Курс лекций по микропроцессорам

Первый микропроцессор Intel 4004. Характеристики: f = 750 кГц, 2300 транзисторов, цена 200$. Скорость обработки 6000 опер/сек. Alpha 21264 – фирма Dek f = 700 мГц, 15,2 миллионов транзисторов, цена 300$.
Скорость 2миллиарда опер/сек. Области применения БИС: Информационная измерительная техника поглощала 16% БИС, управление производством 18%, авиация и космос 15%, системы связей 14%, вычислительная техника 13%, военная техника 9%, бытовая техника 3%, медицинская техника 3%, транспорт 2%, и другие области 7%.
Структура микропроцессорной системы Простейшая однопроцессорная система МП – микропроцессор; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; ПЗУ – постоянное запоминающее устройство; УВв – устройство ввода; УВыв – устройство вывода; ИК – интерфейсный канал; МУ – магистраль управления; МД – магистраль данных; МА – магистраль адреса; ИВВ – интерфейс ввода – вывода; БСИМ – блок сопряжения с исполнительными механизмами; ИМ – исполнительные механизмы; Д – датчики информации состояния объекта управления; БСД – блок сопряжения с датчиками.
Назначение и функции блоков в микропроцессорной системе МП – центральный и главный элемент любой микропроцессорной системы в котором сосредоточены все функции обработки информации и выработки управляющих воздействий. ОЗУ – устройство, предназначенное для хранения отдельных программ работы микропроцессорной системы(МПС), хранения данных для обработки информации, записи и хранения результатов выполняемых функций, а так же для хранения любой другой оперативной информации для работы МПС в данный момент. По быстродействию ОЗУ должно быть близко к МП для того чтобы осуществлять эффективный обмен данными между МП и ОЗУ и наоборот. ОЗУ – является энергозависимым устройством. При отключении питания от МПС информация из ОЗУ теряется. ПЗУ – устройство, предназначенное для хранения всех основных программ работы МПС, а так же различных констант и другой постоянной информации, необходимой при работе МПС. По быстродействию ПЗУ должно быть близко к МП. ПЗУ – является энергонезависимым устройством и поэтому при отключении электропитания от МПС информация сохраняется полностью. УВв – устройство ввода необходимо для ввода в МПС дополнительной информации из окружения данной МПС. УВв может быть несколько десятков или сотен. Данное количество будет зависеть от сложности МПС и возможностей МП. УВыв – необходимы для вывода преобразованной информации в узлы и блоки окружающие МПС, а так же оператору. Данных устройств может быть очень много. УВыв имеют ИК. ИК – устройство, предназначенное для преобразования информации, поступающей с шин МПС в информацию удобную как для работы устройств вывода так и внешних устройств. ИКвывода – предназначен для преобразования информации, поступающей от внешних устройств и преобразования этой информации в удобную для работы МПС. Магистраль – блок, предназначенный для связи блоков и устройств в единое целое. Физически магистраль представляет собой набор электрических проводников из определенного материала и сечений. Требования к магистрали: Необходимая пропускная способность информации. Электрическая совместимость шин с устройствами. Это значит, что через проводник должна передаваться информация определенной величины. Чтобы бы мог выполняться временной протокол работы МПС(последовательности сигналов). Все выше рассмотренные блоки с системой шин представляют собой микроЭВМ. Контур управления: ИВв – при вводе информации в контур, служит для преобразования информации с шин МПС в форму удобную для работы БСИМ. БСИМ – предназначен для преобразования информации поступающей на его вход в электрические сигналы, необходимые для работы исполнительных механизмов. Объект управления – изменяет состояние объекта. Изменение объекта фиксируется датчиками Д, которых может быть очень много и которые передают эту информацию в виде электрических сигналов в БСД. БСД – преобразует информацию из Д в информацию удобную для работы ИВв. ИВв – преобразует информацию из БСД в информацию, удобную для работы МПС. Эта информация попадает на шины МПС и обрабатывается МП по особой программе в результате которой МП выдает управляющее воздействие для исполнительных механизмов.
