Проектирование микропроцессорных систем

• большим временем выполнения функций (или меньшим быстродействием), обусловленным последовательным методом выполнения программы.
• сложностью программной реализации функций непосредственного сопряжения с реальными объектами;
• ограниченным объемом памяти программ и данных.

 

 

4 Критерии оценки качества микропроцессорной  системы

 

 

Основными критериями оценки качества микропроцессорных  систем являются: производительность, точность, надежность.

Производительность. Пиковая или техническая производительность представляет собой теоретический максимум быстродействия микропроцессорной системы при идеальных условиях. Данный максимум определяется как число вычислительных операций, выполняемое в единицу времени имеющимися в системе обрабатывающими логико-арифметическими устройствами. Предельное быстродействие достигается при обработке бесконечной последовательности несвязанных между собой и неконфликтующих при доступе в память команд (т.е. когда результат любой операции не зависит от действий, выполненных другими командами). Разумеется подобная ситуация чисто гипотетическая, и на практике ни одна система не в состоянии работать длительное время с пиковой производительностью, хотя и может приближаться к этой величине. Хорошим показателем является производительность в диапазоне от 0,8 до 0,9 от пикового значения.

При выполнении реальных прикладных программ эффективная производительность может быть существенно меньше пиковой. Характеристики функционирования микропроцессорной  системы на уровне внутренних устройств  существенно зависят от программы  и обрабатываемых данных. Поэтому  невозможно оценить производительность только на основании их тактовой частоты. Для оценки производительности вычислительных средств используется набор характерных  задач. Время выполнения каждой из задач  набора составляет основу для расчета  индекса производительности исследуемой  вычислительной системы. Индекс производительности является относительной оценкой, несущей  информацию о том, насколько быстрее  или медленнее исследуемая система  выполняет задачи по сравнению с  некоторой эталонной системой. Если определить производительность эталонной  системы, вычисляемую числом выполняемых  в секунду вычислительных операций, то можно определить абсолютное значение производительности исследуемой микропроцессорной  системы. В таблице приведены основные классы количественных индексов производительности вычислительных систем.

Таблица - Основные классы количественных индексов производительности вычислительных систем

 

Класс индекса	Примеры индексов	Общее определение
Продуктивность	Пропускная способность Скорость выработки Максимальная выработка (максимум пропускной способности) Скорость выполнения команд Скорость обработки данных	Объем информации, обрабатываемой системой в единицу времени
Реактивность	Время ответа Время прохождения Время реакции	Время между предъявлением системе  входных данных и появлением соответствующей  выходной информации
Использование	Коэффициенты использования оборудования (центральный процессор, устройство ввода-вывода) Коэффициент использования  операционной системы Коэффициент использования  общего модуля программного обеспечения (например, компилятора) Коэффициент использования  базы данных	Отношение времени использования  указанной части системы (или  ее использования для заданной цели) в течение заданного интервала  времени к длительности этого  интервала

Расчет  показателей эффективности сложных  систем, т.е. задача анализа производительности, представляет собой весьма сложную  задачу, которая требует привлечения  специальных математических методов  и, как правило, решается с помощью  ЭВМ. Показатели эффективности зависят  от структуры системы, значений ее параметров, характера воздействия внешней  среды, внешних и внутренних случайных  факторов, поэтому их можно считать  функционалами, заданными на множестве  процессов функционирования системы.

В настоящее  время качество микропроцессорных  систем оценивается соотношением «производительность/энергопотребление». Снижение энергопотребления без  снижения производительности – актуальная задача проектирования микропроцессорных  систем.

Точность работы микропроцессорной системы определяется погрешностью вычислений выходных параметров системы. Это показатель является составным и определяется не только точностью вычислений процессора, но и точностью приборов, входящих в состав микропроцессорной системы (разнообразных датчиков, преобразующих, корректирующих устройств и т.д.).

Надежность. Основным понятием теории надежности является, как известно, отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности. Для сложных же объектов, особенно человеко-машинных систем, отсутствие отказов, как показывает практика, еще не гарантирует отсутствия опасных ситуаций, приводящих к нарушению безопасности функционирования (НБФ). Это связано с тем, что на функционирование технического средства кроме его надежности оказывают влияние различные внешние причины. Виды отказов: отказы технических средств; воздействия человека (ошибки операторов, обслуживающего персонала); природные явления (грозы, пожары и т. п.). Опасный отказ приводит или может привести к опасной ситуации. Поэтому в теории надежности важное место занимает безопасность функционирования техники (БФТ). Существуют два основных пути обеспечения БФТ: предотвращение нарушений, нормальных режимов работы и парирование последствий возникших нарушений нормального функционирования. На этапе разработки и проектирования технических решений выбирают алгоритмы функционирования систем по критерию БФТ; повышают отказоустойчивость и живучесть технических средств, создают безопасное программное обеспечение микропроцессорных информационно-управляющих систем.

С точки, зрения безопасности функционирования сложные технические системы, должны иметь не только повышенную надежность, т.е. малую вероятность появления  отказов, но и обладать свойством  отказоустойчивости - способностью сохранять  работоспособность с заданным качеством  в случае отказа их элементов. Мерой  отказоустойчивости является живучесть. Техническая система, имеющая свойство живучести, выполняет свои функции с заданными характеристиками при наличии в ней некоторого числа неисправных элементов, и качественные показатели системы постепенно ухудшаются (деградируют) при увеличении числа отказов. Такая система является отказоустойчивой до отказа некоторой кратности и постепенно деградирует с увеличением числа отказов. Количественно живучесть определяется коэффициентом живучести, который для данного обобщенного отказа представляет собой отношение числа состояний, соответствующих работоспособной системе, ко всей совокупности состояний.

