ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.11.2023
Просмотров: 139
Скачиваний: 7
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
9
Таким образом, на всех этих этапах определения спецификаций и разра- ботки функционально-системных требований к микропроцессорной системе из общей проблемы, часто поставленной абстрактно и независимо от техники ее реализации, формулируются конкретные, четкие требования и выделяются вы- полняемые функции на основе принятых для технического описания микро- процессорной системы терминов и определений параметров, характеристик, режимов работы.
Для микропроцессорной системы требуется проектирование, как аппа- ратных, так и программных средств. Необходимо, во-первых, определить аппа- ратную и программную конфигурации; во-вторых – какие функции специфика- ции будут выполняться аппаратной частью, а какие - программной. При этом необходимо тщательно учитывать особенности, достоинства и недостатка реа- лизации функций каждой частью микропроцессорной системы. Так, к преиму- ществам программной реализации можно отнести: широкие ―интеллектуаль- ные‖ функциональные возможности; осуществимость перенастройки микро- процессорной системы на новые условия, задачи, объекты и т.д. путем измене- ния только программного обеспечения.
Наряду с положительными качествами программная реализация функций
МПС обладает по сравнению с аппаратной некоторыми ограничительными особенностями, которые могут влиять на компромиссный выбор того или иного метода реализации функций микропроцессорной системы:
- большим временем выполнения функций (или меньшим быстро- действием), обусловленным последовательным методом выполне- ния 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 яв- ляются: производительность, точность, надежность.
Производительность. Пиковая или техническая производительность представляет собой теоретический максимум быстродействия микропроцессор- ной системы при идеальных условиях. Данный максимум определяется как число вычислительных операций, выполняемое в единицу времени имеющими- ся в системе обрабатывающими логико-арифметическими устройствами. Пре- дельное быстродействие достигается при обработке бесконечной последова- тельности несвязанных между собой и неконфликтующих при доступе в память команд (т.е. когда результат любой операции не зависит от действий, выпол- ненных другими командами). Разумеется подобная ситуация чисто гипотетиче- ская, и на практике ни одна система не в состоянии работать длительное время с пиковой производительностью, хотя и может приближаться к этой величине.
10
Хорошим показателем является производительность в диапазоне от 0,8 до 0,9 от пикового значения.
При выполнении реальных прикладных программ эффективная произво- дительность может быть существенно меньше пиковой. Характеристики функ- ционирования микропроцессорной системы на уровне внутренних устройств существенно зависят от программы и обрабатываемых данных. Поэтому невоз- можно оценить производительность только на основании их тактовой частоты.
Для оценки производительности вычислительных средств используется набор характерных задач. Время выполнения каждой из задач набора составляет ос- нову для расчета индекса производительности исследуемой вычислительной системы. Индекс производительности является относительной оценкой, несу- щей информацию о том, насколько быстрее или медленнее исследуемая систе- ма выполняет задачи по сравнению с некоторой эталонной системой. Если оп- ределить производительность эталонной системы, вычисляемую числом вы- полняемых в секунду вычислительных операций, то можно определить абсо- лютное значение производительности исследуемой микропроцессорной систе- мы. В таблице приведены основные классы количественных индексов произ- водительности вычислительных систем.
Таблица - Основные классы количественных индексов производительно- сти вычислительных систем
Класс индекса
Примеры индексов
Общее определение
Продук- тивность
Пропускная способность
Скорость выработки
Максимальная выработка (максимум пропускной способности)
Скорость выполнения команд
Скорость обработки данных
Объем информации, об- рабатываемой системой в единицу времени
Реактив- ность
Время ответа
Время прохождения
Время реакции
Время между предъяв- лением системе входных данных и появлением соответствующей вы- ходной информации
Использо- вание
Коэффициенты использования обору- дования (центральный процессор, уст- ройство ввода-вывода)
Коэффициент использования операци- онной системы
Коэффициент использования общего модуля программного обеспечения
(например, компилятора)
Коэффициент использования базы данных
Отношение времени ис- пользования указанной части системы (или ее использования для за- данной цели) в течение заданного интервала времени к длительности этого интервала
11
Расчет показателей эффективности сложных систем, т.е. задача анализа производительности, представляет собой весьма сложную задачу, которая тре- бует привлечения специальных математических методов и, как правило, реша- ется с помощью ЭВМ. Показатели эффективности зависят от структуры систе- мы, 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 со- отношением «производительность/энергопотребление». Снижение энергопо- требления без снижения производительности – актуальная задача проектирова- ния микропроцессорных систем.
