Лекция 5. Аппаратное обеспечение информационно

Встроенные системы управления
Лекция 5
Аппаратное обеспечение
информационно-управляющих систем
встраиваемого класса
А. Астапкович
Государственный университет аэрокосмического приборостроения, СПб, 2012
Введение
 В Париже в 1900 году на Международном математическом конгрессе Давид
Гильберт
сформулировал проблему доказательства непротиворечивости
системы аксиом обычной арифметики
Уточненная формулировка проблемы
заключалась в постановке
задачи нахождения общего метода, который позволил бы определить,
выполнимо ли данное в высказывание на языке формальной логики, т.е.
установить его истинность.
 Алан Тьюринг в 1936 года получил ответ: проблема Гильберта оказалась
неразрешимой. В работе 1937 было введено четкое определение понятия метод
Отталкиваясь от интуитивного представления о методе, как о некоем
алгоритме, т. е. процедуре, которая может быть выполнена механически
без творческого вмешательства, Тьюринг теоретически показал, как эту
идею можно воплотить в виде подробной модели вычислительного
процесса.
Машина Тьюринга
 Предложенная Тьюрингом модель вычислений, в которой каждый алгоритм
разбивался на последовательность простых, элементарных шагов, и была логической
конструкцией, названной впоследствии машиной Тьюринга

Последовательность операций, представляющая собой описание алгоритма,
упорядочена и размещается в памяти программ. Используемые данные также
упорядочены и размещаются в памяти данных. Выполнение команд осуществляется
последовательно и приводят к изменению состояния памяти данных
АрифметическоЛогическое
Устройство
( ALU)
Блок
управления
Устройство
ввода-вывода
Память
данных
Гарвардская
архитектура
Память
программ
 Блок
управления
обеспечивает
синхронизацию процесса обработки команд
Архитектура фон Неймана (принстонская)
 Эта архитектура более универсальна и обеспечивает возможность решения
двух, в некотором смысле, полярных классов задач: “ много данных – простой
алгоритм ” и “ мало данных – сложный алгоритм ”.
Устройства
ВводаВывода
Cистемная шина( bus)
тактирование
адрес: команды, данные
Центральный процессор (CPU)
Блок
Управления
АрифметическоЛогическое
Устройство
( ALU)
Память
данных
Память
программ
 При разработке программы позволяет произвольным образом разделить
память на память программ и память данных в зависимости от специфики
решаемой задачи.
 Обмен между блоками и общей памятью осуществляется по одному каналу.
Принципы реализации
 СPU (ALU) имеет сложную структуру, обеспечивающую “разборку ” инструкции
( команды) и изменения состояния памяти данных в соответствии с ее содержимым
 Включает в себя ряд служебных регистров с фиксированными адресами
PC++
код
команды
Адрес
операнда 1
Адрес
операнда 2
Адрес
результата
Примеры написания команды на ассемблере MPASM (Microchip):
Синтаксис: ADDLW k
//Прибавление константы
Операция: [W]+k - > [W] //Результат команды сохраняется в W
PC –> PC+1
//Инкрементирование счетчика команд
Операнды: k [0-255], рабочий регистр с фиксированным адресом W
Влияет на биты C, DC, Z регистра STATUS
Синтаксис: GOTO A1
Операция: PC –> A1
Синтаксис: NOP
Операция: PC –> PC+1
//Передача управления на команду с адресом A1
// Изменения значения счетчика команд
//Пустая команда
//Инкрементирование счетчика команд
 Номер текущей выполняемой команды хранится в регистре счетчике команд
PC (Program Counter), который инкрементируется схемой управления, с частотой
пропорциональной тактовой частоте
Архитектура вычислительной системы

Представляет собой описание общей логической организации вычислительной
системы, согласованной со способом представления данных и операций с ними

Описание операции представляет собой описание конкретного типа
арифметической или логической операции, описание адреса данных, которые
должны быть использованы при выполнении данной операции и адрес, куда
должен быть помещен результат.

