Základní vlastnosti monolitických počítačů a jejich typické integrované periférie.

Jak ze základní architektury počítače víme, skládá se počítač ze tří částí:

  • procesor (CPU)
  • paměť
  • periférie.

Pokud některá z těchto tří částí chybí, nejde o počítač. Pro řadu nenáročných aplikací se již přes 30 let vyrábějí malé počítače integrované v jediném pouzdře. Tvoří tedy jeden celek - monolit. Odtud tedy obecně používaný a zažitý název - monolitické počítače.

Pro monolitické počítace se prevážne využívá harvardská architektura,protože přináší důležitou vlastnost: oddělení pameti pro data od pameti programu. To umožnuje snadno konstruovat počítac, který má paměť dat i programu vyrobenou jinou technologií a navíc dovoluje mít odlišnou velikost nejmenší adresovací jednotky. Např. data jsou obvykle uložena po bytech. A strojové instrukce procesoru mohou mít u každého procesoru jinou velikost, napr. 12, 14, 16, 24 nebo 32 bitu a nejmenší adresní jednotka pameti programu se této velikosti prřizpůsobuje.

Další dělení pocítacu je obvykle podle použitého procesoru, tedy CISC a RISC. V dnešní dobe kvuli jednoduchosti nesou monolitické pocítace pre-vážne rysy architektury RISC, i když často ve velmi zjednodušené forme.

Paměti

  • Pro data používáme většinou paměti energeticky závislé typu RWM-RAM (Read-Write Memory - Random Access Memory), tedy pamět s libovolným přístupem určenou pro čtení i zápis. Tyto pameti jsou vyráběny jako statické (uchování paměti po celou dobu napájení), jejich paměťové buňky jsou realizovány jako klopné obvody.
  • Pro program se používají pameti, které si svuj obsah zachovají i po odpojení napájení, tedy jde o paměti typu ROM určeny především ke čtení. Nejčastěji paměti EPROM, EEPROM a Flash. Nesmíme také zapomenout na výrobky s pametí PROM.

Organizace paměti

  • Střadačové (pracovní) registry - ve struktuře procesoru jsou obvykle 1-8-16 základních pracovních registrů, jsou nejpoužívanější. Ukládají se do nich aktuálně zpracovávaná data a jsou nejčastějším operandem strojových instrukcí (to na co se instrukce v závorkách odkazují). A také se do nich nejčastěji ukládají výsledky operací. Nejsou určeny pro dlouhodobé ukládání dat.
  • Univerzálnízápisníkové registry – jsou jich desítky až stovky. Slouží pro ukládání nejčastěji používaných dat. Instrukční soubor obvykle dovoluje, aby se část strojových instrukcí prováděla přímo s těmito registry. Formát strojových instrukcí ovšem obvykle nedovoluje adresovat velký rozsah registru, proto se implementuje několik stejných skupin registru vedle sebe, s možností mezi skupinami přepínat - registrové banky.
  • Pamět dat RWM - slouží pro ukládání rozsáhlejších nebo méně používaných dat (z těch předešlých nejméně používaný). Instrukční soubor obvykle nedovoluje s obsahem této paměti přímo manipulovat, kromě instrukcí přesunových. Těmi se data přesunou např. do pracovního registru. Některé procesory dovolují, aby data z této paměti byla použita jako druhý operand strojové instrukce, výsledek ale nelze zpět do této paměti uložit přímo. Konstrukčně je řešeno pamětí EEPROM.

Zdroje synchronizace

  • krystal (křemenný výbrus) – jsou drahé ale přesné
  • keramický rezonátor
  • obvod RC – snadno integrovatelný
  • obvod LC – méně časté

Ochrana proti rušení

Na prvním místě většinou jde o ochranu mechanickou. Odolávat náhodným rázum, nebo i trvalým vibracím nebo elektromagnetickým vlivům z okolí. Pro odstranění chyb, které nastanou působením vnějších vlivů nebo chyby programátora, je v mikropočítačích implementován speciální obvod nazývaný WATCHDOG (provede pomocí vnitřního RESETu reinicilazaci mikropočítače) – patří k ochraně elekrické. Tam se také řadí BROWN-OUT ochrana proti podpětí (-> reset).

Typické periferie

Periferie - obvody, které zajištují komunikaci mikropočítace s okolím  

 

  • Vstupní a výstupní brány - Nejjednodušší a nejcasteji používané rozhraní pro vstup a výstup informací je u mikropočítačů paralelní brána - port. Bývá obvykle organizována jako 4 nebo 8 jednobitové vývody, kde lze současně zapisovat i číst logické informace 0 a 1. U většiny bran lze jednotlivě nastavit, které bitové vývody budou sloužit jako vstupní a které jako výstupní. Na vstupu je Schmittův klopný obvod. U mnoha mikropočítačů jsou brány implementovány tak, že s nimi instrukční soubor může pracovat jako s množinou vývodu, nebo jako s jednotlivými bity.
  • Čítace a časovače - do skupiny nejpoužívanejších periférií mikropočítače určite patří čítače a časovače. Časovač se od čítače příliš neliší. Není ale inkrementován vnejším signálem, ale přímo vnitřním hodinovým signálem používaným pro řízení samotného mikropočítače. Lze tak podle přesnosti zdroje hodinového signálu zajistit řízení událostí a chování v reálném čase. Pri přetečení časovače se i zde může automaticky předávat signál do přerušovacího podsystému mikropočítače.
  • Sériové linky - Sériový přenos dat je v praxi stále více používán. Dovoluje efektivním způsobem prenášet data na relativně velké vzdálenosti pri použití minimálního počtu vodičů. Hlavní nevýhodou je však nižší přenosová rychlost, a to že se data musí kódovat a dekódovat.

· USART (RS232) +/-12V jet transformována na TTL /RS422/RS485

· I2C (Philips) komunikace mezi integrovanými obvody (přenos dat uvnitř elektronického zařízení)

· SPI 

  • A/D a D/A převodníky - Fyzikální veliciny, které vstupují do mikropočítače, jsou většinou reprezentovány analogovou formou (napětím, proudem, nebo odporem).Pro zpracování počítačem však potřebujeme informaci v digitální (číselné) formě. K tomuto účelu slouží analogově–číslicové převodníky. Existuje několik základních typu těchto převodníků:

·   A/D – velký počet součástek, malá rozlišovací schopnost, velmi rychlá

·   D/A prevodníky – PWM (šířková modulace pulzu), vyroben pomocí odporů, jednoduchá konstrukce, rychlá odezva, velká rozlišovací schopnost, vyrobit sadu odporů vyžaduje velkou přesnost

Kam dál?