Точность работы микропроцессорной системы определяется погрешно- стью вычислений выходных параметров системы. Это показатель является со- ставным и определяется не только точностью вычислений процессора, но и точностью приборов, входящих в состав микропроцессорной системы (разно- образных датчиков, преобразующих, корректирующих устройств и т.д.).
Надежность. Основным понятием теории надежности является, как из- вестно, отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности. Для сложных же объектов, особенно человеко-машинных систем, отсутствие отка- зов, как показывает практика, еще не гарантирует отсутствия опасных ситуа- ций, приводящих к нарушению безопасности функционирования (НБФ). Это связано с тем, что на функционирование технического средства кроме его на- дежности оказывают влияние различные внешние причины. Виды отказов: от- казы технических средств; воздействия человека (ошибки операторов, обслу- живающего персонала); природные явления (грозы, пожары и т. п.). Опасный отказ приводит или может привести к опасной ситуации. Поэтому в теории на- дежности важное место занимает безопасность функционирования техники
(БФТ). Существуют два основных пути обеспечения БФТ: предотвращение на- рушений, нормальных режимов работы и парирование последствий возникших нарушений нормального функционирования. На этапе разработки и проектиро- вания 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 вероят- ность появления отказов, но и обладать свойством отказоустойчивости - спо- собностью 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 элемен- тов, и качественные показатели системы постепенно ухудшаются (деградиру- ют) при увеличении числа отказов. Такая система является отказоустойчивой до отказа некоторой кратности и постепенно деградирует с увеличением числа отказов. Количественно
живучесть определяется коэффициентом живучести,
12 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 сис- темы с целью отключения отказавших узлов. Пассивные методы основаны на функциональном резервировании, при котором одни и тек же элементы при не- обходимости могут выполнять различные функции в системе, а также резерви- рование одних элементов другими, в основу принципа действия которых поло- жены различные физические процессы. При этом возможно ухудшение показа- телей 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 кото- рых 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, де- терминированными проектными показателями, а с другой стороны, - стохасти- ческими характеристиками надежности техники, оператора, обслуживающего персонала и внешних воздействий, среды. Следовательно, показатель, обоб- щающий как детерминированные, так и стохастические параметры, должен рассматриваться в вероятностном смысле. В общем случае обобщенный крите- рий - 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, опреде- ляющих параметры окружающей среды, обеспечивают связь между различны- ми устройствами системы и передают данные другим приборам.
Проектирование микропроцессорной системы предполагает аппаратно- программную реализацию устройства. В соответствии с этим необходимо про-
13 извести математические расчеты, как при выборе аппаратных элементов систе- мы, так и при разработке программного обеспечения.
При разработке аппаратных средств микропроцессорной системы необ- ходимо провести расчет электрических параметров аппаратных модулей прин- ципиальной схемы устройства. Эти расчеты проводят, используя законы элек- тротехники. 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 необхо- димость 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 микроконтрол- леры. В настоящее время происходит настоящая революция, оказавшая значи- тельное влияние на каждого из нас – это автоматизация практически всей ок- ружающей нас среды с помощью дешѐвых и мощных микроконтроллеров.
Микроконтроллер – это самостоятельная компьютерная система, которая со- держит процессор, память, вспомогательные схемы и устройства ввода-вывода данных, размещенные в общем корпусе. Микроконтроллеры, используемые в различных устройствах, выполняют функции интерпретации данных, посту- пающих с клавиатуры пользователя или от датчиков, определяющих параметры окружающей среды, обеспечивают связь между различными устройствами сис- темы и передают данные другим приборам. Применение микроконтроллеров позволяет значительно снизить количество и стоимость используемых материа- лов и комплектующих изделий, что обеспечит снижение себестоимости конеч- ной 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 встраи- ваемых (embedded) МК. В этих МК все необходимые ресурсы (память, устрой- ства ввода/вывода и т.д.) располагаются на одном кристалле с процессорным
14 ядром. Всѐ, что необходимо сделать – это подать питание и тактовые сигналы.
Встраиваемые микроконтроллеры могут базироваться на существующем мик- ропроцессорном ядре или на процессоре, разработанном специально для данно- го микроконтроллера.
Основное назначение встраиваемых МК – обеспечить с помощью недо- рогих средств гибкое программируемое управление объектами и связь с внеш- ними 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 уст- ройств, 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).
Блок управления питанием
Блок синхронизации и таймер
Блок управления сбросом
Память программ
П
о р
ты в
в о
д а
- в
ы в
о д
а
ОЗУ
п р
о ц
е с
с о
р
Входные и выходные выводы
Источник питания
Сигнал сброса в начальное состояние
Тактовые сигналы
Кристалл микроконтроллера
Рисунок 6.1 – Общая структура микроконтроллера