Логическая структура развитого однокристального МП
Мупр Однокристальный – означает, МП выполняет на одном кристалле кремния. МУС – магистраль управления системы; МА – магистр адреса; МД – магистр данных; МУпр – магистр управления; БПр – блок прерывания; БМУС – блок местного управления и синхронизации; МД1 – магистраль ввода данных; БРгИ – блок индексных регистров для индексации команд; СТЕК – внутренняя память для хранения информации при работе МП в особых режимах; РгК – регистр команд; СчК – счетчик команд; РгС – регистр состояния МП, используемый для системного управления; МД2 – магистраль выводимых данных из МП; АЛУ – арифметическое логическое устройство; РгПр – регистр признаков предназначен для фиксации конкретных признаков, характеризующие результаты внутреннего управления; РгР – один или несколько регистров результатов операций; МДвн – внутренняя магистраль информационных данных; БРОН – блок регистров общего назначения(внутренняя память МП); БУВв – блок управления ввода – вывода информации.
Взаимодействия блоков МП Взаимодействие МП с внешними устройствами.(общая) Если такое взаимодействие необходимо внешнему устройству, то внешнее устройство на магистраль Мупр. выставляет сигнал о таком взаимодействии. Т.к. внешних устройств бывает много, то обязательно нужен блок для анализа этих сигналов от внешних устройств и выбирал из них тот сигнал, который на данный момент наиболее важный. Для целей служит Бпр, который выбирает один сигнал из множества пришедших и посылает его на БМУС. Этот блок необходим для осуществления подготовительных операций для организации прерывания. Как только эти команды готовы МП прерывает ее выполнение(основной программы) и все данные прерванной команды посылаются в СТЭК. Это необходимо для того чтобы после обработки прерывания МП мог вернуться в исходное состояние при прерывании программ. В регистр команд записывается(РгК) – информация о первой команде, выполняемой в подпрограмме. Одновременно с этим в СчК записывается номер ячейки памяти, где хранится вторая команда. В РгС заносится информация о том, что делает МП в данный момент и эта информация выносится за пределы МП в МП систему. После чего информация поступает в АЛУ и происходит выполнение команды по преобразованию данных. АЛУ далее записывает в РгПр признаки, характеризующие выполненную операцию. Одновременно с записью признаком информации из АЛУ передается РгР, где эти результаты хранятся или передаются, затем во внутреннюю или внешнюю память МП системы или эта информация через БУВв тому блоку, с которым взаимодействовал МП.
После того как программа прерывания выполнена последняя команда в подпрограмме прерываний





Структурная схема простейшего однокристального МП
МД – магистр данных; МА – магистр адреса; МУ – магистр управления; РгА – регистр адреса; Аккумулятор – специальный функциональный регистр; УУ – устройство управления МП; АЛУ – арифметико-логическое устройство, предназначенное для обработки и преобразования информации; РгП – регистр признаков, предназначен для регистрации признаков, характеризующих результат выполненной операции; БРОН – блок регистров общего назначения(внутренняя память МП); МУвн – магистр управления внутри; МДвн – магистр данных внут. связывающие все блоки в единое целое.

Структура МП КР580ИК80
Р2Аккум.
Внутренняя шина данных БРгД – буферный регистр данных; Аккумулятор(регистр А); РгАккум – вспомогательный регистр; РгВрХр – регистр временного хранения – операционного вспомогательного регистра. РгПр – регистр признаков; Сх.дес.кор. – схема десятичной коррекции; РгК – регистр команд; ДШК – дешифратор команд; УУ – устройство управления МП; РОН – регистр общего назначения; 8 – ми битный регистр W, Z, C, B, D, E, H, L – внутренняя память МП; 16 – ти битный SP – указатель схема; RC – счетчик команд; Инкр. декр – регистры инкрементирования декроментирования – служит для прибавления единицы в регистр или вычитания из содержимого регистра. MS – мультиплексор или многоканальный коммутатор; СВР – схема выбора регистров; БРгАдр – буферный регистр адреса.
