МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ I НАУКИ УКРАЇНИ
ХАРКIВСЬКИЙНАЦІОНАЛЬНИЙ УНIВЕРСИТЕТ
РАДIОЕЛЕКТРОНIКИ
Кафедра ЕН
КОНТРОЛЬНА РОБОТА
з дисципліни
«Електронні пристрої»
натему
МІКРОПРОЦЕСОРНАСИСТЕМА ТА ЇЇ ФУНКЦІОНУВАННЯ
Харків 2010
Визначимо поняття та терміни, яківикористовуються в мікропроцесорній техніці:
Мікропроцесор(МП) — програмно-керований пристрій, що здійснює процес обробки цифровоїінформації і управління ним; побудований на одній або декількох великихінтегральних схемах (ВІС).
МікропроцесорнаВІС — інтегральна мікросхема, що виконує функцію МП або його частини (ВІС зпроцесорною організацією, розроблена для побудови мікропроцесорних систем).
Мікропроцесорнасистема — управляюча інформаційна або інша спеціалізована цифрова система,побудована на базі мікропроцесорних пристроїв.
МікропроцесорнаЕОМ (мікро-ЕОМ) — це ЕОМ, що складається з мікропроцесора (мікропроцесорів),напівпровідникової пам'яті, засобів зв'язку з периферійними пристроями таджерела живлення, поєднаних загальною несучою конструкцією.
Мікропроцесорнийкомплект (МПК) — набір мікропроцесорних та інших інтегральних мікросхем,сумісних по конструктивно-технологічному виконанню та призначених для сумісноговживання при побудові мікро-ЕОМ і інших засобів обчислювальної техніки.
Все різноманіттяМП зручно розділити на два типи:
— однокристальніМП з фіксованою розрядністю слова та фіксованою системою команд і, як правило,пристроєм управління зі «схемною» логікою;
— багатокристальні(секційні) мікропрограмовані МП із змінною розрядністю слова і з фіксованимнабором мікрооперацій.
Мікрокомп'ютерипершого типу мають типову структуру типову, яка нагадує організацію звичайнихЕОМ. В ній в явній формі знайшов віддзеркалення принцип обробки даних на основівиконання команд програми. Тому методи роботи з МП першого типу певною міроюподібні методам роботи малих ЕОМ.
Однокристальні МПвиконуються з використанням різних МОП-технологій мікроелектроніки, щодозволяють розміщувати на одному кристалі велике число елементарних схем,МОП-транзисторів дякуючи їх унікально малим розмірам і невеликій потужностірозсіювання. МОП-структури перших поколінь істотно поступалися в швидкодіїбіполярним структурам.
Біполярні ВІС(наприклад, з малопотужними ТТЛ-схемами з діодами Шотки) володіли в порівнянніз МОП-ВІС набагато більшою швидкодією, але значно меншою густиною упаковкикомпонентів на кристалі.
З'явився другийтип МП — багатокристальний біполярний МП, заснований на конструктивномупринципі ФУНКЦІОНАЛЬНО-РОЗРЯДНОГО СЛОВА, що пропонує реалізацію на кристалімалорозрядної (2-4 розряди) мікропроцесорної секції (пошарові). В цьому випадкудля забезпечення обробки слів заданої розрядності мікропроцесор складається звідповідної кількості однакових кристалів (мікропроцесорних секцій,«слів») об'єднаних мікропрограмним блоком управління, реалізованим наокремих кристалах.
Мікропрограмнібагатокристальні МП забезпечують велику гнучкість в досягненні потрібнихкористувачі характеристик (в першу чергу потрібної швидкодії мікропроцесорногопристрою або мікропроцесорної системи, надаючи користувачу можливість задаватиспеціалізовану систему команд, орієнтовану на певне використання. Проте при цьомупроектувальник повинен розробляти мікропрограми, які реалізують ці команди, ізаписати їх в управляючу пам'ять МП.
Згодом різніваріанти поліпшеної МОП-технології дозволили не тільки збільшивши кількістьелементів на кристалі, але і випередили по швидкодії МП на основі біполярноїтехнології.
Для внутрішньогоопису функціонування МП необхідно охарактеризувати:
— форматоброблюваних даних і команд;
— тип і гнучкістькоманд;
— способиадресації даних;
— кількістьвнутрішніх регістрів загального призначення;
— організацію іадресацію стека;
— параметривіртуальної пам'яті;
— інформаційнийоб’єм пам'яті.
