Подсистема ввода-вывода в микропроцессорной системе

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ: ФИЗИКО - ТЕХНИЧЕСКИЙ

КАФЕДРА: ЭЛЕКТРОНИКА И АВТОМАТИКА ФИЗИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Доклад по теме

«Подсистема ввода-вывода в микропроцессорной системе: системные шины ISA, PCI, PCI-E; интерфейсы IDE, SATA, USB; промышленные интерфейсы Ethernet, CAN, ProfiBus. Микроконтроллеры микропроцессорных систем управления: семейства микроконтроллеров MCS51, AVR, PIC, ARM»

Выполнили: студент группы 0712

Журавлев И.А.

Томск - 2014

Введение

система микропроцессорный управление

В данном реферате речь будет идти о различных интерфейсах ввода/вывода, которые на сегодняшний день широко используются в микропроцессорных системах и не только, а также о различных семействах микроконтроллеров, которые используются в микропроцессорных системах управления.

Операцией ввод/вывод называется взаимодействие между обработчиком информации и внешней средой, например человеком или другим обработчиком информации.[1]

Ввод означает сигнал или данные, полученные системой, а вывод - сигнал или данные, посланные ею. Устройства для взаимодействия между компьютерами, как модемы и сетевые карты, обычно служат устройствами ввода и вывода одновременно.

Интерфейс ввода/вывода требует управления процессом каждого устройства. Интерфейс обязан иметь соответствующую логику для интерпретации адреса устройства, генерируемого процессором. Установление контактов должно быть реализовано интерфейсом при помощи определенных команд, чтобы процессор мог взаимодействовать с устройством ввода/вывода через интерфейс.

Шина - состоит из множества параллельно идущих через всех потребителей данных проводников. Основной характеристикой шины данных является ее ширина в битах.

Важным параметром интерфейсов ввода/вывода является пропускная способность, что обусловлено ростом объемов передаваемой информации. Очевидно, что при одинаковом быстродействии приемопередающих цепей и пропускной способности по скорости передачи данных параллельный интерфейс должен превосходить последовательный. Однако повышение производительности за счет увеличения тактовой частоты передачи данных не дает желаемого эффекта, поскольку в случае параллельного интерфейса начинают проявляться такие недостатки как «перекос» сигнала, искажение уровня сигналов и т.д.

Микропроцессор -- устройство, выполняющее алгоритмическую обработку информации, и, как правило, управление другими узлами компьютера или иной электронной системы. Представляет собой цифровую интегральную схему выполняющую последовательность инструкций -- программу.

Различают универсальный и специализированный процессоры. Универсальный процессор имеет такую архитектуру, систему команд и конструктивно-технологическое управление, которое позволяет ему решать огромный круг задач и использоваться в различных условиях. Специализированный процессор, наоборот, создается специально для определенного круга задач, например, для логических операций.

Подсистема ввода-вывода в микропроцессорной системе

Системные шины

ISA

Интерфейс ISA представляет собой одно- или двухбайтную шину ввода/вывода, служащая при подключении плат расширения стандарта ISA. Данная шина состоит из 62- или 98-контактного разъема, который располагается на материнской плате. С течением времени интерфейс ISA значительно устарел и его перестали включать в современные материнские платы для персональных компьютеров, за исключением некоторых. Скорость передачи данных по данной шине примерно 5.55 Мбайт/с. Такая скорость является недостаточной для нынешних требований, однако на старых платах через данный интерфейс подключались практически все компоненты персонального компьютера: видеокарта, звуковая карта, различные контроллеры ввода/вывода, модемы, жесткие диски и т.д. [2]

PCI

PCI также является интерфейсом ввода/вывода для подключения различных периферийных устройств к компьютеру через материнскую плату. Однако данный интерфейс является более современным и используется до сих пор, в отличие от ISA. Данный интерфейс имеет максимальную скорость передачи данных составляет до 132 Мбайт/с на частоте 33 МГц для 32-х разрядной шины и 528 Мбайт/с для 64-х разрядных данных на частоте 66 МГц. Строение разъема PCI интерфейса представляет собой две подряд расположенные секции, где в каждой отдельной части расположены 64 контакта. Вторая секция обладает специальной перегородкой для правильной установки платы в разъеме. Также как и ISA интерфейс PCI предназначен для подключения различных периферийных устройств.