Назначение блоков простейшего МП Устройство ввода вывода. Устройство функциональной обработки информации. Прием и дешифрация команд. Внутренняя память МП. Ввод и вывод информации осуществляется след. блоками. МД и БРгД – для приема и выдачи данных, а так же временного хранения этих данных. БРгАдр – для выдачи информации об адресах, которая поступает на МА вне МП. В операционный блок функциональной. информации входят: Аккумул. – это восьми битный регистр, который принимает данные для обработки информ. и через который производится большинство функциональной операции МП, а так же для записи результата выполненной операции; РгВрХр – предназначен для поступления исходных данных когда их количество равно 2; РгАккум – предназначен для временного хранения данных, переданного из аккумулятора; АЛУ – центральное обрабатывающие информацию устройство, которое выполняет все функциональные операции, которые может выполнять МП; из АЛУ информация записывается в аккумулятор. Такое автоматическое действие необходимо для увеличения быстродействия МП и уменьшения длительности самой команды. РгПр – предназначен для записи 5 признаков, характеризующих результат операции. Сх.десят.кор – необходима в случае работы МП с десятичной системой исчисления. 3. Блок приема и дешифрации команд РгК – предназначен для приема информации(старшего байта команды) из внешнего устройства памяти и временного его хранения; ДШК – команда дешифруется или кодируется и передается в УУ; УУ – восприняв эту информацию вырабатывает необходимые управл. воздействия для реализации данной команды. Внутренняя память МП Регистры W, Z – регистры в которые может записываться информация 0 2 и 3 байта команды в 1 W – 2 – ой байт, а Z – 3 – ий байт, поэтому эти регистры всегда заняты и при программировании не могут быть использованы. Свободными являются B, C, D, E, H, L – эти регистры используют программисты свободно, но регистр H, L часто используют в командах и не всегда бывают свободны. SP – служит для организации стеновой памяти внутри МП системы. PC – предназначен для записи номера ячейки памяти очередной выполняемой команды его содержимое увеличивается на 1 при исполнении очередной команды при выполнении линейных программ. Команды: 1 – ВД – выдача данных 2 – ПН – прием информации 3 – РПР – разрешение прерывания 4 – ЗПР – запрос на прерывание 5 – ПЗХ – подтверждение захвата 6 - ЗЗХ – запрос захвата 7 – ОЖ – команда ожидания 8 – ГТ – команда готовности 9 – С – синхронизирующий импульс 10 – Ф1│частотные последовательности высокой стабильности и заданного уровня V; 11 – Ф2│эти последовательности необходимы МП для выполнения всех функциональных операций во времени и величина f – ти этих последовательностей определяет быстродействие данного МП. 12 – Сбр – сигнал сброса МП.
Регистр признаков (РгПр) РгПр – представляет из себя 8 – ми битный регистр (F), в него можно записать 5 признаков. 7 Per F 0
b7
b6
b5
b4
b3
b2
b1
b0 b7 – записыв. признак S – или это признак знака число – означает, если: b7 = “1” отрицательный знак числа b7 = “0” положительный знак числа b6 – признак Z – признак нулевого результата: b6 = “1” то результат нулевой(ноль) b6 = “0” то не нулевой результат(число) b5 – постоян. признак и сюда записывается лог”0” b4 – изменяемый признак AC – это признак межтетрадного переноса ↔
…………………
……………… . Тетрадь Тетрадь b4 = “1” произошел межтетрадный перенос b4 = “0” межтетрадного переноса не было b3 – неизменяемый признак равен лог. “0” и он не меняется b2 – признак P или признак паритета, если признак: b = “1” – количество единиц записанных в результате четное. b = “0” – количество единиц в результате нечетное.
b1 – частный признак и он не изменяется и сюда всегда записана лог.”1” b0 – признак переноса СУ – признак межбайтового переноса. ↔ 15 8 7 0
………………… ……………… . Если произошел перенос единицы из 7 в 8 и наоборот, то был межбайтовый перенос. Если b0 = “1”,то перенос был. b0 = “0”,то переноса не было.
Объединение регистра А и регистра F регА регF
…………………
……………… . Словосостояние МП Словосостояние выставляет всегда на внешние шины данные о информировании внешнего устройства о состоянии МП.
Стековая память Стек. памятью называется искусственно организованная программистом память, необходимая для запоминания информации, которую необходимо туда послать в режимах прерывания. Запись информации в стек идет снизу вверх.