МП такожрозрізняють:
— по числу ВІС вМП;
— по призначенню;
— по видуоброблюваних вхідних сигналів;
— по організаціїструктури МП схем.
По характеруроботи в часі МП поділяють на синхронні і асинхронні.
Синхронні МП — цеМП, в яких початок і кінець виконання операцій задається пристроєм управлінняПУ.
Асинхронні МПдозволяють початок виконання кожної наступної операції визначити по сигналуфактичного закінчення виконання попередньої операції.
По організаціїструктури МП системи розрізняють:
— одномагістральні мікро-ЕОМ;
— багатомагістральні мікро-ЕОМ.
У одномагістральних мікро-ЕОМ всі пристрої мають однаковий інтерфейс і підключені доєдиної інформаційної магістралі, по якій передаються коди даних, адреси іуправляючих сигналів.
У багатомагістральних мікро-ЕОМ пристрої групами підключаються до своєї інформаційноїмагістралі.
По кількостівиконуваних програм розрізняють: однопрограмні і багатопрограмні МП.
У однопрограмномуМП перехід і виконання наступної програми відбувається після завершенняпоточної програми.
БагатопрограмнийМП дозволяє виконувати одночасно декілька програм.
Основою будь-якоїмікропроцесорної системи є МП.
Узагальненалогічна структура мікропроцесорної системи МПС наведена на мал. 3.
/>
Мал.1.Узагальнена логічна структура МП – системи.
Скорочення: МП — мікропроцесор,
ОЗП- оперативнийзапам’ятовуючий пристрій,
ПЗП – постійнийзапам’ятовуючий пристрій,
ЗП – зовнішнійпристрій,
КПД – контролерпрямого доступу до пам’яті.
МП здійснюєцифрову обробку даних, здійснює адресацію команд і операндів, що зберігаються впам'яті за допомогою шин адреси, даних і управління.
В постійному запам’ятовуючомупристрої (ПЗП) зберігаються системні програми, необхідні для управлінняпроцесом обробки даних.
В оперативномузапам’ятовуючому пристрої (ОЗП) зберігаються прикладні програми, дані ірезультати обчислень.
Робота МПсинхронізується тактовими сигналами СLК, що поступають на його входи відгенератора тактової частоти ( синхронізації).
Схема початковогоскидання виробляє сигнал RESET (СКИДАННЯ) мікропроцесора на основі аналізунапруг на виході блоку живлення (включення живлення) або при примусовій зупинціроботи МПС з клавіатури.
Контролери —пристрої, що забезпечують обмін даними різних ЗП, мікропроцесором і ОП. Контролерпереривань — якій аналізує сигнали (запити на переривання), які надходять доМПС від ЗП (зовнішні переривання) або мікропроцесора ( внутрішні переривання)та організує відгук ( або реакцію) МПС на переривання.
Контролер прямогодоступу до пам'яті призначений для обміну даними між ЗП та ОП без участімікропроцесора.
До складу МПСможуть входити:
— шиннийконтролер, призначений для сполучення пристроїв з системною шиною попаралельному інтерфейсу;
— послідовногоінтерфейсу, призначений для побудови багатопроцесорних систем або сполученняджерел і приймачів сигналів, що не збільшують навантаження на системнийінтерфейс;
— спеціалізованийпроцесор арифметичної обробки сигналів (співпроцесор);
— ПЗП команд іконстант;
— ОЗП операндів.
Для забезпеченняроботи МПС до її системного інтерфейсу можна підключати пристрої дляспеціалізованої обробки арифметичних алгоритмів (таких, як швидке перетворенняФур`є, десяткова корекція) і пристрої обробки аналогових сигналів.
Як пристрої дляобробки аналогових сигналів використовують аналого-цифрові (АЦП) іцифроаналогові (ЦАП) перетворювачі, що забезпечують безпосереднє сполученняцифрового пристрою обробки з аналоговими сигналами датчиків і приймачів.
Існує три способипередачі інформації:
— програмно-управляючапередача даних, що ініціюється процесором;
— програмно-управляюча передача, що ініціюється запитами на переривання відзовнішнього пристрою;
— прямий доступдо пам'яті (ПДП).
/>
Мал.4. Способи передачіцифрової інформації
Припрограмно-управляючій передачі, як це показано на мал. 4 а), передача сліввідбувається через регістри процесора: слово даних через контролер зовнішньогопристрою надходить до внутрішнього регістра мікропроцесора (акумулятора) і взалежності від потреб подальшої обробки надходить до ОЗП.
