35.13M

Category:

electronics

Микроконтроллеры и Встраиваемые Системы Управления (базовый курс)

1.

Научный центр информационных технологий
и искусственного интеллекта
Научно-образовательное направление
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ РОБОТОТЕХНИКА
И ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ
20.11.2023 – 25.11.2023

Шипатов Андрей Владимирович
кандидат технических наук
доцент НТУ «Сириус», направление «Математическая робототехника»
доцент НИУ «МИЭТ» (Московский институт электронной техники)
начальник отдела разработки АО «Зеленоградский инновационно-технологический центр»
генеральный директор ООО «Электронные микросистемы» (ООО «ЭЛМИКС»)
Микроконтроллеры и Встраиваемые Системы Управления (базовый курс)
Microcontrollers and Embedded Control Systems (basic course)
www.elmics.com

3.

Микроэлектроника – это просто ?
Как называются эти элементы схем электрических принципиальных ?
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
0
&
0
0
0
=
0
0
0
0
>=1
ENB
0
3

4.

Микроэлектроника – это просто ?
Как называются эти элементы схем электрических принципиальных ?
1
резистор
биполярный
транзистор
n-p-n типа
5
9
диод
13
2
переменный
резистор
3
6
биполярный
транзистор
p-n-n типа
7
10
светодиод
14
1
логический
элемент
«НЕ»
(NOT)
конденсатор
полевой
n-канальный
транзистор
11
стабилитрон
15
0
&
0
0
логический
элемент
«2И-НЕ»
(AND)
4
кварцевый
резонатор
8
полевой
p-канальный
транзистор
12
буфер с 3-м
состоянием
ENB
16
0
>=1
0
0
логический
элемент
«ИЛИ»
(OR)
0
=
0
0
логический
элемент
«искл. ИЛИ»
(XOR)
4

5.

Микроэлектроника – это просто ?
Что это за схемы на операционных усилителях ?
1
2
5

6.

Микроэлектроника – это просто ?
Что это за схемы на операционных усилителях ?
1
2
Инвертирующий усилитель
U вых
R2
U вх
R1
Неинвертирующий усилитель
R
Uвых 1 2 Uвх
R1
6

7.

Микроэлектроника – это просто ?
Что это за схемы на транзисторах ?
1
2
7

8.

Микроэлектроника – это просто ?
Что это за схемы на транзисторах ?
1
«Нижний» ключ на n-p-n транзисторе
2
«Нижний» ключ на n-канальном транзисторе
8

9.

Микроэлектроника – это просто ?
Что это за схемы на транзисторах ?
3
4
9

10.

Микроэлектроника – это просто ?
Что это за схемы на транзисторах ?
3
«Верхний» ключ на p-n-p транзисторе
4
«Верхний» ключ на p-канальном транзисторе
10

11.

Микроэлектроника – это просто ?
Что изображено на этих рисунках ?
5
6
11

12.

Микроэлектроника – это просто ?
Что изображено на этих рисунках ?
5
Временная диаграмма синхронного обмена
6
Временная диаграмма асинхронного обмена
12

13.

Структура образовательного модуля – базовый курс (для студентов 1 курса)
ПН
ВТ
СР
ЧТ
ПТ
СБ
ПН
ВТ
СР
ЧТ
ПТ
СБ
1 пара
Лекция
Лекция
Лекция
Лекция
Лекция
Лекция
Самост.
Самост.
Самост.
Самост.
Самост.
Инд.
2 пара
Лекция
Лекция
Лекция
Лекция
ЛБ
5
ЛБ
7
ЛБ
9
ЛБ
1
ЛБ
3
ЛБ
5
ЛБ
7
Инд.
3 пара
ЛБ
ЛБ
ЛБ
ЛБ
ЛБ
6
ЛБ
8
ЛБ
10
ЛБ
2
ЛБ
4
ЛБ
6
ЛБ
8
Зачет
4 пара
Самост.
Самост.
Самост.
Самост.
Самост.
1
Самост.
Самост.
Самост.
Самост.
Самост.
Самост.
13

14.

Структура образовательного модуля – базовый курс (для студентов 2 курса)
ПН
ВТ
СР
ЧТ
ПТ
СБ
ПН
ВТ
СР
ЧТ
ПТ
СБ
1 пара
Лекция
Лекция
Лекция
Лекция
Лекция
Лекция
Лекция
Лекция
Лекция
Лекция
Лекция
Инд.
2 пара
Лекция
Лекция
Лекция
Лекция
ЛБ
5
ЛБ
7
ЛБ
9
ЛБ
1
ЛБ
3
ЛБ
5
ЛБ
7
Инд.
3 пара
ЛБ
ЛБ
ЛБ
ЛБ
ЛБ
6
ЛБ
8
ЛБ
10
ЛБ
2
ЛБ
4
ЛБ
6
ЛБ
8
Зачет
4 пара
Самост.
Самост.
Самост.
Самост.
Самост.
1
Самост.
Самост.
Самост.
Самост.
Самост.
Самост.
14

15.

Структура образовательного модуля – продвинутый курс (для студентов 2 курса)
ПН
ВТ
9
21
ЛБ
2 пара
ЛБ 19/20
ЛБ 21/22
ЛБ 23/24
3 пара
ЛБ
ЛБ
ЛБ
4 пара
Самост.
22
Самост.
ЛБ
ЧТ
1 пара
20
ЛБ
СР
23
24
Самост.
ЛБ
ПТ
25
ПН
ВТ
СР
ЧТ
ПТ
СБ
27
ЛБ
ЛБ
30
ЛБ
31
ЛБ
32
ЛБ
34
ЛБ
35
Инд.
ЛБ 25/26
ЛБ 27/28
ЛБ
ЛБ
30
ЛБ
31
ЛБ 32/33
ЛБ
34
ЛБ 35/36
Инд.
ЛБ
ЛБ
ЛБ
ЛБ
30
ЛБ
31
ЛБ
ЛБ
34
ЛБ
26
Самост.
ЛБ
СБ
28
Самост.
29
Самост.
Самост.
Самост.
33
Самост.
Самост.
36
Экзамен
Самост.
Экзамен
15

16.

Учебный стенд ElmiCORE-H745-ЕК (Education Kit)
16

17.

Содержание лабораторных работ
№
Название лабораторной работы
MCU IP
Часы
1
Установка и настройка средств разработки. Знакомство с инструментарием, компиляция программ и загрузка
в память учебного стенда. Отладка программ. Точки останова, режим трассировки (пошаговое выполнение
программы). Мониторинг результатов работы программы.
GPIO in/out
1
2
Порты ввода-вывода общего назначения (GPIO). Работа в режиме вывода – простейшая программа типа
«Hello World» на светодиоде. Работа в режиме ввода – обработка нажатий на кнопку (по опросу).
Комбинированный режим – управление светодиодом по кнопке. Отображение информации на
светодиодном матричном индикаторе (в режиме GPIO через сдвиговые регистры).
GPIO in/out
1
3
Подключение внешней нагрузки (при помощи электромеханического реле) и различных релейных датчиков
(электромагнитные (индуктивные) датчики расстояния («концевики»), магнитные датчики (герконы, датчики
Холла)) при помощи портов ввода-вывода микроконтроллера.
GPIO in/out,
sensors
1
4
Модуль таймеров-счетчиков. Работа в режиме таймера (формирование сигналов в требуемые моменты
времени). Управление частотой мигания светодиода по таймеру (анализом флагов), управление частотой
звукового сигнала.
GPIO, timers
1
5
Модуль таймеров-счетчиков. Работа в режиме счетчика (фиксация моментов времени изменения состояния
внешних сигналов). Подсчет количества внешних событий в единицу времени (частотные датчики, датчик
цветности, энкодеры, ультразвуковой дальномер HC-SR04).
GPIO, timers
1
6
Управление приводами - шаговые двигатели. Применение драйвера шагового двигателя.
GPIO, timers
1
17

18.

Содержание лабораторных работ
№
Название лабораторной работы
MCU IP
Часы
7
Модуль широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Усложнение способов вывода информации – управление
яркостью свечения светодиодных индикаторов, управление громкостью и частотой генерируемых звуковых
сигналов, многоцветные светодиодные индикаторы.
GPIO out,
PWM out
1
8
Применение модуля ШИМ для простейшего управления приводами – двигатели постоянного тока (DC).
H-мост, управление скоростью и направлением вращения двигателя.
GPIO in/out,
PWM out
1
9
Знакомство с модулями АЦП и ЦАП. Проверка совместной работы ЦАП и АЦП (замыкание обратной связи
ЦАП -> АЦП, управление сигналом ЦАП по показаниям АЦП).
ADC, DAC
1
10
АЦП vs GPIO. Простой аналоговый и цифровой ввод информации – клавиатуры и джойстики.
Применение матричной клавиатуры и потенциометрического джойстика.
GPIO in/out,
ADC
1
11
Модуль ШИМ для усложненного управления приводами - сервоприводы. Управление сервоприводом по
углу. Управление сервоприводом постоянного вращения по скорости.
PWM out,
ADC
1
12
Прерывания. Таблица векторов прерываний. Обработчики прерываний. Приоритеты прерываний.
Время реакции на прерывание. Примеры работы с прерываниями – простейшие детекторы
(датчик звука, детекторы движения (с линзой Френеля)).
GPIO in/out,
IRQ, ADC
1
13
Последовательный синхронный полудуплексный интерфейс I2C. Измерение расстояний - применение
лазерных датчиков, ультразвуковых дальномеров.
I2C
1
18

19.

