Computer), то есть большой набор разно форматных команд, и используют многие способы адресации. Архитектура CISC присуща классическим (традиционным) процессорам, она в силу многообразия команд позволяет применять эффективные алгоритмы решения задач, но, в то же время, усложняет схему процессора и его стоимость и в общем случае не обеспечивает его максимального быстродействия.

Процессоры типа RISC имеют сокращенную систему команд (RISC - Reduced Instruction Set Computer), из которой исключены редко применяемые команды. Форматы команд, по крайней мере, подавляющее их большинство, идентичны (все команды содержат по 4 байта), у них снижено число используемых способов адресации. Данные, как правило, обрабатываются только с регистровой или непосредственной адресацией. Значительно увеличенное число регистров процессора, т.е. его внутренняя память, позволяет редко обращаться к внешнему модулю памяти микропроцессорной системы, а это повышает быстродействие контроллера. Идентичность временных циклов выполнения команд отвечает потребностям конвейерных схем обработки информации. В результате может быть достигнуто упрощение схемы процессора при увеличении его быстродействия.

Контроллеры семейства AVR имеют следующие параметры:

• почти все команды выполняются за один машинный такт, что при тактовой частоте 1 МГц дает производительность в 1 MIPS (Million Instructions Per Second);

• флэш-память программ емкостью 1 - 8 Кбайт имеет допустимое число репрограммирований 103;

• статическая память данных (SRAM) имеет емкость до 512 байт;

• память данных типа EEPROM с допустимым числом репрограммирований 105 имеет емкость 64 - 512 байт;

• многоуровневая система прерываний обслуживает от 3 до 16 источников запросов прерываний;

Имеется достаточно обширный набор периферийных устройств.

Базовая линия развития контроллеров AVR (линия Classic) насчитывает около двух десятков моделей.

Далее рассматривается модель AVR 8515, обладающая повышенной функциональной полнотой и поддерживающая большую часть возможностей, характерных для всего семейства в целом.

2.3 Выводы

Решение стратегической задачи повышения эффективности работы компании ОАО «РЖД» невозможно без оснащения железных дорог современными и надежными техническими средствами. Среди всех технических средств особая роль принадлежит системам и устройствам сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ), которые определяют пропускную способность линий, обеспечивают автоматизацию перевозочного процесса и безопасность движения поездов, составляя всего 5% от общей стоимости основных фондов.

Характеристики

Список файлов ВКР