[科普中國(guó)]-中央處理器插件

中央處理器插件，是一種遵循一定規(guī)范的應(yīng)用程序接口用計(jì)算機(jī)的核心配件編寫(xiě)出來(lái)的程序。

用“052A”微機(jī)檢測(cè)CDMC一1色譜數(shù)據(jù)處理機(jī)CDMC一1色譜數(shù)據(jù)處理機(jī)是我所大批量生產(chǎn)的微計(jì)算機(jī)，為了提高質(zhì)量，消除人為因素，試驗(yàn)用微計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行功能測(cè)試、精度考核與故障診斷，將敘述052A如何測(cè)試CDMC一1機(jī)的原理，硬件結(jié)構(gòu)與測(cè)試程序的編制。1

CPU插件的構(gòu)成與聯(lián)接訊號(hào)主要部件1 、中央處理機(jī)CPU- —采用18085，時(shí)鐘頻率為2.048MHz。

2 、可改寫(xiě)只讀存貯器ROM— 采用12716，5個(gè)?？?cè)萘繛?位x10K字節(jié)。占內(nèi)存空間為0000至27FFH。

3 、隨機(jī)存貯器RAM — 采用I 2114，8個(gè)?？偭繛?位x4K字節(jié)，占內(nèi)存空間為4000至4FFH。

4 、雙向數(shù)據(jù)總線緩沖器—采用18216，2個(gè)。

5、輸人/輸出口與存貯器選擇器—其作用為把高位地址線譯碼形成存貯器片選訊號(hào)與輸人/輸出口選擇訊號(hào)。

與I/0插件的聯(lián)接訊號(hào)

1、8位雙向數(shù)據(jù)總線DB0~DB1；

2、輸人/輸出口選擇訊號(hào)6個(gè)代號(hào)為Y0~Y5(對(duì)應(yīng)的以16 進(jìn)制表示的口號(hào)為48一4D)；

3、輸入口讀訊號(hào)(IOR)與輸出口寫(xiě)訊號(hào)(IOW)。1

測(cè)試接口為了防止被測(cè)系統(tǒng)的故障而損壞主控計(jì)算機(jī)，為了形成必須的控制訊號(hào)，重新安排存貯空間，附加上訊息發(fā)送口與訊息回收口，必須加上測(cè)試接口。

1、控制訊號(hào)的形成

在測(cè)試時(shí)把被測(cè)系統(tǒng)的中央處理器i8085A拔掉，由主控計(jì)算機(jī)的地址、數(shù)據(jù)、控制三總線組成的插頭插在被測(cè)系統(tǒng)i8085A的位置上，這個(gè)插頭代替了原被測(cè)系統(tǒng)中央處理器的作用，原被測(cè)系統(tǒng)的RAM、ROM、I/O口已被主控計(jì)算機(jī)看作為自己的部件，因此理想的情況是被測(cè)系統(tǒng)與主控系統(tǒng)的中央處理器是一樣的，都是8085A，然而只有以8080A作中央處理器的052系列，由于i8080A與i8085A的輸人與輸出腳有較大的區(qū)別，因此附加了些邏輯電路，用8080A的訊號(hào)轉(zhuǎn)換成8085A所要求的方式。

2、內(nèi)存貯器空間的重新安排

052A機(jī)的ROM區(qū)間是0000至13FFH CDMC一1機(jī)的區(qū)間是0000至27FFH，因此若不加任何措施，在測(cè)試時(shí)在0000至13FFH區(qū)間，可同時(shí)選中二個(gè)存貯單元，這是絕對(duì)不允許的，由于052A機(jī)在4000至7FFFH區(qū)間是一 個(gè)空區(qū)間，可以允許CDM一1的存貯器進(jìn)人，因此用控制隔離門(mén)作為控制訊號(hào)，在052A機(jī)與CDMC一1機(jī)的數(shù)據(jù)總線之間加了隔離門(mén)，又附加了可預(yù)置的反相/同相器。

