книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

Управляющее устройство может изменять структуру и комбиниро­ вать ресурс ФЛЭ (например, перестроить на реализацию двух функций трех переменных), а также с помощью тактирующего сигнала на входе «Clock» обеспечивать синхронную работу блока и подачу сигнала обрат­ ной связи с выхода триггера Q на вход.

С целью расширения возможностей трассировки каждый КЛБ окру­ жен локальными линиями связи для осуществления соединений с шинами главных трассировочных матриц. Подключение выходов КЛБ к линиям связи осуществляется с помощью расположенных в непосредственной бли­ зости буферов с тремя состояниями.

По периферии кристалла размещены программируемые БВВ для обеспечения совместимости внутренних блоков микросхемы с внешними устройствами и задания режимов работы. Каждый БВВ содержит запоми­ нающий элемент (тактируемый триггер), программируемые входной канал и буфер вывода, а также схемы электрической защиты от пробоя.

Логическая структура CPLD хранится во внутренних запоминающих элементах (теневом ЗУ). Специальные схемы на кристалле обеспечивают автоматическую загрузку информации о конфигурации и обеспечивают се электрическое перепрограммирование.

Область применения ПЛИС во многом зависит от ее архитектуры. Конфигурации CPLD позволяют эффективно реализовывать устройства на основе их описания с помощью СДНФ, привлекательной для создания раз­ личных автоматов и узлов микроконтроллеров. Некоторые семейства ПЛИС имеют встроенные реконфигурируемые модули памяти и содержат значительное число триггеров, что делает ПЛИС данной архитектуры весьма удобным средством реализации алгоритмов цифровой обработка сигналов, основными операциями в которых являются перемножение, ум­ ножение на константу, суммирование и задержка сигнала.

Существенный рост информационной емкости ПЛИС позволил раз­ местить на кристалле достаточно большое число макроэлементов: ядро микропроцессора, память, таймеры, устройства ввода и вывода данных, логическую часть и различные обслуживающие устройства, т.е. создать в ы ч и с л и т е л ь н у ю с и с т е м у на к р и с т а л л е (System on Chip SOC) с индивидуальной архитектурой и параметрами. Требуемая структу­ ра SOC-вычислителя реализуется на базе имеющихся блоков макромод)- лей с помощью соответствующей системы автоматизированного проекти­ рования *

Для разработки устройств на базе ПЛИС требуются соответствую щие программные средства САПР, которые создаются параллельно с р а з­ работкой семейств программируемой логики. Стандартные средства про­ ектирования включают навигатор проекта (средства управления созданием проекта), графический редактор, компилятор (систему обработки логиче­ ских проектов), поуровневый планировщик, симулятор, сигнальный

тор и отладчик, а также другие подпрограммы. Полное проектирование с учетом конфигурации и возможностей конкретного семейства ПЛИС мож­ но выполнить только с использованием специализированных программных систем, содержащих расширенные иерархические библиотеки элементов, конфигураций и решений.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Каким образом можно реализовать комбинационное устройство на основе мульти­ плексора?

2.Каковы предпосылки создания комбинационных устройств на базе постоянного ЗУ?

3.Чем обеспечивается универсальность программируемых БИС?

4.Какие признаки заложены в основу классификации программируемых БИС?

5.Что называют базовым матричным кристаллом?

6.Какие типичные элементы расположены на БМК?

7.Каковы этапы проектирования устройств на основе БМК?

8.Какими параметрами можно характеризовать БМК?

9.Что такое программируемая логическая интегральная схема?

0.Каким образом реализуются логические функции с помощью ПЛМ?

1.Каковы разновидности ПЛИС?

2.В чем отличие ПЛМ от ППЗУ?

3.Что такое программируемая вентильная матрица (ПВМ) и какова ее структура?

4.Какую ПЛИС можно отнести к вычислительной системе на кристалле?