Информация в микроЭВМ, и кодирование информации в ЭВМ. Информация – неравномерность распределения энергии в пространстве и во времени. Электрическое поле Магнитное поле Электромагнитное поле(световая волна) Сигналы бывают двух классов: Аналоговые Цифровые АЦП – аналогово-цифровой преобразователь ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь 1.Адресная информация – является целостной(т. е. целые числа) Дешифратор – устройство имеющие “n” выходов и 2n выходов “n” “2n” 2.Данные – мы понимаем все вещественные числа, которые обрабатываются в микроЭВМ кроме вещественных чисел данные могут иметь коды а) вещественные числа б) коды Данные определяются с помощью команд, которые МП выполняет 3.Буквенная и знаковая информация Для буквенной, знаковой информации существуют международные коды: ASCI I
Переход из одной системы исчисления в другую, т. е. кодирование информации в системах счисления. Наиболее широкое применение находят 8 – ти и 16 – тиричная система счисления (простота и компактность). Цифра - 15 (10) – система счисления
“10”
“2”
“16”
0
0000
0
1
0001
1
2
0010
2
3
0011
3
4
0100
4
5
0101
5
6
0110
6
7
0111
7
8
1000
8
8
1001
9
10
1010
A
11
1011
B
12
1100
C
13
1101
D
14
1110
E
15
1111
F
Переход из десятиричной в двоичную систему 21(10) → x(2) 21 2 20 10 2 1 10 5 2 0 4 2 2 1 2 1 2 0 0 0 1 21(10) → 10101
Переход из десятеричной в шестнадцатеричную систему 13(10) → x(16) 13 16 0 0 13 ≈ 0 56(10) → 38(16)
Обратный переход из двоичной в десятиричную систему 10101110(2) → x(10) (27*1) + (26*0) + (25*1) + (24*0) + (23*1) + (22*1) +(21*1) + (20*0) = 128 +32 + 8 + 4 + 2 = = = 174(10)
Обратный переход из шестнадцатиричной в десятиричную систему 2С6Е(16) → х(10)
163
162
161
160
2
С
6
Е
4096*2 = 8192
+
256*12 = 3072
+
16*6 = 96
+
1*14 = 14 = 11374(1)
Кодирование дробного десятиричного числа Из 10 в двоичную 0,065 – неправильная дробь т. е. есть после дроби ноль Кодировать в двоичную систему можно только правильную дробь
0,65*10-1 n = 5 – кодируем до пятого знака 0,65 0,65(10) → 0,10100(2) * 2 1,30 * 2 0,60 * 2 1,20 * 2 0,40 * 2 0,8 Если кодировать 2.56, то двойку кодируют отдельно и 0,56 также отдельно
Переход из двоичной в шестнадцатиричную систему 1011.0001(2) → В1(16) ← ← В 1 3С2(16) 0011 1100 0010 1101,11110(2) 8421 2-12-22-32-42-5
Кодирование знака числа Для того чтобы кодировать вещественные числа мы должны знать число, бит в максимальном числе nmax n = 8 7 0

b6
b5
b4
b3
b2
b1
b0 Знак Все значения, записанные с b1 до b6 это число b7, это знак если b7 = 1 “ - “, b7 = 0 “ + ” 10011111 минус
Арифметическое сложение вещественных чисел Если мы имеем два вещественных числа для того чтобы упростить программирование арифметики вещества чисел вводятся коды для отрицательных чисел Прямой Обратный(инверсный) Дополнительный n = 8 10011100 – прямой 11100011 - обратный + 1 11100100 – дополнительный код
Обратный переход 11100100 – дополнительный код - 1 11100011 – обратный 10011100 – прямой сложение (+6) 00000110 + + (+5) 00000101 (+11) 00001011 (+6) 00000110 – прямой код + 10000100 – прямой код (-4) 11111011 – обратный код (+2) 1 11111100 – дополнительный код(-4) 00000110 – прямой код(+6) 100000010 – (+2) выходит за пределы регистра и теряется (+6) 00000110 прямой + (-D) 10001101 прямой(-7) (-7) 11110010 обратный + 1 11110011 доп. код (-7) 00000110 (-6) 11111001 - 1 11111000 обратный код 10000111 (-7) Для сложения двух отрицательных чисел нужно их перевести в дополнительный код.
Суммирование двоичное 0 + 0 = 0 0 + 1 = 1 1 + 1 = 10
Вычитание 0 – 0 = 0 1 – 0 = 1 1 – 1 = 1 10 – 1 = 1
Логические операции Инверсия (НЕ) 0 → 1 1 → 0 Дизъюнкция (ИЛИ) 0√ 0 = 0 0√ 1 = 1 1√ 0 = 1 1√ 1 = 1 Коньюнкция (И) 0 ^ 0 = 0 0 ^ 1 = 0 1 ^ 0 = 0 1 ^ 1 = 1
Сложение по модулю два 0 + 1 = 1 1 + 0 = 1 0 + 0 = 0 1 + 1 = 0
Операции сдвига Существуют следующие виды сдвигов Простой сдвиг Циклический сдвиг Циклический сдвиг с переносом Арифметический сдвиг Простой сдвиг Рег А 7 вправо→ 0
b7
b6
b5
b4
b3
b2
b1
b0 0→ →b0 Каждый сдвиг может быть вправо или влево. При простом сдвиге b0 выносится из регистра и теряется 11001100 → →01100110→0 Циклический сдвиг (влево) ←
b7
b6
b5
b4
b3
b2
b1
b0 b7← ← ← ← ← ← ← ← ←
← 1010.0010 0100 0101 Циклический сдвиг переноса Рег F ←
b7
b6
b5
b4
b3
b2
b1
b0 b7 ← ← ← ← ← ← ← ← Вытесненный b7 запоминается в регистре признаков F Такие сдвиги осуществляются чтобы создавать в МП сложные разветвленные программы Арифметический сдвиг ← влево
b7
b6
b5
b4
b3
b2
b1
b0 Знак ← ← ← ← ← ← ← b7 – сдвигу не подлежит т. к. он знаковый Сдвиг осуществляет только величины числа, но не знака
Система команд МП КР580 КОП операнд 1 операнд 2 Код операции КОП – несет общую информацию о выполняемой команде Регистровый метод адресации является самым быстродействующим т. к. не нуждается в дополнительном обращении к внешним системам. Обычно эти команды однобайтовые. Непосредственная адресация – метод, когда в составе команды находятся непосредственные данные с которыми необходимо произвести определенные действия. Этом метод адресации не является быстродействующим т. к. команда 2 или 3 байта и поэтому требуется дополнительное обращение МП к внешней памяти. Косвенная адресация Это такой вид адресации когда в передаче информации непосредственно принимает участие устройство посредник.
