Жесткая логика что это
Жёсткая логика
Однако в последнее время наблюдается возврат к её использованию. Это продиктовано прогрессом в технологии производства микросхем, позволившим вывести эти системы на принципиально иной уровень миниатюризации и быстродействия, который теперь не уступают, а нередко и превосходят системы, построенные на архитектуре, использующей многофункциональные перепрограммируемые микропроцессоры.
Однако главным аргументом при использовании АСУ на жесткой логике сегодня становится их практически полная защищенность от кибертерроризма.
Связанные понятия
Крейтовой системой, а также магистрально-модульной системой называют тип стандартизированной радиоэлектронной системы, включающий в себя реализацию не только электрических, но и конструкционно-механических стандартов, которые определяют установку унифицированных модулей в специализированное механическое шасси, крейт.
Разработка синхронных цифровых интегральных схем на уровне передач данных между регистрами (англ. register transfer level, RTL — уровень регистровых передач) — способ разработки синхронных (англ.) цифровых интегральных схем, при применении которого работа схемы описывается в виде последовательностей логических операций, применяемых к цифровым сигналам (данным) при их передаче от одного регистра к другому (не описывается, из каких электронных компонентов или из каких логических вентилей состоит схема.
AMP или ASMP (от англ.: Asymmetric multiprocessing, рус.: Асимметричная многопроцессорная обработка или Асимметричное мультипроцессирование) — тип многопроцессорной обработки, который использовался до того, как была создана технология симметричного мультипроцессирования (SMP); также использовался как более дешевая альтернатива в системах, которые поддерживали SMP.
Жесткая и гибкая логика
Прежде, чем рассматривать микропроцессорную систему, рассмотрим электронную систему вообще.
Электронная система – это любой электронный узел, блок или прибор, производящий обработку входных сигналов и выдачу вы-ходных (Рис. 1.1).
Рис. 1.1. Электронная система жёсткой логики
В качестве входных или выходных сигналов при этом могут использоваться: аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигна-лы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Внутри системы может производиться хранение, накопление сигналов (или информации) и их обработка. Если система цифровая, то входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательность кодов с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а выходные
аналоговые сигналы формируются из последовательности цифровых кодов с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).
Характерной особенностью традиционных цифровых систем является тот факт, что алгоритм обработки и хранения информации в ней жёстко связан со схемотехникой системы, то есть для конкретно поставленной задачи разрабатывается и реализуется конкретная электронная схема. Любое изменение исходных условий задачи повлечет за собой и изменение её схемотехнического решения, т.е. изменение алгоритма функционирования системы возможно только путём изменения её структуры. Такие схемы называют схемами жёсткой логики.
Таким образом, любая система жёсткой логики представляет собой специализированную электронную систему, разработанную и настроенную на решение одной или нескольких заранее известных задач.
Преимуществом систем жёсткой логики является их высокое быстродействие, так как такие системы никогда не имеют аппаратной избыточности, а скорость выполнения алгоритмов определяется в ней только быстродействием отдельных логических элементов.
Самым большим недостатком цифровой системы на жёсткой логике является тот факт, что при изменении условий задачи схему нужно проектировать и изготавливать заново.
Преодолеть этот недостаток позволяют электронные системы гибкой логики, которые могут легко адаптироваться под любую за-дачу, перестраиваясь с одного алгоритма на другой без изменения электронной схемы. В таких системах изменение условий влияет только на изменение программы, в соответствии с которой работает система (Рис. 1.2).
Такая система является программируемой (перепрограммируемой). Именно к системе гибкой логики и относятся микропроцессорные системе.
Конечно, аппаратно такая схема может быть избыточна, так как должна функционировать и для решения самой простой, и для решения самой сложной задачи. А решение трудной задачи требует гораздо больше аппаратных средств, чем решение простой.
Рис. 1.2. Электронная система гибкой логики 
Из вышеизложенного можно сделать следующий вывод: системы жесткой логики должны применяться там, где решаемая задача не меняется длительное время, где требуется высокое быстродействие, а алгоритмы обработки информации просты. Системы гибкой логики должны применяться там, где часто меняются решаемые задачи, высокое быстродействие не слишком важно, а алгоритмы обработки информации сложны.
