Проектирование микропроцессорной системы

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Микропроцессоры и микропроцессорные системы  являются в настоящее время наиболее массовыми средствами вычислительной техники.

Появление микропроцессорных  БИС позволило из-за их дешевизны, малых габаритов, массы, мощности потребления  и свойства программируемости функций  решить проблему разработки малого числа  БИС для большого числа применений, внедрить вычислительную технику в  те области, в которых ранее она  не использовалась.

Для обработки  аналоговых и цифровых сигналов разработана  большая номенклатура микросхем, среди  которых можно отметить генераторы, усилители, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, модуляторы, компараторы, переключатели тока и напряжения, элементы выборки и хранения, фильтры, центральные процессорные элементы, устройства управления вводом-выводом, программируемые последовательные и параллельные интерфейсы, котроллеры прямого доступа к памяти, магистральные  приемопередатчики, блоки микропрограммного  управления, приоритетного прерывания, запоминающие устройства, многофункциональные  синхронизирующие устройства, программируемые таймеры и т. д. Большинство перечисленных схем  и устройств являются функциональными составными частями микропроцессорных комплектов, в значительной степени определяя архитектуру микро-ЭВМ. Однако практически любая микро-ЭВМ кроме основных функциональных БИС содержит и значительное число микросхем средней и малой степени интеграции.

В рамках настоящего курсового проекта разработана  микропроцессорная система с  заданными характеристиками.

Данная разработка ставит своей целью ознакомление с принципами построения микропроцессорных  систем, средств связи с внешними устройствами.

Построение  системы на одном из простых микропроцессорных  комплектов позволит в дальнейшем проектировать  более современные и быстродействующие  устройства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

С увеличением размеров графических  файлов растет спрос на внешнюю память, выполненную по магнитооптической  технологии. Новые технологические  решения, судя по всему, станут основополагающими  при построении запоминающих устройств  со сменными носителями в 90-х годах.

С согласно  закону  Паркинсона (применительно к средствам хранения  информации),  объем файлов увеличивается и достигает емкости внешних запоминающих устройств. Вспомним те времена, когда 1,44-Мбайт флоппи-диски позволяли и хранить информацию, и обмениваться ею. Однако очень скоро на них стало умещаться лишь несколько рисунков clip art .

Что касается издательского дела, то здесь уже давно для хранения и обмена данными принято использовать 5,25- и 3,5-дюймовые диски фирмы SyQuest, объем которых составляет 44, 88 или 105 Мбайт. Эти широко распространенные диски быстры и удобны, однако, как и все устройства SyQuest, включая новую модель объемом 270 Мбайт, имеет целый ряд недостатков. Они подвержены ударным, механическим и электромагнитным воздействиям и к тому же недешевы: их розничные цены колеблются от 70 до 100 долл. А ведь существуют более надежные и универсальные запоминающие устройства со сменным носителем - магнитооптические (МО) диски.

Прежде всего отметим, что МО-диски, изготовленные из алюмиевых сплавов и заключенные в корпус из пластика, практически не подвержены разрушению. Они не боятся воздействию повышенных и пониженных температур, электромагнитных излучений,  ударных воздействий и загрязнения. Не менее важны их невысокая цена  (розничная    менее 40 долл.),  продолжительный срок хранения данных (15 лет) и, наконец, повышенная вместимость. Неформатированные 3.5-дюймовые (односторонние) диски вмещают 128 Мбайт, а неформатированные 5,25-дюймовые (на двух сторонах)  1,3 Гбайт, что соответствует стандартным форматам ISO. С появлением новых стандартов емкость носителей еще больше увеличится: к 1995 г. 3.5-дюймовый диск будет содержать 500 Мбайт информации, а 5,25-дюймовый  2,3 Гбайт.

В настоящее время самым существенным недостатком перезаписываемых МО-дисков является их меньшее быстродействие по сравнению с устройствами SyQuest  и жесткими дисками,  поскольку стирание и запись осуществляются за два прохода. Время доступа пока еще великовато для работы  с мультимедиа (оно не должно превышать 20 мс), но неуклонно уменьшается; для многих МО-устройств этот показатель уже

сейчас  составляет около 50 мс.