Совокупность операций называется набором команд (instruction set). Набор
команд является характерной особенностью конкретного варианта
реализации вычислительной структуры.

Архитектура ядра процессора,
определяет общие принципы реализации
набора команд
аппаратными компонентами ядра процессора и
информационного обмена между ними
Микропроцессор (microprocessor)

Специализированная микросхема, которая обеспечивает возможность
выполнения сложной обработки данных по алгоритмам, представляемых
как последовательность действий, описываемых с помощью набора команд

Для вычислительных и управляющих систем, реализуемых на микропроцессорах,
данные и описание программы их обработки хранятся в отдельной (ных)
микросхемах памяти

Эта информация представляется в двоичном виде и хранится в упорядоченном
виде. Для работы с ней (чтение, запись) требуется использование адреса.
Адресная информация и данные в процессе обработки представляются
в двоичном виде и хранятся в регистрах микропроцессора

Регистр представляют собой цифровую электронную схему, служащую для
хранения двоичных чисел, разрядность которых зависит от принятых
архитектурных решений.
Концепция микропроцессора Intel 4004

Появление микропроцессоров относят к четвертому поколения средств
вычислительной техники

До этого при производстве систем обработки информации использовались
так называемые микропроцессорные комплекты, представлявшие собой набор
микросхем совместимый по логической и аппаратной реализации

На базе этих комплектов производились вычислительные системы,
интегрируемые в единое целое на печатных платах

Революционным было совсем не очевидное с точки зрения бизнеса решение
INTEL разработать вместо них одну интегральную схему, которая и была
названа микропроцессор
Магистрально-модульная структура
 Базовый принцип построения информационно-управляющих систем
Модуль 1
Модуль K
Параллельная шина управления
Параллельная шина адреса
Подключаемый
Подключаемый
модуль 1
модуль i
…….
…….
…….
…….
…….
…….
…….
…….
…….
…….
…….
…….
…….
…….
…….
…….
Параллельная шина данных
Питание
Магистраль


Слоты расширения
Обмен информацией между модулями осуществляется по системе
параллельных проводников
Совокупность физической структуры магистрали и логической структуры
информационного обмена данных меду модулями называется шиной (bus).
Арбитраж шины.