3、雙向數(shù)據(jù)總線的測(cè)試

為了測(cè)試CDMC一1機(jī)CPU，插件上的雙向數(shù)據(jù)總線的功能在測(cè)試接口上加了二組輸人/輸出口，當(dāng)要檢查CDMC一1數(shù)據(jù)總線的“輸出”功能時(shí)，要從052A機(jī)數(shù)據(jù)總線輸出一組數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)CDMC一1機(jī)的8085A插座再通過(guò)CDMC一1機(jī)的數(shù)據(jù)總線，將輸出的數(shù)據(jù)寄存在“寫(xiě)寄存器”上，然后052A機(jī)再執(zhí)行輸入指令通過(guò)025A數(shù)據(jù)總線讀“ 讀控制門(mén)”的內(nèi)容，再與原輸出的內(nèi)容比較，檢查兩者是否一致，若要檢查CDMC一1機(jī)CPU插件數(shù)據(jù)總線的“讀”功能時(shí)先在“寫(xiě)寄存器 ”置一個(gè)內(nèi)容然后再通過(guò)CDMC一1機(jī)數(shù)據(jù)總線讀回來(lái)。1

ARM的便攜式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀研制的便攜式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀具有插件式結(jié)構(gòu)，體積小、功耗低、功能強(qiáng)。在處理器的選取上上位機(jī)中央處理器采用了新型的ARM920T內(nèi)核處理器，該處理器具有豐富的數(shù)字資源，快捷的運(yùn)算速度，極低的功耗，極大地提高了系統(tǒng)的性能，滿(mǎn)足了便攜式系統(tǒng)的要求，并且為操作系統(tǒng)架構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。2

ARM處理器特點(diǎn)設(shè)計(jì)采用了ARM內(nèi)核的微處理器。首先，系統(tǒng)的具有較大復(fù)雜性，并且要具有一定的可擴(kuò)展性，因而需要集成更多的I/O口和外設(shè)；其次，代碼增大需要更多的存儲(chǔ)器(或者說(shuō)更高的存儲(chǔ)器利用率)；對(duì)于同一代碼，ARM的RISC特性又使其所需的閃存空間與常用的8位MCU-8051相比要低的多，與其他8位MCU內(nèi)核相差無(wú)幾。第三，低端ARM芯片與中端16位和高端8位MCU的價(jià)格相當(dāng)，并且仍不斷下降。第四，ARM低功耗、小體積的特點(diǎn)很適合于便攜式應(yīng)用。

采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn):

(1)體積小、低功耗、低成本、高性能；

(2)支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；

(3)大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；

(4)大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；

(5)尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；

(6)指令長(zhǎng)度固定。

ARM處理器是向2個(gè)發(fā)展方向發(fā)展的，一方面他向高檔快速單片機(jī)發(fā)展，典型的芯片44b0x、4510和2104，主要應(yīng)用領(lǐng)域是簡(jiǎn)單的控制方面。這個(gè)方面的發(fā)展方向其實(shí)非常明確，即高集成度高速度兩個(gè)特點(diǎn)，這樣的設(shè)計(jì)有利于控制產(chǎn)品制造綜合成本以及降低項(xiàng)目研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。在軟件方面可以采用簡(jiǎn)單的嵌入式操作系統(tǒng)如μc-linux，vxworks，μc-osII等等，也可以像單片機(jī)一樣進(jìn)行直接編程使用。

另外一個(gè)方面，ARM處理器向桌面計(jì)算機(jī)功能發(fā)展，他的功能和使用更像是一臺(tái)桌面PC或者更像是一臺(tái)工控機(jī)，具備所有PC機(jī)的基本功能。軟件開(kāi)發(fā)方面從表面上看是復(fù)雜的多了，但是從實(shí)際開(kāi)發(fā)中看是分工更加明確了，這種系統(tǒng)與單片機(jī)系統(tǒng)不同，類(lèi)似與全功能的PC系統(tǒng)，不是簡(jiǎn)單的單片機(jī)系統(tǒng)。它帶有虛擬內(nèi)存管理模塊(MMU)，尋址范圍得到擴(kuò)展可以接硬盤(pán)這樣的存儲(chǔ)設(shè)備。硬件設(shè)計(jì)相對(duì)麻煩，高速設(shè)備較多如DDR高速內(nèi)存，USB2.0接口，總線速度可以采用133M、266M等。由于有MMU，所以可以完全跑在復(fù)雜嵌入式操作系統(tǒng)上如wince，linux等等，但是需要BSP底層軟件支持，類(lèi)似于PC機(jī)的BIOS，需要操作系統(tǒng)的支持。2

