Цифровые и микропроцессорные устройства

Контрольная работа

Цифровые и микропроцессорные устройства

1. Память микрокомпьютера. Компьютеры гарвардского и фон-Нейманского типов

Компьютер обрабатывает информацию, представляемую в виде чисел или символов. Информацией, хранящейся в памяти компьютера, могут быть программы, написанные на машинном языке, входные данные, промежуточные и окончательные результаты. В компьютерной памяти такая информация всегда хранится группами в виде двоично-кодированных слов или частей слов.

Двоичная цифра может принимать значение 0 или 1. Использование двоичного кода объясняется тем, что такое представление информации позволяет использовать устройства с двумя логическими состояниями: 0 или 1, «да» или «нет», включено или выключено, открыто или закрыто. Сегодня практически вся информация обрабатывается в двоичном представлении. В микропроцессоре 8088 двоичные цифры объединены в группы по восемь разрядов (по восемь битов). Группа из восьми битов называется байтом, группа из 16 бит — словом, а группа из 32 бит — двойным словом.

Память микрокомпьютера построена из полупроводниковых элементов и подразделяется на постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), или память с произвольным доступом.

ПЗУ используется для запоминания программ, констант и таблиц. В нем хранят важные компьютерные программы, такие, как операционные системы, управляющие программы запуска и выполнения базовых операций, что предохраняет их от случайного изменения или стирания.

Содержимое в ПЗУ записывается изготовителем и не может быть изменено и перепрограммировано пользователем. В персональном компьютере фирмы IBM ПЗУ содержит машинные коды интерпретатора языка Бэйсик и базовую операционную систему ввода-вывода, предназначенную для запуска компьютера и диагностики включенных аппаратурных средств. Существует несколько форм постоянной памяти.

ППЗУ (программируемое постоянное запоминающее устройство) может программироваться пользователем с помощью специального устройства — программатора. Изменить содержимое ППЗУ пользователь может только один раз.

ПППЗУ (перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство) может быть запрограммировано пользователем, а затем его содержимое можно неоднократно «стирать» с помощью интенсивного ультрафиолетового излучения. Это позволяет заново программировать ПППЗУ каждый раз, когда возникает необходимость внести изменения в основные программы. Такая гибкость ПППЗУ удобна при развитии новых систем, в которых часто изменяются программы.

Рисунок 1.1

Емкость памяти измеряется в килобитах (Кбит) или килобайтах (Кбайт), где 1К= 1024 ПППЗУ может хранить большие объемы информации. Микросхема ПППЗУ Intel 27 128, показанная на рис. 1.5, может содержать 128 Кбит, точнее 131 072 бит, информации.

Устройство для стирания содержимого ПППЗУ (рис. 1.1) вырабатывает ультрафиолетовые лучи большой интенсивности. Стирание выполняется за относительно короткое время (10 — 15 мин). Для записи в ПППЗУ новой информации используют специальный программатор.

Архитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения команд и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают принцип хранения данных и инструкций в одной памяти.

Рисунок 1.2 — Схематичное изображение машины фон Неймана

История возникновения термина

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил фон Нейман в 1944 году, когда подключился к созданию первого в мире лампового компьютера ЭНИАК. В процессе работы над ЭНИАКом в Институте Мура (англ.) в Пенсильванском Университете во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Джоном Уильямом Мокли, Джоном Экертом (англ.), Германом Голдстайном и Артуром Бёрксом, возникла идея более совершенной машины под названием EDVAC. Исследовательская работа над EDVAC продолжалась параллельно с конструированием ЭНИАКа.

В марте 1945 года принципы логической архитектуры были оформлены в документе, который назывался «Первый проект отчёта о EDVAC (англ.)» — отчет для Баллистической Лаборатории Армии США, на чьи деньги осуществлялась постройка ЭНИАКа и разработка EDVACа. Отчет, поскольку он являлся всего лишь наброском, не предназначался для публикации, а только для распространения внутри группы, однако Герман Голдстайн — куратор проекта со стороны Армии США — размножил эту научную работу и разослал ее широкому кругу ученых для ознакомления. Так как на первой странице документа стояло только имя фон Неймана^[1], у читавших документ сложилось ложное впечатление, что автором всех идей, изложенных в работе, является именно он. Документ давал достаточно информации для того, чтобы читавшие его могли построить свои компьютеры, подобные EDVACу на тех же принципах и с той же архитектурой, которая в результате стала называться «архитектурой фон Неймана».

