Лекция №1. Микропроцессоры и микроконтроллеры. Общие сведения. Шина адреса, шина управления.

Основные понятия и определения.

Сперва рассмотрим основные понятия и определения, которые лежат в основе любой микропроцессорной системы – от простейшего микроконтроллера до сложного компьютера.

Для начала несколько основных определений.

· Электронная система — в данном случае это любой электронный узел, блок, прибор или комплекс, производящий обработку информации.

· Задача — это набор функций, выполнение которых требуется от электронной системы.

· Быстродействие — это показатель скорости выполнения электронной системой ее функций.

· Гибкость — это способность системы подстраиваться под различные задачи.

· Избыточность — это показатель степени соответствия возможностей системы решаемой данной системой задаче.

· Интерфейс — соглашение об обмене информацией, правила обмена информацией, подразумевающие электрическую, логическую и конструктивную совместимость устройств, участвующих в обмене.

Другое название — сопряжение.

Микропроцессор (МП) - это обрабатывающее и управляющее устройство, способное под программным управлением выполнять обработку информации, принятие решений, ввод и вывод информации и выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных схем.

Микросхема - это конструктивно законченное микроэлектронное изделие, выполняющее определённую функцию преобразования информации, содержащее совокупность электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле.

Микросхемы изготавливают групповым методом, тиражируя одновременно в одной партии от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч микросхем. По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делят на три группы:

· полупроводниковые,

· пленочные,

· гибридные.

В полупроводниковой интегральной микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки. В пленочной интегральной микросхеме все элементы и соединения между ними выполнены в виде пленок. В настоящее время методами пленочной технологии реализуются только пассивные элементы микросхем - резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. В гибридной микросхеме в качестве активных электрорадиоэлементов используется навесные дискретные полупроводниковые приборы или полупроводниковые интегральные микросхемы, а в качестве пассивных элементов - пленочные резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и соединяющие их пленочные проводники.

Механической основой такой микросхемы является диэлектрическая подложка. Она выполняет функции механического основания, изоляции элементов друг от друга, теплоотвода. Подложки выпускаются в виде тонких круглых или прямоугольных пластин.

Для полупроводниковых микросхем используют монокристаллические полупроводниковые (кремний, арсенид галлия) и монокристаллические диэлектрические (сапфир) подложки. На них в дальнейшем формируют слой полупроводникового материала,в котором создают элементы микросхем.

Показателем сложности микросхемы является степень интеграции К, которая характеризуется числом содержащихся в ней элементов и компонентов N: К =lgN, где К округляется до ближайшего большего целого числа. По степени интеграции микросхемы подразделяют на:

а) Малые интегральные схемы (МИС) - это схемы 1- 2-й степени интеграции, содержащие от нескольких до 100 элементов и компонентов, в состав которых входит один или несколько видов функциональных аналоговых или логических элементов. Например, логических элементов И, ИЛИ, НЕ, триггеров, усилителей, фильтров и т.д.

б) Средние интегральные схемы (СИС) - схемы 2-3-й степени интеграции, содержащие от нескольких десятков до 1000 элементов и компонентов, в состав которых входят один или несколько одинаковых функциональных узлов электронных устройств (регистр, счетчик, дешифратор, постоянное запоминающее устройство).

в) Большие интегральные схемы (БИС) - схемы 3-4-й степени интеграции, содержащие от нескольких сотен до 10000 элементов. в состав которых входят одно или несколько функциональных устройств (арифметико-логическое устройство, оперативное запоминающее устройство, перепрограммируемое постоянное запоминающее).

г) Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) - это интегральные схемы 5-7 степени интеграции представляющие собой законченное микроэлектронное изделие, способное выполнять функции аппаратуры (например, микропроцессор).

Микропроцессорная система может рассматриваться как частный случай электронной системы, предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов (рис. 1.1). В качестве входных и выходных сигналов при этом могут использоваться аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигналы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Внутри системы может производиться хранение, накопление сигналов (или информации), но суть от этого не меняется. Если система цифровая (а микропроцессорные системы относятся к разряду цифровых), то входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательности кодов выборок с помощью АЦП, а выходные аналоговые сигналы формируются из последовательности кодов выборок с помощью ЦАП. Обработка и хранение информации производятся в цифровом виде.

Раз уж встретились понятия АЦП и ЦАП – запишем определения:

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал) Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд).

