Аналоговая схемотехника (стр. 12 )

Рисунок 3.16 – ЦАП со взвешенными резисторами

Формирование выходного напряжения токового ЦАП производится различными способами, например, приведёнными ниже. При малой Сн и малом uвых – по рисунку 3.17.

Рисунок 3.17 – ЦАП с малым выходным напряжением

Для большого диапазона выходного напряжения или малых величин Rн и больших Cн применяют схемы по рисунку 3.18.

Рисунок 3.18 – ЦАП с большим выходным напряжением

Для получения большого значения uвых и увеличенного быстродействия заменяют выходные узлы ОУ. Характеристики ЦАП можно разделить на две группы: динамические и преобразования. Характеристики преобразования даны на рисунке 3.19.

Рисунок 3.19 – Характеристики преобразования ЦАП

На рисунке 3.20 приведены возможные разновидности нелинейности характеристики преобразования ЦАП.

Рисунок 3.20 – Нелинейность характеристики преобразования ЦАП

Ниже на рисунке 3.21 приведены основные динамические параметры ЦАП.

А) Время установления выходного сигнала: время от момента изменения кода на входе от минимального до максимального до момента, когда значение выходного сигнала отличается от установившегося на заданную величину (0,5 ЕМР).

Б) Время задержки распространения: время от момента достижения входным сигналом уровня 0,5 своего значения до момента достижения выходным сигналом уровня 0,5.

В) Время нарастания – время, за которое выходной сигнал изменяется от 0,1 до 0,9 установившегося значения.

Д) Время переключения – время от момента изменения входного кода до достижения на выходе уровня 0,9.

Рисунок 3.21 – Основные динамические характеристики ЦАП

3.3 Микропроцессоры

Микропроцессор – это устройство цифровой обработки информации, осуществляемой по программе. По назначению он близок к процессору ЭВМ, однако обладает меньшими функциональными возможностями. Микропроцессор реализуется в виде одной или нескольких микросхем высокой степени интеграции и применяется совместно с электронным запоминающим устройством программы (3УП) и запоминающим устройством данных (ЗУД), а также с устройством ввода-вывода (УВВ) [2]. По аналогии с ЭВМ система, состоящая из микропроцессора и указанных устройств, получила название микро-ЭВМ или микропроцессорной системы (рисунок 3.22).

Рисунок 3.22 – Функциональная схема микро-ЭВМ

Устройство ЗУ программ предназначено для хранения команд, составляющих программу работы микропроцессора, и выполняется таким образом, что информация, записанная в нем, не теряется при перерывах в напряжении питания. Устройство ЗУ данных используется для хранения данных, предназначенных для обработки микропроцессором. Устройство УВВ обеспечивает ввод данных в ЗУД и их вывод к внешним приборам и устройствам. Микропроцессор состоит:

а) из схем, обеспечивающих выборку команд из ЗУП, их дешифрирование и выполнение;

б) арифметическо-логического устройства (АЛУ), представляющего собой совокупность схем, реализующих арифметические и логические операции над данными;

в) устройства управления, предназначенного для управления операциями и имеющего связи с ЗУП, ЗУД, и УВВ;

д) различных регистров, служащих местом временного хранения и преобразования данных и команд.

Блоки микропроцессорной системы связаны трактом передачи адресов для выборки микропроцессором команд из ЗУП и данных из ЗУД или УВВ, а также трактом передачи команд из ЗУП в микропроцессор и данных из ЗУД или УВВ в микропроцессор и от него. Оба тракта передачи информации состоят из некоторого количества проводников, каждый из которых может подключаться к соответствующим приемникам и источникам микропроцессорной системы, осуществляя многократное использование каждого проводника для создания связи между узлами блоков микропроцессорной системы. Это достигается устройством управления микропроцессора, осуществляющим разделение во времени соответствующих связей (мультиплексирование).

Система с микропроцессором оперирует информацией в двоичной системе счисления. Каждый разряд двоичного числа называется битом. Крайний слева бит имеет наибольший вес, в связи с чем он называется старшим битом (разрядом). Крайний справа бит имеет наименьший вес, поэтому его называют младшим битом (разрядом). Обозначение битов 16-разрядного двоичного числа показано на рисунке 3.23.