Припрограмно-управляючій передачі даних МП на під час цієї операції відволікаєтьсявід виконання основної програми, що веде до зниження продуктивності МП системи.Крім того, швидкість передачі даних через МП може виявитися недостатньою дляроботи з високошвидкісними ЗП.
Відрізняютьсяперший і другий спосіб передачі даних тільки ініціатором: при першому способі –це процесор ( наприклад, при виконанні команди програми, яка потребує дані ззовнішнього пристрою), при другому – це зовнішній пристрій, сигнал від якогомає назву – переривання.
Прямим доступомдо пам'яті називається обмін даними, що забезпечує автономну передачу даних міжОЗП і ЗП ( без участі мікропроцесора).
Прямий доступ допам'яті збільшує граничну швидкість введення/виведення інформації і загальнупродуктивність МПС, робить її більш пристосованою для роботи в системіреального часу.
Прямим доступомдо пам'яті управляє контролер ПДП, що виконує наступні функції:
— управлінняпередачею даних між ОЗП і ЗП, що ініціюється процесором або ЗП.
— визначеннярозміру блоку даних, що передаються та області пам'яті, куди записуються дані;
— визначенняадреси чарунок ОЗП, що беруть участь в передачі;
— підрахуноккількості байт, що передані через інтерфейс та визначення моменту завершенняоперації введення/виведення.
ФункціонуванняМПС – це процес, якій складається з виконання команд та обміну даними.
Процесфункціонування МПС зводиться до наступної послідовності дій:
отримання данихвід різних зовнішніх пристроїв (з клавіатури, від дисплеїв, з каналів зв'язку,від різного типу зовнішніх запам’ятовуючих пристроїв (дискети, флеш-карти,вінчестери)),
обробка даних і
видачарезультатів обробки на зовнішні пристрої (ЗП).
При цьому данівід ЗП, що підлягають обробці, можуть поступати і в процесі їх обробки.
Оперативнапам'ять (ОЗП) зберігає і видає по запитах команди програми, яку виконуємікропроцесор, різні дані (початкові, проміжні та кінцеві результати обробки);
Мікропроцесорвидає на шину адреси номер (адресу) чарунки ОП, в якій записана черговакоманда, і по шині управління в ОП поступають сигнали, що забезпечують читаннявмісту цієї чарунки. Чергова команда через шину даних передається вмікропроцесор. Тут команда розшифровується.
Якщо дані, якінеобхідні для виконання цієї команди, знаходяться в регістрах мікропроцесора,то мікропроцесор приступає до виконання вказаною в команді операції.
Якщо прирозшифровці команди з'ясується, що дані, що беруть участь в операції,знаходяться в ОП, то мікропроцесор виставляє на шину адреси адресу чарунки, дезберігаються ці дані; після видачі даних з ОП мікропроцесор приймає їх черезшину даних, потім виконується операція над даними.
Після завершенняпоточної команди на шину адреси видається адреса наступної команди, і описанийпроцес повторюється.
Обмін даними з ЗПможе здійснюється таким чином.
Мікропроцесор,виконуючи команду введення, подає на контролер відповідні керівні сигнали; даніз ЗП приймаються в регістр контролера, потім вони контролером видаються на шинуданих. Далі ці дані з шини даних приймаються в мікропроцесор. Потім в процесівиконання відповідної команди вони передаються в ОП.
Аналогічновідбувається обмін даними у зворотному напрямі — від ОП до ЗП. По відповіднійкоманді програми здійснюється прийом з ОП в мікропроцесор даних, що підлягаютьпередачі на ЗП, після чого по одній з наступних команд ці дані видаються нашину даних і через контролер обміну передаються на ЗП.
Описаний процесобміну припускає, що моменти обміну даними відомі наперед вже на етапіпрограмування, і в програмі передбачаються в певних місцях відповідні команди.
Моменти обмінуможуть визначатися і самим ЗП. В таких випадках ЗП подає в мікропроцесор певнісигнали і переводить його в стан переривання. Перебуваючи в стані перериваннямікропроцесор припиняє виконання основної програми і переходить до виконаннякоманд іншої програми (перериваючої програми), зберігається в ОП. Післязакінчення перериваючої програми мікропроцесор повертається до виконанняосновної програми.
Описані способизабезпечують низьку швидкість обміну, і застосовувати їх доцільно при обмініданими з низькошвидкісними ЗП.