Содержание лабораторных работ
№
Название лабораторной работы
MCU IP
Часы
I2C
1
14
Последовательный синхронный полудуплексный интерфейс I2C. Измерение расстояний и параметров
окружающей среды - применение датчика приближения, датчика температуры (на модуле навигации).
15
Последовательные асинхронные интерфейсы RS-232/RS-485. Промышленные протоколы связи.
Простейшая коммуникация между двумя микроконтроллерными устройствами (двумя учебными стендами).
UART, IRQ
1
16
Последовательные асинхронные интерфейсы RS-232/RS-485. Обмен информацией с PC при помощи
программы HyperTerminal.
UART, IRQ
1
17
Последовательный синхронный полнодуплексный интерфейс SPI.
Отображение информации на светодиодном матричном индикаторе (посредством SPI, через сдвиговые
регистры).
SPI
1
18
Последовательный синхронный полнодуплексный интерфейс SPI.
Отображение информации на светодиодном матричном индикаторе. Динамическая индикация.
SPI
1
19
Последовательный синхронный полнодуплексный интерфейс SPI.
Организация визуальных интерфейсов взаимодействия «человек-машина». Простой вывод информации.
Дисплеи с сенсорным управлением (touchscreen).
Проектирование современных GUI с помощью специализированной графической среды TouchGFX.
SPI
1
20
Навигация роботов. Спутниковые навигационные системы GNSS. Определение координат и сигналов точного
времени. Визуализация результатов на PC в реальном масштабе времени.
UART,
serial in/out
1
19

20.

Содержание лабораторных работ
№
Название лабораторной работы
MCU IP
Часы
21
Навигация роботов. Микромеханические инерциальные навигационные системы. Получение показаний с
датчиков. Определение ориентации в пространстве с применением комплементарного фильтра.
Визуализация результатов на PC в реальном масштабе времени.
I2C,
serial in/out
1
22
Энергонезависимое долговременное хранение информации во встраиваемых системах.
Применение EEPROM-памяти и SD-карт. Использование файловых систем на примере FatFS.
SPI,
SDIO interface
1
23
Служебные (системные) таймеры микроконтроллеров.
Таймер реального времени RTC (real time clock), сторожевой таймер WDT (watch-dog timer).
RTC, WDT
1
24
Встраиваемые операционные системы реального времени на примере FreeRTOS.
Потоки, мьютексы, сообщения.
RTOS
1
25
Универсальная последовательная шина USB. Применение класса CDC (Communication Device Class).
Демонстрация работы стенда в качестве «флэшки» (класс MSC) и «мышки» (класс HID).
USB
1
26
Высокоскоростная передача информации. Передача данных по локальной сети.
Интерфейс Ethernet. Применение протокола TCP/UDP.
Ethernet
1
27
Беспроводная передача информации.
Технологии бесконтактной радиочастотной идентификации (RfID) малого радиуса действия.
Практическое применение RFID/NFC.
I2C
1
20

21.

Содержание лабораторных работ
№
Название лабораторной работы
MCU IP
Часы
UART
1
28
Беспроводная передача информации.
Технология передачи данных IEEE 502.11 (WiFi). Применение протокола TCP/UDP.
Технология передачи данных Bluetooth. Применение профиля SPP (Serial Port Profile).
29
Применение алгоритмов низкоуровневой обработки изображений для решения задач компьютерного
зрения. Гистограммы и матричные фильтры обработки изображений. Преобразование Хафа.
Поиск объектов с заданными визуальными характеристиками (цветом, формой).
H745-EK,
OpenMV
1
30
Применение корреляционных методов анализа оптического потока. Определение собственного движения
видеокамеры на основе методов фазовой корреляции. Реализация системы стабилизации
видеоизображения на основе анализа видеопотока с камеры.
H745-EK,
OpenMV
1
31
Методы обнаружения движения в кадре. Детекторы движения. Практическая реализация простейшего
детектора движения. Реализация системы автоматического управления поворотной платформой
видеокамеры с целью поворота в сторону обнаруженного движущегося объекта.
H745-EK,
OpenMV
1
32
Методы автоматического сопровождения объектов. Детекторы локальных особенностей. Слежение за
объектом по ключевым точкам.
H745-EK,
OpenMV
1
33
Методы автоматического сопровождения объектов. Реализация системы автоматического сопровождения
движущегося объекта поворотной видеокамерой.
H745-EK,
OpenMV
1
21

22.

Содержание лабораторных работ
№
Название лабораторной работы
MCU IP
Часы
34
Методика определения положения объекта в окружающем 3D-пространстве при помощи визуальных
маркеров. Маркеры AprilTag. Реализация системы практического определения координат и ориентации
объекта в пространстве при помощи кодовых маркеров, с визуализацией результатов на PC. Сравнение
получаемых результатов с данными от инерциальных навигационных систем (MEMS-датчиков).
H745-EK,
OpenMV
1
35
Простейшие алгоритмы машинного обучения. Детектор объектов на основе каскадов Хаара.
H745-EK,
OpenMV
1
36
Простейшие алгоритмы машинного обучения. Реализация прототипа системы контроля за утомляемостью и
состоянием водителя (по обнаружению и отслеживанию положения лица и состояния глаз человека в кадре).
H745-EK,
OpenMV
1
-
8
Самостоятельная работа над индивидуальными проектами
22

23.

Что такое «встраиваемая система управления» ?
Встраиваемая система управления (Embedded Control System) :
Это любая механическая или электрическая система, имеющая в своем составе блок управления,
выполненный на основе специализированного вычислительного устройства (СВУ), и функционирующая,
будучи физически встроенной (интегрированной) непосредственно в объект управления (устройство),
которым она управляет.
Специализированное вычислительное устройство (СВУ) :
Это вычислительное устройство, предназначенное для решения заранее определенного узкого класса
задач, что достигается с помощью :
• аппаратной реализации вычислительных алгоритмов;
• использования серийных вычислительных средств совместно со специализированной подсистемой
ввода-вывода, учитывающей конкретный состав объекта управления и датчиков первичной информации;
• разработки специализированного программного обеспечения.
23

24.

Что такое «встраиваемая система управления» ?
Важные вехи в истории встраиваемых систем :
• в 1960 году встраиваемая система впервые была использована для разработки
системы наведения космических кораблей серии «Аполлон» Чарльзом Старком
Дрейпером в Массачусетском технологическом институте;
• в 1962 году компания Autonetics разработала D-17B (см. фото) - компьютер,
используемый в системе наведения ракет NS-1OQ «Minuteman» (28 кг.,
1521 транзистор, 6282 диода, 1116 конденсаторов, 504 резистора);
• в 1966 году была выпущена первая встроенная система для автомобиля –
система АБС для британского полноприводного купе Jensen FF;
• компания Texas Instruments в 1971 г. разработала первый микроконтроллер;
• в 1987 году компания Wind River выпустила первую встроенную ОС VxWorks;
• в марте 1994 г. появилась первая версия операционной системы Linux 1.0.0;
• в 1996 году появляется версия Windows CE для встраиваемых систем.
Прогнозируется, что к 2030 г. рынок встраиваемых систем превысит $40 млрд.
24

25.

Что такое «встраиваемая система управления» ?
Основные характерные особенности встраиваемых систем :
• ориентирована на выполнение конкретной
задачи или набора задач;
• должна функционировать в соответствии с
темпом протекания физических процессов
в системе управления;
• обладает высокой отказоустойчивостью и
надежностью;
• отличается прогнозируемостью поведения и
стабильностью в процессе функционирования;
• энергоэффективная (малопотребляющая);
• имеет минимальный интерфейс с пользователем;
• оптимизирована по основным видам ресурсов и цене.
25

26.

Что такое «встраиваемая система управления» ?
Платформы и технологии для создания встраиваемых систем :
• промышленные ПЭВМ;
• мобильные платформы;
• программируемые логические контроллеры (ПЛК);
• устройства на основе «жесткой логики»;
• микроконтроллерные устройства;
• сигнальные процессоры (DSP, digital signal processor);
• программируемые логические интегральные схемы;
• заказные интегральные схемы.
26

27.

Системы на «жесткой логике»
Системы на базе «жесткой логики» - являются традиционными вычислительными системами, в которых
алгоритмы обработки и хранения информации жестко связаны со схемотехнической реализацией системы.
Любая система, построенная на базе «жесткой логики», обязательно является узко специализированной,
предназначенной для решения исключительно одной или (реже) нескольких заранее определенных задач.
Изменение алгоритмов функционирования в системах на базе «жесткой логики» возможно только путем
изменения структуры самой системы, замены электронных узлов, входящих в нее, и / или связей между ними.
Современные системы на «жесткой логике» выполняются на основе :
• интегральных схем с различной степенью интеграции (ИС, IC – integrated circuit);
• базовых матричных кристаллов (БМК, ULA – uncommitted logic array);
• программируемых логических интегральных схем (ПЛИС : PAL – programmable array logic,
CPLD – complex programmable logic device, FPGA - field-programmable gate array);
• интегральных схем специализированного применения (ASIC, application-specific integrated circuit).
27

28.

Системы на «жесткой логике»
Основные преимущества систем на «жесткой логике» :
• отсутствие избыточности;
Система на «жесткой логике», если она грамотно спроектирована – практически не имеет аппаратурной
избыточности (в отличие от универсальных систем), так как каждый ее элемент работает в полную силу.
• максимально высокое быстродействие;
Скорость выполнения алгоритмов обработки информации в системах на «жесткой логике» определяется
только быстродействием отдельных логических элементов и выбранной схемой путей прохождения и
обработки информации.
Основным значительным недостатком систем на «жесткой логике» является то, что для каждой новой
задачи их надо проектировать и изготавливать заново, что является достаточно длительным и дорогостоящим
процессом, требующем высокой квалификации исполнителей.
И если решаемая задача вдруг изменяется, то вся аппаратура должна быть полностью заменена.
28

29.

Системы на «жесткой логике»
Примеры вычислительных устройств на основе «жесткой логики» :
29

30.

Программируемые системы
Программируемые системы - являются универсальными вычислительными системами, которые могут
адаптироваться под любую задачу, перестраиваться с одного алгоритма работы на другой без необходимости
в изменении аппаратуры или схемотехники системы.
Современные встраиваемые системы чаще всего выполнены как раз на основе аппаратных платформ,
подразумевающих возможность их программируемости (программного управления) и построенных на базе :
• микроконтроллеров (МК, MCU - microcontroller unit);
• микропроцессоров (МП, MPU - microprocessor unit);
• цифровых сигнальных процессоров (ЦСП, DSP - digital signal processor);
• «систем на кристалле» (СнК, SoC - system-on-chip);
• «систем в одном корпусе» (SiP - system-in-package).
30

31.