Информация, которую обрабатывает микропроцессор, представляется группой битов, составляющих слово.

Рисунок 3.23 – Структура двоичного кода микропроцессорной системы

Количество битов в слове, несущем информацию о данных, зависит от типа микропроцессора. Наиболее распространены слова для передачи данных длиной в 4, 8, 12, 16 и 32 бит. Количеством битов в слове для передачи данных определяется, в частности, число разрядов приемных регистров, входящих в сверхоперативную память микропроцессора. Длина слова, предназначенного для передачи адресов (адресации) к ЗУП и ЗУД, может превышать длину слова для передачи данных (соответственно может быть больше и число проводников в тракте передачи адресов). Это позволяет существенно увеличить объем памяти ЗУП и ЗУД. Так, при 16-битовом адресном слове (16 проводников в тракте передачи адресов) может быть опрошено 2n = 65536 ячеек ЗУ.

Биты, образующие слово, подразделяют на группы. Группа, состоящая из 8 бит, называется байтом (рисунок 3.23). Деление слова на байты позволяет упростить представление двоичного слова, применив шестнадцатеричную форму записи (шестнадцатеричный код). Так, двоичное число, представленное на рисунке 3.23, будет иметь в шестнадцатеричном коде запись в виде E57D16.

Функционирование всех узлов и блоков микропроцессорной системы (см. рисунок 3.22) инициируется генератором тактовых импульсов. Для выполнения микропроцессором одной команды, хранящейся в ЗУП, требуется несколько периодов тактовых импульсов. Время выполнения команды называется командным циклом. Командный цикл может составлять один или несколько машинных циклов. В машинный цикл входят цикл выборки и исполнительный цикл (рисунок 3.24). Во время цикла выборки микропроцессор определяет адрес команды, находящейся в ЗУП, и считывает эту команду в микропроцессор. За время исполнительного цикла микропроцессор осуществляет выполнение считанной команды.

Рисунок 3.24 – Цикл работы микропроцессора

Функциональная схема микропроцессора. Микропроцессор представляет собой сложное цифровое устройство, состоящее из большого количества функциональных узлов. Но независимо от типа микропроцессора можно выделить отдельные функциональные узлы, составляющие основу его построения, рисунок 3.25.

Рисунок 3.25 – Обобщённая функциональная схема микропроцессора

А) Счетчик команд создаёт адрес (0, 1, 2, ...) команды, выбираемой микропроцессором из ЗУП в текущий момент времени. Он представляет собой суммирующий счетчик, содержание которого увеличивается на единицу к концу выполнения текущей команды. Этим достигается выбор адреса следующей команды из ЗУП. Микропроцессор может работать с подпрограммами: в этом случае в счетчик команд принудительно записывается число, соответствующее адресу первой команды подпрограммы, а к завершению последней команды в подпрограмме счетчик команд устанавливается на адрес команды основной программы. Количество ячеек (битов), из которых состоит счетчик команд, зависит от типа микропроцессора. Так, при 16-битовом счетчике команд микропроцессор имеет возможность обращаться к ЗУП, содержащему 216 адресов (команд).

Б) Регистр команд предназначен для хранения в микропроцессоре команды, считанной из ЗУП, на период ее выполнения. Выполнение команды осуществляется блоком управления (управление машинным циклом), который получает с выходов дешифратора необходимые сигналы для приведения в действие требуемых узлов микропроцессора.

В) Формирователь адресов операндов состоит из одного или нескольких регистров, в которых составляется адрес данных (операнда) перед обращением к ЗУД.

Д) АЛУ – арифметическо-логическое устройство – осуществляет операции сложения, вычитания, сравнения, а также операции И, ИЛИ над двумя числами (операндами) с выдачей результата по одному выходу. Вид операции задается командным кодом, содержащимся в регистре команд.

Е) Аккумулятор представляет собой основной регистр, предназначенный для ввода данных в микропроцессор и вывода их от него. В аккумулятор поступает операнд из ЗУД перед проведением соответствующей операции в АЛУ. В аккумулятор вводится результат проведенной в АЛУ операции.