Как положительное свойство магнитооптических  дисков следует отметить их повышенную надежность. Вероятность вывода диска  из строя невелика, поскольку головки  чтения/записи  никогда  с ним  не соприкасаются. Благодаря своей долговечности и надежности эти диски хорошо подходят для хранения  и транспортировки больших графических файлов. И хотя  5,25-дюймовые  МО-диски вмещают значительные объемы информации (что делает их идеальными для хранения больших баз данных), в издательских фирмах и сервисных бюро носители SyQuest  начинают заменяться именно на 3,5дюймоьые магнитооптические диски.

 

Премудрости технологии. Как следует из названия, в перезаписываемых МО-дисках используются магнитная и оптическая технологии. Установленный в дисководе лазер при записи нагревает поверхность диска,  а электромагнит изменяет намагниченность битовых полей. При  считывании диск сканируется "холодным" лучом меньшей мощности, а специальные датчики улавливают отраженный от поверхности диска луч и определяют его поляризацию.

В некоторых  своих 5,25-дюймовьи МО-дисководах фирма  Рanasonic использует собственную технологию  phase change (изменение фазового состояния). Эта технология позволяет считывать и записывать данные за один проход вместо двух, что вдвое сокращает время доступа. Однако записанные таким образом диски несовместимы с традиционными магнитооптическими устройствами.

Кроме перезаписываемых МО-дисков существуют и другие оптические запоминающие устройства со сменными  носителями. Рассмотрим их подробнее.

Вероятно, наиболее известными оптическими дисками  являются CD-ROM, вмещающие до 650 Мбайт  информации. Для их считывания используется лазерный луч. Эти диски, предназначенные  только для  чтения, обычно продаются  с заранее записанной на них информацией:  справочниками, картинками clip art, наборами шрифтов и фотографиями. В последнее время все большую популярность приобретают записываемые компакт-диски.

Технология WORM (write-once, read-many  -  однократная запись, многократное считывание) в наибольшей степени подходит для архивации. Устройства WORM сохраняют информацию на сменных носителях аналогично тому, как это делается в МО-дисководах. Данные же записываются однократно, поскольку здесь не допускается повторная запись в один и тот же сектор. При коррекции файлы сохраняются в других секторах, что позволяет восстанавливать историю внесенных исправлений. Емкость носителей диаметром 5,25 дюйма превышает 1 Гбайт - так же, как и на перезаписываемых МО-дисках. Широкое     распространение получают и иные оптические накопители. Например, многофункциональные дисководы способны работатъ как с WORM, так и с магнитооптическими дисками, что

расширяет область их применения. В дисковые автоматы (jukebox) можно устанавливать от 5 до 150 оптических дисков различных типов, включая WORM и МО-диски.  В результате  объем сменной внешней памяти увеличивается до нескольких гигабайт, что бывает нужно в сети.

Наконец, существуют флоптические дисководы, в которых сочетаются обе технологии  оптическая и магнитная. Чтение и запись осуществляются здесь магнитным способом, позиционирование же реализуется с помощью оптических средств. При такой технологии повышается емкость диска. Эти устройства могут считывать обычные 1,44-Мбайт гибкие  диски,  а на  специальных флоптических дисках записывают в 14 раз больше данных, т. е.

21 Мбайт. Со временем емкость  флоптических дисков будет увеличена до 80 Мбайт.

Итак, сменные  оптические диски разных типов служат разным целям. Если вы занимаетесь издательской деятельностью или обработкой графической  информации и собираетесь заменять устаревшие накопители SyQuest  на что-либо более долговечное и надежное, то, возможно, вас заинтересуют З.5-дюймовые магнитооптические дисководы.

 

Что искать.3.5-дюймовые накопители предлагают многие поставщики, но число производителей самих дисководов (механизмов) невелико (среди них фирмы Chinon, Epson, Fujitsu, Ricoh и Sony). Некоторые производители, например Sony и Ricoh, продают изделия под своей маркой, а такте поставляют их другим компаниям, в частности Focus Enhancements и La Cie, которые собирают дисковые  подсистемы, добавляя к ним кабели и источники питания. Дисководы других производителей, скажем, фирмы Epson, поставляются только под торговыми марками реселлеров. В таблице представлены лишь внешние модели, но большинство поставщиков предлагают н встраиваемые устройства.

Мы рассматриваем  здесь накопители с интерфейсом  SCSI,  способные работать на обеих платформах  РС и Macintosh,  поскольку многие издательства используют и те и другие машины. В большинстве случаев SCSI-интерфейс позволяет подключаться к любой системе и устанавливать накопители одной модели на все машины в офисе. Однако не забывайте, что файлы, сохраненные на МО-дисках,  аналогичны  файлам на обычных гибких дисках их переносимость с одной платформы на другую обеспечивается лишь

посредством специальной преобразующей  утилиты.