1.2. Микропроцессор и «сотоварищи»
Центральным устройством микропроцессорной системы (МПС) является микропроцессор– тот узел, который производит всю обработку информации внутри системы. Другие устройства МПС
выполняют вспомогательные функции: хранение информации (программ и данных), связь с периферийными устройствами. Основным устройством, осуществляющим руководствосовместной работой всех внутренних устройств МПС и вспомогательных устройств, является все тот же микропроцессор.
Вообще говоря, микропроцессор можно сравнить с человеческим мозгом, который не только принимает решения, но и руководит работой внутренних органов человека, а также осуществляет его связь с внешним миром посредством органов чувств: слуха, зрения и т.д. То есть вводит информацию извне, обрабатывает ее и управляет дальнейшими действиями «биологической микропроцессорной системы», имя которой – человек.
Следовательно, микропроцессор(МП) можно определить как программно-управляемую электронную схему, предназначенную для обработки цифровой информации, управления процессом этой обработки, а также управления работой устройств, входящих в микропроцессорную систему.
МП может быть реализован (выполнен) на одной или несколь-ких больших интегральных схемах (БИС).
Микропроцессор, как отмечалось выше, «один в поле не воин». Он работает в совокупности с другими электронными устройствами, тоже выполненными в виде БИС, которые обеспечивают связь МП, образно говоря, с «внешним миром», т.е. с периферийными устройствами. Эти дополнительные БИС вместе с МП функционально образуют так называемую микропроцессорную систему, о которой упоминалось выше.
В отличие от обычных БИС микропроцессор содержит в своем составе управляющие элементы, что позволяет настроить его на выполнение любых (в принципе) функций.
Как уже отмечалось, сам по себе МП еще не способен реализовать переработку информации, т.е. он не может решить ту или иную конкретную задачу. Чтобы решить задачу, его нужно не только соединить с другими устройствами микропроцессорной системы, создав тем самым МПС, но и запрограммировать и обеспечить обмен информацией между МП и этими устройствами. Сами эти устройства, выполненные также в виде БИС, совместно с микросхемой микропроцессора составляют микропроцессорный комплект, то есть набор микросхем, из которых можно составить МПС.
В состав МПСвходят следующие взаимосвязанные электронные устройства: один или несколько МП, предназначенных для обработки информации и управления; память— для хранения программ и данных; устройства ввода-вывода— для передачи информации от периферийных устройств к микропроцессору и обратно; а также ряд других устройств, предназначенных для связи МП и «внешнего мира», нацеленных на выполнение четко определенных функций.
Рис. 1.3. Трёхшинная структура микропроцессорной системы
Группы линий связи, по которым передаются сигналы или коды, называются шинами (от англ. BUS).
Информация, передаваемая по шинам, различна по назначению и может представлять собой данные, или адреса, по которым эти данные передаются. Различают три основные шины:
Вместе эти три шины называются системной шиной. Шина, по которой передаются питающие напряжения – шина питания, – на рисунке не представлена, однако, следует иметь в виду, что без подачи питающих напряжений на соответствующие входы микросхем МПС работать не будет.
Рассмотрим назначение шин МПС.
Шина данных(ШД) – это основная шина, которая используется для передачи информационных кодов (кодов данных) между всеми устройствами системы. Обычно в пересылке данных участвует процессор, который передает двоичный код данных в какую-либо ячейку памяти или устройство ввода-вывода, или же принимает код данных из какого-либо устройства или ячейки памяти. В некоторых случаях возможен также обмен данными без участия микропроцессора. Шина данных всегда двунаправленная.
Шина адреса(ША) служит для передачи адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому устройству, кроме МП, в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес. Также как в жизни, письмо не может быть безадресным, данные в МПС должны сопровождаться информацией не только о том, куда относительно микро-процессора они направлены, но и информацией о том, какому или от какого конкретно устройства или ячейки памяти они передаются. Когда код какого-либо адреса выставляется МП по шине адреса, то устройство, которому приписан этот адрес, «понимает», что ему предстоит обмен информацией. Остальные же устройства в этот момент «могут не беспокоиться», так как все данные, которые будут переданы по шине данных вслед за адресом, будут предназначены не им. ША может быть как однонаправленной, так и двунаправленной.