PCI Express

PCI Express или PCI-E представляет собой модифицированную шину PCI. Данный интерфейс был выпущен организацией PCI Special Interest Group в 2002 году, однако начат он был еще компанией Intel. Интерфейс PCI-E является своего рода пакетной сетью с топологией типа звезда и взаимодействует между собой через специальную среду, которая образована коммутаторами, с помощью которыми соединяются различные устройства по типу точка-точка. Также по сравнению с предыдущим интерфейсом PCI Express поддерживает горячую замену карт, гарантированную полосу пропускания, управление энергопотреблением и контролирует целостность передаваемых данных. Пропускная способность интерфейса примерно составляет 2.5 Гбит/с.

IDE

IDE является параллельным интерфейсом и предназначен только для подключения различных накопителей и жестких дисков. В данном интерфейсе имеется специальный контроллер, поддерживающий два разъема IDE. К каждому данному разъему можно подключить по два устройства, где одно - ведущее, а второе - ведомое, или наоборот. Параллельный IDE интерфейс обладает пропускной способностью до 66 Мбайт/с.

SATA

Как и предыдущий интерфейс SATA является последовательным интерфейсом, предназначенного для обмена данными с различными накопителями информации. Данный интерфейс основан на 7-контактном разъеме, к которому подключается специальный кабель. Такой SATA-кабель является более устойчивым к многократным подключениям за счет своей формы, имеющую меньшую площадь и, таким образом, упрощает разводку проводов внутри системного блока компьютера. Сам же разъем SATA подает три напряжения питания: +12 В, +5 В и +3.3 В, но зачастую некоторые современные устройства работают и без третьего напряжения на +3.3 В. Максимальная пропускная способность SATA интерфейса составляет до 6 Гбит/с.

USB

На сегодняшний день USB является самым распространенным интерфейсом передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств для персональных компьютеров и не только. Практически во всех электронных гаджетах, компьютера и даже в телевизорах существует такой разъем. Сейчас существуют все возможные модификации USB интерфейса: microUSB, miniUSB, USB 2.0, USB 3.0 и т.д. В основном они отличаются только размерами и скоростью передачи данных. Также к одному USB каналу есть возможность подключения до 127 различных внешних устройств. Передача данных по USB интерфейсу осуществляется в пакетном режиме. При использовании данного интерфейса передача данных осуществляется со скоростью до 10 Гбит/с. В USB присутствуют два провода питания, что позволяет подключать различные периферийные устройства без собственного источника питания, а также два провода для приема и передачи данных.

Промышленные интерфейсы

Ethernet

Интерфейс Ethernet представляет собой проводной интерфейс (технологию) передачи данных. Данный проводной интерфейс преимущественно используется для построения локальных сетей (LAN). Передающей средой, как правило, является витая пара либо оптический кабель. Посредством интерфейса Ethernet с помощью одного из указанных кабелей возможно объединение нескольких устройств в единое информационное пространство. Необходимость организации передачи данных возникает, когда в рабочем процессе принимают участие несколько устройств (более одного). Это могут быть компьютер и принтер, мобильные телефоны, телевизор и пульт управления и др. Технология является набором правил, стандартов, а также технических средств с целью организации взаимного действия нескольких устройств. Для передачи данных часто используемым является термин «интерфейс передачи». Интерфейс представляет собой совокупность средств, правил и методов взаимодействия между системными элементами. Используется данный термин в различных областях, по значению его можно отнести к любому взаимодействию элементов одной системы. Например, находящиеся на экране компьютера кнопки, по сути, тоже интерфейс: интерфейс взаимодействия человека и компьютера. Интерфейс относительно передачи данных между техническими устройствами является объектом стандартизации. Благодаря наличию стандартизованных интерфейсов различные производители могут создавать устройства, которые способны взаимодействовать между собой. Интерфейс подразумевает непосредственное взаимодействие устройств.[3]