При роботі з високошвидкіснимиЗП (такими, як що запам'ятовують пристрої на дисках і ін.) використовується такзваний метод прямого доступу до пам'яті (ПДП). В цьому режимі мікропроцесорвідключається від шин адреси і даних, надаючи їх в розпорядження ЗП длябезпосереднього обміну даними з ОП (без участі мікропроцесора). Обмін при цьомуорганізовується спеціальним контролером ПДП.
У режимі ПДП ЗПобмінюється з ОП не битами або байтами даними, а великими блоками даних. Вконтролер ПДП мікропроцесор заздалегідь поміщає інформацію, необхідну дляуправління обміном (адреса чарунки ОП, куди записується або звідки прочитуєтьсяперше належне обміну слово, кількість слів в блоці і ін.). В процесі обмінуконтролер ПДП видає на шину адреси адресу чарунки ОП, після закінчення передачіслова між ОП і ЗП через шину даних контролер ПДП збільшує на одиницю значенняадреси, видаваної на шину адреси. Після завершення передачі заданої кількостіслів контролер ПДП припиняє обмін, інформуючи про це мікропроцесор. Останнійвідновлює зв'язок з шинами адреси і даних і продовжує виконання програми.
Під організацією мікро-ЕОМ розуміютьсклад її програмно-апаратних засобів, зв'язки між ними і їх функціональніхарактеристики. Мікросистеми мають багаторівневу ієрархічну організацію збагатьма складовими компонентами на кожному рівні. З нижнім рівнемфункціонального опису МПС і її складових пов'язано поняття фізичної організаціїмікро-ЕОМ — її функціональна схема. Термін «логічна організація»відноситься до більш високих рівнів опису мікро-ЕОМ. Так, логічна організаціяна рівні апаратури — це склад, функціональні зв'язки і характеристики взаємодіїапаратних модулів в процесі виконання різних задач, які звичайно називаютьструктурною схемою або структурою. Про логічну організацію на рівні програмногозабезпечення (ПО) говорять як про обчислювальне середовище і її особливості.
Кінцева мета проектування МПС — створення працездатного і оптимального виробу на базі одного або декількох МП.Можливість її досягнення визначається в першу чергу вибором раціонального співвідношенняміж програмними і апаратними засобами. Для цього вводиться поняття архітектури.
Мікросистемам, побудованим па основімікропроцесорних комплектів (МПК) молодшого покоління, властива більш простаархітектура, що було важливе для інтегральної технології минулого десятиріччя.Проте обчислювальні можливості і швидкодія цих систем, як правило, були низькі.Удосконалення технологічних прийомів дозволило збільшити ступінь інтеграціїапаратури і перейти до складної 16-розрядної архітектури з віртуальноюпам'яттю, що забезпечує паралельну обробку багатьох задач в реальному масштабічасу.
Мікросистема (МС) складається зпобудованого на базі МПК центрального процесора (ЦП), основної пам'яті длязберігання програм і даних, а також підсистеми уведення-виведення для зв'язкуМПС із зовнішньою апаратурою. Задача управління МС покладається на ЦП, якийпов'язаний з пам'яттю і підсистемою ВВ через канали пам'яті і ВВ відповідно.Центральний процесор прочитує з пам'яті МС команди, які утворюють програму, ідекодує їх. Відповідно до результату декодування команд він здійснює вибіркуданих з пам'яті МС і портів введення, обробляє їх і пересилає назад в пам'ятьабо порти виводу підсистеми ВВ. Існує також можливість ВВ даних з пам'яті назовнішні пристрої і назад, минаючи ЦП. В такому випадку обмін данимивиконується через канал прямого доступу до пам'яті (ПДП), управління якимпокладається на підсистему ВВ. Іноді виділяються ресурси підтримки режимуреального часу, в найпростішому випадку що розділяються процесором і підсистемоюВВ.
/>
Мал.5 Базова організація мікро-ЕОМ
Кожний рівень організації мікро-ЕОМ ібудь-яка її складова частина мають достатньо складну внутрішню структуру,деталізація якої приводить до появи різних типів структур і обчислювальнихсередовищ. Відповідно до принципу програмного управління, що використовується вМС, їх організація в значній мірі визначається методологією побудови великихобчислювальних систем. Проте через особливості виробництва МПК БІС і їхвживання організація МС придбала ряд рис, не властивих великим ЕОМ.