Программируемые системы
Основными недостатками программируемых систем, по сравнению с «жесткой логикой», являются :
• избыточность;
Чем проще решаемая задача, тем больше будет избыточность и тем менее оправданной становится
универсальность. Избыточность приводит к увеличению стоимости системы, снижению надежности,
увеличению потребляемой мощности и массогабаритных характеристик, и т.д.
• снижение быстродействия;
Чем больше универсальность и гибкость системы, тем меньше ее быстродействие.
Оптимизировать универсальную систему так, чтобы каждая новая задача решалась в ней максимально
быстро - невозможно. Для универсальных систем не существует таких задач (пусть даже и самых простых),
которые они решали бы с максимально возможным быстродействием.
Основным значительным достоинством программируемых систем является возможность решения
различных задач без необходимости в изменении архитектуры или схемотехники системы.
31

32.

Программируемые системы
Примеры программируемых вычислительных устройств :
32

33.

Аппаратная платформа для систем технического зрения (ElmiCORE-i.MX35)
Примеры программируемых вычислительных устройств :
Краткие технические характеристики :
последовательные интерфейсы
• 2 x RS-232, до 1 Mbit/s
• 1 x RS-485, до 4 Mbit/s, ±15kV ESD, 128 transcievers
• 1 x USB 2.0 Full Speed Host (до 12 Mbit/s),
1 x USB 2.0 High Speed OTG (до 480 Mbit/s)
• 2 x I2C (Fast Mode, 400 kbit/s)
• 2 x SPI (Serial Peripheral Interface)
• 2 x CAN 2.0B (Controller Area Network)
• 1 x Ethernet 10/100Base-T (с функцией Auto-MDIX)
аналоговый и цифровой ввод/вывод
• аудио : Stereo-In, Stereo-Out, Microphone
• видеовходы : 4xCVBS / 2xS-video, PAL/SECAM/NTSC
25 fps/4, входной ФНЧ, SINC-фильтр (на 50 Гц)
• TFT LCD интерфейс (FPC connector) с поддержкой
резистивного touchscreen (4-wire)
датчики с цифровым выходом
• 3х-осевой акселерометр, диапазон измерений
от -8g до +8g, разрешающая способность (1/64) g
• датчик температуры, разрешающая способность
±0,0625 С, точность ±1 С
33

34.

Аппаратная платформа для систем технического зрения (ElmiCORE-i.MX35)
NAND
Flash
2 GByte
MCU
PIC16F883
NOR
Flash
64 MByte
1.8V
3.3V
buffer
MobileDDR
SDRAM
128 MByte
Real Time
Clock &
NV RAM
контроллер
управления
ВИП
VBAT
t°C
sensor
NAND Flash
Addr / Data
Bus
NOR Flash
Data
Bus
Memory interface
Address
Bus
Accelerometer
SDRAM
Data Bus
ВИП
CPU
+3 ,3 В
+3 ,3 B
(I/O )
+1 ,8 В
+1 ,8 B
(MEM)
+1 ,55 В
+1 ,55 B
(CORE)
+1 ,5 В
+1 ,5 B
(PL L)
+1 ,3 В
+1 ,3 B
(SRAM)
Входное
напр яжение
питания
CVBS
Decoder
Data Bus
вторичные
источники
питания
ARM1136JF-S
I2S
interface
Line Ou t
TFT LCD
controller
CAN 2.0B
controller
SD-card
connector
Etherne t
PHY
CAN 2.0B
PHY
UART
controller
Etherne t
RJ-45
2x
CAN 2.0B
Audio
Line In
Codec
Headp hones
MIC
USB 2.0
controller
USB HS OTG
USB
Typ e A
USB FS Host
PLD-6
TouchScreen
controller
4-Wire
1 x RS-485
2 x RS-232
+12V, DC
SD/MMC
card
CVBS
CVBS
532 MHz
Ethernet
10/100
CVBS
Decoder
I2C
interface
Freescale i.MX356
SD-card
controller
Video
1x
RS-485
2x
RS-232
TFT LCD
interface
Краткие технические характеристики :
процессорный элемент
• Freescale i.MX35, ядро ARM1136JF-S, 532 МГц, 32-bit;
• 16kB L1 кэш данных, 16kB L1, 128kB L2 кэш команд;
• сопроцессор работы с плавающей точкой FPU;
• модуль обработки графики OpenVG 1.1 GPU;
• модуль аппаратной обработки видеоизображений
IPU (Image Processing Unit);
• режимы wait, doze, sleep, power-down;
устройства памяти
• 128kB внутренней памяти SRAM (Static RAM) в CPU;
• до 128MB памяти программ типа NOR Flash;
• до 2GB памяти программ типа NAND Flash;
• до 256MB Mobile DDR SDRAM;
периферийные устройства SoC
• часы реального времени (RTC) с NV RAM;
• таймер-толкач Watch-Dog-Timer (WDT);
поддерживаемые устройства хранения информации
• карты памяти типа SD/MMC/RS-MMC/MMCplus;
системное программное обеспечение
• ОС Linux 2.6.38, ОС QNX Neutrino 6.4.x
34

35.

Особенности СВУ для встраиваемых систем управления
1. Работа в реальном масштабе времени (система должна производить определенные вычисления и выработку сигналов
управления за строго детерминированные временные интервалы, соответствующие темпу протекания процессов в
объекте управления).
2. Наличие интерфейса взаимодействия с пользователем и интерфейсов сопряжения с объектом управления.
3. Формирование выходных сигналов с определенной точностью, с целью обеспечения качества управления и
устойчивости системы (контура управления).
4. Минимальное собственное энергопотребление (возможно, автономное питание).
5. Предусмотренные способы отвода тепла (охлаждения) обеспечивают минимум требований тепловых режимов
(минимизация плотности теплового потока).
6. Собственная защита (корпус) - минимальна, определяется примененными элементами, прочностью и жесткостью
конструкции, обеспечивая минимальные габаритные размеры и массу.
7. Предъявляются требования по стойкости к внешним воздействующим факторам (механические, климатические
(природные), биологические, радиационные, химические (специальные среды) факторы и электромагнитные поля).
8. Предъявляются жесткие требования по надежности и безотказности функционирования (к средней наработке на
отказ, MTBF – mean operating time between failures).
35

36.

Области применения встраиваемых систем
Автоматизация
промышленности
Робототехника
и АСУ ТП
Медицинское
оборудование
Наземные и водные
виды транспорта
Встраиваемые
системы
управления
Коммуникационное
оборудование
Космическая техника и
воздушный транспорт
Вооружение и
военная техника
Бытовое и офисное
оборудование
36

37.

Примеры встраиваемых систем
Автоматизация
промышленности
Робототехника
и АСУ ТП
Медицинское
оборудование
Наземные и водные
виды транспорта
Встраиваемые
системы
управления
Коммуникационное
оборудование
Космическая техника и
воздушный транспорт
Вооружение и
военная техника
Бытовое и офисное
оборудование
37

38.

39.

40.

41.

42.

43.

44.

45.

Примеры встраиваемых систем
45

46.

Системный подход к проектированию встраиваемых систем
Во всем должна быть систематизированная систематическая система.
Ярослав Гашек, «Похождения бравого солдата Швейка», 1921 г.
При проектировании отдельных элементов встраиваемой системы управления (в т.ч. и вычислительных
средств) необходимо учитывать их взаимное влияние друг на друга в составе всего комплекса, т.е. применять
системный подход.
Требуется учитывать такие особенности современных сложных систем, как :
• многофункциональный характер управления;
• большое количество составных частей, действия которых в значительной мере взаимообусловлены;
• наличие общей цели функционирования, сложным образом связанной с частными целями функционирования
отдельных подсистем;
• воздействие большого числа случайных факторов на процессы проектирования, изготовления и эксплуатации;
• сложный характер эксплуатации, в ходе которой, возможно, изменяются условия функционирования;
• необходимость учета экономических факторов при построении системы.
46

47.

Системный подход к проектированию встраиваемых систем
Основные принципы системного подхода :
• проектирование системы должно быть комплексным (т.е. необходимо максимальным образом
анализировать связи, существующие как в объекте управления, так и в управляющей системе);
• процесс проектирования должен иметь иерархическую структуру (это определяет последовательность
анализа объекта и системы управления при проектировании : анализ системы должен начинаться с выхода
системы, рассматриваемой как единое целое; затем система разбивается на небольшое количество
достаточно крупных подсистем и исследуется вклад каждой из них в выход системы).
Такой подход позволяет устанавливать требования к характеристикам элементов системы управления
по заданным требованиям к качеству функционирования всего комплекса в целом;
• проектирование системы должно осуществляться при помощи метода декомпозиции (разбиение целого
на отдельные составные части с целью исследования этих частей независимо друг от друга);
47

48.

Системный подход к проектированию встраиваемых систем
Основные принципы системного подхода :
• проектирование системы - итерационный процесс (на первом этапе не рассматриваются второстепенные
факторы; применяются приближенные методы и оценки, чтобы изучить и понять главные характеристики
системы; затем второстепенные факторы учитываются, что позволяет сделать некоторые уточнения, и т.д.).
Необходимость этого принципа объясняется неполным объемом исходных данных в начале проектирования,
а также их частичной недостоверностью.
Эти обстоятельства - следствие новизны разработки и чем больше изменений закладывается в систему по
сравнению с предыдущими модификациями, тем дольше будет выполняться этот итерационный процесс;
• при проектировании следует предусмотреть свойство открытости системы (не стоит стремиться делать
систему абсолютно и навсегда законченной; ее стоит сделать подходящей для решения текущих
поставленных задач, но необходимо также предусмотреть возможность ее дальнейшего развития,
совершенствования и модернизации).
48

49.

