Аппаратное обеспечение информационно-управляющих систем встраиваемого класса

1. Аппаратное обеспечение информационно-управляющих систем встраиваемого класса А.Астапкович Встроенные системы управления Лекция 5 Государственный университет аэрокосмического приборостроения, СПб, 2012

2. 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.

3. Память данных Арифметическо- Логическое Устройство ( ALU) Блок управления Память программ Устройство ввода-вывода 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 Гарвардская архитектура • Блок управления обеспечивает синхронизацию процесса обработки команд

4. Устройства Ввода-Вывода Cистемная шина( bus) тактирование адрес: команды, данные Центральный процессор (CPU) Арифметическо- Логическое Устройство ( ALU) Блок Управления Память данных Память программ 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 ”. • 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.

5. код команды Адрес операнда 1 Адрес операнда 2 Адрес результата 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++ Примеры написания команды на ассемблере MPASM (Microchip): Синтаксис: ADDLWk //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 //Передача управления на команду с адресом A1 Операция: PC –> A1 //Изменения значения счетчика команд Синтаксис: NOP //Пустая команда Операция: PC –> PC+1 //Инкрементирование счетчика команд • Номер текущей выполняемой команды хранится в регистре счетчике команд • PC (Program Counter), который инкрементируется схемой управления, с частотой • пропорциональной тактовой частоте

6. 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 аппаратнымикомпонентами ядра процессора и информационного обмена между ними

7. 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.

8. 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

9. Подключаемый модуль 1 Подключаемый модуль i Модуль 1 Модуль K Параллельная шина управления Параллельная шина адреса Параллельная шина данных ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. Питание Слоты расширения Магистрально-модульная структура • Базовый принцип построения информационно-управляющих систем Магистраль • Обмен информацией между модулями осуществляется по системе • параллельных проводников • Совокупность физической структуры магистрали и логической структуры • информационного обмена данных меду модулями называется шиной (bus).

10. 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.

11. 4 битная двунаправленная шина D0-D3 Буфер шины данных Внутренняя 4 битная шина данных Временный Регистр Мультиплексор (Multiplexer) Регистр команд (Instruction regiser) Регистр флагов Регистр аккумулятор Счетчик командистэк (program counter PC and stack) ALU Декодер команд (Instruction decoder) Блок тактирования и управления Сигналы управления памятью программ и данных Сигналрестарта (Reset, I/O ports) Сигналтактирования (Clock) Архитектура микропроцессор Intel 4004

12. 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

13. 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 прямого доступа к памяти (DMA ) Платы расширения: - видеокарта, - жесткий диск, - последовательные порты и т.д. Клавиатура Звук Архитектура IBM PC

14. 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

15. 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.

16. 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.

17. S-II 5 S-I 4 H-0 3 3 S-0 1 1 1 H-1 2 H-2 3 Время t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 • - выполнение команд основной программы ; 2,3- работа аппаратных модулей периферии; 3 – работа аппаратной компоненты системы прерываний; 4,5 – выполнение команд Контроллер прерываний

18. 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

19. Архитектура OMAP-L138 (Texas Instruments)

20. Duel Core Itanium 2 Intel Pentium II К-во транзисторов 109 Intel 486 108 286 107 4004 106 105 105 104 103 1970 1980 1990 2000 2010 Закон Мура • 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

21. 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

22. Закон Амдала • Многоядерный микропроцессор – это вычислительная система, реализованная на одном кристалле и обеспечивающая скорость обработки данных за счет распараллеливания • Пусть в системе с Nядрами 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.

23. 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 IveBridge • 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

24. 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

25. 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.

26. 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

27. 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.

28. 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

29. Автономный вертолеты R-50и R-MAX • Автономные вертолеты R-50 и R-MAX (масса 40 и 83 кг) несут полезную нагрузку в 15 и 30 кг • 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.

30. Автономный вертолет YamahaR-MAX

31. Диагностический контроллер Контроллер каналов связи Центральный компьютер Контроллер исполнительных механизмов Резервный компьютер Контроллер датчиков Структура системы управления YamahaR-MAX

32. Структура системы управления YamahaR-MAX

33. 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

34. Ядро OMAP-L138

35. Периферия OMAP-L138

36. Параметры семейства

37. 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 устройствпод нее (Board • Support Package – BSP). • Печатная плата 8-10 слоев и требуются современные • технологические линии для производства аппаратного • компонента системы