Сегодня уже  сформированы стандарты форматов данных для магнитооптических  накопителей. Все перечисленные в таблице  дисководы  удовлетворяют стандарту  ISO на емкость 128 Мбайт, поэтому файлы, записанные, например, из дисководе фирмы Ricoh, могут быть считаны с помощью устройства фирмы Pinnacle Micro, Mass Microsystems или любого другого, подключенного к компьютеру, работающему на той же платформе. Фирма MOST (Mass Optical Storage Technologies) выпускает дисководы, использующие односторонние диски объемом 266 Мбайт, однако они не читаются на дисководах, поддерживающих стандарт ISO (128 Мбайт). Если вы собираетесь пользоваться 256-Мбайт накопителем, в вашем распоряжении - устройства, предлагаемые множеством компаний, в числе которых Micro Design International и Ocean Microsystems.

При выборе накопителя необходимо выяснить время  доступа - интервал между выдачей  запроса и тем моментом, когда  устройство считает и выдаст данные. Оно складывается из среднего времени  поиска и запаздывания.

Время поиска сростом скорости вращения диска  уменьшается. Немаловажно и запаздывание - время, за которое головка чтения/записи попадает на нужный сектор, составляющее приблизительно половину периода оборота  диска.

Учтите, что  поставщики могут указывать как  время поиска, так и время доступа, но не оба эти параметра. Для быстродействующих  дисководов обычно указывается время  доступа, а для более медленных - поиска. Вам же нужно знать время  доступа - только оно полностью характеризует  быстродействие дисковода.

На скорость работы магнитооптических дисководов также влияет объем встроенной в  них буферной (КЕШ-) памяти. При ее наличии увеличивается быстродействие накопителя. Однако, как и для жестких дисков, очень большой объем буферной памяти не требуется: оптимальный размер для 3.5-дюймовых дисководов - 256 Кбайт.

Следующий важный показатель - скорость передачи данных или, другими словами , скорость, с которой информация считывается и записывается на диск. Ее также называют скоростью непрерывной передачи данных при считывании. Не нужно путать этот показатель с пиковой скоростью - предельной скоростью передачи информации по шине SCSI. Для пользователя последняя не имеет значения, так как не влияет на быстродействие магнитооптических накопителей.

И, конечно  же, не забывайте о гарантийном  обслуживании этих устройств. Многие производители  предусматривают возможность возврата изделия в течение 30 дней, однако важнее иметь продолжительный срок гарантии. Чаще всего гарантия дается на один год, но иногда и на три года.

В заключение отметим, что выбор оптического  накопителя со сменным носителем  должен быть целенаправленным: необходимо четко представлять себе, для чего он приобретается. Большинство специалистов в области электронного издательского  дела выберут перезаписываемые 3.5-дюймовые МО-дисководы, обеспечивающие требуемую  вместимость, безопасность и гибкость для хранения и обработки графической  информации.

 

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АППАРАТНОЙ ЧАСТИ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ
1. Разработка структуры микропроцессорной системы

       Проектирование новой микро-ЭВМ обычно начинается с описания ее архитектуры, представляющей собой модель микро-ЭВМ с точки зрения программиста. Модель в процессе проектирования преобразуется в структуру микро-ЭВМ, определяющую состав, назначение и взаимные связи необходимых аппаратурных компонентов, реализующих желаемую архитектуру.

В последнее время наибольшее распространение  получил  принцип модульной организации  вычислительных систем. Среди способов организации связи элементов  внутри модулей и между модулями в системе можно выделить два: с помощью произвольных связей, реализующих  принцип “каждый с каждым”, и  с помощью упорядоченных связей  ( магистральный ), позволяющий минимизировать число связей.

Наиболее  распространенной является схема микро-ЭВМ, имеющая две или три общие  магистрали, к которым под воздействием устройства управления могут поочередно подключаться входящие в микропроцессор узлы. Такая структура требует  ограниченного числа внешних  контактов, но обмен информацией  между узлами и блоками должен осуществляться в определенной последовательности.

В микро-ЭВМ процессор строится на БИС, образующих базовый МП-комплект. Процессор микро-ЭВМ может быть реализован в виде одной (однокристальный микропроцессор) или нескольких БИС (многокристальный микропроцессор).