Глава 11

МИКРОПРОЦЕССОРЫ И СИСТЕМЫ НА ИХ ОСНОВЕ

11.1. Микропроцессор как элемент вычислительной системы

Обработка информации в системах измерения, контроля и управле­ ния, как правило, выполняется в цифровой форме. Числовое представление

иобработка данных предоставили возможность выработать единый подход

креализации систем для всевозможных применений. Основой построения систем обработки служат теория и техника вычислительных средств.

По виду структуры и способу получения функциональной зависимо­ сти цифровые преобразователи подразделяют на два типа устройств:

•с жесткой логикой (реализуемая функция определяется составом логических элементов и их соединением);

•с гибкой организацией выполняемых функций путем программно­ го управления процессом обработки данных.

Развитие микроэлектронной элементной базы предоставляет широ­ кие возможности разработчику цифровых вычислительных систем при вы­ боре их аппаратной реализации. Технология изготовления полупроводни­ ковых ИМС определяет основные характеристики цифровых устройств (функциональные возможности, быстродействие, потребляемую мощ­ ность, габаритные размеры), а также оказывает влияние на построение вы­ числительной системы в целом.

Преимущественное применение на современном этапе развития цифровых систем получили средства преобразования данных с гибкой ло­ гикой программного управления, предоставляющие разработчику широкие возможности, базирующиеся на сочетании аппаратных и программных средств создания изделий. Базовым элементом вычислительной системы с программным управлением является процессор (processor), выполняющий обработку данных в соответствии с принятым алгоритмом. Была подробно разработана теория программно управляемых автоматов и создан класс ми­ ни-ЭВМ на полупроводниковых приборах. В применявшихся ранее для це­ лей измерения и управления малых ЭВМ процессор был реализован на на­ боре ИМС средней степени интеграции, размещенных на печатных платах.

М и к р о п р о ц е с с о р о м называется универсальный процессор, реализованный на одной (или нескольких) СБИС и представляющий собой сложнейшую продукцию массового электронного производства. Достиже­ ние в полупроводниковой технологии уровня интеграции более миллиона транзисторов на кристалле позволило поместить в одной микросхеме ос­

новную часть элементов системы со структурой аналогичной мини-ЭВМ, закономерно привело к созданию микропроцессора. Интегральный микро­ процессор, выполняющий преобразование входных кодов чисел в соответ­ ствии с заданным алгоритмом, зафиксированным во внешней программе, выделился в качестве самостоятельного полупроводникового устройства (элемента цифровой системы). Гибкая структура преобразователя была по­ лучена за счет управления взаимодействием фиксированных аппаратных средств, расположенных на кристалле, с помощью последовательности внешних сигналов (команд управления) на каждом шаге обработки дан­ ных. Универсальность микропроцессоров обусловлена существенной ап­ паратной избыточностью по сравнению со специализированными устрой­ ствами на основе жесткой логики, что влечет за собой уменьшение степени интеграции. Кроме того, программное выполнение математических и ло­ гических операций, как правило, обладает меньшим быстродействием, а возможность воспроизведения множества логических функций базируется на избыточных системных ресурсах.

В самых различных областях техники нашли широкое применение типовые микропроцессорные вычислительные структуры (микропроцес­ сорные системы), которые содержат один или несколько микропроцессо­ ров, устройств аппаратной поддержки (памяти, синхронизации, приемапередачи) и схем согласования (склеивающей логики) для выполнения за­ данных численных процедур. Схемы аппаратной поддержки могут быть выполнены в виде функционально завешенных БИС в отдельном корпусе. Достаточно простые схемы сопряжения (регистры, мультиплексоры, триг­ геры) часто строят на базе программируемой логики (ПЛИС).