Системный подход к проектированию встраиваемых систем
В первую очередь, необходима правильная постановка задачи, состоящая из следующих элементов :
• описание окружения задачи;
В процессе разработки системы управления проектировщик изучает материалы, не связанные с разработкой только лишь
специализированного вычислительного устройства, а описывающие те предметные области, от понимания законов которых
будет зависеть качество разрабатываемой системы.
• интересы, которым должна служить задача;
Задача проектирования системы управления является практической задачей, возникающей вследствие потребности в такого
рода системах для тех или иных объектов. Поэтому разработчик в начале своей работы должен решить, в чем же заключается
основная потребность в такого рода комплексах.
• область допустимых и желательных решений;
В процессе поиска решения разработчик системы выделяет для себя определенный класс допустимых решений из всего
множества существующих вариантов, и именно среди элементов этого класса и производится дальнейший поиск желательных
решений, так как в силу тех или иных обстоятельств не все из допустимых вариантов построения системы являются
желательными.
• критерий эффективности, согласно которому должна производиться оценка предлагаемых решений;
Критерием качества системы управления является эффективность выполнения этой системой своей основной задачи.
49

50.

Системный подход к проектированию встраиваемых систем
Затем, необходимо решение задач анализа и синтеза (проектирования) структуры системы управления,
как единого целого.
При анализе системы :
Определяются составляющие ее элементы и некоторый набор исходных параметров.
При синтезе системы :
Определяются взаимосвязи отдельных блоков системы и обобщенные показатели ее качества.
Для определения многоуровневой модели структуры системы управления используются основные
положения общей теории систем и теории иерархических многоуровневых систем.
При таком подходе, система управления представляется в виде совокупности взаимосвязанных элементов
(подсистем), технические средства рассматриваются как элементы системы, а совокупность выполняемых ими
функций – как цель их функционирования.
50

51.

Проектирование СВУ для встраиваемых систем – алгоритмический синтез
На основании требований к условиям применения объекта, алгоритмов, подлежащих к реализации
на проектируемом вычислительном устройстве, заданной точности решения задач и условий взаимосвязи
вычислительного устройства с объектом управления - разрабатываются математические описания задач,
подлежащих к реализации на проектируемом вычислительном устройстве, а также определяются основные
характеристики этого устройства.
На этапе алгоритмического синтеза предварительно определяется структура входной информации и
последовательность ее преобразования в вычислительном устройстве, что позволяет задать и описать функции
подсистемы ввода-вывода, количество каналов информационного обмена между внешними источниками и
вычислительным устройством, а также количество каналов связи проектируемого вычислительного устройства
с исполнительными механизмами комплекса.
Далее, разрабатывается математическая модель системы управления, которая определяет состав отдельных
подсистем, а также функциональные связи между ними.
51

52.

Проектирование СВУ для встраиваемых систем – алгоритмический синтез
На этапе алгоритмического синтеза выполняется :
• анализ условий и способов применения объекта управления;
• выбор и обоснование состава функциональных задач, подлежащих решению;
• разработка математического описания решаемых задач;
• анализ состава оборудования системы управления объектом;
• выбор временной последовательности решения задач;
• разработка общего алгоритма, описанного математическим языком;
• выбор структуры системы управления объектом и определение структуры подсистемы ввода-вывода
вычислительного устройства;
• оценка точности измерения исходных данных;
• разработка алгоритма функционирования вычислительного устройства.
52

53.

Проектирование СВУ для встраиваемых систем – логический синтез
На этапе логического синтеза разрабатывается функциональная схема вычислительного устройства,
наилучшим образом удовлетворяющая основным характеристикам, полученным при алгоритмическом синтезе.
Производится выбор элементов и операционных устройств (сумматоров, счетчиков, регистров,
элементов памяти, процессоров, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей), а также
составляются временные диаграммы работы основных блоков вычислительного устройства.
Основой логического синтеза является выбор структуры вычислительного устройства, максимально
удовлетворяющей требованиям, предъявляемым к ней алгоритмами, подлежащими к реализации.
53

54.

Проектирование СВУ для встраиваемых систем – конструктивный синтез
На этапе конструктивного синтеза решаются задачи, связанные с физической реализацией логической
структуры вычислительного устройства с учетом существующих технологических возможностей, путем генерации
допустимых вариантов структуры и выбора среди них наиболее рационального по заданным критериям.
В результате решения задачи конструктивного синтеза должны быть определены и выбраны :
• количество процессорных элементов и способ их соединения;
• способы распределения задач между ними;
• типы, количество и способы подключения подсистем взаимодействия с объектами к системному
интерфейсу вычислительного блока;
• способы подключения различных устройств ввода-вывода к системному интерфейсу;
• типы различных устройств ввода-вывода и устройств связи в каждой подсистеме ввода-вывода;
• типы модулей памяти для каждого процессорного элемента вычислительного устройства,
а также количество устройств каждого выбранного типа в каждой подсистеме.
54

55.

Проектирование СВУ для встраиваемых систем – конструктивный синтез
В качестве критерия оценки возможных вариантов должен быть выбран показатель, зависящий от исходных
данных и критичный к вышеперечисленным характеристикам структуры вычислительного устройства.
Основной задачей и результатом выполнения конструктивного синтеза является разработка комплекта
конструкторской документации (конструкторская документация (КД) – графические и текстовые документы,
которые, в совокупности или в отдельности, определяют состав и устройство изделия, и содержат необходимые
данные для его разработки, изготовления, контроля, эксплуатации, ремонта и утилизации).
Некоторые полезные межгосударственные стандарты (ГОСТ) :
• ГОСТ 2.001 – ЕСКД. Общие положения.
• ГОСТ 2.102 – ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов.
• ГОСТ 2.103 – ЕСКД. Стадии разработки.
• ГОСТ 2.109 – ЕСКД. Основные требования к чертежам.
• ГОСТ 2.201 – ЕСКД. Обозначение изделий и конструкторских документов.
• ГОСТ 2.105 – ЕСКД. Общие требования к текстовым документам.
• ГОСТ 2.601 – ЕСКД. Эксплуатационные документы.
55

56.

Проектирование СВУ для встраиваемых систем – частные задачи синтеза
Вследствие значительного количества исходных данных и
сложного взаимного влияния друг на друга переменных структуры
вычислительного устройства, для решения общей задачи синтеза
необходимо построение многоуровневой модели структуры
вычислительного устройства и выполнение декомпозиции общей
задачи синтеза на комплекс частных взаимосвязанных задач.
Частные задачи синтеза формулируются в виде задач
синтеза структуры определенных подсистем проектируемого
вычислительного устройства :
Специализированное
вычислительное устройство
Задача синтеза
топологической
структуры СВУ
ПВО
ПВО
Контроллеры ВУ
АЦ П
Ц АП
ПВО
ПРБ
ШФ
Уровень 0
Уровень 1
ПВО
ЦП
ОЗУ
Глоб. ОЗУ
ПЗУ
Лок. ОЗУ
Уровень 2
Уровень 3
• топологической структуры вычислительного устройства;
• структуры подсистемы решающих блоков;
• структуры подсистемы взаимодействия с объектом;
• алгоритмов, подлежащих к реализации в изделии;
• структуры подсистемы сопряжения блоков вычислителя.
Задачи синтеза структуры
подсистемы взаимодействия
с объектами
Задачи синтеза структуры
подсистемы решающих
блоков
Задачи синтеза структуры подсистемы
сопряжения между блоками СВУ
Взаимосвязь подсистем многоуровневой структуры
вычислителя с частными задачами синтеза
56

57.

Проектирование СВУ для встраиваемых систем – частные задачи синтеза
Каждая из указанных задач решается по собственному алгоритму, однако все алгоритмы в процессе
решения задач между собой взаимодействуют - задают следующим задачам начальные условия, при которых
они должны решаться, и используют результаты решения предыдущих задач в качестве исходных данных для
своего решения.
Синтез топологической
структуры вычислительного
устройства
Синтез структуры
подсистемы взаимодействия
с объектами
Синтез алгоритмов,
подлежащих к реализации в
вычислительном устройстве
Синтез структуры
подсистемы решающих
блоков вычислителя
Синтез структуры
подсистемы сопряжения
блоков вычислителя
Взаимодействие алгоритмов решения частных задач синтеза подсистем специализированного вычислительного устройства.
57

58.

Особенности проектирования СВУ для встраиваемых систем
Специализированное вычислительное устройство выполняет функцию одного из основных звеньев
встраиваемой системы управления, поэтому на состав такого устройства и на процедуру его проектирования
накладывается ряд специфических требований.
Методика проектирования подобных вычислительных устройств имеет несколько особенностей :
• проектирование вычислительного устройства обычно ведется одновременно с разработкой системы
управления в условиях неполной информации и возможных корректировок как самой системы, так и
требований к вычислителю;
• работа вычислительного устройства по фиксированному алгоритму расширяет диапазон поиска его
возможных структур за счет необходимости анализа аналоговых и аналого-цифровых устройств;
• условия применения вычислительных устройств на объектах и в системах с жесткими требованиями к
эксплуатационным характеристикам и высоким показателям надежности, особенно остро ставят задачи
разработки наиболее рациональной структуры, при наличии ограничений по времени готовности, массе,
габаритам, энергопотреблению и т.д.
58

59.

Этапы проектирования СВУ для встраиваемых систем
Стадии разработки конструкторской документации на изделия всех отраслей промышленности и этапы
выполнения работ регламентируются государственным стандартом ГОСТ 2.103-2013 «ЕСКД. Стадии разработки».
Существующая практика проектирования конкретно вычислительных устройств для различных систем
управления позволяет считать целесообразным выделение следующих этапов :
• предварительное проектирование (направленный поиск информации на основе просмотра нескольких
вариантов построения вычислительного устройства);
• системотехнический синтез и разработка эффективных алгоритмов функционирования вычислительного
устройства (уточняются требования к изделию по точности, а также способы ввода и вывода информации);
• структурное проектирование (выбираются формы представления преобразуемой информации,
определяются характеристики и набор блоков для получения требуемых характеристик вычислительного
устройства, определяется возможность проектирования блоков и устройств управления по отдельности);
• функционально-логическое проектирование (разрабатываются блоки и устройства управления).
59

60.

