Управляющие автоматы на элементах с жесткой логикой

(с памятью и без памяти)

В управляющих автоматах на элементах с жесткой логикой - для хранения информации о состоянии используется набор триггеров, на их тактовый вход подается тактирующий сигнал, входные сигналы X подаются на комбинационные устройства, вырабатывающие сигналы управления Y для (функции возбуждения) триггеров.

Полученные булевы функции минимизируются (например, методом карт Карно) и используются в качестве формы для построения схемы автомата.

Различают КОНЕЧНЫЕ АВТОМАТЫ:

автомат Мили

автомат Мура,

Подобный автомат реализуется схемой, процесс синтеза которой называется структурным синтезом. Процесс структурного синтеза автомата разделяется на следующие этапы:

1. выбор типа запоминающих и логических элементов;
2. кодирование состояний автомата;
3. синтез комбинационной схемы, формирующей сигналы возбуждения и выходные сигналы.

В. М. Глушковым разработан общий конструктивный прием, называемый каноническим методом структурного синтеза автомата.

Достоинства и недостатки автоматов с жесткой логикой.

Схемы с жесткой логикой, как правило, позволяют обеспечить наибольшее быстродействие из всех возможных методов построения цифрового автомата, однако при возрастании сложности реализуемых алгоритмов схемы автоматов с жесткой логикой очень быстро становятся более сложными, чем схемы автоматов с микропрограммным или программным управлением.

Поэтому схемы автоматов с жесткой логикой в настоящее время используют только в том случае, когда требуется максимальное быстродействие

Технологический процесс

При производстве полупроводниковых интегральных микросхем применяется фотолитография и литографическое оборудование.

 

Разрешающая способность этого оборудования (т.н. проектные нормы) и определяет название применяемого техпроцесса

процессоры (Core 2 Duo) делают по новой УФ-технологии 0,045 мкм.

видеопроцессоры и flash-память фирмы Samsung — 0,040 мкм)..

Core i3 -i7 тех. Процесс - 0,032 мкм.

 

Серии микросхем

(Аналоговые) и цифровые микросхемы выпускаются сериями.

Серия - это группа микросхем (набор функциональных узлов), имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение, и предназначенная для совместного применения.

 

Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

ПЛИС

2.1 Программи́руемая логи́ческая интегра́льная схе́ма (ПЛИС, англ. programmable logic device, PLD) — электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем.

В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования (проектирования).

Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры Verilog, VHDL, AHDL и др.

 

Альтернативой ПЛИС являются:

- базовые матричные кристаллы, требующие заводского производстенного процесса для программирования;

ASIC - специализированные заказные БИС (большие интегральные схемы), которые при мелкосерийном и единичном производстве существенно дороже;

- специализированные компьютеры, процессоры (например, цифровой сигнальный процессор) или микроконтроллеры, но которые из-за программного способа реализации алгоритмов медленнее ПЛИС.

Некоторые производители ПЛИС предлагают программные процессоры для своих ПЛИС, которые могут быть модифицированы под конкретную задачу, а затем встроены в ПЛИС. Тем самым обеспечивается уменьшение места на печатной плате и упрощение проектирования самой ПЛИС.

Основные современные типы ПЛИС

CPLD (англ. complex programmable logic device — сложные программируемые логические устройства), содержат относительно крупные программируемые логические блоки — макроячейки (англ. macrocells), соединённые с внешними выводами и внутренними шинами. Функциональность CPLD кодируется в энергонезависимой памяти, поэтому нет необходимости их перепрограммировать при включении.

FPGA (англ. field-programmable gate array) содержат блоки умножения - суммирования (DSP), которые широко применяются при обработке сигналов, а также логические элементы (как правило, на базе таблиц перекодировки (таблиц истинности)) и их блоки коммутации. FPGA обычно используются для обработки сигналов, имеют больше логических элементов и более гибкую архитектуру, чем CPLD.

 

Программа для FPGA хранится в распределённой памяти, которая может быть выполнена как на основе энергозависимых ячеек статического ОЗУ (подобные микросхемы производят, например, фирмы Xilinx и Altera) - в этом случае программа не сохраняется при исчезновении электропитания микросхемы, так и на основе энергонезависимых ячеек Flash-памяти или перемычек antifuse (такие микросхемы производит фирма Actel и Lattice Semiconductor) - в этих случаях программа сохраняется при исчезновении электропитания.

Если программа хранится в энергозависимой памяти, то при каждом включении питания микросхемы необходимо заново конфигурировать её при помощи начального загрузчика, который может быть встроен и в саму FPGA. Альтернативой ПЛИС FPGA являются более медленные цифровые процессоры обработки сигналов.

Некоторые производители ПЛИС

• Atmel
• Altera
• Lattice semiconductor
• Xilinx
• Actel

См. также ПАИС (программируемые аналоговые интегральные схемы)

Микропроцессорные устройства

Компьютер

Компью́тер (англ. computer — «вычислитель»), ЭВМ (электро́нная вычисли́тельная маши́на) — вычислительная машина для передачи, хранения и обработки информации.

Термин «компьютер» и аббревиатура «ЭВМ» (электронная вычислительная машина), принятая в СССР, являются синонимами. Однако, после появления персональных компьютеров, термин ЭВМ был практически вытеснен из бытового употребления. В настоящее время аббревиатуру «ЭВМ» в основном используют как правовой термин, в юридических документах, а также в историческом смысле — для обозначения компьютерной техники 1940-1970-х годов, особенно советского производства.

Своё название компьютеры получили по основной функции — проведению вычислений. В настоящее время большинство компьютеров используются для обработки и управления информацией, а также игр, но и эти задачи для компьютера также являются последовательностью вычислений.