Совокупность аппаратно- программных решений,
обеспечивающих бесконфликтные обмен информации между
устройствами, соединенными шиной
 Наиболее распространены шины с временным разделением
и случайным доступом
 В шинах с временным разделением разграничение доступа к
шине осуществляет мастер-устройство (master), соответственно,
остальные устройства называются слэйв-устройствами (slave).
В русскоязычной литературе для этого употребляются термины
ведущее и ведомое устройства
 Случайный доступ широко используется в сетевых (распределенных)
информационных системах. В таких сетях все устройства
равноправны.
Архитектура микропроцессор Intel 4004
4 битная двунаправленная
шина D0-D3
Буфер шины
данных
Внутренняя 4 битная шина данных
Временный
Регистр
Регистр
аккумулятор
Регистр
флагов
ALU
Сигналы управления
памятью программ и
данных
Регистр команд
(Instruction
regiser)
Декодер
команд
(Instruction
decoder)
Блок тактирования
и управления
Сигнал тактирования
(Clock)
Мультиплексор
(Multiplexer)
Счетчик
команд и стэк
(program
counter PC
and stack)
Сигнал рестарта
(Reset, I/O ports)
Спецификация Intel 4004
Параметры и особенности архитектуры микропроцессора Intel 4004:
•
2250 транзисторов, реализованных с применением 10 микр. технологии
•
рабочая частота 92-200 кГц
•
8 битная структура с 4 битная реализация внутренней шины, по
которой передавались 12 битные адреса, 8 битные команды,
4 битные данные
•
46 команд ,команда выполнялась за восемь тактов (60 000 операций /сек)
•
трехуровневый стек (максимальная вложенность подпрограмм -3)
•
16 ножек в корпусе DIP16
Архитектура IBM PC
Микропроцессор
от 8086 до Pentium
Сопропроцессор
от 8087 до 80387
Системная
память
программ(ROM)
Память
данных
(DRAM)
Системная шина для передачи адреса, данных, сигналов
управления и т.п.
BIOS
Управление
прерываниями
Контроллер
Платы расширения:
прямого
- видеокарта,
доступа
- жесткий диск,
к памяти
(DMA )
- последовательные
порты и т.д.
Клавиатура
Звук
Сигнальные микропроцессоры
 Появление микропроцессоров обеспечило возможность разработки
управляющих компьютеров ориентированных на использование
в многоканальных системах управления
 Первые бортовые компьютеры были специализированными и
разрабатывались под конкретный вид управляемого источника.
Компьютеры этого типа называют бортовыми (onboard computer)
и их относят к классу компьютеров для встраиваемых применений
(embedded solutions)
 Архитектура встраиваемых компьютеры первых поколений выбиралась
из необходимости реализации цифровой обработки входных
воздействий и сложных алгоритмов управления по нескольким
каналам управления в заданном временном темпе и, как правило,
была гарвардской и включала в себя набор специализированных
модулей обработки сигналов (проблемно-ориентированная) архитектура
Проблемно-ориентированная архитектура
 Реализация обработки данных специализированным блоком представляет собой
вызов соответствующей команды, параметры которого определяют вариант
конкретной реализации. Например, аппаратная реализация команды DO цикла.
 Специализированную команду DSP можно трактовать как аппаратную
реализацию подпрограммы, фактические параметры которой задаются в виде
параметров команды.
 По завершении обработки конкретных данных генерируется сигнал прерываний,
обработка которого осуществляется ядром микропроцессора.
Как правило, сигнальные процессоры обеспечивают возможность аппаратной
(быстрой) реализации операций с плавающей запятой, операции умножения,
сложения, умножения с накоплением в блоке MAC (multiply and accumulate)
суммирования с накоплением, работу с кольцевыми буферами.
Контроллер прерываний

Для синхронизации процесса параллельной обработки
специализированными модулями используется система управления
прерываниями, иногда называемая контроллером прерываний

Механизм организации параллельной работы устройств :

выполняемая программа передает по системной шине данные,
требующие обработки, на соответствующий модуль;
специализированные модули, имеют адреса и регистры для приема
данных и имеют логику, реализующую доступ к шине;
ядро микропроцессора, передав данные или команды по
соответствующему адресу, освобождается от работы с конкретным
модулем и продолжает выполнение программы;
после выполнения требуемых действий с данными,
специализированный модуль вырабатывает сигнал завершения,
который обрабатывается контроллером прерываний.



Контроллер прерываний
S-II
5
S-I
4
H-0
3
S-0
H-1
3
1
1
1
2
H-2
3
t1
t2 t3
t4
t5
t6 t7
t8
Время
1- выполнение команд основной программы ; 2,3- работа аппаратных модулей
периферии; 3 – работа аппаратной компоненты системы прерываний; 4,5 –
выполнение команд
Контроллер прямого доступа к памяти

Контроллер прямого доступа к памяти (Direct Memory Access -DMA)
обеспечивает возможность копирования массивов данных из одной области
памяти данных в другую, минуя CPU

Аппаратная реализация этого специализированного блока требует
 начального адреса копируемой области и длину массива;
 начального адреса области в которую требуется скопировать данные;
 счетчика числа скопированных элементов на время выполнения
 операций копирования

