Архитектура микропроцессорных систем

До сих пор мы рассматривали только один тип архитектуры микропро­цессорных систем — архитектуру с общей, единой шиной для данных и команд (одношинную, или принстонскую, фон-неймановскую архитектуру). Соответственно, в составе системы в этом случае присутствует одна общая память, как для данных, так и для команд (рис. 1.15).

Общая шина данных и команд

Рис. 1.17. Архитектура с общей шиной данных и команд.

Но существует также и альтернативный тип архитектуры микропроцессорной системы — это архитектура с раздельными шинами данных и команд (двухшинная, или гарвардская, архитектура). Эта архитектура предполагает наличие в системе отдельной памяти для данных и отдельной па­мяти для команд (рис. 1.16). Обмен процессора с каждым из двух типов памяти происходит по своей шине.

Архитектура с общей шиной распространена гораздо больше, она при­меняется, например, в персональных компьютерах и в сложных микро­компьютерах. Архитектура с раздельными шинами применяется в основ­ном в однокристальных микроконтроллерах.

Рассмотрим некоторые достоинства и недостатки обоих архитектур­ных решений.

Архитектура с общей шиной (принстонская, фон-неймановская) проще
, она не требует от процессора одновременного обслуживания двух шин,
контроля обмена по двум шинам сразу. Наличие единой памяти данных и команд позволяет гибко распределять ее объем между кодами данных и команд. Например, в некоторых случаях нужна большая и сложная про­грамма, а данных в памяти надо хранить не слишком много. В других слу­чаях, наоборот, программа требуется простая, но необходимы большие объемы хранимых данных. Перераспределение памяти не вызывает ника­ких проблем, главное — чтобы программа и данные вместе помещались в памяти системы. Как правило, в системах с такой архитектурой память бывает довольно большого объема (до десятков и сотен мегабайт). Это по­зволяет решать самые сложные задачи.

Рис. 1.18. Архитектура с раздельными шинами данных и команд.

Архитектура с раздельными шинами данных и команд сложнее, она за­ставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, об­служивать обмен по двум шинам одновременно. Программа может разме­щаться только в памяти команд, данные — только в памяти данных. Такая узкая специализация ограничивает круг задач, решаемых системой, так как не дает возможности гибкого перераспределения памяти. Память данных и память команд в этом случае имеют не слишком большой объем, поэтому применение систем с данной архитектурой ограничивается обычно не слишком сложными задачами.

В чем же преимущество архитектуры с двумя шинами (гарвардской)?

В первую очередь, в быстродействии.

Дело в том, что при единственной шине команд и данных процессор вынужден по одной этой шине принимать данные (из памяти или устрой­ства ввода/вывода) и передавать данные (в память или в устройство ввода/ вывода), а также читать команды из памяти. Естественно, одновременно эти пересылки кодов по магистрали происходить не могут, они должны производиться по очереди. Современные процессоры способны совмес­тить во времени выполнение команд и проведение циклов обмена по сис­темной шине. Использование конвейерных технологий и быстрой кэш-­памяти позволяет им ускорить процесс взаимодействия со сравнительно медленной системной памятью. Повышение тактовой частоты и совер­шенствование структуры процессоров дают возможность сократить время выполнения команд. Но дальнейшее увеличение быстродействия систе­мы возможно только при совмещении пересылки данных и чтения команд, то есть при переходе к архитектуре с двумя шинами.

В cлучae двухшинной архитектуры обмен по обеим шинам может быть независимым, параллельным во времени. Соответственно, структуры шин (количество разрядов кода адреса и кода данных, порядок и скорость об­мена Информацией и т.д.) могут быть выбраны оптимально для той зада­чи, которая решается каждой шиной. Поэтому при прочих равных усло­виях переход на двухшинную архитектуру ускоряет работу микропроцессорной системы, хотя и требует дополнительных затрат на аппаратуру, усложнения структуры процессора. Память данных в этом слу­чае имеет свое распределение адресов, а память команд — свое.

Проще всего преимущества двухшинной архитектуры реализуются внутри одной микросхемы. В этом случае можно также существенно умень­шить влияние недостатков этой архитектуры.

Поэтому основное ее применение — в микроконтроллерах, от которых не требуется решения слиш­ком сложных задач, но зато необходимо максимальное быстродействие мри заданной тактовой частоте.

1.6. 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.

Основные типы следующие:

• 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 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, конечно, 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 систем выбирают 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 аппатурная избыточность для простых задач. Недостатком является и неприспособленность большинства персональных компьютеров к работе и. южных условиях (запыленность, высокая влажность, вибрации, высокие температуры и т.д.). Однако выпускаются и специальные персональ­ные компьютеры, приспособленные к различным условиям эксплуатации.

Контрольные вопросы