CAN

CAN интерфейс представляет собой последовательную магистраль, которая способствует объединению в сеть «интеллектуальных» устройств ввода/вывода, различных датчиков, а также исполнительных устройств некоторого механизма. Данная магистраль характеризуется протоколом, который обеспечивает возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств, передачу данных в реальном масштабе времени, коррекцию ошибок и высокую помехоустойчивость. Широко используется в автоматизации промышленности. Пропускная способность САN интерфейса составляет примерно до 1 Мбит/с.

ProfiBus

Profibus является открытой промышленной сетью, разработанной компанией Siemens AG для своих промышленных контроллеров Simatic. Данная сеть основывается на международных стандартах IEC 61158 и EN 50170 и широко применяется в машиностроении, автоматике и управлением промышленным оборудованием. С использованием Profibus можно объединить разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов. Возможен обмен данными как между ведущими и ведомыми устройствами, так и между несколькими ведущими устройствами.

Микроконтроллеры микропроцессорных систем управления

MCS-51

MCS-51 представляет собой семейство 8-разрядных однокристальных микроконтроллеров, которые появились в начале восьмидесятых годов. Данные микроконтроллеры на основе микроЭВМ гарвардской архитектуры. Система команд MCS-51 направлена на реализацию различных цифровых алгоритмов управления. Также система команд данного семейства микроконтроллеров выглядит наиболее симметричной, чем предшественник MCS-48.[4]

Также данное семейство микроконтроллеров имеет нововведения, такие как:

два 16-разрядных таймера-счетчика;

аппаратный последовательный дуплексный порт;

двухуровневая система прерываний;

четыре 8-битовых порта ввода-вывода.

В данном семействе микроконтроллеров преобладает ускоренная работа с внешней памятью программ, данных и различными прерываниями, так же размер адресного пространства внешней памяти программ и данных стал 128 Кбайт. Также появились 16-разрядные регистры счетчика команд и указателя данных, что дало возможность напрямую обращаться ко всему диапазону адресов.

В дальнейшем MCS-51 модифицировали относительно многих параметров:

появился полностью статический дизайн;

3- и 5-вольтовые версии кристаллов;

широкий спектр встроенных периферийных устройств;

максимальная тактовая частота - 24 мГц; для отдельных групп кристаллов - 33 мГц.

Несмотря на то, что семейство микроконтроллеров MCS-51 достаточно устарело, они до сих пор широко используются в сравнительно простых встроенных системах управления.

AVR

AVR представляет собой семейство 8-битных микроконтроллеров фирмы Atmel, основанных на RISC-ядре. Данные микроконтроллеры основаны на гарвардской архитектуре и имеют систему команд, относящуюся к RISC-процессорам. Микроконтроллеры AVR имеют 32 восьмибитных регистра общего назначения, которые объединены в регистровый файл.

Система команд данных микроконтроллеров очень хорошо развита и насчитывает около 133 различных инструкций. Большинство таких команд выполняется за один такт. Различное множество команд микроконтроллеров AVR принято разбивать на несколько групп по назначению:

команды логических операций;

команды арифметических операций и команды сдвига;

команды операции с битами;

команды пересылки данных;

команды передачи управления;

команды управления системой.

Управление периферийными устройствами осуществляется через адресное пространство данных.

PIC

PIC является микроконтроллерами, имеющую гарвардскую архитектуру, основанную на RISC-ядре. Изначально PIC предназначались для расширения возможностей ввода-вывода 16-битных микропроцессоров CP1600. Данные микроконтроллера широко применяются в различных областях электроники и автоматики за счет того, что являются очень удобными для программирования, а также они дешевле тех же AVR-микроконтроллеров.[2]

Семейство микроконтроллеров PIC представляет собой широкий спектр 8-и, 16-и и 32-битных микроконтроллеров и цифровых сигнальных контроллеров. PIC-контроллеры имеют хорошую преемственность различных семейств, например, программная совместимость и совместимость по выводам, по периферии, по напряжениям питания, по средствам разработки, по библиотекам и стекам наиболее популярных коммуникационных протоколов. На сегодняшний день семейство PIC насчитывает более 500 различных микроконтроллеров со всевозможными вариациями периферии, памяти, количеством выводов, производительностью, диапазонами питания и температуры и т. д.