Ж) Регистры сверхоперативной памяти предназначены для временного хранения данных перед проведением операций в АЛУ. Если, например, требуется провести операцию арифметического сложения двух чисел, то одно число предварительно хранится в аккумуляторе, а второе – в одном из регистров сверхоперативной памяти.

К началу выполнения программы микропроцессор должен находиться в исходном состоянии. С этой целью предусматривается подача сигнала «Установка нуля», которым все регистры микропроцессора, в том числе счетчик команд, устанавливаются в исходное нулевое состояние. Регистр адреса команд (счетчик команд), устанавливается на соответствующий адрес ЗУП. Старт-адрес первого слова команды обычно представляется числом ноль.

3.3.1 Микропроцессор 8080 (К580ВМ80)

История микропроцессорных средств началась в 1971 г., когда фирма «Intel» объявила о выпуске семейства интегральных микросхем, предназначенных для построения программируемых калькуляторов. В 1974–76 гг. были разработаны МП с наращиваемой разрядностью и микропрограммным управлением (секционные МП). Следующий качественный скачок в развитии микропроцессорных БИС произошел в 1978 г., когда фирмой «Intel» был выпущен однокристальный микропроцессор 8086 (30 тыс. транзисторов на кристалле). МП имеет разрядность данных 16 бит, объем адресуемой памяти до 1 Мбайт, fт = 5МГц.

Фирма «Intel» в 1989 г. выпустила 64-разрядный МП 80860, который содержит более 1 млн транзисторов, реализующих на одном кристалле RISC-процессор с плавающей точкой, процессор обработки графической информации и 12 байт КЭШ-памяти. Другим направлением развития микропроцессорных средств являются однокристальные микроконтроллеры, первые из которых появились в начале 80-х годов. Фактически это однокристальные МП с расширенными схемами постоянной (или полупостоянной) и оперативной памяти, портами ввода-вывода, таймерами.

Наглядным свидетельством возможностей МП стали персональные ЭВМ. Первой ПЭВМ принято считать микро-ЭВМ «Altair 8800» фирмы MITS (США), которая была выпущена в 1975 г. Массовое производство ПЭВМ началось в 1981 г., когда фирма IBM начала выпуск своих ПЭВМ.

В МП-комплекте серии К580 (БИС КР580ВМ80) процессор вместе с устройством управления реализован в виде отдельной БИС и имеет фиксированные разрядность и систему команд, «зашитую» в БИС-памяти. Микро-ЭВМ, построенная на базе комплекта, работает с тактовой частотой 2 МГц. Схемы программируются с помощью фиксированного набора команд МП БИС КР580ИК80 [7].

МПК К580 – это набор функционально завершенных БИС, ориентированных на модульное проектирование микро-ЭВМ. Проектирование осуществляется на основе следующих модулей: модуля центрального процессора, выполняющего основные управляющие функции в системе; модуля памяти, включающего ПЗУ и ОЗУ для хранения программ и данных; модуля ввода-вывода, осуществляющего сопряжение микро-ЭВМ с УВВ.

МП КР580ВМ80 представляет собой однокристальный 8-разрядный МП с тремя шинами: однонаправленная 16-разрядная ША, двунаправленная 8-разрядная ШД и 12 сигналов управления (6 входных и 6 выходных). Функциональное назначение внешних выводов МП приведено на рисунке 3.26.

Рисунок 3.26 – Обозначение выводов МП 580ВМ80

Структура МП приведена на рисунке 3.27. Одновременно по внутренней ШД может осуществляться обмен данными только между двумя узлами МП. То есть узлы МП, подсоединенные к ШД, разделяют эту шину во времени.

Блок регистров. МП содержит программно-доступные 8-разрядные регистры: регистр-аккумулятор (А); общие регистры (РОН) В, С, D, Е; регистр признаков RF; 16-разрядные счетчик команд (PC) и указатель стека (SP); сдвоенный регистр косвенного адреса HL. Общие регистры используются для хранения операндов, промежуточных и конечных результатов, а также адресов и индексов при косвенной и индексной адресации. Аккумулятор используется в качестве источника одного из операндов и места, где фиксируется результат операции.

Наличие в блоке регистров регистра косвенного адреса HL позволяет иметь команды с подразумеваемой косвенной адресацией, т. е. без указания в команде номера регистра, хранящего исполнительный адрес.