Этапы проектирования СВУ для встраиваемых систем
• комплексное согласование (уточняются характеристики блоков, корректируется структурная схема изделия);
• оценка надежности всего изделия в целом;
• техническое проектирование (заканчивается выпуском конструкторской документации и разработкой
опытного образца вычислительного устройства);
• настройка и отладка в системе (производится настройка и отладка разработанного вычислительного
устройства в составе системы управления, уточняются его стыковочные параметры с другими блоками
комплекса, производится тестовая эксплуатация);
• доработка конструкторской документации на вычислительное устройство с учетом появившихся замечаний
в результате стыковки в составе комплекса (изменяется конструкторская документация, при необходимости
повторно выполняются расчеты надежности и т.д.).
Процесс проектирования специализированных вычислительных устройств является итерационным, т.е.
осуществляется методом последовательных приближений, что находит свое отражение в тесной взаимосвязи
всех этапов проектирования.
60

61.

Синтез алгоритмов функционирования вычислительных устройств
Задачи,
решаемые СВУ
Вспомогательные
задачи
Основные
(функциональные)
Сбора и первичной
обработки информации
Оптимизированной
обработки информации
Вторичной
обработки информации
Представления
информации
Расширения
операционных
ресурсов СВУ
Организации
вычислительного
процесса
Контроля
корректности
функционирования
61

62.

Проектирование СВУ для встраиваемых систем – средства алгоритмического обеспечения
Эффективность обработки информации специализированным
вычислительным устройством в значительной степени зависит от структуры
средств алгоритмического обеспечения, от корректности их взаимодействия
с аппаратной частью вычислительного устройства и возможности адаптации
к изменяющимся условиям применения системы управления в целом.
Средства алгоритмического обеспечения разрабатываются
совместно с разработкой аппаратной части вычислительного
устройства и являются неотъемлемой частью изделия.
Сложность средств алгоритмического обеспечения
зависит от целей и назначения вычислительного устройства,
от совокупности основных задач, возлагаемых на него в
составе системы управления, от технических характеристик
и ряда специфических требований, предъявляемых к
комплексу управления в целом.
Алгоритм
управления
бортовыми
системами
Алгоритм обмена
информацией
с внешними
устройствами
Алгоритм
управления
устройством
ввода-вывода
Алгоритм
обработки
информации
от УВВ
Алгоритм
обработки
прерываний
Алгоритм
тестирования
и контроля
системы
Алгоритм
взаимодействия
с проверочной
аппаратурой
Схема алгоритма функционирования вычислительного устройства
62

63.

Требования к алгоритмам функционирования СВУ
К алгоритмам функционирования современных специализированных вычислительных устройств для
встраиваемых систем управления предъявляются следующие требования :
• выполнение вычислений должно осуществляться в реальном масштабе времени при наличии задач, имеющих
случайный характер включения в общий вычислительный процесс;
• в алгоритме функционирования вычислительного устройства должны быть предусмотрены средства защиты
вычислительного процесса от случайных сбоев, отказов аппаратуры и ошибок во входной информации;
• алгоритм функционирования вычислительного устройства должен обеспечивать возможность работы в
тестовом режиме с целью обнаружения неисправностей в системе управления.
Таким образом, общий алгоритм функционирования специализированных вычислительных устройств
встраиваемых систем управления представляет собой сложный комплекс функционально различимых частных
алгоритмов с определенным порядком их выполнения.
63

64.

Классификация языков программирования
Языки программирования
Процедурные
Низкого уровня
(машинно-зависимые)
в машинных кодах
Ассемблер
MASM
Непроцедурные
Высокого уровня
(машинно-независимые)
Универсальные
Fortran
Basic
Pascal
ANSI C
Проблемноориентированные
PHP
Perl
JavaScript
VBScript
Объектноориентированные
C ++
C#
V. Basic
Visual C
Delphi
Java
Swift
GoLang
Декларативные
Языки сценариев
(скрипты)
Perl
Python
LUA
QML
Функциональные
LISP
Miranda
Haskel
Логические
Пролог
64

65.

Языки программирования для СВУ встраиваемых систем
Для написания небольших системных программ, драйверов устройств, программирования специализированных процессоров
часто используются языки низкого уровня, в частности – ассемблер.
Преимущества программирования на ассемблере :
Преимущества языков высокого уровня :
• компактность (размер программного кода в памяти
программ);
• хорошая переносимость программных кодов;
• быстродействие (время выполнения программы);
• возможность прямого доступа к аппаратным ресурсам.
Основной недостаток ассемблера – несовместимость кодов, т.е.
плохая переносимость программ с одной аппаратной платформы
(микропроцессорной архитектуры) на другую.
• читабельность исходных кодов (программа может быть
понята и модифицируема не тем, кто ее разрабатывал);
• большая степень абстракции, многократное использование
отлаженного кода;
• большое количество разнообразных библиотек;
• сокращенное время разработки программного обеспечения.
Согласно исследованию IEEE Spectrum, проведенному в 2016 г., языки Си и Си++ заняли первые два места, как наиболее
применяющиеся во всем мире для программирования вычислительных устройств встраиваемых систем управления.
Однако, оптимальная стратегия – совместное использование языка Си и Ассемблера.
65

66.

Способы организации вычислительного процесса в СВУ
Обработка информации с применением только цифровых вычислений :
Аналого-цифровые
преобразования
Цифровые
вычисления
Цифро-аналоговые
преобразования
В таких системах возможны определенные трудности с обеспечением требуемых характеристик по точности и
быстродействию. Поэтому, более эффективным является применение в специализированных вычислительных устройствах
встраиваемых систем управления аналоговых вычислительных преобразователей с цифровым управлением.
В результате совмещения в одной системе цифровых и аналоговых способов обработки информации возможно
решение следующих задач :
• уменьшение статических погрешностей преобразователей;
• расширение полосы частот обрабатываемых сигналов при сохранении требуемой статической точности;
• самоконтроль аналоговых и цифро-аналоговых блоков;
• настройка структуры на заданные параметры и адаптация к текущим потокам информации и состояниям каналов их
получения.
66

67.

Способы организации вычислительного процесса в СВУ
Совмещенная обработка информации (цифровая и аналоговая) :
Наиболее распространенные варианты построения вычислительных устройств с аналого-цифровым способом
представления информации различаются способом организации обработки потоков данных : последовательная,
параллельная и комбинированная обработка.
Аналоговые
вычисления
Аналого-цифровые
преобразования
Аналоговые
вычисления
Цифровые
вычисления
Цифро-аналоговые
преобразования
Последовательная обработка непрерывной информации
Блок входных аналоговых вычислений предназначен для решения задач предварительной аналоговой фильтрации
и нормализации непрерывных входных сигналов.
Блок выходных аналоговых вычислений предназначен для интерполяции выходных дискретных данных, полученных
после цифровой обработки в соответствии с алгоритмом функционирования вычислительного устройства.
67

68.

Способы организации вычислительного процесса в СВУ
Совмещенная обработка информации (цифровая и аналоговая) :
В структурах с параллельным способом обработки информации весь поток данных проходит через блок аналоговых
вычислений, что позволяет таким устройствам осуществлять обработку довольно высокочастотных сигналов (с полосой до
100 МГц). Функцией цифрового блока в таких структурах является лишь настройка аналоговой части системы на решение
требуемых в соответствии с алгоритмом работы устройства задач.
Аналоговые
вычисления
Формирование
управляющих
сигналов
Параллельная обработка потока данных
Однако, функциональные возможности и точностные характеристики систем обработки непрерывной информации
при таком способе организации вычислительного процесса определяются составом и возможностями аналогового
оборудования, вследствие чего являются довольно ограниченными.
68

69.

Способы организации вычислительного процесса в СВУ
Комбинированный вариант организации вычислительного процесса :
Аналоговые
вычисления
Аналого-цифровые
преобразования
Цифровые
вычисления
Цифро-аналоговые
преобразования
Комбинированная обработка непрерывной информации
Является наиболее приемлемым для вычислительных устройств встраиваемых систем управления.
Аналого-цифровому преобразованию в таких системах подвергается не весь поток входных данных, а только лишь
ограниченная его часть. Такой способ организации вычислительного процесса позволяет расширить класс решаемых задач
путем увеличения частотного спектра сигналов, передаваемых на аналоговые выходы в обход канала цифровой обработки,
а также при помощи высвобождения вычислительных ресурсов процессорного элемента цифрового блока за счет снятия с
него некоторых простейших задач.
69

70.

Синтез подсистемы ввода-вывода вычислительных устройств
Специализированное вычислительное устройство, входящее в контур встраиваемой системы управления, должно
обрабатывать информационные потоки, поступающие от разнообразных датчиков комплекса.
Эффективность системы управления зависит от точности выработки выходных сигналов, что, в свою очередь,
зависит от качества согласования датчиков комплекса с вычислительным устройством.
Обычно в СВУ для встраиваемых систем управления подсистема ввода-вывода выполняет следующие функции :
• прием и передача в решающий блок информации о релейных сигналах;
• прием и передача параллельных двоичных кодов;
• прием и передача информации в виде последовательных двоичных кодов;
• прием и передача аналоговых сигналов постоянного тока;
• прием и передача аналоговых сигналов переменного тока;
• формирование сигналов запроса на прерывание вычислений в решающем блоке;
• формирование под управлением решающего блока выходных сигналов для исполнительных механизмов комплекса;
• прием и формирование контрольно-проверочных сигналов для внешних устройств.
70

71.

Синтез подсистемы ввода-вывода вычислительных устройств
В настоящее время существуют следующие тенденции организации сложных операций ввода-вывода :
• многоуровневость пользовательского программного обеспечения;
• конвейерность и параллелизм при выполнении операций ввода-вывода;
• многошинность системы.
Память 2
Память 4
Ввод-вывод 2
Ввод-вывод 4
Центральный
процессор
Процессор
ввода-вывода
Контроллер
ввода-вывода
Память 1
Память 3
Ввод-вывод 1
Ввод-вывод 3
Устройство
ввода-вывода
Структурная схема фрагмента подсистемы ввода-вывода
71

72.