За достаточно короткий срок своего существования микропроцес­ сорные системы (МПС) прошли целый ряд этапов развития и продолжают совершенствоваться весьма высокими темпами. В 1971 г. корпорация Intel (Integrated Electronics - интегральная электроника) объявила о выпуске первого микропроцессора 4004, который на чипе площадью 0,1 см2 содер­ жал 2300 транзисторов />-МОП, выполненных с технологической нормой Юмкм. Он имел тактовую частоту 108 кГц и выполнял примерно 60 000 вычислительных операций в секунду с четырехразрядными числами. По мере совершенствования технологии и повышения степени интеграции возрастала длина машинного слова. Микропроцессор 8080 той же фирмы, выпущенный в 1974 г., содержал на чипе размером 4,2 х 4,9 мм уже 6000 транзисторов, выполненных по w-МОП технологии с нормой бмкм. Такто­ вая частота микропроцессора 8080 составляла 2 МГц, что позволяло вы­ полнять около 200000 операций в секунду с восьмиразрядными числами.

Первое поколение микропроцессоров имело структуру, во многом повторяющую структуру процессоров: арифметическое логическое уст­ ройство с регистровой памятью и устройство управления, объединенные общей магистралью для передачи данных, команд и сигналов управления.

Для создания микропроцессорной системы (микрокомпьютера), способной обрабатывать данные, приведенный состав дополняется памятью доста­ точного быстродействия и емкости, устройствами ввода-вывода и шинами (магистралями) для передачи данных и сигналов.

Последующее совершенствование микропроцессоров охватывало как элементную базу, так и архитектуру (структуру, системы адресации и ко манд). Созданный в 1993 г. микропроцессор Intel Pentium содержит на чи­ пе 3 млн транзисторов, выполненных с технологической нормой 0,35 мкм Повышение быстродействия и увеличение нагрузочной способности обес­ печивалось за счет применения логических Би-КМОП-вентилей с бипо­ лярным транзистором на выходе. Трехслойная металлизация позволила оптимизировать топологию межсоединений и увеличить быстродействие за счет уменьшения значений нагрузочных емкостей. Использованные ап­ паратные средства совместно с архитектурными нововведениями (с>- перскалярная архитектура, предсказание правильного адреса перехода, наличие высокопроизводительного блока вычислений с плавающей за­ пятой) обеспечили получение тактовой частоты 60...200 МГц при рабсде с 32-разрядными числами.

Дальнейшее развитие было направлено на создание широкой но­ менклатуры микропроцессоров с различными параметрами (повышение тактовой частоты, увеличение разрядности, оптимизация системы команд). Изменилось также и внешнее оформление микропроцессоров. Например, планарно-ленточный корпус (TCP - Таре Carrier Package) занимает на две трети меньшее пространство, чем стандартный SPGA корпус, что делает его незаменимым в мобильных и промышленных компьютерах. Появились микропроцессоры, разработанные для конкретных практических приложе­ ний, которые удовлетворяют различным классификационным признакам. По назначению различают универсальные и специализированные микро­ процессоры, обладающие существенно отличающимися характеристиками

ипараметрами.

Ун и в е р с а л ь н ы е микропроцессоры предназначены для реше­ ния широкого круга весьма разнообразных задач. При этом их эффектив­ ная производительность слабо зависит от проблемной специфики решае­ мых задач.

С п е ц и а л и з и р о в а н н ы е микропроцессоры обладают про­ блемной ориентацией на ускоренное выполнение конкретных функций, позволяющей резко увеличить эффективную производительность при ре­ шении задач определенного класса. Среди специализированных МП мож­ но выделить математические процессоры, предназначенные для бы строго выполнения арифметических операций; микроконтроллеры, обеспечи­ вающие сбор данных и управление в реальном масштабе времени; микро­ процессоры для обработки данных (сигнальные).

Свойства современных микропроцессорных вычислительных систем зависят от совокупности взаимосвязанных аппаратных и программных средств, образующих понятие архитектуры, которое определяет состав, на­ значение, логическую организацию и порядок взаимодействия всех функ­ циональных средств. Для удобства выбора структуры вычислительной системы их принято классифицировать по назначению и особенностям применения (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Классификация микропроцессорных систем

По условиям эксплуатации выделяют офисные вычислительные средства (для работы в непроизводственных условиях) и промышленные системы (для непосредственного управления производственными и техно­ логическими процессами), способные работать в условиях запыленности, больших перепадов температуры, вибрации и воздействия других факто­ ров. В них обеспечены повышенная механическая прочность и стойкость к неблагоприятным воздействиям окружающей среды, защита от электро­ магнитных помех.