УУ
ДШ ОЗУ → MD → РгДан → Внутр.магистр ↓ РК – АЧ ↓ ↓ ДШ МD ↓ ОЗУ ← МА ← РгАдр ← (H,L) ← УУ ↓↓↓ ((H,L)) ← B2 – в H,L должен лежать N ячейки памяти куда надо записать информацию. Популярность этого метода заключается в том, что он очень гибок при написании и исполнении программ. Этот метод позволяет программным способом взаимодействовать с любой ячейкой памяти ОЗУ.
Классификация программ по функциональному признаку Делятся по функциональному признаку на: Команды пересылки данных Команды арифметических операций Команды логических операций и сдвигов Команды управления программой и организация программ Команды управлением МП Все эти признаки введены в наборе команд МП Кроме основных групп есть разбиение на подгруппы: Команда пересылки данных: - Команды с одинарной точностью или однобайтовые - Команды с удвоенной точностью 2, 3 байта - Операции со стеком - Команды ввода – вывода информации 2. Команды арифметических операций - Команды с одинарной точностью - Команды с удвоенной точностью - Команды, увеличивающие на единицу содержимое регистра и уменьшающие на единицу содержимое регистра 3. Логические операции сдвига - Логические операции - команды сдвигов 4. Команда управляющие подгруппой - Команды сравнения - Команды управления программой
- Команды организации программ - Команды организации прерывания основной программы 5. Команды управления не классифицируются
Примеры выполнения команд МП
Любая команда в наборе команд характеризуется следующими признаками: Формат(одно, двух байтные) Время выполнения(мксек, сек) Мнемокод(MOV R1,R2) Функциональное назначение команды Описание действия команды в логической форме (R1)←(R2) приемник источник информации
POH
B
C
D
E
H
L
M
A
код
000
001
010
011
100
101
110
111 Пример MOV B, E Код 0100.0011 = 43(16) 4 3 MOV M, C
01
110
001 код 71(16) MOV M C
Команды работы со стеком PUSH RP – для записи из регистровой пары в стек (SP)←(RP) (SP-1)← старший байт (SP-2)←младший байт
PR
B
O
H
SP
код
00
01
10
1 11 RP01 0101 Пример:
Функционирование МП. Алгоритм выполнения команды МП Алгоритм работы МП по выполнению конкретной программы – Вычисление адреса команды – Выборное команды из внешней памяти – Дешифрация команды – Вычисление адресов операнды – Выборка операнда из внешнего устройства ЗУ – Исполнение операций заданной командой и запись результата
Понятия о цикле машинном Машинным тактом называется временной интервал между двумя одноименными точками двух последовательных импульсов последовательности Ф1 и Ф2 Машинным циклом называется временной интервал, включающий в себя от трех до пяти машинных тактов
Таблица машинных циклов
Тип машинных циклов
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
Код
1.Выборка кода операций
1
0
1
0
0
0
1
0
А2
2.Чтение из памяти
1
0
0
0
0
0
1
0
82
3.Запись в память
0
0
0
0
0
0
0
0
00
4.Запись в стек
0
0
0
0
0
1
0
0
04
5.Чтение из стека
1
0
0
0
0
1
1
0
86
6.Чтение из устройств ввода-вывода
0
1
0
0
0
0
1
0
42
7.Запись в устройство ввода-вывода
0
0
0
1
0
0
0
0
10
8.Обработка прерывания
0
0
1
0
0
0
1
1
23
9.Команда останов
1
0
0
0
1
0
1
0
8А
10.Обработка прерывания при останове
0
0
1
0
1
0
1
1
2B Код – код состояния машинного цикла. Показывает какой из циклов выполняется МП. Этот код всегда выставляется на магистраль данных перед блоком основной команды и информирует внешнее устройство каким циклом занят МП для того чтобы организовать какие – то промежуточные операции.