После завершения Второй Мировой войны и окончания работ над ЭНИАКом в феврале 1946 года команда инженеров и ученых распалась, Джон Мокли, Джон Экерт (англ.) решили обратиться в бизнес и создавать компьютеры на коммерческой основе. Фон Нейман, Голдстайн и Бёркс перешли в Институт перспективных исследований, где решили создать свой компьютер «IAS-машина» («машина Института перспективных исследований (англ.)»), подобный EDVACу, и использовать его для научно-исследовательской работы. В июне 1946 года они изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». С тех пор прошло более полувека, но выдвинутые в ней положения сохраняют свою актуальность и сегодня. В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел, в ведь ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде. Авторы продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации — текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Помимо машин, работавших с двоичным кодом, существовали и существуют троичные машины. Троичные компьютеры имеют ряд преимуществ и недостатков перед двоичными. Среди преимуществ можно выделить быстродействие (операции сложения выполняются примерно в 1.5 раза быстрее), наличие двоичной и троичной логики. К недостатком — сложная реализация по сравнению с двоичными машинами.

Еще одной революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ЭНИАК требовалось несколько дней, в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут — выходили из строя лампы, которых было огромное количество. Однако программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических изображений или видео. Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации и перестройки блоков и устройств и т. п.

Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций, и представление вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.

Принципы фон Неймана. Принцип однородности памяти

Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей. Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных. Такой прием носит название модификации команд и с позиций современного программирования не приветствуется. Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины.

Принцип адресности

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек — адреса.

Принцип программного управления

Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно.

Принцип двоичного кодирования

Согласно этому принципу, вся информация, как данные, так и команды, кодируются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить два поля: поле кода операции и поле адресов.

Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана

По плану, первым компьютером, построенным по архитектуре фон Неймана, должен был стать EDVAC, однако до 1951 года EDVAC не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной компьютерной памяти и разногласий в группе разработчиков. Другие научно-исследовательские институты, ознакомившись с ЭНИАКом и проектом EDVAC, сумели решить эти проблемы гораздо раньше. Первыми семью компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:

прототип — Манчестерская малая экспериментальная машина — Манчестерский университет, Великобритания, 21 июня 1948 года;

EDSAC — Кембриджский университет, Великобритания, 6 мая 1949 года;

Манчестерский Марк I — Манчестерский университет, Великобритания, 1949 год;

BINAC — США, апрель или август 1949 года;

CSIR Mk 1 — Австралия, ноябрь 1949 года;

SEAC — США, 9 мая 1950 года

EDVAC — США, август 1949 года — фактически запущен в 1952 году;

В СССР первой полностью электронной вычислительной машиной близкой к принципам фон Неймана стала МЭСМ, построенная Лебедевым (на базе киевского Института электротехники АН УССР), прошедшая государственные приемочные испытания в декабре 1951 года.

Узкое место архитектуры фон Неймана

Совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к узкому месту архитектуры фон Неймана, а именно ограничению пропускной способности между процессором и памятью по сравнению с объёмом памяти. Из-за того, что память программ и память данных не могут быть доступны в одно и то же время, пропускная способность является значительно меньшей, чем скорость, с которой процессор может работать. Это серьезно ограничивает эффективное быстродействие при использовании процессоров, необходимых для выполнения минимальной обработки на больших объёмах данных. Процессор постоянно вынужден ждать необходимых данных, которые будут переданы в память или из памяти. Так как скорость процессора и объём памяти увеличивались гораздо быстрее, чем пропускная способность между ними, узкое место стало большой проблемой, серьезность которой возрастает с каждым новым поколением процессоров.

Термин «узкое место архитектуры фон Неймана» ввел Джон Бэкус в 1977 в своей лекции «Can Programming Be Liberated from the Von Neumann Style?», которую он прочитал при вручении ему Премии Тьюринга

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительными признаками которой являются:

1. Хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства.