При выполнении операций в МП возникает потребность в кратковременном хранении некоторых операндов и результатов выполнения операций. Для этой цели служат регистры временного хранения данных T, W, Z. Это позволяет МП за один цикл выполнения команды реализовать, например, такую операцию, как обмен содержимым двух регистров.

Рисунок 3.27 – Функциональная схема МП 580ВМ80

К одному из входов схемы АЛУ всегда подключен аккумулятор, к другому через регистр Т (регистр временного хранения) может быть подключен любой из общих регистров. Регистр Т позволяет избежать возникновения «гонок», когда какой-либо из общих регистров используется в одной операции и в качестве регистра-операнда, и в качестве регистра-результата.

АЛУ связано непосредственно с регистром признаков (регистр флагов RF), в соответствующих разрядах которого фиксируются особенности выполнения каждой операции: нулевой результат в аккумуляторе – Z, перенос из старшего разряда – CY, знак результата – S, паритет (четность) – Р и вспомогательный перенос из младшего полубайта – АС. Формат RF приведен на рисунке 3.28.

Рисунок 3.28 – Регистр флагов МП 580ВМ80

Использование в МП регистра флагов упрощает осуществление программных переходов в зависимости от состояния одного или более триггеров признаков-флагов. АЛУ позволяет в процессе межрегистровых пересылок выполнять операции сдвига на один разряд вправо или влево. АЛУ реализует простейшие арифметические и логические операции (сложение, вычитание, сдвиги, сравнение и др.). Все более сложные операции (умножение, деление, вычисление элементарных функций и др.) выполняются по подпрограммам.

Стековая память. В МП КР580 организуется стековая память, реализующая безадресное задание операндов. В общем случае стек представляет собой группу последовательно пронумерованных регистров или ячеек памяти, снабженных указателем стека, в котором автоматически при записи и считывании устанавливается номер (адрес) последней занятой ячейки стека (вершина стека).

Буферные схемы. Двунаправленный буфер ШД предназначен для логического и электрического разделения внутренней ШД и внешней, системной ШД. Буфер состоит из регистра и выходной схемы с тремя состояниями. Эти буферы, отключающиеся от системной шины, обеспечивают реализацию магистрального принципа межмодульных связей в МПС. Во время выполнения операций в МП, не связанных с процедурами обмена с внешними по отношению к МП устройствами системы, буферная схема отключается от ШД, т. е. переходит в высокоимпедансное состояние.

Буферная схема ША – однонаправленная – обеспечивает передачу адресов команд и данных, а также номеров ПУ от МП в систему. Выход буфера адреса также может переходить в отключенное состояние (это нужно, когда в МПС к памяти может обращаться по системной ША не только МП, но и пульт оператора, контроллер ПДП и др.).

Выполнение каждой команды производится МП в строго определенной последовательности, определяемой кодом команды, и синхронизируется по времени сигналами Ф1 и Ф2 тактового генератора. Период синхросигналов Ф1 и Ф2 называется машинным тактом (МТ). Длительность Т может быть равна 0,5¸2 мкс. При анализе процессов используют следующие понятия: машинный цикл (МЦ) – время для извлечения 1 байт информации из памяти или выполнения команды, определяемой одним машинным словом. Машинный цикл может состоять из 3–5 машинных тактов. Время выполнения команды – время для получения, декодирования и выполнения команды. Команда в свою очередь может состоять из (2¸5) МЦ.

3.3.2 Современные микропроцессоры

Для высокоэффективных вычислительных систем необходимо иметь на кристалле как можно больше функций по обработке и хранению данных, а также интерфейс с пользователем и другими системами. Повышение производительности МП достигается за счёт увеличения тактовой частоты, параллельной и конвейерной обработки данных, а также уменьшения времени доступа к памяти [8].

Структурный параллелизм МП. Использование присущего большинству программ естественного параллелизма вычисления целочисленных адресных выражений и собственно обработки данных в формате с плавающей точкой привело к появлению разнесённых архитектур. Такой МП состоит из двух связанных подпроцессоров (адресный А-процессор и исполнительный Е-процессор), каждый из которых управляется собственным потоком команд. Разнесённая архитектура позволяет достигать равных производительностей как при обработке чисел (скалярной), так и при обработке массивов чисел (используется одна векторная команда). Расщепление программы на программы для А- и Е-процессоров производится компилятором или блоком-расщепителем.