Характерная особенность традиционной цифровой системы состоит в том, что алгоритмы обработки и хранения информации в ней жестко связаны со схемотехникой системы. То есть изменение этих алгоритмов возможно только путем изменения структуры системы, замены электронных узлов, входящих в систему, и/или связей между ними. Например, если нам нужна дополнительная операция суммирования, то необходимо добавить в структуру системы лишний сумматор. Или если нужна дополнительная функция хранения кода в течение одного такта, то мы должны добавить в структуру еще один регистр. Естественно, это практически невозможно сделать в процессе эксплуатации, обязательно нужен новый производственный цикл проектирования, изготовления, отладки всей системы. Именно поэтому традиционная цифровая система часто называется системой на "жесткой логике".

Рис. 1.1. Электронная система.

Любая система на "жесткой логике" обязательно представляет собой специализированную систему, настроенную исключительно на одну задачу или (реже) на несколько близких, заранее известных задач. Это имеет свои бесспорные преимущества.

Во-первых, специализированная система (в отличие от универсальной) никогда не имеет аппаратурной избыточности, то есть каждый ее элемент обязательно работает в полную силу (конечно, если эта система грамотно спроектирована).

Во-вторых, именно специализированная система может обеспечить максимально высокое быстродействие, так как скорость выполнения алгоритмов обработки информации определяется в ней только быстродействием отдельных логических элементов и выбранной схемой путей прохождения информации. А именно логические элементы всегда обладают максимальным на данный момент быстродействием.

Но в то же время большим недостатком цифровой системы на "жесткой логике" является то, что для каждой новой задачи ее надо проектировать и изготавливать заново. Это процесс длительный, дорогостоящий, требующий высокой квалификации исполнителей. А если решаемая задача вдруг изменяется, то вся аппаратура должна быть полностью заменена. В нашем быстро меняющемся мире это довольно расточительно.

Путь преодоления этого недостатка довольно очевиден: надо построить такую систему, которая могла бы легко адаптироваться под любую задачу, перестраиваться с одного алгоритма работы на другой без изменения аппаратуры. И задавать тот или иной алгоритм мы тогда могли бы путем ввода в систему некой дополнительной управляющей информации, программы работы системы (рис. 1.2). Тогда система станет универсальной, или программируемой, не жесткой, а гибкой. Именно это и обеспечивает микропроцессорная система.

Рис. 1.2. Программируемая (она же универсальная) электронная система.

Но любая универсальность обязательно приводит к избыточности. Ведь решение максимально трудной задачи требует гораздо больше средств, чем решение максимально простой задачи. Поэтому сложность универсальной системы должна быть такой, чтобы обеспечивать решение самой трудной задачи, а при решении простой задачи система будет работать далеко не в полную силу, будет использовать не все свои ресурсы. И чем проще решаемая задача, тем больше избыточность, и тем менее оправданной становится универсальность. Избыточность ведет к увеличению стоимости системы, снижению ее надежности, увеличению потребляемой мощности и т.д.

Кроме того, универсальность, как правило, приводит к существенному снижению быстродействия. Оптимизировать универсальную систему так, чтобы каждая новая задача решалась максимально быстро, попросту невозможно. Общее правило таково: чем больше универсальность, гибкость, тем меньше быстродействие. Более того, для универсальных систем не существует таких задач (пусть даже и самых простых), которые бы они решали с максимально возможным быстродействием. За все приходится платить.

Таким образом, можно сделать следующий вывод. Системы на "жесткой логике" хороши там, где решаемая задача не меняется длительное время, где требуется самое высокое быстродействие, где алгоритмы обработки информации предельно просты. А универсальные, программируемые системы хороши там, где часто меняются решаемые задачи, где высокое быстродействие не слишком важно, где алгоритмы обработки информации сложные. То есть любая система хороша на своем месте.

Однако за последние десятилетия быстродействие универсальных (микропроцессорных) систем сильно выросло (на несколько порядков). К тому же большой объем выпуска микросхем для этих систем привел к резкому снижению их стоимости. В результате область применения систем на "жесткой логике" резко сузилась. Более того, высокими темпами развиваются сейчас программируемые системы, предназначенные для решения одной задачи или нескольких близких задач. Они удачно совмещают в себе как достоинства систем на "жесткой логике", так и программируемых систем, обеспечивая сочетание достаточно высокого быстродействия и необходимой гибкости. Так что вытеснение "жесткой логики" продолжается.