Обзор Части 14



==1049

В пунктах @A-@J перечисляются вопросы, поднятые в Части 14 . В итоговый обзор вошли базовые принципы, факты и советы.

@A Процессоры и шины данных

Это первая из двух процессоро-ориентированных частей книги. Она посвящена архитектуре вычислительных систем и каналам обмена данными - информационным шинам. Вторая часть рассказывает о микроконтроллерах, как о схемных элементах в начинке приборов и инструментов. С учётом повсеместного распространения компьютеров в современной жизни, читатель, скорее всего, уже знаком с большей частью её материала.

@B Шиноцентрическая архитектура вычислительных систем

В классической архитектуре вычислительной системы ( §14.1 ) процессор ( CPU или MPU ) исполняет инструкции, выбираемые из памяти по набору параллельных линий, именуемых шиной ( рис. 14.2 ). Инструкция сообщает, какое конкретно действие должна выполнить машина, а процессор воспринимает эту информацию через блок декодирующей логики . Кроме него в ЦПУ входит: арифметическо-логическое устройство ( ALU ), оно отвечает за действия над данными в регистрах , счётчик программы хранит адрес исполняемой инструкции, набор флагов отражает результат последней операции и используется в операциях с условием. В указателе стека находится ссылка на временное хранилище вспомогательной информации ( промежуточные результаты и адреса возврата ). Наконец, часто вычислительная система имеет кэш-память , позволяющую быстрее добираться до часто используемых данных и команд.

@C Периферия

Микропроцессоры ( CPU ), ориентированные на вычисления ( например, в рабочих станциях ), общаются с периферийными устройствами на плате через специальные шины. Процессоры, рассчитанные на встроенное применение ( т.е. микроконтроллеры ( MPU ), Часть 15 ) имеют меньшее быстродействие, зато оснащены встроенными периферийными блоками и памятью. В списке встроенной периферии можно найти видео системы, сетевые интерфейсы, средства измерения ( АЦП ) и управления ( ЦАП, дискретный ввод-вывод ), последовательные порты ( UART, USB ), интерфейсы дисковых накопителей ( SATA, SAS ).

@D Система команд или машинные коды

Каждый процессор руководствуется в своих действиях особым образом собранными и отформатированными данными - инструкциями ( §14.2 ). Полный набор инструкций называется системой команд , а её двоичное представление - машинными кодами . Инструкции могут быть одной длины или иметь разный размер, например у 32-разрядного процессорного семейства Intel x86 команды занимают от 1 до 15 байт. Прямое написание программ в машинных кодах крайне утомительное дело, поэтому каждому двоичному коду инструкции ставят в соответствие мнемонику - команду на языке ассемблера - удобное для запоминания буквосочетание. Например, «ADD AX, BX» соответствует операции сложения содержимого регистра AX и регистра BX . Программа-ассемблер преобразует текст, созданный человеком ( или компилятором из текста на языке высокого уровня ), в машинные коды процессора.

В качестве примера выбрано подмножество инструкций семейства Intel x86 ( §14.2.2 и табл. 14.1 ): арифметические , переходы по условию , работа со стеком и ввод-вывод . Разбор инструкций сопровождается описанием методов адресации - различных путей, с помощью которых можно добраться до содержимого регистров и памяти. Ассемблер Intel позволяет использовать прямую , косвенную , индексную и непосредственную адресацию.

@E Параллельная шина PC104/ISA

Подключение и передача информации посредством шины данных может быть очень непростым делом, сопровождающимся запутанной системой сигналов подтверждения. Для упрощения знакомства с темой в качестве учебного пособия взята 8-разрядная параллельная шина PC104/ISA ( §14.3 ), появившаяся изначально в IBM PC и ставшая промышленным стандартом. PC104 широко распространена и является удачным примером многоточечного разделяемого параллельного канала передачи данных. Полный набор сигналов приводится в §14.3.11 .

Цикл записи

Чтобы вывести данные в периферийное устройство ( провести «цикл записи» ) задатчик на шине ( здесь процессор ) выставляет данные на линиях данных ( «D7...D0» ), сообщает адрес периферийного устройства на адресных линиях ( «A9...A0» ), после чего активирует строб записи ( «IOW'» ), см. рис. 14.8 . Периферийное устройство ( рис. 14.9 ) защёлкивает данные «D7...D0» по сигналу «IOW'», если состояние линий «A9...A0» соответствует его адресу. Все эти действия выполняются аппаратно, когда процессор выполняет инструкцию «OUT».