Методы  повышения живучести сложных  систем могут быть активными и  пассивными по отношению к внешним  вредным; воздействиям, приложенным  к системе. При активном методе отказы обнаруживаются при помощи средств  контроля, локализируются диагностированием  и устраняются автоматической реконфигурацией  системы, которая заключается в  перестройке структуры системы  с целью отключения отказавших узлов. Пассивные методы основаны на функциональном резервировании, при котором одни и тек же элементы при необходимости могут выполнять различные функции в системе, а также резервирование одних элементов другими, в основу принципа действия которых положены различные физические процессы. При этом возможно ухудшение показателей качества функционирования системы. Отказоустойчивость (живучесть), являющаяся одним из показателей эффективности, введена для оценки качества функционирования микропроцессорных систем. Данный показатель может быть применен и для оценки других сложных функциональных систем, в которых требования безопасности функционирования являются определяющими.

Принципиальным  вопросом теории БФТ является нормирование уровня безопасности, который определяется выбранным, обобщенным критерием. С  одной стороны, численное значение обобщенного критерия определяется, детерминированными проектными показателями, а с другой стороны, - стохастическими  характеристиками надежности техники, оператора, обслуживающего персонала  и внешних воздействий, среды. Следовательно, показатель, обобщающий как детерминированные, так и стохастические параметры, должен рассматриваться в вероятностном смысле. В общем случае обобщенный критерий - это вероятность действия технического средства без НБФ. Полезными также являются частные критерии, выражаемые в натуральных измеримых единицах.

 

 

5 Основной математический аппарат,  используемый при проектировании  микропроцессорных систем

 

 

В большинстве  случаев проектируемые микропроцессорные  системы строятся на основе однокристальных  микроконтроллеров. Микроконтроллеры, используемые в различных устройствах, выполняют функции интерпретации  данных, поступающих с клавиатуры пользователя или от датчиков, определяющих параметры окружающей среды, обеспечивают связь между различными устройствами системы и передают данные другим приборам.

Проектирование  микропроцессорной системы предполагает аппаратно-программную реализацию устройства. В соответствии с этим необходимо произвести математические расчеты, как при выборе аппаратных элементов системы, так и при  разработке программного обеспечения.

При разработке аппаратных средств  микропроцессорной системы необходимо провести расчет электрических параметров аппаратных модулей принципиальной схемы устройства. Эти расчеты  проводят, используя законы электротехники. Следует решить следующие задачи:

• подключение питания;
• обеспечение режима генерации тактовых импульсов;
• расчет схемы запуска;
• подключение внешних устройств (аналоговых и цифровых);
• организация прерываний.

При разработке программного обеспечения чаще всего  возникает необходимость расчета  реальной частоты выполнения команд, количества тактов, нужных для организации  задержки, расчет режимов работы таймеров и другие расчеты, связанные с  реализацией программы.

 

 

6 Основные сведения о микроконтроллерах 

 

 

Большое место в микропроцессорной технике  занимают микроконтроллеры. В настоящее  время происходит настоящая революция, оказавшая значительное влияние  на каждого из нас – это автоматизация  практически всей окружающей нас  среды с помощью дешёвых и  мощных микроконтроллеров. Микроконтроллер – это самостоятельная компьютерная система, которая содержит процессор, память, вспомогательные схемы и устройства ввода-вывода данных, размещенные в общем корпусе. Микроконтроллеры, используемые в различных устройствах, выполняют функции интерпретации данных, поступающих с клавиатуры пользователя или от датчиков, определяющих параметры окружающей среды, обеспечивают связь между различными устройствами системы и передают данные другим приборам. Применение микроконтроллеров позволяет значительно снизить количество и стоимость используемых материалов и комплектующих изделий, что обеспечит снижение себестоимости конечной продукции.

Основные  типы:

• встраиваемые 8-разрядные МК;
• 16 и 32-разрядные МК;
• цифровые сигнальные процессоры (DSP).

 

6.1 Встраиваемые МК

 

Промышленностью выпускается очень широкая номенклатура встраиваемых (embedded) МК. В этих МК все необходимые ресурсы (память, устройства ввода/вывода и т.д.) располагаются на одном кристалле с процессорным ядром. Всё, что необходимо сделать – это подать питание и тактовые сигналы. Встраиваемые микроконтроллеры могут базироваться на существующем микропроцессорном ядре или на процессоре, разработанном специально для данного микроконтроллера.

Основное  назначение встраиваемых МК – обеспечить с помощью недорогих средств гибкое программируемое управление объектами и связь с внешними устройствами. Эти МК не предназначены для реализации комплекса сложных функций, но они способны обеспечить эффективное управление во многих областях применения.

Встраиваемые  МК содержат значительное число вспомогательных  устройств, благодаря чему обеспечивается их включение в реализуемую систему  с использованием минимального количества дополнительных компонентов. В состав этих МК обычно входят:

• схема начального запуска процессора (RESET);
• генератор тактовых импульсов;
• центральный процессор;
• память программ (Е (Е) Р)ROM и программный интерфейс;
• память данных RAM;
• средства ввода-вывода данных;
• таймеры, фиксирующие число командных циклов.

Общая структура  микроконтроллера показана на рисунке 6.1.

Более сложные  встраиваемые микроконтроллеры могут  дополнительно реализовать следующие  возможности:

• встроенный монитор/отладчик программ;
• внутренние средства программирования памяти программ (ROM);
• обработка прерываний от различных источников;
• аналоговый ввод – вывод;
• последовательный ввод – вывод (синхронный и асинхронный);
• параллельный ввод – вывод (включая интерфейс с компьютером);
• подключение внешней памяти (микропроцессорный режим).