Примеры рассмотрения выполнения команды во временном интервале МП.(циклограмма) SUI60 – операция вычитания из аккумулятора число 60 А←(А) – это расписан SUI60 – её код 06 Состояние регистров МП до выполнения команды: А, F, B, C, D, E, H, L, SP, PC 80 43 80 33 80 32 80 20 8700 8006 Внешняя память 8006 – D6 8007 – 60 Ф1 – Ф2 – определяют временной режим работы МП.(частотные последовательности) Они поступают от внешнего устройства – генератора импульсов. М1 – М2 – машинные циклы М1 – состоит из 4-х тактов, М2 – из 3-х тактов; М1 – это выбор кода операции команды из внешнего устройства М2 – чтение из внешней памяти данных С – импульс синхронизации, который предназначен для внешних устройств. Для того чтобы можно было записать байт состояния машинного цикла. Далее на магистрали данных МД выставляется байт состояния машинного цикла, который информирует о том, что МП начинает осуществлять выборку кода операции. Далее берется код команды D6 и выставляется на магистраль данных Код D6 → MD → PK РгА ↓ ↓ ДШК АЛУ ↓ УУ ↓↓↓↓↓ Далее выставляется М2 PC(8007) МА → MD(60) → рег.W Перед тем как выполнить команду обязательно появляется байт состояния машинного цикла. ПМ – шина прием После появления в первом машинном цикле MD – кода D6 – на линии прием ПМ появляется импульс разрешающий запись кода D6 в регистре команд. В М2 после байта состояния на МD выводится данные в виде числа 60. Далее возникает импульс прием, который разрешает запись данных в вспомогательный регистр W. Стадия выполнения команды происходит мгновенно.
Диаграмма состояний машинного цикла МП – 580
Временные диаграммы машинных циклов
Ф1 Если МП обрабатывает основную программу и нет никаких внешних отвлечений, то выполнение машинных циклов идет по порядку (М1→ М2 → М3 ….) При возникновении запросов от внешних устройств для выполнения особых операций по программам могут возникать особые состояния, в которых будет находиться МП. Таких состояний несколько: 1. Состояние при обработке сигнала готовность 2. Особое состояние при обработке запроса на прерывание 3. Особое состояние при осуществлении режима прямого доступа в память 4. Особое состояние при обработке команды останов
1.Реакция МП на сигнал готовность Сигнал готовность выдается внешним устройством и задает режим работы МП. По переднему фронту сигнала Ф2 в такте Т2 снимается сигнал С(синхроимпульс), а буфер ШД МП переводится в режим приема и формируется сигнал ПМ. Если в текущем машинном цикле осуществляется прием данных в МП или на ШД выдаются данные. Если в текущем машинном цикле осуществляется передача данных из МП во внешнюю по отношению к нему подсистему. В это же время проверяется уровень сигнала на линии готовность ГТ. Если сигнал имеет ГТ = “лог 1”, что говорит о готовности внешнего по отношению к МП устройства к обмену информации, то МП переходит к выполнению такта Т3. Если на линии ГТ = “лог 0” то МП не переходит к выполнению такта Т3, а входит в особое состояние ожидания Т ож. В этом состоянии на шине адреса сохраняется адрес выданный в такте Т1 и сохраняется сигнал прием ПМ, если текущий машинный цикл связан с приемом данных в МП. По переднему фронту последовательности Ф1 в такте следующим за Т2 на выходе ожидание МП формируется “лог 1” то есть выдается сигнал ожидание. Продолжительность состояния Т ож определяется временем нахождения на линии ГТ сигнала “лог 0”, и равно целому количеству тактов. Если на линии ГТ сигнал = “лог 1”, который анализируется по сигналу последовательности Ф2, МП переходит к выполнению Т3 и по переднему фронту Ф1 снимается сигнал ожидания. Наличие в МП операции анализа готовности внешнего по отношению к нему устройства к обмену информации с устройствами быстродействие которых меньше быстродействия МП. Когда МП находится в режиме ожидания он не выполняет никаких операций по преобразованию данных (стоит и ждет).