==1050

Цикл чтения

Чтобы получить данные от стороннего источника ( провести «цикл чтения» ), задатчик на шине должен сообщить адрес интересующего периферийного устройства, переключить свои линии данных на вход, подать строб чтения ( «IOR'» ) и защёлкнуть состояние «D7...D0», изменённых внешним устройством, см. рис. 14.13 . Периферийное устройство ( рис. 14.14 ) откликается на свой адрес, выдавая данные в шину по разрешающему уровню «IOR'». Описанная последовательность действий выполняется аппаратно, когда процессор исполняет инструкцию «IN».

Флаги управления и состояния

Информация, получаемая процессором в цикле чтения, может содержать обычные данные ( например, результат измерения ), а может содержать флаги состояния ( например, признак готовности результата ). Информация о состоянии устройства необходима в большинстве ситуаций. В примере клавиатурного интерфейса ( рис. 14.15 ) триггер устанавливается при появлении нового символа и сбрасывается при его считывании. Состояние триггера видно через линию «D7» по адресу KBFLAG . Программа ( §14.3.5.A ) постоянно крутится в цикле, опрашивая байт состояния , пока не обнаружит установленный бит 7 . Увидев таковой, программа считывает байт из порта клавиатуры KBDATA и добавляет его в буфер строки. Сходно работают биты, пересылаемые периферийному устройству. Они указывают на возможность/ необходимость выполнения каких-либо действий со стороны периферийного устройства, т.е. являются командными битами . Так можно запустить преобразование в АЦП или переключить последовательный порт на передачу. Из нескольких битов состояния ( или управления ) можно собрать в регистре слово, каждый разряд которого будет иметь своё назначение.

Прерывания

Биты состояния позволяют процессору узнать о необходимости каких-то действий, но требуют при этом считывания регистра состояния. Такое действие называется опросом и является одним из возможных методов передачи сведений от периферии в процессор. Альтернативный путь - использование прерываний . Периферийное устройство активирует специальную линию ( в PC104 такие линии зовутся «IRQn» ). Если прерывания разрешены, аппаратная обвязка вычислительного ядра приостанавливает выполнение текущего задания и заставляет процессор перейти к исполнению кода «обработчика прерывания», см. §14.3.7 - §14.3.9 , где приводятся примеры схем и кода.

Прямой доступ к памяти

Самый быстрый способ передачи блока данных ( например, считывание его с диска ) - прямой доступ к памяти ( §14.3.10 ). Последовательные адреса памяти и управляющие сигналы формируются специальной схемой и не требуют внимания центрального процессора или циклов программного ввода-вывода .

@F Другие параллельные шины

Внутренняя многоточечная шина PC104/ISA работает слишком медленно ( менее 10 MBps ), ей на смену пришла шина PCI - тоже многоточечной, но достигшей в 64-разрядной версии скорости 2 Gbps . Общение через PCI заметно более сложная задача, нежели передача данных по PC104 ( @E ), и требует нескольких этапов взаимодействия с контроллером шины. На данный момент PCI тоже вышла из употребления, уступив место PCIe ( @H ) с последовательными соединениями точка-точка. Для обмена с дисковыми накопителями есть старый интерфейс IDE ( другие названия ATAPI и PATA ) и SCSI. Оба вышли из употребления и заменены последовательными SATA и SAS соответственно. Ещё один параллельный интерфейс - принтерный порт «Centronics» ( 36-контактный разъём на принтере, 25-контактный D-SUB в компьютере ) заменён последовательными шинами USB и Ethernet. Для подключения лабораторного оборудования используется интерфейс GPIB , который фирма-создатель HP зовёт HPIB. Он доступен и поддерживается по настоящий момент, но уже довольно неудобен для подключения из-за толстых кабелей и крупных соединителей. Большая часть современных приборов и инструментов поддерживает USB и Ethernet. Все упомянутые и некоторые прочие шины сведены в табл. 14.3 .

@G Параллельная передача информации

На более низком уровне интеграции элементов на плате для обмена данными между ИМС, скажем, между контроллером и АЦП классическая параллельная шина с адресом-данными-стробами становится избыточной и упрощается до простого соединения точка-точка ( предполагается, что микросхем всего две ) шириной 8 или даже 4 разряда, сигналом направления и сигналом стробирования ( рис. 14.34 ). Это уже не шина, а просто линия связи.