В современных сигнальных микропроцессорах используют
многоканальные контроллеры DMA. TigerSHARC ( Analog Device) имеет
DMA controller, обеспечивающий работу до 14 DMA каналов
Архитектура OMAP-L138 (Texas Instruments)
Закон Мура
К-во транзисторов
109
Duel Core
108
Itanium 2
107
106
Intel Pentium II
Intel 486
105
105
286
104
4004
103
1970
1980
1990
2000
2010
 Технический директор Intel Gordon Moore в 70—x годах прошлого столетия
сделал прогноз, что количество транзисторов в интегральных схемах будет
возрастать вдвое, каждые 24 месяца
 Современная версия закона Мура гласит, что количество транзисторов на
кристалле удваивается каждые восемнадцать месяцев
Современные тенденции
 С появлением Itanium 2 Montecito (двуядерную архитектуру, пониженное
энергопотребление
в развитии микропроцессоров закончилась эпоха
архитектур “System on Chip” и началась новая эра архитектур “Claster on
Chip”, знаменующая переход к началу широкого применения параллельных
вычислений и сетевых технологий внутри одного кристалла
Закон Амдала
 Многоядерный микропроцессор – это вычислительная система,
реализованная на одном кристалле и обеспечивающая скорость обработки
данных за счет распараллеливания
 Пусть в системе с N ядрами решается некоторая вычислительная задача. При
естественном предположении, что доля f от общего объема вычислений не может
быть, в принципе, распараллелена, имеем оценку сверху на производительность
S≤
1/ (f+(1-f)/N) < 1/f
.
Технология Tri-Gate
 Такие решения предлагал сам Гордон Мур, а также профессор
Стэндфордского университета Том Ли
 Опытные образцы транзисторов с трёхмерным затвором были
получены в научно-исследовательских лабораториях Intel ещё в 2002 году,
который считается годом изобретения технологии Tri-Gate
 Новую технологию в сочетании с 22-нм техпроцессом планируется
внедрить до конца 2011 года и уже на её основе выпускать новые
многоядерные процессоры под кодовым названием Ive Bridge
 Трёхмерные транзисторы Tri-Gate, изготовленные на базе 22-нм
техпроцесса и работающие на низком напряжении, обеспечивают до 37
процентов более высокую производительность по сравнению с
обычными транзисторами, изготовленными на базе 32-нм технологии
Одноплатные компьютеры

Одноплатный компьютер ( Single Board Computer - SBC) представляет собой
серийно выпускаемый, готовый к применению компьютерный модуль,
имеющий на одной плате микропроцессор, оперативную и постоянную
память, устройства ввода-вывода

Основное назначение SBC можно сформулировать следующим образом: это
универсальное стандартизованное решение для вычислительного ядра
встраиваемой системы управления, адаптируемое для решения конкретной
задачи за счет добавления специализированных аппаратных модулей,
обеспечивающих сопряжение с датчиками и устройствами сопряжения с
объектом управления

Одноплатные компьютеры делят на два основных класса: компьютеры с
поддержкой возможности модификации архитектуры за счет использования
предустановленных разъемов (слотов) расширения и компьютеры без
возможности модификации
Стандарт PC/104

Название стандарта PC/104 состоит из двух частей, первая из которых подчеркивает
IBM PC совместимость, а вторая сообщает количество контактов шины.

Впервые платы РС/104 появились на рынке в 1987 году, и уже через пять лет в 1992 году
была выпущена первая открытая редакция соответствующих спецификаций.
Модульные системы на базе PC/104
 Стандарт обеспечивает наращивание возможностей аппаратной составляющей
системы управления за счет использования модулей
 Линейные размеры стандартной платы составляют 90*96 мм. Платы модулей
объединяются в единое целое по принципу этажерки с шагом по высоте 15 мм.
Крепление элементов этажерки осуществляется четырьмя угловыми монтажными
стойками
 Шина РС/104 электрически и логически соответствует спецификации шины
ISA со скоростью передачи данных 8 Мбит/с.
 Модификация шины PCI, поддерживаемая стандартом РС/104+, обеспечивает
обмен данными на скоростях до 133 Мбайт/с
Одноплатный компьютер Tiger
. Обеспечивает работу операционных систем Windows, Windows Embedded, Linux, VxWorks, QNX.
Ориентировочная стоимость одноплатного компьютера Tiger составляет 725 дол.
 В мае 2011 фирма VersaLogic( CША) объявила о начале поставок одноплатного
компьютера в форм-факторе стандарта PС-104+.
 частота 1.33 Ггц
 температурный диапазоне -40/+85 С
 не требует вентилятора.
 гигабитный порт Ethernet,
 семь портов USB 2.0, четыре
 последовательных порта,
 аудиоканал
 видеоканалы высокого разрешения
 Выполняет требования стандарта MIL-STD-202G по вибростойкости и ударным
воздействиям. Гарантийный срок 5 лет.
 Для начальной загрузки использует Embedded BIOS фирмы Phoenix , работает
под Windows Embedded, Linux, VxWorks, QNX.
Модуль сигнальной обработки