Синтез подсистемы ввода-вывода вычислительных устройств
Эффективность использования вычислительной системы
зависит от ее способностей взаимодействовать с непрерывной
частью комплекса управления.
Методы организации
ввода-вывода
Синхронные
методы
Асинхронные
методы
Для организации обмена данными между внешними
устройствами и решающим блоком вычислителя используется
Программно
Программно
Аппаратно
управляемый
управляемый
управляемый
интерфейс ввода-вывода, являющийся составной частью СВУ
ввод-вывод
ввод-вывод
ввод-вывод
и зависящий от характеристик потока данных внешних
Ввод-вывод
Ввод-вывод
Ввод-вывод
Ввод-вывод
устройств, структуры системной шины, режима
по командам
по командам с
по командам
по командам блока
процессора
квитированием
контроллера ПДП
приор. прерываний
приема-передачи данных (последовательного или
параллельного) и метода организации ввода-вывода.
В магистрально-модульных системах могут быть
два режима обмена информацией между абонентами и
процессорными модулями : синхронный и асинхронный.
При синхронном обмене порядок его осуществления
полностью определяется источником информации. В основе
асинхронного режима лежит принцип «запрос-ответ».
Низкие и средние
скорости потока
данных
Высокие
скорости потока
данных
Поток
данных
Схема выбора метода организации ввода-вывода
в специализированном вычислительном устройстве
72

73.

Подсистема ввода-вывода – программный обмен информацией
Программный обмен информацией является основным в любой микропроцессорной системе.
Он предусмотрен всегда, без него невозможны другие режимы обмена.
Все операции (циклы) обмена информацией инициируются
только процессорным элементов и выполняются строго в порядке,
предписанном исполняемой программой. Процессор считывает
из памяти коды команд ввода-вывода, исполняет их, читая данные
из памяти или из устройства ввода-вывода, обрабатывает их,
записывает данные в память или передает в устройство ввода-вывода.
Путь процессора по программе может быть линейным, может
содержать безусловные и условные переходы, может быть, также,
циклическим, но он всегда непрерывен и полностью находится под
контролем процессора.
Ни на какие внешние события, не связанные с выполнением
программы, процессор в данном режиме не реагирует.
73

74.

Подсистема ввода-вывода – обмен по прерываниям
Обмен по прерываниям используется в том случае, когда
необходима реакция микропроцессорной системы на какое-то
внешнее событие, на поступление какого-то внешнего сигнала.
Процессорный элемент, получив запрос на прерывание
от внешнего устройства (IRQ – interrupt request), завершает
выполнение текущей команды и переходит к подпрограмме
обработки прерывания.
Закончив выполнение подпрограммы обработки
прерывания, процессор возвращается к прерванной
программе с той точки, где его прервали.
Время реакции на прерывание – это промежуток
времени, с момента получения микропроцессором запроса
на прерывание до момента выполнения первой команды
обработчика этого прерывания.
74

75.

Подсистема ввода-вывода – прямой доступ к памяти
Режим прямого доступа к памяти (ПДП, DMA – direct memory access) отличается от предыдущих двух режимов тем,
что обмен по системной шине идет без участия процессора и без отвлечения на это его ресурсов.
Внешнее устройство, требующее обслуживания, сигнализирует
процессору, что необходим режим ПДП. В ответ на это, процессор
заканчивает выполнение текущей команды и отключается от всех шин,
сигнализируя запросившему доступ к памяти устройству, что обмен в
режиме ПДП можно начинать. Когда пересылка информации будет
закончена, ВУ снимает запрос на ПДП и процессор возвращается к
выполняемой программе, продолжая с той точки, где его прервали.
75

76.

Архитектура специализированного вычислительного устройства
Системы автоматического управления должны решать возложенные на них задачи в соответствии с темпом
протекания процессов в комплексе. В течении отрезка времени, равного длительности машинного цикла, вычислительный
блок выполняет значительную работу, связанную с задачами цифровой фильтрации сигналов, их спектрального или
корреляционного анализа, управления процессом формирования выходных воздействий и т.д.
Для решения этих и ряда других задач вычислительные блоки систем управления должны обладать значительной
вычислительной мощностью. Характеристикой вычислительной мощности является производительность, учитывающая
как быстродействие вычислительного блока, так и метод организации вычислений в системе.
Таким образом, архитектура вычислительной системы определяет ее основные функциональные возможности.
Она зависит, в свою очередь, от особенностей решаемой задачи. Поэтому такие вычислительные системы являются
специализированными, т.е. каждому алгоритму может соответствовать своя архитектура вычислительной системы, в
которой наилучшим образом с точки зрения производительности объединены аппаратные и программные средства.
В состав понятия “архитектура вычислительной системы” входят аппаратные и программные средства.
Проблема выбора архитектуры вычислительных систем возникает уже на начальном этапе проектирования, когда
выбираются микропроцессорные средства, а не только в том случае, когда в ходе проектирования специализированного
вычислительного устройства разрабатывается решающий блок.
76

77.

Архитектура специализированного вычислительного устройства
Архитектура
вычислительных средств
Аппаратные
средства
Программное
обеспечение
Прикладные
Системные
Структуры с
“жесткой” логикой
Технические средства
организации
внутрисистемного
взаимодействия
Универсальные
алгоритмы и
программы
Технические средства
организации
межсистемного
взаимодействия
Прикладные
алгоритмы и
программы
Программируемые
структуры
Комбинированные
структуры
Прикладное
Системное
Программы
организации
внутрисистемного
обмена
Программы
управления
вводом-выводом
Архитектура вычислительных систем
77

78.

Архитектура специализированного вычислительного устройства
При выборе архитектуры вычислительного устройства решается ряд задач, в совокупности обеспечивающих
выполнение системой управления возложенных на нее функций.
Первая задача связана с многовариантностью структур управляющих вычислительных устройств. Основной
возникающий при этом вопрос - как распределить вычислительную мощность системы по ее элементам и блокам.
На этом этапе определяется способ организации обмена информацией между составляющими вычислительное
устройство блоками, будет ли он синхронным или асинхронным, будет ли использоваться режим прямого доступа к
памяти и т.д. Внутренняя структура прежде всего связана с методами организации системной шины и устройств памяти.
Вторая задача связана с многообразием систем команд, которые в значительной мере определяют вычислительную
мощность системы и степень универсальности ее применения.
78

79.

Архитектура встраиваемого программного обеспечения
В настоящее время распространены несколько вариантов архитектуры встраиваемого программного обеспечения :
• простой цикл управления (simple control loop, continuous loop)
Программное обеспечение «крутится» в бесконечном цикле, внутри которого осуществляется мониторинг внешних
устройств и сигналов. Общий цикл вызывает подпрограммы, каждая из которых управляет частью аппаратного или
программного обеспечения. Он называется простой цикл управления или программно-управляемый ввод-вывод.
«Вечный» цикл (Continuous Loop)
Инициализация
системы
Получение
входных данных
Вычисление
выходных значений
Формирование
выходных сигналов
79

80.

Архитектура встраиваемого программного обеспечения
В настоящее время распространены несколько вариантов архитектуры встраиваемого программного обеспечения :
• система, управляемая прерываниями (interrupt-controlled system)
Задачи, выполняемые системой, запускаются различными событиями (прерываниями).
Такая архитектура используется, если обработчики событий должны запускаться не слишком часто,
а сами такие обработчики событий являются простыми и короткими по времени выполнения.
Такие системы также выполняют простые задачи и в основном цикле, но эти задачи не являются
слишком чувствительными к возникновению непредвиденных задержек.
Иногда, обработчик прерывания добавляет более длинные задачи в очередь на выполнение с тем,
чтобы по завершению обработки прерывания эти задачи были бы выполнены в основном цикле.
Этот метод приближает подобные системы к системам типа «многозадачное ядро с дискретными процессами».
80

81.

Архитектура встраиваемого программного обеспечения
В настоящее время распространены несколько вариантов архитектуры встраиваемого программного обеспечения :
• система, управляемая прерываниями (interrupt-controlled system)
«Вечный» цикл (Continuous Loop)
Инициализация
системы
Получение
входных данных
Вычисление
выходных значений
Формирование
выходных сигналов
Interrupt #2
Interrupt #1
Подпрограмма обработки прерывания
Interrupt Service Routine (ISR)
81

82.

Синтез структуры подсистемы решающих блоков – шинная организация
Для достижения максимальной универсальности и упрощения протоколов обмена информацией в современных
вычислительных системах применяется шинная структура связей между отдельными устройствами.
Классическая структура («от каждого к каждому»)
Шинная структура связей
Достоинства шинной структуры связей :
• легко осуществляется пересылка всех информационных потоков в нужном направлении (например, их можно
пропустить через один микропроцессор);
• все устройства, подключенные к шине, должны принимать и передавать информацию по одним и тем же
правилам (протоколам обмена информацией по шине), соответственно, все узлы, отвечающие за обмен с
шиной в этих устройствах, должны быть единообразны, унифицированы.
82

83.

Синтез структуры подсистемы решающих блоков – шинная организация
Для достижения максимальной универсальности и упрощения протоколов обмена информацией в современных
вычислительных системах применяется шинная структура связей между отдельными устройствами.
Классическая структура («от каждого к каждому»)
Шинная структура связей
Недостатки шинной структуры связей :
• вся информация передается по линиям связи последовательно во времени, по очереди, что снижает быстродействие
системы по сравнению с классической структурой связей, когда вся информация между устройствами передается по
отдельным линиям связи («от каждого к каждому»);
• все устройства подключаются к каждой линии параллельно, поэтому любая неисправность любого устройства может
вывести из строя всю систему, если она портит линии связи.
83

84.

Синтез структуры подсистемы решающих блоков – базовые архитектуры
Типовая обобщенная структура микропроцессорной вычислительной системы :
84

85.

Синтез структуры подсистемы решающих блоков – базовые архитектуры
Архитектура Принстонского университета (архитектура Фон-Неймана) :
Архитектура Принстонского университета (Джон Фон-Нейман, 1944 г.) – это архитектура с общей шиной командданных (Intel x86, Motorola 68k, Zilog Z8000, ARM7 (ARMv4T), Intel PXA270 (ARMv5), Alchemy Au1000 (MIPS-32)) :
Это наиболее простая архитектура, не требующая от процессора одновременного обслуживания двух шин, контроля
обмена по двум шинам сразу.
Наличие единой памяти команд-данных позволяет гибко распределять ее объем между данными и кодами команд.
Данная архитектура позволяет писать программы, которые могут сами в процессе выполнения модифицировать свой
же собственный код, так как к кодам команд процессор может обращаться как к обычным данным.
85

86.