2.Реакция МП на сигнал запрос – прерывание (З.Пр) МП анализирует сигнал З.Пр при выполнении всех команд, кроме команды EI (разрешение прерывания), если внутренний триггер – разрешения прерывания установлен в “1” и соответственно на выводе Если поступил сигнал З.Пр и РПР, то по переднему фронту последовательности Ф2 последнего такта, последнего машинного устанавливается внутренний триггер прерывания. В этом случае следующим тактом будет Т1 цикла М1 команды RST(команда выхода на подпрограмму прерывания). Следовательно при поступлении З.Пр обеспечивается полное выполнение текущей команды прежде чем МП перейдет в режим обслуживания прерывания . В Т1 по переднему фронту последовательности Ф2 адрес очередной команды т. е. содержимое программного счетчика передается на шину адреса. На шину данных поступает информация состояния машинного цикла и МП выдает сигнал С (синхронизация). В этом же такте по переднему фронту последовательности Ф2 сбрасывается внутренний триггер разрежения прерываний и формируется на выходе РПР сигнал лог”0”. Следовательно МП будет игнорировать последующие запросы прерываний до тех пор пока триггер РПР не будет установлен командой EI. В такте Т2 сбрасывается внутренний триггер прерывания с ШД во внешний регистр может быть записана информация состояния машинного цикла по переднему фронту Ф2. ШД МП переводится на прием данных и формируется сигнал ПМ. Содержимое программного счетчика в этом случае не увеличивается на единицу из – за формирования специального запрещающего импульса препятствующего увеличению этого счетчика. Это необходимо что бы возвратиться к выполнению прерванной программы после окончания обработки подпрограммы прерывания RST.
Хотя МП в Т2 Сформировал сигнал ПМ, однако извлечение очередной команды из устройства памяти не произойдет т. к. записанная информация состояния машинного цикла соответствует выполнению команды RST. По сигналу прерывания, внешнее устройство выдает на шину данных код команды RST, имеющий вид (11ААА111), где ААА – код подпрограммы прерывания.
Первый машинный цикл команды RST включает 5 тактов. Выполняется команда RST за три машинных цикла. Машинные циклы М2 и М3 включают по три цикла и предназначены для записи в стек содержимого программного счетчика т. е. адреса очередной невыполненной команды прерванной программы. Старший полуадрес прерванной команды записывается в стек прерванной команды во втором машинном цикле, а младший полуадрес в третьем машинном цикле. При выполнении команды RST в программный счетчик загружается адрес подпрограммы обслуживания прерывания. PC ← (0000000000ААА000) – код начального адреса ячейки памяти, где записана подпрограмма прерывания. Последний командой в подпрограмме прерываний является команда обращения в стек, которая забирает информацию из стека в номере ячейки прерванной команды и посылает ее в счетчик команд. На этом процесс прерывания заканчивается и МП переходит к дальнейшему выполнению прерванной подпрограммы. Этот режим очень часто используется в управляющих системах.
3.Реакция МП на сигнал запрос захвата(3.3Х) МП позволяет организовывать обмен информации в режиме прямого доступа к памяти ПДП. Этот режим должен оказаться целесообразным, если в составе МПС имеются устройства с высокой скоростью передачи данных или МПС взаимодействует с устройствами, имеющими высокую скорость передачи данных. Режим ПДС осуществляется следующим образом; обычно этот режим этот режим осуществляет специальная интегральная схема, называемая контроллером ПДП. Если от контроллера ПДП приходит сигнал 3.3Х = “1” то МП приостанавливает выполнение программы, переводит буферные регистры шин адреса и данных в третье состояние и выдает сигнал П.ЗХ(подтверждение захвата). После этого шинами адреса и данными МПС управляет контроллер ПДП, осуществляя обмен данными между устройством и памятью МПС. МП анализирует сигнал запрос захвата по сигналу последовательности Ф2 такта Т2 в текущем машинном цикле. Однако переход МП в режим захват или ПДП производится после завершения передач в текущем машинном цикле. При наличии сигнала .3Х более высокий приоритет имеет сигнал готовность ГТ. МП формирует сигнал П. ЗХ по переднему фронту Ф1 и переводит буферные регистры шин адреса и данных в третье состояние по переднему фронту сигнала Ф2. Если в текущем машинном цикле производится прием в МП, то выдача сигнала П.ЗХ и отключение МП от шин адреса и данных осуществляется в такте Т3. Если в текущем машинном цикле производится выдача данных из МП, то выдача сигнала П. ЗХ и отключение МП от шин адреса и данных осуществляется в такте, следующем за тактом Т3. Если текущий машинный цикл содержит такт Т4 и Т5, то они совмещаются с ПДП, следовательно во всех случаях при переходе в режим захват МП полностью выполняет текущий машинный цикл. Продолжительность состояния захват определяется временем действия сигнала 3.3Х. После окончания ПДП МП всегда переходит к выполнению Т1 очередного не выполненного машинного цикла.