2. Канал инструкций и канал данных также физически разделены.

Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930;х годов в Гарвардском университете.

В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру ЭВМ для военно-морской артиллерии. И в конце 1930;х годов в Гарвардском университете Говардом Эйкеном была разработана архитектура называемая по имени этого университета. Однако, победила разработка Принстонского университета (более известная как архитектура фон Неймана, названная так по имени разработчика, первым предоставившего отчет об архитектуре), так как она была проще в реализации. Гарвардская архитектура использовалась советским учёным А. И. Китовым в ВЦ-1 МО СССР.

Классическая гарвардская архитектура

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий:

выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, сохранение результата.

Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использоваласьперфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие компьютера.

В гарвардской архитектуре характеристики устройств памяти для инструкций и памяти для данных не обязательно должны быть одинаковыми. В частности, ширина слова, тактирование, технология реализации и структура адресов памяти могут различаться. В некоторых системах инструкции могут храниться в памяти только для чтения, в то время как для сохранения данных обычно требуется память с возможностью чтения и записи. В некоторых системах требуется значительно больше памяти для инструкций, чем памяти для данных, поскольку данные обычно могут подгружаться с внешней или более медленной памяти. Такая потребность увеличивает битность (ширину) шины адреса памяти инструкций по сравнению с шиной адреса памяти данных.

Отличие от архитектуры фон Неймана

В чистой архитектуре фон Неймана процессор одномоментно может либо читать инструкцию, либо читать / записывать единицу данных из/в памяти. То и другое не может происходить одновременно, поскольку инструкции и данные используют одну и ту же системную шину.

А в компьютере с использованием гарвардской архитектуры процессор может читать инструкции и выполнять доступ к памяти данных в то же самое время, даже без кэш-памяти. Таким образом, компьютер с гарвардской архитектурой может быть быстрее (при определенной сложности схемы), поскольку доставка инструкций и доступ к данным не претендуют на один и тот же канал памяти.

Также машина гарвардской архитектуры имеет различные адресные пространства для команд и данных. Так, нулевой адрес инструкций — это не то же самое, что и нулевой адрес данных. Нулевой адрес инструкций может определяться двадцатичетырехбитным значением, в то время как нулевой адрес данных может выглядеть как восьмибитный байт, который не являются частью этого двадцатичетырехбитного значения.

Модифицированная гарвардская архитектура

Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи команд и данных на кристаллепроцессора последний должен иметь почти вдвое больше выводов, так как шина адреса и шина данных составляют основную часть выводов микропроцессора. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общие шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной гарвардской архитектурой.

Такой подход применяется в современных сигнальных процессорах. Ещё дальше по пути уменьшения стоимости пошли при создании однокристалльных ЭВМ — микроконтроллеров. В них одна шина команд и данных применяется и внутри кристалла.

Разделение шин в модифицированной гарвардской структуре осуществляется при помощи раздельных управляющих сигналов: чтения, записи или выбора области памяти.

Расширенная гарвардская архитектура

Часто требуется выбрать три составляющие: два операнда и инструкцию (в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее распространенная задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция — следовательно, обе шины остаются свободными и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») — расширенная гарвардская архитектура.

Примером могут служить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx — модифицированная гарвардская архитектура, ADSP-21xxx (SHARC) — расширенная гарвардская архитектура.

Гибридные модификации с архитектурой фон Неймана

Существуют гибридные архитектуры, сочетающие достоинства как гарвардской так и фон-неймановской архитектур. Современные CISC-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций и данных, что позволяет им за один рабочий такт получать одновременно и команду, и данные для её выполнения. То есть процессорное ядро, формально, является гарвардским, но программно оно фон-неймановское, что упрощает написание программ. Обычно в данных процессорах одна шина используется и для передачи команд, и для передачи данных, что упрощает конструкцию системы. Современные варианты таких процессоров могут иногда содержать встроенные контроллеры сразу нескольких разнотипных шин для работы с различными типами памяти — например, DDR RAM и Flash. Тем не менее, и в этом случае шины, как правило, используются и для передачи команд, и для передачи данных без разделения, что делает данные процессоры ещё более близкими к фон-неймановской архитектуре при сохранении плюсов гарвардской архитектуры.