Синтез структуры подсистемы решающих блоков – базовые архитектуры
Архитектура Гарвардского университета (гарвардская архитектура) :
Архитектура Гарвардского университета (Говард Эйкен, 1937 г.) – это архитектура с раздельными шинами команд
и данных (Intel x51, Microchip PIC, Atmel AVR, ARM11 (ARMv6), Cortex (ARMv7-M), TI TMS320Cxx, Analog Devices ADSP) :
Это более сложная архитектура, так как в ней процессор
вынужден обслуживать обмен информацией по двум шинам
одновременно, а также нет возможности перераспределения
памяти между командами и данными.
Однако, в данной архитектуре обеспечивается более
высокое быстродействие процессорного элемента, так как
процессы чтения информации по шинам данных и команд
могут выполняться независимо и одновременно во времени.
Шины команд и данных могут, кроме того, быть разной
разрядности, для более эффективного использования памяти.
86

87.

Современные процессорные элементы - классификация
Классификация современных процессорных элементов
По числу БИС
Однокристальные
По виду обрабатываемых сигналов
Многокристальные
По количеству выполняемых программ
Однопрограммные
16
Многопрограммные
32
Аналоговые
Универсальные
По характеру временной организации
По разрядности операндов (данных)
8
Цифровые
По назначению
Синхронные
Асинхронные
По количеству магистралей
Одномагистральные
По формату представления чисел
64
Фиксированная точка
Плавающая точка
Специализированные
Многомагистральные
По размеру набора инструкций
CISC
RISC
MISC
VLIW
87

88.

Современные процессорные элементы - микропроцессоры
Микропроцессор (MPU, microprocessor unit) – электронное устройство, отвечающее за выполнение арифметических,
логических операций и операций управления, выполненное в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких
специализированных микросхем.
Примеры микропроцессоров :
Intel 4004 – 1971,
Texas Instruments TMS1000 – 1972,
Motorola MC6800 - 1973,
Intel 8080 - 1974,
Zilog Z80 - 1976.
Структурная схема микропроцессора Intel 8080
88

89.

Современные процессорные элементы - микроконтроллеры
Микроконтроллер (MCU, microcontroller unit) – микросхема, предназначенная для управления электронными
устройствами, сочетает на одном кристалле функции микропроцессора и периферийных устройств, содержит
интегрированные устройства ввода-вывода, память
(ОЗУ и/или ПЗУ), таймеры, счетчики, модули ШИМ,
последовательные и/или параллельные интерфейсы,
аналого-цифровые блоки (АЦП, ЦАП, компараторы)
и другие периферийные модули.
Примеры микроконтроллеров :
патент Texas Instruments - 1971,
Intel i8048 – 1976,
Motorola MC6801 – 1978,
Intel i8051 – 1980
Структурная схема микроконтроллера Intel i8051
89

90.

Микроконтроллеры – наиболее распространенные семейства
32 разряда
8 разрядов
16 разрядов
Intel
x51
Intel
x96
ARM
ARM-7, -9, -11
ST Microelectronics
STM32 family
Motorola
68HC05
Motorola
68HC11
Microchip xAptiv
PIC32 (MIPS32)
Texas Instruments
Stellaris family
Microchip
AVR
Texas Instruments
MSP430
Microchip
AVR32
NXP
LPC family
Microchip
PICmicro
Microchip
PIC24
Espressif Tensilica
ESP32
NXP (Freescale)
Kinetis family
ST Microelectronics
STM8
Renesas
RL78
ARM Cortex-Mx
-M0, -M3, -M4, -M7
Silicon Labs
EFM32 family
90

91.

Микроконтроллеры семейства STM32 – вся продуктовая линейка
91

92.

Базовая линейка микроконтроллеров семейства STM32
92

93.

Малопотребляющие микроконтроллеры семейства STM32
93

94.

Микроконтроллеры семейства STM32 с беспроводными интерфейсами
94

95.

Высокопроизводительные микроконтроллеры семейства STM32
95

96.

Высокопроизводительные микроконтроллеры семейства STM32
96

97.

Микроконтроллер STM32H745 – разнообразие документации
97

98.

Микроконтроллер STM32H745 – обзор семейства
Маркетинговые материалы компании ST Microelectronics :
1. STM32H7 – MCUs for rich and complex applications (marketing presentation).
Файл : «_1 - microcontrollers_stm32h7_series_product_overview.pdf»
2. STM32H7 series – Powered by ARM Cortex-M7 & -M4 releasing your creativity.
Файл : «_2 - brstm32h7.pdf»
3. STM32 development boards portfolio.
Файл : «_3 - stm32_eval-tools_portfolio.pdf»
98

99.

Микроконтроллер STM32H745 – datasheet
Техническая спецификация (datasheet) – это документ, который объединяет в себе технические характеристики
продукта, материала, компонента или подсистемы и предназначен для использования инженером-разработчиком.
Создается компанией-производителем компонента и содержит следующую информацию :
• название производителя, код и название продукта;
• список доступных типов корпусов (с чертежами);
• особые свойства компонента;
• краткое описание функций компонента (functional overview);
• схема подключения (pin descriptions, «распиновка»);
• минимальные и максимальные эксплуатационные параметры (electrical characteristics);
• рекомендуемые условия эксплуатации (operating conditions);
• рекомендации по применению (application examples).
STM32H745xI/G – Dual 32-bit ARM Cortex-M7 up to 480 MHz and –M4 MCUs, up to 2MB Flash, 1MB RAM, 46 interfaces.
Файл : «_4 – stm32h745zi.pdf»
99

100.

Микроконтроллер STM32H745 – datasheet
STM32H745xI/G – Dual 32-bit ARM Cortex-M7 up to 480 MHz and –M4 MCUs, up to 2MB Flash, 1MB RAM, 46 interfaces.
Файл : «_4 – stm32h745zi.pdf»
Основные разделы данного документа, в порядке их последующего изучения :
• краткие технические характеристики – стр.1 – стр.2;
• разнообразие семейства STM32H745xI/G – стр.16 – стр.18;
• структурная схема микроконтроллера – стр.19;
• режимы загрузки, напряжения питания, источники тактирования – стр.25 – стр.31;
• структура внутренних шин – стр.32;
• основные периферийные блоки и модули, краткая характеристика – стр.33 – стр.52;
• типы корпусов, распиновка корпуса контроллера– стр.55 - стр.104;
• схема подачи напряжений питания – стр.106;
• рабочие и предельные условия эксплуатации – стр.107 – стр.137;
• схемы и источники тактирования, их характеристики – стр.138 – 146;
100

101.

Микроконтроллер STM32H745 – datasheet
STM32H745xI/G – Dual 32-bit ARM Cortex-M7 up to 480 MHz and –M4 MCUs, up to 2MB Flash, 1MB RAM, 46 interfaces.
Файл : «_4 – stm32h745zi.pdf»
Основные разделы данного документа, в порядке их последующего изучения :
• характеристики портов ввода-вывода, сигнал reset – стр.152 – стр.159;
• подключение внешней памяти, внешние шины – стр.159 – стр.183;
• блок аналого-цифрового преобразования – стр.184 – стр.192;
• блок цифро-аналогового преобразования – стр.193 – стр.198;
• последовательный интерфейс UART – стр.210 – стр.212;
• последовательный интерфейс SPI – стр.213 – стр.215;
• интерфейс карт памяти SDIO – стр.221 – стр.223;
• ordering information – стр.250.
101

102.

103.

Введение в теорию ШИМ-сигналов
Широтно-импульсная модуляция (PWM, pulse-width modulation) – в общем случае, процесс управления мощностью
методом пульсирующего включения и выключения потребителя энергии.
Аналоговая ШИМ : ШИМ-сигнал генерируется аналоговым компаратором, на один вход которого подается опорный
пилообразный сигнал, а на другой – модулирующий непрерывный аналоговый сигнал. Частота повторения выходных
импульсов ШИМ-сигнала будет равна частоте пилообразного напряжения.
103

104.

Введение в теорию ШИМ-сигналов
Широтно-импульсная модуляция (PWM, pulse-width modulation) – в общем случае, процесс управления мощностью
методом пульсирующего включения и выключения потребителя энергии.
Цифровая ШИМ : Пилообразный сигнал генерируется двоичным счетчиком, работающим на фиксированной частоте.
104

105.

Микроконтроллер STM32H745 – reference manual
Reference manual - STM32H745/755 and STM32H747/757 advanced ARM-based 32-bit MCUs.
Файл : «_5 - rm0399-stm32h74575x.pdf»
Основные разделы данного документа, в порядке их последующего изучения :
• блоки таймеров-счетчиков общего назначения TIM2/TIM3/TIM4/TIM5 – стр.1803 – стр.1878;
• блоки таймеров-счетчиков общего назначения TIM12/TIM13/TIM14 – стр.1879 – стр.1931;
• блоки таймеров-счетчиков общего назначения TIM15/TIM16/TIM17 – стр.1932 – стр.2017;
• блоки «продвинутых» таймеров-счетчиков TIM1/TIM8– стр.1699 – стр.1802;
105

106.

Введение в теорию аналого-цифрового преобразования
Процесс преобразования изменяющегося во времени непрерывного аналогового сигнала в последовательность
цифровых кодов предполагает выборку (запоминание) величины измеряемого аналогового сигнала через равноотстоящие
во времени интервалы (дискретизация по времени) с последующим преобразованием каждого такого отсчета в цифровой
код определенной разрядности (дискретизация по уровню).
106

107.

