Использование жесткой и программируемой логики

Существует два принципиально разных подхода к проектированию цифровых устройств: использование принципа схемной логики или использование принципа программируемой логики.

В первом случае в процессе проектирования подбирается некоторый набор цифровых микросхем (обычно малой и средней степени интеграции) и определяется такая схема соединения их выводов, которая обеспечивает требуемое функционирование (т.е. функционирование устройства определяется тем, какие выбраны микросхемы и по какой схеме выполнено соединение их выводов). Устройства, построенные на таком принципе системной логики, способны обеспечивать наивысшее быстродействие при заданном типе технологии элементов. Недостаток этого принципа построения МКУ состоит в невозможности "перестройки" структуры устройств и систем при необходимости изменения или расширения их функциональных возможностей.

Эти обстоятельства заставляют обратиться к другому подходу в проектировании цифровых устройств, основанному на использовании принципа программируемой логики. Этот подход предполагает построение с использованием одной или нескольких БИС некоторого универсального устройства, в котором требуемое функционирование (т.е. их специализация) обеспечивается занесением в память устройства определенной программы (или микропрограммы). В зависимости от введенной программы такое универсальное управляющее устройство способно обеспечивать требуемое управление операционным устройством при решении самых различных задач. В этом случае число типов БИС, необходимых для построения управляющего устройства, небольшое, а потребность в БИС каждого типа высока. Это обеспечивает целесообразность их выпуска промышленностью.
Следует иметь ввиду, что наивысшее быстродействие достигается в процессорах, в которых управляющее устройство строится с использованием системной логики, а операционное устройство выполняется в виде устройства, специализированного для решения конкретной задачи.

Если в устройстве, построенном на принципе системной логики, всякое изменение или расширение выполняемых функций влечет за собой демонтаж устройства и монтаж устройства по новой схеме, то в случае МКУ благодаря использованию принципа программируемой логики такое изменение достигается заменой хранящегося в памяти программы новой программой, соответсвующей новым выполняемым устройством функциям. Такая гибкость применений вместе с другими связанными с использованием БИС достоинствами (низкой стоимостью, малыми габаритами), а также высокая точность помехозащищенность, характерные для цифровых методов, обусловили бурное внедрение МКУ в различные сферы производства, научные исследования и бытовую технику.

Микроконтроллерные и микропроцессорные устройства в свою очередь обеспечили широкое использование цифровых методов в различных технических применениях, и размах внедрения этих новых методов рассматривается как революция в технике.

Дуализм "программные средства - аппаратура"

Проектирование МКС производится на базе определенных ОМК. Разработчикам аппаратуры на основе ОМК недоступен уровень отдель-ных транзисторов, связей между ними. Микроконтроллер воспринимается как нечто цельное, имеющее различные свойства, заложенные в его архитектуре.

Архитектура микроконтроллера - это его логическая организация, определяемая возможностями МК по аппаратурной или программной реализации функций, возлагаемых на проектируемые МКУ. Архитектура отражает структуру МК, способы представления и форматы данных, набор операций, форматы управляющих слов, способы обращения ко всем доступным для пользователя элементам структуры, реакцию МК на внешние сигналы.

При разработке МКС необходимо определить, какая часть функций при создании конкретных МКС должна быть реализована программным  способом, а какая - с помощью дополнительных аппаратных средств. Поэтому при проектировании МКС необходимо:

1. дать описание концептуальной модели функционального поведения МКС и рекомендации по организации вычислительного процесса в микроконтроллерной аппаратуре;
2. определить структуру и особенности построения программных средств;
3. описать характеристики внутренней организации потоков данных и управляющей информации;

4) провести анализ функциональной структуры и особенности физической реализации устройств МКС с позиций сбалансированности программных и аппаратных средств.

При разработке архитектуры МКУ определяют форматы данных, обосновывают требования к интерфейсам. Правильный выбор архитек-туры дает возможность оптимизировать вычислительный процесс реа-лизации алгоритмов функционирования МКУ на выбранных аппаратурных средствах. В МКУ процесс оптимизации начинается с решения компро-миса "программные средства - аппаратура", который заключается  в том, что в МКУ любое функциональное преобразование может быть осуществлено как программным путём,  так и на аппаратных средствах. При этом для реализации любых программных средств необходима аппаратурная поддержка и, наоборот, ни одно из аппаратных средств МКУ не может функционировать без программного обеспечения.

Вернуться в оглавление:Цифровые автоматы