Аппаратные и программные средства управления Введение Лекция 1

Аппаратные и программные
средства управления
Введение
Лекция 1
преподаватель кафедры ТМСИ
Губин Максим Владимирович
Актуальность применения
микроконтроллеров
• Решают широкий спектр задач.
• Применятся в системах управления и обработки данных.
• Являются массовым видом устройств современной микропроцессорной техники
(годовой объем выпуска составляет более 2,5 млрд. штук).
• Интегрируют на одном кристалле высокопроизводительный процессор, память и
набор периферийных схем (тактовый генератор, таймер, контроллер прерываний,
цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи, порты ввода-вывода).
• Позволяют с минимальными затратами реализовать высокоэффективные системы и
устройства управления различными объектами (процессами).
• Не требуется реализация внешних интерфейсов для обеспечения взаимодействия
между отдельными элементами системы (такими как ЦП, ОЗУ и прочие).
• Сложность микроконтроллера может варьироваться в зависимости от сложности
решаемых задач.
• При разработке высокоэффективен метод с использованием модульных
конструкций.
• Возможность встроить такую систему прямо в управляемый объект (встроенные
системы).
2
Сварочная линия на
автомобильном производстве
3
Основные характеристики
встраиваемых систем
• Ограниченность аппаратных ресурсов.
• Неизменность программного обеспечения в процессе применения.
• Высокая надежность.
• Короткий цикл разработки- внедрения.
• Серийность производства.
• Низкая себестоимость.
Благодаря этим качествам МК находят широкое применение в
системах промышленной автоматики, контрольно-измерительных
приборах и системах, аппаратуре связи, автомобильной
электронике, медицинском оборудовании, бытовой технике и
многих других областях.
4
Микроконтро́ллер (Micro Controller Unit, MCU) —
микросхема, предназначенная для управления
электронными устройствами.
Типичный микроконтроллер сочетает на одном
кристалле функции процессора и периферийных
устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ.
По сути, это однокристальный компьютер,
способный выполнять относительно простые
задачи.
5
Известные семейства МК
• MCS 51 (Intel)
• MSP430 (TI)
• ARM (ARM Limited)
– ST Microelectronics STM32 ARM-based MCUs
– Atmel Cortex, ARM7 и ARM9-based MCUs
– Texas Instruments Stellaris MCUs
– NXP ARM-based LPC MCUs
– Toshiba ARM-based MCUs
– Analog Devices ARM7-based MCUs
– Cirrus Logic ARM7-based MCUs
– Freescale Semiconductor ARM9-based MCUs
• AVR (Atmel)
– ATmega
– ATtiny
– XMega
• PIC (Microchip)
• STM8 (STMicroelectronics)
6
Архитектура современных МК
• CISC — (Complex Instruction Set Commands)
традиционная архитектура с расширенным
набором команд;
• RISC — (Reduce Instruction Set Commands)
архитектура с сокращенным набором команд;
• ARM — (Advanced RISC — machine)
усовершенствованная RISC архитектура.
7
Список периферии микроконтроллеров
• универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как
на ввод, так и на вывод;
• различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I²C, SPI,
CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;
• аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
• компараторы;
• широтно-импульсные модуляторы;
• таймеры;
• контроллеры бесколлекторных двигателей;
• контроллеры дисплеев и клавиатур;
• радиочастотные приемники и передатчики;
• массивы встроенной флэш-памяти;
• встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер.
8
Робот на микроконтроллере
9
Hardkernel ODROID-C1
Quad Core Linux computer is now $35.00.
10
11
Hardkernel ODROID-XU4
* Samsung Exynos5422 Cortex™-A15 2Ghz and Cortex™-A7 Octa core CPUs
* Mali-T628 MP6(OpenGL ES 3.0/2.0/1.1 and OpenCL 1.1 Full profile)
* 2Gbyte LPDDR3 RAM PoP stacked
* eMMC5.0 HS400 Flash Storage
* 2 x USB 3.0 Host, 1 x USB 2.0 Host
$74.00
* Gigabit Ethernet port
Worldwide shipping
* HDMI 1.4a for display
* Size : 82 x 58 x 22 mm approx.(including cooling fan)
12
Size : 82 x 58 x 22 mm
13
14
Qualcomm серверные процессоры
ARM с 24 ядрами
Qualcomm видит в качестве
покупателей серверных
ARM-процессоров таких
гигантов, как Microsoft,
Google, Facebook и т.д.
Среди возможных задач:
облачные вычисления, Big Data Mining, Machine
Learning, Infrastructure as a Service и Platform as a
Service.
15
Серверные процессоры с 32 физическими
ядрами на архитектуре Zen
• Техпроцесс 14-нанометров;
• Обеспечить 40% прирост производительности
относительно существующей архитектуры
Bulldozer;
• Использована технология Symmetrical Multi
Threading (SMT), которая позволяет выполнять
до 64 потоков одновременно;
• Поддержка восьмиканального интерфейса
памяти DDR4;
• Поддержка PCI Express 3.0;
• Должны появиться в 2017 году.
16
Структуры микропроцессорных СУ
• Централизованные СУ.
• Децентрализованные СУ.
• Комбинированные СУ.
Выбор структуры управления завит от следующих факторов:
•
•
•
•
•
стоимость;
надежность;
живучесть;
гибкость;
способность работать в масштабе реального времени.
17
Централизованные СУ
18
Децентрализованные СУ
19
Тенденции развития структур МК
СУ
Принцип децентрализованного управления оправдан
в силу технических и экономических условий.
Эти варианты структур СУ могут обладать улучшенными
характеристиками надежности, отказоустойчивости,
производительности, гибкости.
20
Структуры с резервированием
Применяются для увеличения отказоустойчивости.
Резервирование может подразделяться на
аппаратное, программное и информационное.
21
Иерархические СУ
22
23
Структура
микропроцессорной
системы управления