ARM處理器優(yōu)勢(shì)ARM7和ARM9是ARM處理器中應(yīng)用較多、技術(shù)成熟的兩大系列ARM芯片。相比較而言，ARM9系列處理器無(wú)論從處理速度、外設(shè)接口以及應(yīng)用范圍等方面都更勝一籌。Intel的Xscale系列處理器，雖然各方面性能比較突出，但是其較高的定位，并不適合于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。而ATMEL生產(chǎn)的AT91RM9200處理器，定位于工業(yè)過(guò)程控制，外設(shè)接口不夠齊全。選擇了SAMSUNG的S3C2410X(以下均簡(jiǎn)稱(chēng)2410)作為系統(tǒng)的嵌入式處理器。這是一款以ARM920T為核心的嵌入式處理器，面向低端應(yīng)用。該芯片具有較高的處理速度，通過(guò)內(nèi)部的鎖相環(huán)，最高可在266MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘下運(yùn)行。2410核電壓為1.8V供電，外圍I/O口使用3.3V的電壓，具有3種低功耗控制方式，甚至可以把CPU中除了喚醒邏輯之外的所有功能都關(guān)閉，極大地降低了功耗。與其他的ARM芯片相比，2410在片上集成了更多外設(shè)接口。例如：外部存儲(chǔ)器控制器；LCD，DMA，USB1.1，SD，MMC卡控制器，UART，SPI接口；I2C總線控制器和IIS總線控制器，PWM定時(shí)器，看門(mén)狗，117個(gè)外部I/O口，24個(gè)外部中斷源，ADC和觸摸屏接口，實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及片上PLL的時(shí)鐘產(chǎn)生等。使用集成的接口，可方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展。2410另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有小巧的外形，嵌入式應(yīng)用希望硬件尺寸越小越好2410采取了uBGA封裝，整個(gè)芯片大小僅為14mm×14mm，相當(dāng)于普通人拇指指甲的大小。雖然在如此小的體積上，集成了如此之多的功能，但其價(jià)格與普通處理器相當(dāng)。從各種方面考慮，2410具有極高的性?xún)r(jià)比以及應(yīng)用價(jià)值，且易于開(kāi)發(fā)和功能擴(kuò)展，因此很適合作為嵌入式系統(tǒng)的中央處理器。2

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以ARM為上位機(jī)核心處理器，為了提高多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的性能價(jià)格比，采用插件式結(jié)構(gòu)，模塊通常采用獨(dú)立處理器單元，介紹的心電模塊，各個(gè)模塊可以根據(jù)需要集成于監(jiān)護(hù)儀中，通過(guò)模塊自身的處理器預(yù)處理信號(hào)后送入主機(jī)總線。插件式監(jiān)護(hù)儀特點(diǎn)是模塊化的硬件和軟件便于功能擴(kuò)展和軟件升級(jí)，而且便于修理。插件式監(jiān)護(hù)儀的監(jiān)測(cè)模塊及參數(shù)的選擇可視臨床需要靈活選擇，由于每個(gè)或每組監(jiān)測(cè)參數(shù)都有自己獨(dú)立的模塊，這些模塊不僅能在同一監(jiān)護(hù)儀的不同插件位置上任意置換，還能在監(jiān)護(hù)儀間相互置換。整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立的模塊、ARM最小系統(tǒng)、人機(jī)交互部分(包括顯示和鍵盤(pán))、聲光報(bào)警、擴(kuò)展存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)接口和擴(kuò)展部分組成。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所