Модуль обработки сигналов фирмы Versa Logic (США)реализован
в форм-факторе стандарта PC-104

Обеспечивает возможность аналого-цифрового преобразования 16 каналов
с разрешением 16 битов

Для одного канала обеспечивается частотой преобразования 100 кГц.
При обработке всех каналов частота преобразования составляет 67 кГц.

Имеет два выходных аналоговых сигнала с 12- битными
цифро-аналоговыми преобразователями

Как входные, так и выходные каналы могут быть откалиброваны через
программируемый цифровой порт. Калибровочные константы могут
быть сохранены в памяти EEPROM

Имеет два 8-битных конфигурируемых (вход-выход) цифровых порта
Автономный вертолеты R-50 и R-MAX
 Автономные вертолеты
нагрузку в 15 и 30 кг
R-50 и R-MAX (масса 40 и 83 кг) несут
полезную
 Обслуживание аппаратов очень простое, запуск двигателя осуществляется
встроенным электростартером, а взлетать и садиться они могут на любой
горизонтальной площадке размером 3х3 м.
 Топливо - автомобильный бензин А-95, максимальное полетное время - полтора
часа.
 Система управления вертолетом R-50 обеспечивает возможность полета как по
командам оператора, так и автономно по программе, обеспечивая автоматический
возврат в точку запуска и посадку при возникновении любых неполадок (полного
расхода горючего, потере связи с землей и др.)
 На борту вертолеты Yamaha несут три цветных видеокамеры, включая одну
поворотную. R-MAX благодаря системе GPS может автоматически
позиционировать себя в пространстве с точностью до 1 м по всем трем
координатам.
Автономный вертолет Yamaha R-MAX
Структура системы управления Yamaha R-MAX
Диагностический
контроллер
Контроллер
Центральный
каналов связи
компьютер
Контроллер
исполнительных
механизмов
Резервный
компьютер
Контроллер
датчиков
Структура системы управления Yamaha R-MAX
Система на модуле SOM OMAP-L138
 Фирма Logic PD с являющейся дочерней компанией Texas Instrument. и
специализируется на поставке малогабаритных одноплатных компьютеров,
реализуемых на базе микропроцессоров фирмы Texas Instruments



Модуль OMAP-L138 это COTS решение представляющее собой одноплатный
компьютер размера 30*40*4.5 мм, предназначенный для встраиваемых применений
и коммуникационных систем.
Весит этот модуль 7 грамм
Модуль снабжен тремя малогабаритными 100-ножечными разъемами, для
подключения к плате под специализированное применение
Ядро OMAP-L138
Периферия OMAP-L138
Параметры семейства
Параметры модулей SOM на базе микропроцессоров
Тип
SOM
фирмы Texas Instruments
Процессор
Послед.
DDR
(частота
память,
флэш-память,
375 Мгц.)
Mбит
Мбит
Темп.
диапазон,
С
SOMOMAP-L138
10-1602AHCR
OMAP-L138
128
8
0-70
SOMOMAP-L138
10-1502AHCR
OMAP-L138
64
8
0-70
SOMOMAP-L138
10-1602QHIR
OMAP-L138
128
8
-40-85
SOMC6748
10-1602AHCR
TMS320C6748
128
8
0-70
Особенности применения
 Требуются высоконадежные компактные источники
питающего напряжения с уровнями 1.5, 3, 5 В.
 Разработка не возможна без операционной системы
( Linux) и пакета драйверов устройств под нее (Board
Support Package – BSP).
 Печатная плата 8-10 слоев и требуются современные
технологические линии для производства аппаратного
компонента системы