Исключая линии связи и особые случаи широких быстрых шин для связи ЦП с чипсетами ( «Front-Side bus» ), практически все параллельные шины и соединения сошли с дистанции, оставив поле за последовательными ( @H , @I ) вариантами. Особую пикантность ситуации придаёт тот факт, что одиночная последовательная линия оказывается быстрее, чем исходная линия шириной 8 бит, и вдобавок к увеличению скорости идёт снижение числа проводов и уменьшение размеров кабелей и соединителей.

@H Последовательные интерфейсы

У последовательных линий передачи данных ( §14.7 ) есть масса достоинств: меньше проводов, меньше выводов микросхем приёмников и передатчиков, при использовании соединений точка-точка упрощается и улучшается согласование, отсутствует явление скольжения фронтов ( тактовый сигнал восстанавливается из потока канальных символов ) и, наконец, существенно упрощается переход на оптический или беспроводной канал. Совсем не очевидна более высокая скорость передачи данных при работе через последовательный канал, нежели через параллельный. Тем не менее, параллельные дисковые интерфейсы ( 16-разрядные PATA и SCSI ) не вершине своего развития достигли скорости 1...2 Gbps , а их преемники - последовательные SATA и SAS с одной дифференциальной парой в каждом направлении дают 6 Gbps .



==1051

В компьютерном мире используют внутренние последовательные дисковые шины SATA ( eSATA - внешнее расширение SATA), SAS и PCIe ( §14.7.6 , §14.7.7 ). PCIe - гибридная: в отличие от предшественницы PCI, PCIe организована в виде связей точка-точка с последовательными дифференциальными линиями в каждом направлении. Но в соединитель могут заводиться несколько такого рода наборов - “lanes” ( подобное расширение обозначается сочетанием «×n», на данный момент используются «×1», «×4» и «×16», но есть также «×8» и «×32» ). Каждая линия может передавать данные со скоростью до 8 Gbps , восстанавливая свой собственный тактовый сигнал на приёмной стороне.

Для внешних связей имеются последовательные интерфейсы USB, FireWire, Ethernet и CAN. USB 3.0 ( §14.7.13 ) обеспечивает полнодуплексную связь на скорости 3.2 Gbps , что существенно лучше полудуплекса и 480 Mbps в USB 2.0. FireWire ( IEEE1394, §14.7.14 ) предлагает дуплексную связь на скорости 400 и 800 Mbps ( стандарт предусматривает скорости до 3.2 Gbps ).

Ethernet

( §14.7.16 ) - основной протокол для организации компьютерных сетей. Исходная коаксиальная линия с шинной архитектурой и скоростью 10 Mbps ( 10Base2 – «тонкий» кабель и 10Base5 – «толстый» ) прожила достаточно долго, прежде чем была заменена полнодуплексной связью точка-точка на витой паре ( 10Base-T, 100Base-TX, 1000Base-T ), которая решила проблему коллизий и увеличила скорость до 1 Gbps .

CAN

( §14.7.15 ) - многоточечная, мультимастерная шина для промышленного сегмента и транспорта. Надёжна, работает на расстояниях до 1 km , хотя и на сильно сниженной скорости ( 10 kbps против 1 Mbps для расстояний до 40 m ).

@I Последовательные соединения

Последовательная связь очень популярна для организации транспортных путей между ИМС в пределах печатной платы ( @G ) и практически полностью вытеснила параллельные каналы. Здесь популярны SPI, I2C и JTAG.

SPI

( §14.7.1 ) восхитительно простая 3-проводная шина с организацией ведущий-ведомый. Две линии данных ( «MOSI», «MISO» ) - по одной на каждое направление и тактовый сигнал ( «SCLK» ). Кроме общих линий каждому ведомому требуется индивидуальная линия выбора «SS'» ( рис. 14.38 ). Выбранное устройство принимает ( через «MOSI» ) и отдаёт ( через «MISO» ) данные на каждом импульсе «SCLK» ( рис. 14.37 ). Единого стандарта на SPI нет, поэтому особенности каждого конкретного периферийного кристалла надо уточнять по справочным данным. Примеры микросхем с интерфейсом SPI можно посмотреть на рис. 15.21 .