Шина управления(ШУ), в отличие от ША и ШД, состоит из отдельных управляющих сигналов, каждый из которых во время обмена информацией несет свою функцию. Некоторые сигналы служат для стробирования передачи или приема данных, то есть определяют моменты времени, когда код выставлен на ШД; другие могут использоваться для подтверждения приема данных, тактирования (синхронизации) работы устройств, для сброса всех устройств в исходное состояние. Линии ШУ могут быть однонаправленными и двунаправленными.
В любой момент времени, зная логическое состояние шин, можно полностью определить путь, который проходят данные в системе от одной точки к другой.
Таким образом, исходя из вышеизложенного, можно определить шину, как совокупность электрических проводников, предназначенных для передачи информации и объединенных единым функциональным назначением.
Заметим, что шина на плате физически может располагаться разрозненно, а может быть выполнена в виде электрического пучка проводов, расположенных вместе. Физически шины могут быть реализованы в виде шины гибких проводов, или в виде печатной схемы.
Различают двухшинную и трехшинную структуры МПС (рис.1.3 и рис.1.4).
Рис. 1.4. Двухшинная структура микропроцессорной системы
Таким образом, по шинам МП «общается» с подсистемой памяти(ПП) и подсистемой ввода-вывода(ВВ).
Постоянная память используется для хранения программ начального пуска МПС, которые выполняются каждый раз после включения напряжения питания или полного сброса системы, если таковой предусмотрен. Также в постоянной памяти хранятся прикладные программы функционирования микропроцессорной системы.
Если процесс выполнения программы многоступенчатый, то микропроцессор может хранить промежуточные результаты в оперативной памяти. Иногда программы, выполняемые микропроцессором, сначала загружаются в оперативную память из периферийного устройства (например, считываются с компакт-диска), а уже потом выполняются.
Выполнение команд программы производится последовательно. Для того чтобы прочитать команду из памяти, микропроцессор выставляет на ША номер ячейки, в которой хранится команда (то есть выставляет адрес команды), а затем читает эту команду из памяти по ШД. Если же в процессе работы требуется записать какие-либо данные в память, то запись производится передачей данных по ШД с соответствующей адресацией по ША. ШУ процесс передачи данных сопровождает передачей сигналов управления, определяющих направление передачи данных.
Реально существует класс МП, встраиваемых в различного рода технические устройства с целью контроля и управления работой этих устройств. Такие МП носят названия микроконтроллеров(МК) и предназначены для контроля параметров работы различных технических средств или технических процессов, и проектируютсяспециально под контролирующую систему управления.
Для МК периферийными устройствами, помимо вышеназванных, служит множество разнообразных датчиков, информация которых после соответствующего преобразования в цифровой код (если это не цифровые датчики) поступает в МК, а также различные схемы, обеспечивающие получение сигнала управления непосредственно устройством управления технического средства, работа которого контролируется и управляется МК. Таким образом, класс периферийных устройств МК состоит из различных датчиков, аналого-цифровых и цифро-аналоговых (АЦП и ЦАП) преобразователей, а также тех устройств, которые позволяют получить информацию о текущих параметрах работы объекта управления, а также передать код управляющего воздействия с МК на объект управления(ОУ).
МК проектируются специально под определенные задачи и для специальных устройств, а потому называются специальными МП.
Обычно МК разрабатываются для серийно изготавливаемых конкретных технических средств (автомобили, сотовые телефоны и т.п.). Поэтому разновидностей микроконтроллеров огромное множество. Так, по данным на 2000 г. микроконтроллеров существовало более 500 типов. На сегодняшний день, с расширением класса бытовых приборов, средств связи, а также с совершенствованием систем управления различными техническими средствами, класс МК существенно расширен.