В большинстве современных компьютеров проблема сначала описывается в понятном им виде (при этом вся необходимая информация, как правило представляется в двоичной форме — в виде единиц и нулей, хотя существовали и компьютеры на троичной системе счисления), после чего действия по её обработке сводятся к применению простой алгебры логики.

Компьютер работают по заранее определённому алгоритму.

Было обнаружено, что компьютеры могут решить не любую математическую задачу. Впервые задачи, которые не могут быть решены при помощи компьютеров, были описаны английским математиком Аланом Тьюрингом.

Результат выполненной задачи может быть представлен пользователю при помощи различных устройств ввода-вывода информации, таких, как индикаторы, мониторы, принтеры, проекторы и т. п.

Микрокомпьютер

распространённое в конце 70-х — 80-х годах XX века название компьютеров (в частности, бытовых (домашних) компьютеров), основанных на микропроцессорах. Также это название характеризовало физические размеры компьютеров.

Позднее термин микрокомпьютер, равно как и термин домашний компьютер, был вытеснен термином персональный компьютер, что было связано с широким распространением IBM PC -совместимых машин.

В настоящее время микрокомпьютерами часто называют встраиваемые системы (embedded system (англ.)) управления (например, в бытовую технику или автомобили

 

3.3. Проце́ссор

Процессор имеет два значения в информационных технологиях, которые близки и объясняют похожие процессы.

Первое значение термина «процессор» – это машинная программа, управляющая определенными процессами (обработкой данных, вычислительными процессами).

Во втором значении – «процессор» это устройств о, которое выполняет вычислительные арифметические и логические операции над имеющимися данными.

Процессор во втором своем значении (устройство) может быть автономным или функциональной частью компьютера. В последнем случае под этим термином часто подразумевается центральный процессор, в том числе микропроцессор.

По функциональному назначению процессоры делят на следующие виды:

 

- арифметический процессор,

- графический процессор;

- буферный процессор;

- процессор данных;

- процессор баз данных;

- текстовый процессор;

- процессор ввода-вывода;

- интерфейсный процессор;

- лингвистический процессор;

- сетевой процессор;

- межсетевой процессор;

- процессор передачи данных;

- терминальный процессор;

- специализированный процессор и т.д.

Типы процессоров

Характеристики процессоров отражают его производительность, энергоэффективность, функциональные возможности и стоимость.

Каждый процессор характеризуется набором выполняемых команд, скоростью выполнения команд в миллионах операций в секунду (mips), разрядностью используемой шины, размерами обрабатываемых слов и объемом адресуемой памяти.

3.4.1 Центра́льный проце́ссор (ЦП; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное вычислительное устройство) — исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

Центральный процессор (CPU) -– основная рабочая часть компьютера, которая выполняет арифметические и логические операции, заданные программой; управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Микропроцессор

Микропроцессор (чип, chip) – это кремниевый кристалл, непосредственно на котором и расположен CPU (центральный процессор). Является центральной частью всех компьютеров. Также микропроцессоры используются и на всех цифровых устройствах, управляя ими.

Из большого количества цифровых микросхем изготавливались процессоры. Фирма Intel первой изготовила микросхему Intel 4004, которая выполняла функции процессора.

Такие микросхемы получили название микропроцессор. Микропроцессоры фирмы Intel совершенствовались: Intel 8008, Intel 8080, Intel 8086, Intel 8088 (на основе двух последних микропроцессоров фирма IBM выпустила свои первые персональные компьютеры).

3.4.3 Микропроцессор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы^[ или комплекта из нескольких специализированных микросхем (в противоположность реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели.

Микропроцессор выполняет в основном функции АЛУ (арифметическо-логическое устройство), а дополнительные функции связи с периферией выполнялись с помощью специально для этого изготовленных наборов микросхем.

 

Для первых микропроцессоров число микросхем в наборах исчислялось десятками, а сейчас это набор из двух-трёх микросхем, который получил термин чипсет.

Характеристики процессора:

- быстродействие (производительность, тактовая частота) — количество операций, выполняемых в секунду.

- разрядность — максимальное количество разрядов двоичного числа, над которыми одновременно может выполняться машинная операция

Ядро микропроцессора

ядро (core) – кристалл кремния площадью примерно один квадратный сантиметр, на котором посредством микроскопических логических элементов реализована принципиальная схема процессора, так называемая архитектура (chip architecture).

Термин «ядро микропроцессора» (англ. processor core) не имеет чёткого определения и в зависимости от контекста употребления может обозначать:

• часть микропроцессора, содержащую основные функциональные блоки.
• набор параметров, характеризующий микропроцессор.
• кристалл микропроцессора (CPU или GPU), чаще всего, открытый.
• часть процессора, осуществляющая выполнение одного потока команд. Многоядерные процессоры имеют несколько ядер и поэтому способны осуществлять независимое параллельное выполнение нескольких потоков команд одновременно.

Ядро микропроцессора обычно имеет собственное кодовое обозначение (например, K7) или имя (например, Coppermine, Prescott, Conroe ….).

Микроконтроллер (MCU)

История

Термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микро-ЭВМ». Первый же патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам Texas Instruments. Они предложили на одном кристалле разместить не только микропроцессор, но и память, устройства ввода-вывода. С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры компьютерной автоматизации в области управления.

По-видимому, это обстоятельство и определило термин «микроконтроллер» (control — управление).

Микроконтроллер - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами.

Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ.

По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить во многих современных приборах, таких, как телефоны, стиральные машины и т. п. Бо́льшая часть выпускаемых в мире процессоров — микроконтроллеры.