Введение в теорию аналого-цифрового преобразования
Процесс преобразования входных аналоговых сигналов в дискретные цифровые коды осуществляется при помощи
устройств, которые называются АЦП – аналого-цифровые преобразователи.
Аналого-цифровые преобразователи
(Analog-to-Digital Converters)
С преобразованием в частоту
(Intermediate FM stage ADC)
Последовательного приближения
(Successive approximation ADC)
Последовательного счета
(Ramp-compare ADC)
С передискретизацией
(Sigma-delta ADC)
Прямого преобразования
(Direct conversion, Flash ADC)
Дифференциального кодирования
(следящие, Delta-encoded ADC)
С уравновешиванием заряда
(Integrating ADC)
Аналоговый интегратор
(пилообразный сигнал)
Параллельные
(прямого считывания)
Двойное интегрирование
(dual-slope)
Цифровой интегратор
(ступенчатое напряжение)
Конвейерные
многоступенчатые
Тройное интегрирование
(triple-slope)
Конвейерные
последовательные
107

108.

Введение в теорию аналого-цифрового преобразования
АЦП последовательного счета (сравнение с пилообразным напряжением, с аналоговым интегратором)
108

109.

Введение в теорию аналого-цифрового преобразования
АЦП последовательного счета (сравнение со ступенчатым напряжением, с цифровым интегратором)
109

110.

Введение в теорию аналого-цифрового преобразования
АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания, SAR – successive-approximation)
110

111.

112.

Введение в теорию цифро-аналогового преобразования
Процесс преобразования дискретного цифрового кода (обычно двоичного) в аналоговый сигнал (ток, напряжение,
заряд) осуществляется при помощи устройств, которые называются ЦАП – цифро-аналоговые преобразователи.
Цифро-аналоговые преобразователи
(Digital-to-Analog Converters)
На основе
ШИМ сигналов
С передискретизацией
(сигма-дельта)
Взвешивающего типа
(непостоянный импеданс)
Сегментного типа
(параллельные)
Лестничного типа
(постоянный импеданс)
Гибридные
преобразователи
112

113.

Введение в теорию цифро-аналогового преобразования
ЦАП на основе широтно-импульсного модулятора
При помощи стабильного источника тока или напряжения формируется ШИМ-сигнал, пропорциональный
преобразуемому цифровому коду, который затем поступает на аналоговый фильтр низких частот (ФНЧ).
113

114.

Введение в теорию цифро-аналогового преобразования
ЦАП взвешивающего типа
Каждому биту соответствует резистор или источник тока, подключенный в общую точку суммирования.
Недостаток – низкая точность из-за разброса номиналов прецизионных источников (непостоянный импеданс).
114

115.

Введение в теорию цифро-аналогового преобразования
ЦАП лестничного типа
На основе матрицы постоянного импеданса R-2R, в которой все резисторы изготавливаются на
одной подложке с одинаковым разбросом параметров и допускают лазерную подгонку номиналов
115

116.

Введение в теорию цифро-аналогового преобразования
Классификация ЦАП по схемотехническим признакам
Цифро-аналоговые преобразователи
(Digital-to-Analog Converters)
Последовательные
Параллельные
На основе ШИМ
На переключаемых
конденсаторах
Сигма-дельта
Цифровые
потенциометры
Многоканальные
С суммированием
напряжений
С суммированием
зарядов
С суммированием
токов
Дифференциальные
каскады
На МОП-ключах
На источниках тока
116

117.

118.

Прерывания (Interrupts)
Прерывание (Interrupt) – одна из базовых концепций вычислительной техники, которая заключается в том, что при
наступлении какого-либо события происходит передача управления специальной процедуре (обработчику прерываний,
ISR – interrupt service routine). В отличие от безусловных и условных переходов, прерывание может возникнуть в любом
месте программы и обусловлено (обычно) внешними по отношению к программе событиями.
Прерывания
Асинхронные прерывания
(внешние, аппаратные)
По времени
(time interrupt)
По событию
(event interrupt)
Маскируемые
(masked interrupt)
Немаскируемые (NMI)
(non-masked interrupt)
Векторные
(vectored interrupt)
Радиальные
(radial interrupt)
Синхронные прерывания
(внутренние)
Программные
(software interrupts)
Исключения
(exceptions)
По ошибкам
(нарушения, отказы)
Ловушки (TRAP)
Аварии
(выходы из процесса)
118

119.

Прерывания (Interrupts)
Последовательная обработка прерываний, вложенные прерывания
119

120.

Прерывания (Interrupts)
Последовательная обработка прерываний, вложенные прерывания
120

121.

Прерывания (Interrupts)
Приоритеты прерываний, последовательность обработки
121

122.

Прерывания (Interrupts)
Прерывания от внешних устройств – прерывания по уровню, прерывания по фронту
122

123.

Интерфейсы периферийных устройств
Интерфейс (Interface) – граница между двумя функциональными объектами, требования к которой определяются
стандартом, совокупностью средств, методов и правил взаимодействия (управления) между элементами системы.
В вычислительной технике под интерфейсом понимается логическая или физическая структура, соединяющая
устройства с разными логическими протоколами или конструкциями, и служащая для передачи информации между
устройствами, нередко разнородными.
Интерфейс может быть определен как совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных
средств, необходимых для реализации алгоритмов взаимодействия и обмена информацией между различными
функциональными блоками вычислительной системы при условиях, предписанных стандартами и направленных на
обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов.
123

124.

Интерфейсы периферийных устройств
Интерфейс (Interface) – граница между двумя функциональными объектами, требования к которой определяются
стандартом, совокупностью средств, методов и правил взаимодействия (управления) между элементами системы.
Классификационные признаки интерфейсов
По способу соединения
компонентов системы
По способу передачи
информации
По принципу обмена
информацией
Магистральный
(общая шина)
Параллельный
Синхронный
Последовательный
Асинхронный
Радиальный
Цепочечный
(кольцевой)
По режиму обмена
информацией
По связности
интерфейса
Симплексный
(односторонний)
Односвязный
(единственный путь)
Полудуплексный
(поочередный)
Многосвязный
(несколько путей)
Параллельнопоследовательный
Дуплексный
(двунаправленный)
Смешанный
Мультиплексный
124

125.

Интерфейсы периферийных устройств
Более полная систематизация интерфейсов может быть выполнена при классификации по нескольким
совокупностям признаков : функциональное назначение, физическая, логическая и функциональная организации.
Классификационные признаки интерфейсов
По функциональному
назначению
Периферийных
устройств
По физической
организации
Межблочные
По логической и функциональной организации
Для информационных
каналов
Для управляющих
каналов
Внутриблочные
Системные
Внутриплатные
Многопроцессорных
систем
По структуре шин:
магистральная;
цепочечная;
комбинированная.
Внутрикорпусные
По виду совмещения шин:
полное разделение;
частичное совмещение;
полное совмещение.
Распределенных
вычислительных
систем
По способу обмена данными:
последовательный;
параллельный;
параллельно-послед.
По структуре управления:
централизованная;
децентрализованная.
По принципу селекции:
последовательный
(опрос адресов,
сканирование);
параллельный
(временная селекция,
сравнение приоритета,
адресное сканирование).
По принципу обмена данными:
синхронный;
асинхронный.
По режимам передачи:
симплексный;
полудуплексный;
полнодуплексный.
125

126.

Распространенные сетевые топологии
126

127.

Последовательный синхронный интерфейс I2C (Inter-Integrated Circuit interface)
Интерфейс I2C (Inter-Integrated Circuit interface) – это последовательная синхронная ассиметричная шина для связи
между интегральными схемами внутри электронных приборов. Разработан компанией Philips Semiconductors в 1982 году.
Применяется для подсоединения низкоскоростных периферийных компонентов к процессорам и микроконтроллерам.
127

128.

Последовательный синхронный интерфейс I2C (Inter-Integrated Circuit interface)
Организация двунаправленного обмена информацией с помощью «открытого коллектора»
Установка шины в состояние «0» (Low level)
Освобождение шины в «1» (High level)
Внутренняя структура
линий SCL/SDA
128

129.

Последовательный синхронный интерфейс I2C (Inter-Integrated Circuit interface)
Форматы типовых транзакций
Передача данных от Master к Slave
Передача данных от Slave к Master
129

130.

Последовательный синхронный интерфейс I2C (Inter-Integrated Circuit interface)
Запись данных в регистры Slave-устройства
130

131.

Последовательный синхронный интерфейс I2C (Inter-Integrated Circuit interface)
Чтение данных из регистров Slave-устройства
131

132.

Последовательный асинхронный интерфейс UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)
Интерфейс UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) – это последовательная асинхронная шина для связи
вычислительного устройства с другими цифровыми приборами. Разработан фирмой DEC (для компьютеров PDP) в 1971 г.
Схема соединений без аппаратного управления потоком
Схема соединений с аппаратным управления потоком
Структура фрейма данных
132

133.

Последовательный синхронный интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface)
Интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface) – последовательный синхронный стандарт передачи информации в режиме
полного дуплекса для простого и высокоскоростного сопряжения микроконтроллеров с периферийными устройствами.
Впервые появился в 1984 году, в микроконтроллерах семейства MC68HC05 (8-bit), разработанных компанией Motorola.
133

134.

Микроконтроллер STM32H745 – reference manual
Reference manual - STM32H745/755 and STM32H747/757 advanced ARM-based 32-bit MCUs.
Файл : «_5 - rm0399-stm32h74575x.pdf»
Основные разделы данного документа, в порядке их последующего изучения :
• последовательный интерфейс I2C – стр.2124 – стр.2193;
• последовательный интерфейс USART – стр.2194 – стр.2334;
• последовательный интерфейс SPI – стр.925 – стр.955; стр.2335 – стр.2409;
• интерфейс карт памяти SDIO – стр.2556 – стр.2637;
• сторожевой таймер-толкач (WDT, watchdog timer) – стр.2060 – стр.2077;
• таймер реального времени (RTC, real time clock) – стр.2078 – стр.2123;
134

135.

Контакты
Научно-технологический университет «Сириус»:
www.siriusuniversity.ru
Сайт компании ООО «ЭЛМИКС»:
www.elmics.com
Сайт проекта ТНПА TurtleROV :
www.turtlerov.com
Электронная почта :
[email protected]
Контактный телефон :
+7 (985) 360-60-01
135

English Русский Rules