М и к р о Э В М (микрокомпьютер) - это конструктивно завершен­ ная микропроцессорная система, имеющая устройства связи с внешней аппаратурой, панель управления, собственный источник электропитания и комплект программного обеспечения, предназначенные для весьма широ­ кого класса задач обработки больших массивов данных. По назначению и условиям эксплуатации в универсальных микроЭВМ выделяют несколько групп: п е р с о н а л ь н ы е к о м п ь ю т е р ы (ПК, Personal Computer) - однопользовательские микроЭВМ, удовлетворяющие требованиям обще­ доступности и универсальности применения; р а б о ч и е с т а н ц и и (Work Station) —мощные однопользовательские микроЭВМ, специализи­ рованные для выполнения определенного вида работ (графических, инже­ нерных, издательских и др.); с е р в е р ы (Server) - многопользовательские Мощные микроЭВМ, выделенные для обработки запросов от всех станций вычислительной сети.

В структуре микроЭВМ заложен модульный принцип построения вычислительной системы с организацией обмена данными и передачи Управляющих сигналов по системной шине (магистрали), представляющей

собой совокупность сигнальных линий, функционирующих в соответстви и с протоколом. Универсальность ЭВМ получена за счет сложного систем­ ного управления и избыточности ресурсов, которые в ряде приложений применяют для конкретного использования и получают специализирован­ ные системы.

П е р и ф е р и й н ы е п р о г р а м м и р у е м ы е к о н т р о л л е р ы (Peripheral Interface Controller - PIC), разработанные для сопряжения Ml I с периферийными быстродействующими устройствами (дисплеями, фо.

считывателями, внешними ЗУ) по мере развития стали широко испольюваться для контроля и управления объектами в режиме реального времени (on line) параллельно с основным вычислительным устройством.

М и к р о к о н т р о л л е р ы (МК) предназначены для сбора инфор­ мации, контроля и управления производственными и другими объектами. Разработаны с ориентацией на конкретную область применения в качестве встраиваемых приборов. Это определило их аппаратную реализацию, отли­ чающуюся функциональной завершенностью, малыми габаритами и энер­ гопотреблением, значительным числом портов для подключения внешних устройств, а также наличием специальных устройств - контроллеров обме­ на данными, генераторов и таймеров, аналого-цифровых преобразователей (АЦП), блоков автономного электропитания. Микроконтроллеры имею! архитектурные отличительные признаки: упрощенный сравнительно не­ большой набор команд, незначительную емкость ОЗУ и др.

Для широко распространенных промышленных систем управления (например, систем автоматизированного электропривода) фирмы предла­ гают функционально и конструктивно завершенные микропроцессорные системы («motion control»), имеющие многоуровневую структуру. Нижний уровень непосредственного управления электродвигателем построен на базе микроконтроллера, который поддерживает встроенную или отдель­ ную плату широтно-импульсного модулятора (ШИМ) для управления си­ ловым блоком, а также АЦП для преобразования сигналов датчиков по­ ложения и тока в цифровой код. Верхний уровень управления представлен мощной микроЭВМ (или рабочей станцией), решающей задачи траекторного управления электроприводом одновременно по нескольким коорди­ натным составляющим (осям). Область применения систем motion control простирается от управления многокоординатными станками до примене­ ния в самолетах и подводных аппаратах.

С и г н а л ь н ы е м и к р о п р о ц е с с о р ы (СМП) предназначены для сложной цифровой обработки больших информационных потоков сиг налов в реальном масштабе времени (система машинного зрения роботов, обработка метеорологических данных и многие другие задачи), что треб} - ет весьма больших вычислительных мощностей. Специализация СМП за­ ключается в аппаратном выполнении операций (фильтрации, сглаживания, прогнозирования), наиболее часто используемых при обработке сигналов-

Основой СМП служит процессор для цифровой обработки сигналов (DSP - Digital Signal Processing). При оснащении сигнального процессора АЦП, ЦАП и интерфейсными устройствами получается аналоговый сигнальный процессор, применяемый для обработки непрерывных сигналов.