Структурное уменьшение времени доступа к памяти. Это обусловлено тем, что время доступа в основную память более чем в десять раз больше, чем время преобразования данных в регистрах процессора. Время доступа уменьшает многоуровневая иерархия памяти:

– регистры 64-256 слов со временем доступа 1 такт процессора;

– кэш 1-го уровня – 8 к слов со временем доступа 1–2 такта;

– кэш 2-го уровня – 256 кслов с временем доступа 3–5 тактов.

RISC-процессоры. В практике используется ограниченный набор простых команд форматов «регистр, регистр®регистр» и «регистр«память». Компиляторы не в состоянии эффективно использовать сложные команды. Это способствовало формированию концепции процессоров с сокращённым набором команд, или RISC-процессоров.

Методы ускорения переключения контекста процессора. Современные ОС и системы программирования широко используют переключение контекста процессора (содержимого регистров и отдельных управляющих триггеров) при отработке входа в прерывание и выхода из него, входа и выхода из подпрограммы и в случае организации мультипрограммной работы. Время переключения контекста должно быть минимальным. Уменьшение времени переключения контекста процессора может быть достигнуто за счёт:

– сокращения количества регистров, содержимое которых сохраняется в памяти;

– аппаратной поддержкой сохранения регистров;

– введения специальных соглашений, регламентирующих использование регистров в программах (это позволяет перейти от полного сохранения контекста к частичному).

3.3.2.1 Разновидности архитектур современных микропроцессоров

Класс суперскалярных процессоров реализует подход, что никакого указания на параллельную обработку внутри процессора система команд не содержит. Но другой подход открывает все возможности параллельной обработки: в специальных полях команды каждому из параллельно работающих устройств предписывается действие, которое устройство должно совершить. Это процессоры с длинным командным словом (VLIW).

Суперскалярные и VLIW-процессоры относятся к классу архитектур, использующих параллельность уровня команд (ILP). Текст последовательной программы на языке высокого уровня компилируется в машинный код, отражающий статическую структуру программы.

Для устранения зависимостей, вызванных командами переходов, используется метод предсказания, позволяющий извлекать и условно исполнять команды предсказанного перехода. Если обнаружится, что предсказание было неверно, состояние процессора восстанавливается на момент принятия решения о выполнении перехода. Исполняемые команды могут быть зависимы по данным, когда используются одни и те же ресурсы памяти. Поэтому эти ресурсы используются в предписываемом программой порядке.

Мультискалярные процессоры в своей архитектуре используют статический и динамический анализ кода с целью выявления резервов параллелизма уровня отдельных команд и программных сегментов с использованием информации от компилятора языка высокого уровня. Программа разбивается на совокупность задач с помощью программных и аппаратных средств. Задача – часть программы, выполнению которой соответствует непрерывная область динамической последовательности команд.

Сигнальные процессоры используются для цифровой обработки сигналов. Их особенности – малоразрядная (сорок и менее разрядов) обработка чисел с плавающей точкой, преимущественное использование чисел с фиксированной точкой разрядности 32 и менее, а также ориентация на несложную обработку больших массивов данных. Особенности задач цифровой обработки сигналов – это поточный характер обработки больших объёмов данных в реальном режиме времени.

Существует иной подход к получению высокой производительности. Большое число компонентов на полупроводниковом кристалле может быть задействовано для создания симметричной мультипроцессорной системы с более простыми процессорами, обрабатывающими целочисленные операнды. Это так называемые медийные процессоры, используемые для обработки в реальном времени видео - и аудиоинформации.

Транспьютеры. Концепция параллелизма позволяет повысить производительность и надёжность вычислительных систем, используя построение массово-параллельных систем на базе БИС. Транспьютер (транзистор + компьютер) – это микрокомпьютер с собственной внутренней памятью и линками (каналами) для соединения с другими транспьютерами. Часто этот термин трактуется как обобщённое название микропроцессоров со встроенными межпроцессорными интерфейсами. Транспьютеры имеют высокую степень «функциональной самостоятельности», просты в интеграции и обладают периферийными устройствами.