При использовании шинной организации как внутри кристалла, так и при подключении нескольких БИС к одной шине возникают трудности, обусловленные способами связи нескольких элементов с одной линией общей шины. Оказывается, к одной шине или одной микросхеме нельзя подключать бесконечное множество БИС. Количество элементов в этом случае бывает ограничено так называемой нагрузочной способностью, которая определяет, какое количество микросхем можно подключить к входам и выходам конкретной микросхемы или шины без ущерба для работы системы. Для увеличения нагрузочной способности шин используются специальные микросхемы – буферы или шинные формирователи.
При использовании мощных буферных схем нагрузочная способность оказывается достаточной для большинства практических случаев применения шинной организации.
Таким образом, с технической точки зрения способ обмена информацией посредством шин сводится к созданию двунаправленных буферных каскадов с тремя устойчивыми состояниями и реализации временного мультиплексирования, то есть разделения во времени работы шин.
Контрольные вопросы
1.Что такое схемы жесткой и гибкой логики?
2.Каковы функциональные особенности микропроцессоров?
3.Что такое системная шина? Влияет ли ее быстродействие на скорость выполнения программ МПС?
4.Каково назначение подсистемы памяти?
5.Зачем нужна подсистема ввода вывода?
6.Какие устройства относятся к классу периферийных устройств?
7.Где быстрее осуществляется обмен информацией между МП и внешними устройствами– в двухшинной или трехшинной системе?
8.Как осуществляется ввод-вывод данных в микропроцессорной системе?
9.Что обязательно должно храниться в постоянной памяти микропроцессорной системы?
10.Что такое нагрузочная способность шин? Почему нельзя подключать к шинам бесконечное множество микросхем?
Философия микропроцессорной техники
В этой главе рассматриваются базовые концепции, которые лежат в основе любой микропроцессорной системы — от простейшего микроконтроллера до сложного компьютера. Именно в этом смысле здесь используется термин «философия».
Для начала несколько основных определений.
Любая система на «жесткой логике» обязательно представляет собой специализированную систему, настроенную исключительно на одну задачу или (реже) на несколько близких, заранее известных задач. Это имеет свои бесспорные преимущества.
Во-первых, специализированная система (в отличие от универсальной) никогда не имеет аппаратурной избыточности, то есть каждый ее элемент обязательно работает в полную силу (конечно, если эта система грамотно спроектирована).
Но в то же время большим недостатком цифровой системы на «жесткой логике» является то, что для каждой новой задачи ее надо проектировать и изготавливать заново. Это процесс длительный, дорогостоящий, требующий высокой квалификации исполнителей. А если решаемая задача вдруг изменяется, то вся аппаратура должна быть полностью заменена. В нашем быстро меняющемся мире это довольно расточительно.
Однако за последние десятилетия быстродействие универсальных ( микропроцессорных ) систем сильно выросло (на несколько порядков). К тому же большой объем выпуска микросхем для этих систем привел к резкому снижению их стоимости. В результате область применения систем на «жесткой логике» резко сузилась. Более того, высокими темпами развиваются сейчас программируемые системы, предназначенные для решения одной задачи или нескольких близких задач. Они удачно совмещают в себе как достоинства систем на «жесткой логике», так и программируемых систем, обеспечивая сочетание достаточно высокого быстродействия и необходимой гибкости. Так что вытеснение «жесткой логики» продолжается.
1.1. Что такое микропроцессор?
Впрочем, для разработчика микропроцессорных систем информация о тонкостях внутренней структуры процессора не слишком важна. Разработчик должен рассматривать процессор как » черный ящик «, который в ответ на входные и управляющие коды производит ту или иную операцию и выдает выходные сигналы. Разработчику необходимо знать систему команд, режимы работы процессора, а также правила взаимодействия процессора с внешним миром или, как их еще называют, протоколы обмена информацией. О внутренней структуре процессора надо знать только то, что необходимо для выбора той или иной команды, того или иного режима работы.
Жесткая и гибкая логика
Прежде, чем рассматривать микропроцессорную систему, рассмотрим электронную систему вообще.
Электронная система – это любой электронный узел, блок или прибор, производящий обработку входных сигналов и выдачу вы-ходных (Рис. 1.1).
Рис. 1.1. Электронная система жёсткой логики
В качестве входных или выходных сигналов при этом могут использоваться: аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигна-лы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Внутри системы может производиться хранение, накопление сигналов (или информации) и их обработка. Если система цифровая, то входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательность кодов с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а выходные
аналоговые сигналы формируются из последовательности цифровых кодов с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).