М н о г о п р о ц е с с о р н ы е в ы ч и с л и т е л ь н ы е с и с т е м ы (МГГОС), или суперкомпьютеры, созданы в виде параллельных структур с целью сверхскоростной обработки (производительность свыше 100 млн операций с плавающей точкой в секунду) очень больших объемов дан­ ных. Например, многоцелевой суперкомпьютер среднего класса на мик­ росхемах сверхвысокой степени интеграции Intel Pentium Pro 200 содер­ жит 9200 процессоров Pentium Pro на 200 МГц, обеспечивающих общую производительность 1,34-1012 операций с плавающей точкой в секунду, и имеет 537Гбайт памяти и диски емкостью 2,25Тбайт.

Микропроцессорные системы постоянно и достаточно быстро со­ вершенствуются на основе новых моделей микропроцессоров и собствен­ ной архитектуры. Сложности выбора структуры вычислительного ком­ плекса для обработки данных в основном связаны с множеством возмож­ ных вариантов при отсутствии четкой классификации устройств и разгра­ ничения областей применимости в зависимости от их свойств.

11.2. Структура микропроцессора и основные параметры

Микропроцессор сочетает в себе обрабатывающие и управляющие устройства, выполненные по полупроводниковой технологии БИС и обла­ дающие способностью с помощью программного управления осуществлять обработку информации, включая ввод, вывод и хранение данных, арифме­ тические и логические операции, преобразование цифровых сигналов.

Создано и выпускается множество модификаций микропроцессоров, отличающихся совокупностью аппаратных средств и программного обес­ печения. При рассмотрении общих принципов организации и работы мик­ ропроцессоров целесообразно не касаться особенностей конкретного мик­ ропроцессора, а использовать гипотетический (иллюстративный) прибор, имеющий минимальный состав оборудования и простой набор команд.

Типовая структура микропроцессора, называемого центральным процессорным элементом (ЦПЭ) (Central Processor Unit - CPU), включает в себя арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее основ­ ные операции обработки двоичных операндов; регистры (Рг) для времен­ ного хранения данных, команд и адресов; управляющее устройство (УУ), вырабатываюшее команды для синхронной работы отдельных устройств (рис. 11.2).

Приведенная структура может быть реализована на базе узлов и бло­ ков цифровой электроники, таких как дешифраторы, мультиплексоры, ре­ гистры, сумматоры, буферные каскады.

Рис. 11.2. Типовая структура микропроцессора

Возможности программирования и конкретный вид выполяемой операции определяются входным кодом. Например, при использовании пятиразрядного кода M,a,b,ctd можно запрограммировать 7V=25=32 опера­ ции, тип которых задает старший разряд, т.е. при М=О АЛУ реализует арифметические, а при М =1 логические операции. Логические операции с многоразрядными числами осуществляются поразрядно. В режиме выпол­ нения операций суммирования образуется дополнительный вход приема сигнала переноса, что позволяет наращивать разрядность АЛУ

АЛУ выполняет достаточно простые операции: сложение (ADD), вычитание (SUB), сдвиг (SHIFT), сравнение (СОМР), логическую функ­ цию И (LAND) и др. В микропроцессоре с приведенным составом уст­ ройств сложные операции, такие как умножение, деление, вычисление функций, могут быть реализованы программным способом с использова­ нием ЗУ

В сверхоперативной регистровой памяти ЦПЭ имеются две группы регистров: общего назначения (РОН) и специальные. Основная функция РОН состоит в хранении операндов, обрабатываемых в АЛУ. Информаци­ онная емкость РОН определяет вычислительные возможности МП при вы­ полнении операций с максимальной скоростью обмена. Большинство реги­ стров общего назначения имеют адреса, указываемые при программирова­ нии операций. Отдельный накопительный регистр (аккумулятор) непо­ средственно связан с АЛУ и служит для хранения одного операнда. В ак­