компьютерный память цифровой аналоговый

2. АЦП на основе двойного интегрирования

При использовании в цифровых мультиметрах аналого-цифрового преобразователя (АЦП) последовательного счёта и последовательного приближения достаточно удобны, но технологически проблема заключается в производстве высокоточной матрицы типа R-2R Причём, чем выше разрядность АЦП, тем точнее должна изготавливаться эта матрица. Более технологичен (и соответственно более дешев) АЦП двойного интегрирования, обобщенная схема которого представлена на рис. 2.1, а принцип работы пояснен на рис. 1.2.

компьютерный память цифровой аналоговый Рисунок — 2.1. Структура АЦП двойного интегрирования

Рисунок 2.2 — Принцип работы АЦП двойного интегрирования Основным элементом АЦП двойного интегрирования является интегратор, на вход которого с помощью ключей S1 и S2 может подаваться либо измеряемое напряжение Uвх, либо опорное напряжение от источника опорного напряжения (ИОН) противоположного знака. Выход интегратора связан с компаратором (К), который своим выходом управляет записью значений в регистр. Запуск счётчика и управление ключами осуществляется устройством управления. Генератор тактовых импульсов является высокостабильным узлом данного АЦП.

Вся работа АЦП разделена на две фазы:

· заряд конденсатора © за фиксированный интервал времени (время наполнения счетчика);

· разряд конденсатора током фиксированного значения (за счет подключения ИОН).

Исходное состояние — на выходе интегратора нулевое значения напряжения, и счётчик в нулевом состоянии. Замыкания ключа S1 — старт преобразования. При этом выходное напряжение интегратора начинает линейно возрастать (Фаза 1). Этот процесс длится строго заданное время — до переполнения счётчика. Этот сигнал приводит к размыканию ключа S1 и замыканию ключа S2. В результате на вход интегратора подаётся опорное напряжение отрицательного значения. Выходное напряжение интегратора начинает убывать по линейному закону (Фаза 2). Когда напряжение на интеграторе снижается до нуля, срабатывает компаратор и останавливает счётчик и делает запись данных в регистр.

Достоинствами АЦП двойного интегрирования является возможность хорошо подавлять сетевые помехи и требуется меньше прецизионных элементов, важно только обеспечить хорошую стабильность ИОН и генератора. АЦП двойного интегрирования могут имеют разрядность до 18 бит. В тоже время, этот АЦП является медленно действующим. Следует отметить, что с повышением разрядности повышаются требования к работе компаратора. А из курса электроники известно, что чем точнее компаратор, тем хуже он работает на высоких частотах. Обычно, скорость измерений не превышает 3-х измерений в секунду. Это временное ограничение не позволяет построить на основе структуры классического цифрового мультиметра осциллограф (сразу после широкого появления цифровых мультиметров с интерфейсом в конце 90-х годов, некоторые любители пытались обсуждать возможность такого проекта). Как противопоставление невысокой скорости измерений в цифровых мультиметрах используется графическая шкала, расположенная на дисплее мультиметра ниже или выше цифровых показаний измеряемой величины.

Типичными представителями АЦП двойного интегрирования являются отечественные интегральные микросхемы К572ПВ2 (аналог ICL7107) и К572ПВ5 (аналог ICL7106). Тактовая частота (рекомендуемая) для преобразования 50 кГц, время преобразования 0,32 мс (16 000 тактов). Тактовая частота 50 кГц обеспечивает полное целое число раз для помехи 50 Гц и, таким образом, помеха будет полностью интегрирована. Источник опорного напряжения для данной микросхемы 0,1…1 В. При значении 1 В максимальное отображаемое значение ±1,999 В (обычно именно это значение имеют как 3Ѕ разряда). Ток потребления К572ПВ5 около 0,6 мА, что очень важно для ручных переносных приборов.

1. А. Р. Решетилов «Электроника и микросхемотехника» БГУИР Минск 2006 г.

2. Е. П. Угрюмов «Цифровая схемотехника» С. Петербург 2005;2007

3. В. Л. Брайдо «Вычислительные сети системы и телекомуникации» издательство Питер 2005 г.