I2C

( §14.7.2 ). В отличие от SPI, это более сложная многоточечная последовательная шина. Ей требуется только два провода ( «SDA» для данных и «SCL» для тактового сигнала ), а протокол чётко определяет, как именно происходит адресация устройств и задание направления передачи. Ограниченное число проводов и удобство организации связи идут в комплекте с требованием уникальности адреса каждого устройства, подключённого к шине, и неизбежностью коллизий и арбитража в мультимастерной конфигурации. Примеры периферийных ИМС с интерфейсом I2C можно посмотреть на рис. 15.22 .

JTAG

( §14.7.4 ). Исходно предназначался для тестирования, но превратился в популярный метод загрузки и отладки программ для микроконтроллеров, а также программирования микросхем памяти в собранной системе. Состоит из общих сигналов тактирования ( «TCK» ) и режима ( «TMS» ) плюс двух линий данных с последовательным включением абонентов с «TDI» на входе и «TDO» на выходе ( рис. 14.43 ). Подключиться к интерфейсу JTAG можно с помощью специального адаптера USB-JTAG.

RS-232

( §14.7.8 ). Старый добрый последовательный порт и поныне поддерживается микроконтроллерами. Передать через него данные в PC можно через программу терминала, подключив переходник USB-RS-232, например, что-нибудь из продукции фирмы FTDI.

@J Память

Обсуждение вычислительной техники без упоминания памяти ( §14.4 ) нельзя считать исчерпывающим. Идеальная память позволяет выполнять случайное обращение, ничего не забывает ( даже в отсутствие питания ) и имеет бесконечный ресурс ( количество циклов стирания-записи ). Совсем замечательно, если она вдобавок немного потребляет, недорога и компактна. Настоящие ИМС памяти не достигли таких показателей, по крайней мере, в памяти одного типа.

Среди постоянной памяти ( §14.4.5 ) фаворитом на настоящий момент является flash-NAND . Именно её можно обнаружить в USB «флэшках», картах памяти для фотоаппаратов и в твердотельных дисках. Скорость и ресурс её ограничены, а стирание и запись может выполняться только посекторно. Зато она недорога ( ∼$0.50/GB в розницу ). Для хранения небольших объёмов данных есть EEPROM . Она строится на 2-транзисторных ячейках и позволяет проводить стирание-запись побитово. Некоторые новые технологии обещают близкий к бесконечному ресурс. Среди таких направлений FRAM ( ферроэлектрическая ) MRAM ( магниторезистивная ) и PCM ( память на фазовых переходах ).

Вся память с быстрым доступом и бесконечным ресурсом требует для работы питания . Она подразделяется на два класса: статическую и динамическую.

Статическая

память - SRAM ( §14.4.3 ) - массив 6-транзисторных триггеров ( «6T», рис. 14.20 и 14.21 ), предполагающих работу в асинхронном или синхронном ( т.е. тактируемом ) режиме. Статическая память имеет простой интерфейс, быстрый доступ и низкий ток потребления, но ячейка «6T» занимает много места на кристалле, а значит, имеет невысокую плотность хранения. Поэтому основной областью использования статической памяти являются малопотребляющие системы, где не требуется хранить большие объёмы данных.



==1052

Динамическая

память - DRAM ( §14.4.4 ) - другой вид оперативной памяти, представляет собой массив очень маленьких конденсаторов ( ∼30fF ), уровень заряда на которых соответствует состоянию бита данных. Конденсаторы коммутируются массивом транзисторов таким образом, что для хранения одного бита нужен только один транзистор ( ячейка «1T1C», рис. 14.26 , 14.27 ). Динамическая память нуждается в периодической регенерации заряда конденсаторов. Подобно статической памяти бывает асинхронной и синхронной ( SDRAM ), причём последняя может быть с однократной скоростью выдачи данных SDR и удвоенной DDR с цифрами, указывающими на номер поколения ( DDR2, DDR3, DDR4 ). Динамическая память имеет бесконечный ресурс, быстрый доступ, высокую плотность хранения и низкую стоимость. Используется в качестве основной системной памяти в большей части современных вычислительных машин: от рабочих станций до потребительской электроники. Именно она стоит на линейках памяти DIMM в материнских платах компьютеров. В настоящий момент её цена составляет примерно $5/GB .



==1052