Характерной особенностью традиционных цифровых систем является тот факт, что алгоритм обработки и хранения информации в ней жёстко связан со схемотехникой системы, то есть для конкретно поставленной задачи разрабатывается и реализуется конкретная электронная схема. Любое изменение исходных условий задачи повлечет за собой и изменение её схемотехнического решения, т.е. изменение алгоритма функционирования системы возможно только путём изменения её структуры. Такие схемы называют схемами жёсткой логики.
Таким образом, любая система жёсткой логики представляет собой специализированную электронную систему, разработанную и настроенную на решение одной или нескольких заранее известных задач.
Преимуществом систем жёсткой логики является их высокое быстродействие, так как такие системы никогда не имеют аппаратной избыточности, а скорость выполнения алгоритмов определяется в ней только быстродействием отдельных логических элементов.
Самым большим недостатком цифровой системы на жёсткой логике является тот факт, что при изменении условий задачи схему нужно проектировать и изготавливать заново.
Преодолеть этот недостаток позволяют электронные системы гибкой логики, которые могут легко адаптироваться под любую за-дачу, перестраиваясь с одного алгоритма на другой без изменения электронной схемы. В таких системах изменение условий влияет только на изменение программы, в соответствии с которой работает система (Рис. 1.2).
Такая система является программируемой (перепрограммируемой). Именно к системе гибкой логики и относятся микропроцессорные системе.
Конечно, аппаратно такая схема может быть избыточна, так как должна функционировать и для решения самой простой, и для решения самой сложной задачи. А решение трудной задачи требует гораздо больше аппаратных средств, чем решение простой.
Рис. 1.2. Электронная система гибкой логики 
Из вышеизложенного можно сделать следующий вывод: системы жесткой логики должны применяться там, где решаемая задача не меняется длительное время, где требуется высокое быстродействие, а алгоритмы обработки информации просты. Системы гибкой логики должны применяться там, где часто меняются решаемые задачи, высокое быстродействие не слишком важно, а алгоритмы обработки информации сложны.
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.009 сек.)
расскажите пожалуйста про микропроцессорные автомат с жесткой логикой и программируемой логикой
Логическая структура микропроцессорной системы
При проектировании систем контроля, управления или вычислений на основе микропроцессора необходимо выяснить и описать функции, подлежащие выполнению в системе, а затем согласовать их с возможностями тех микропроцессоров, которые могут быть использованы в проектируемой системе.
Реальная электронная система на основе микропроцессора содержит значительное число функциональных устройств, одним из которых является микропроцессор. Все устройства системы имеют стандартный интерфейс и подключаются к единой информационной магистрали, как это показано на рис. 1.
Микропроцессор в зависимости от требований, предъявляемых к системе, может быть устройством однокристальным или одноплатным, созданным на основе многокристального комплекта микропроцессорных БИС. В высокопроизводительных системах микропроцессор строится на основе биполярных микропроцессорных секций БИС.
Микропроцессор выполняет в системе функции центрального устройства управления и устройства арифметическо-логического преобразования данных. В качестве устройства управления он генерирует последовательности синхронизирующих и логических сигналов, которые определяют последовательности срабатывания всех логических устройств системы. Микропроцессор задает и последовательно осуществляет микрооперации извлечения команд программы из памяти системы, их расшифровку и исполнение. Тип операций микропроцессора определяется кодом операции в команде. В соответствии с этими кодами микропроцессор выполняет арифметические, логические или иные операции над числами, представленными в двоичном или кодированном двоично-десятичном коде.
Числа, подвергающиеся операционным преобразованиям в арифметическо-логическом блоке микропроцессора, называют операндами. Операнд может быть одним из исходных чисел, результатом, константой или некоторым параметром. Операция в микропроцессоре производится над одним или двумя операндами.
Память микропроцессорной системы физически реализуется на основе различных ЗУ. Технико-экономическая целесообразность ведет к построению иерархической памяти на основе полупроводниковых постоянных и оперативных запоминающих устройств и магнитных внешних запоминающих устройств.