1.1. Основні поняття про мікропроцесорні системи.

В цьому розділі розглядаються базові концепції, які лежать в основі будь-якої мікропроцесорної системи - від найпростішого мікроконтролера до складного комп'ютера. Саме в цьому значенні тут використовується термін «філософія».
Ми будемо використовувати слідуючі поняття:
Електронна система - в даному випадку це будь-який електронний вузол, блок, прилад або комплекс, що проводить обробку інформації.
Задача - це набір функцій, виконання яких вимагаються від електронної системи.
Швидкодія - це показник швидкості виконання електронною системою її функцій.
Гнучкість - це здатність системи підстроюватися під різні задачі (або здатність МП системи переналагоджуватися на виконання іншої задачі).
Надмірність - це показник ступеня відповідності можливостей системи вирішуваною даною системою задачі.
Інтерфейс - угода про обмін інформацією, правила обміну інформацією, мається на увазі електрична, логічна і конструктивна сумісність пристроїв, що беруть участь в обміні.
Мікропроцесорна система може розглядатися як окремий випадок електронної системи, призначеної для обробки вхідних сигналів і видачі вихідних сигналів (мал. 1.1). Як вхідні і вихідні сигнали при цьому можуть використовуватися аналогові сигнали, одиночні цифрові сигнали, цифрові коди, послідовності цифрових кодів. Усередині системи може проводитися зберігання, накопичення сигналів (або інформації), але суть від цього не міняється. Якщо система цифрова (а мікропроцесорні системи відносяться до розряду цифрових), то вхідні аналогові сигнали перетворяться в послідовності кодів вибірок за допомогою АЦП, а вихідні аналогові сигнали формуються з послідовності кодів вибірок за допомогою ЦАП. Обробка і зберігання інформації проводяться в цифровому вигляді.
Характерна особливість традиційної цифрової системи полягає в тому, що алгоритми обробки і зберігання інформації в ній жорстко пов'язані з схемотехнікою системи. Тобто зміна цих алгоритмів можлива тільки шляхом зміни структури системи, заміни електронних вузлів, що входять в систему, або зв'язків між ними. Наприклад, якщо нам потрібна додаткова операція сумування, то необхідно додати в структуру системи зайвий суматор. Або якщо потрібна додаткова функція зберігання коду протягом одного такту, то ми повинні додати в структуру ще один регістр. Природно, це практично неможливо зробити в процесі експлуатації, обов'язково потрібен новий виробничий цикл проектування, виготовлення, відладки всієї системи. Саме тому традиційна цифрова система часто називається системою на «жорсткій логіці».

Мал. 1.1. Електронна система.

Будь-яка система на «жорсткій логіці» обов'язково є спеціалізованою системою, створеною винятково на одну задачу або (рідше) на декілька близьких, наперед відомих задач. Це має свої безперечні переваги.
По-перше, спеціалізована система (на відміну від універсальної) ніколи не має апаратурної надмірності, тобто кожний її елемент обов'язково працює в повну силу (звичайно, якщо ця система грамотно спроектована).
По-друге, саме спеціалізована система може забезпечити максимально високу швидкодію, оскільки швидкість виконання алгоритмів обробки інформації визначається в ній тільки швидкодією окремих логічних елементів і вибраною схемою шляхів проходження інформації. А саме логічні елементи завжди володіють максимальною на даний момент швидкодією.
Але в той же час великим недоліком цифрової системи на «жорсткій логіці» є те, що для кожної нової задачі її треба проектувати і виготовляти заново. Це процес тривалий, дорогий, вимагаючий високої кваліфікації виконавців. А якщо вирішувана задача раптом змінюється, то вся апаратура повинна бути повністю замінена. В нашому швидко змінному світі це досить марнотратно.
Шлях подолання цього недоліку досить очевидний: треба побудувати таку систему, яка могла б легко адаптуватися під будь-яку задачу, перебудовуватися з одного алгоритму роботи на іншій без зміни апаратури. І задавати той або інший алгоритм ми тоді могли б шляхом введення в систему якоїсь додаткової управляючої інформації, програми роботи системи (мал. 1.2). Тоді система стане універсальною, або програмованою, не жорсткою, а гнучкою. Саме це і забезпечує мікропроцесорна система.

Мал. 1.2. Програмована (вона ж універсальна) електронна система.

Але будь-яка універсальність обов'язково призводить до надмірності. Адже рішення максимально важкої задачі вимагає набагато більше засобів, ніж рішення максимально простої задачі. Тому складність універсальної системи повинна бути такою, щоб забезпечувати рішення найважчої задачі, а при рішенні простої задачі система працюватиме далеко не в повну силу, використовуватиме не всі свої ресурси. І чим простіше вирішувана задача, тим більша надмірність, і тим меншою виправданою стає універсальність. Надмірність веде до збільшення вартості системи, зниження її надійності, збільшення споживаної потужності і т.д.
Крім того, універсальність, як правило, приводить до істотного зниження швидкодії. Оптимізувати універсальну систему так, щоб кожна нова задача розв'язувалася максимально швидко, просто неможливо. Загальне правило таке: чим більша універсальність, гнучкість, тим менша швидкодія. Більш того, для універсальних систем не існує таких задач (хай навіть і найпростіших), які б вони вирішували з максимально можливою швидкодією. За все доводиться платити.
Таким чином, можна зробити наступний висновок.
Системи на «жорсткій логіці» хороші там, де вирішувана задача не міняється тривалий час, де потрібна найвища швидкодія, де алгоритми обробки інформації гранично прості. А універсальні, програмовані системи хороші там, де часто міняються вирішувані задачі, де висока швидкодія не дуже важлива, де алгоритми обробки інформації складні. Тобто будь-яка система хороша на своєму місці.
Проте за останні десятиріччя швидкодія універсальних (мікропроцесорних) систем сильно виросла (на декілька порядків). До того ж великий об'єм випуску мікросхем для цих систем привів до різкого зниження їх вартості. В результаті область використання систем на «жорсткій логіці» різко звузилася. Більш того, високими темпами розвиваються зараз програмовані системи, призначені для вирішення однієї задачі або декількох близьких задач. Вони вдало суміщають в собі як достоїнства систем на «жорсткій логіці», так і програмованих систем, забезпечуючи поєднання достатньо високої швидкодії і необхідної гнучкості. Отже витіснення «жорсткої логіки» продовжується.

до списку тем наступна тема