Также семейство PIC-микроконтроллеров имеет базу фирменных программаторов-отладчиков, таких как IC PROG, ICD-2, ICD-3, REAL ICE, Pickit, PicKit2, Pickit3, с помощью которых можно не только прошить микроконтроллер, но также выполнить и пошаговую отладку.

ARM

ARM представляет собой семейство 32-битных и 64-битных RISC-процессоров, разработанных компанией ARM Limited. Семейство ARM-процессоров на сегодняшний день являются самыми распространенными по использованию в различной электронике, в такой как КПК, мобильных телефонах, цифровых носителях и плеерах, портативных игровых консолях, калькуляторах и компьютерных периферийных устройствах и многом другом. Данные процессоры имеют низкое энергопотребление, что позволило их использовать в различной портативной технике.[2]

Семейство ARM-процессоров имеет архитектуру типа RISC, которая имеет следующие особенности:

Архитектура загрузки или хранения;

Поддержка нелинейного доступа к памяти, но не во всех моделях;

16х32-битный регистровый файл;

Фиксированная длина команд (32 бита) для простоты декодирования из-за снижения плотности кода;

Одноцикловое исполнение.

Во многих процессорах семейства ARM присутствует шина PCI, а также существует возможность для работы с внешней динамической памятью, а также контроллеры шин USB, I2C, различные устройства для работы с флэш-носителями, контроллер последовательного порта и многое другое. Все процессоры имеют линии ввода-вывода общего назначения.

В настоящее время значимыми являются несколько семейств процессоров ARM, такие как ARM7, ARM9, Cortex A и Cortex M. 

Заключение

Современные интерфейсы ввода/вывода обеспечивают высокие скорости пересылки данных, необходимые для передачи видеофильмов, огромного количества расчетов, обработки различных математических моделей и т.д. С течением времени модернизируются старые интерфейсы и создаются новые, чтобы обеспечить необходимые условия для комфортной и нормальной работы. Также можно сказать, что каждый интерфейс имеет свои особенности и применения. Какие-то интерфейсы применяются в основном в персональных компьютерах, а какие-то в производстве. Однако они все предназначены для приема и передачи данных. И с каждым выходом нового, модернизированного интерфейса скорость передачи растет, что способствует хорошей и быстрой передачи данных для решения поставленной задачи.

То же самое можно сказать и о различного рода микроконтроллерах и микропроцессорах, которые применяются в электронике и автоматике. Прогресс не стоит на месте, все движется и изменяется. Такую фразу можно применить и к процессорах различных семейств. Одни хороши для микропроцессорных систем управления, другие - для электроники. Но все они со временем улучшаются, становятся производительнее, быстрее, их размеры уменьшаются, что способствует их применению в различных портативных устройствах. Модернизация различного рода процессоров создает огромную пользу для людей, которые занимаются в разных видах деятельности, например, программистам, электронщикам и автоматчикам, что хорошо сказывается на применении различных микропроцессорных систем управления в производстве.

Список литературы

Ливенцов С. Н., Вильнин А. Д., Горюнов А. Г. Основы микропроцессорной техники: учебное пособие - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. - 118 с.;

Википедия - свободная энциклопедия. URL: http:// ru.wikipedia.org/wiki/. Дата обращения: 20.12.2014;

Статьи по электронике, электротехнике и микропроцессорной технике. URL: http://www.gaw.ru/. Дата обращения: 20.12.2014;

Веприк В. Н., Афанасьев В. А., Дружинин А. И., Земсков А. А., Исаев А. Р., Малявко О. В. Микроконтроллеры семейства MCS-51: Учебное пособие. - Новосибирск.

Размещено на Allbest.ru