Реакция МП на сигнал сброс Сигнал сброс подается на МП для установки его на выполнение программы с нулевого адреса памяти. Сброс производится путем подачи на вход СБР лог”1”, продолжительность этого сигнала должна быть не менее трех периодов синхронизации после установки на входе СБР сигнала лог”0” по переднему фронту Ф1 генерируется сигнал внутреннего сброса, поэтому сигналу в программный счетчик загружаются нули и МП переходит к выполнению Т1 машинного цикла М1 команды начинающейся с нулевого адреса. С этой команды обычно начинается программа инициализации МПС.
4.Особое состояние при обработке команды останов(HLT) Команда HLT выполняется МП за два машинных цикла включающих 7 тактов. Машинный цикл М1 выполняется за 4 такта, а М2 за 3 такта. В М1 такты Т1 – Т3 образуют фазу адресации и предназначены для выборки кода команды из подсистемы. В Т4 производится дешифрирование кода команды. В М2 осуществляется выполнение команды. В Т1 машинного цикла М2 по переднему фронту последовательности Ф2 МП выдает на шину адреса – адрес текущего обращения и внешним подсистемам. А на шину данных – информацию состояния машинного цикла. Наличие на шине данных информации состояния машинного цикла сопровождается сигналом “C”(синхронизацией). В Т2 по переднему фронту последовательности Ф2 внутренние буферы шин адреса и данных МП переводятся в третье состояние т. е. отключаются от шин. В Т3 машинного цикла М2 по переднему фронту последовательности Ф1 МП выдает сигнал ОЖ(ожидание), после этого МП переходит в состояние останов, в котором он не производит операции по перемещению и преобразованию данных. Из состояния останов МП может быть выведен сигналом сброс или сигналом З.Пр. Если вывод МП из состояния останов осуществляется сигналом сброс, то этот сигнал равный лог”1” должен иметь продолжительность не менее трех периодов синхронизации. Когда на линии сброс после этого устанавливается сигнал равный лог”0”, то по переднему фронту последовательности Ф1 генерируется внутренний сброс, который описан выше. МП может быть выведен из состояния останов подачей сигнала З.Пр равного лог”1” для того чтобы МП среагировал на сигнал З.Пр необходимо чтобы внутренний триггер РПР был установлен в состояние лог”1”. Необходимо триггер РПР установить с помощью команды ИИ до команды HLT. По сигналу З.Пр МП переходит к выполнению машинного цикла М1 команды РСТ. Если МП введен в состояние останов при сброшенном триггере РПР, то вывести его из этого состояния можно только сигналом сброс. Если МП находится в состоянии останов, то он обычном образом реагирует на сигнал З.ЗХ (прямой доступ в память).
Некоторые схемные решения узлов МП систем
Построение центрального процессорного устройства на основе КР580 Это устройство рассмотрим на примере электрического исполнения Центральным процессорным (ЦП) устройством будем называть МП с дополнительными блоками для организации магистралей адреса, данных, управления. Дополнительные устройства в ЦП ставятся, для того чтобы разгрузить по мощности интегральную схему т. к. все дополнительные устройства включаются последовательно.
Понятие о МП компонентах МП комплектом называется набор интегральных схем совместимых между собой, выполненных по единой технологии и предназначенных для построения простейших МП систем.
Классификация МП компонентов По технологии изготовления – Р – МОП (на полевых VT – рах с Р каналом) а) n – МОП (на полевых VT – рах с “n” каналом) б) ТТЛДШ (транзистор - транзисторная логика с применением диодов шотки)
в) Нанотехнологии – современные технологии L ≈ 0,1 мкм. 2. По числу архитектуры: а) однокристальные МП б) секционные МП в) однокристальные микроЭВМ
3. По назначению: а) Универсальные МП б) Специализированные МП 4. По разрядности данных: а) двухразрядные б) 4-х разрядные в) 8-ми разрядные г) 16-ти разрядные д) 32-х разрядные е) 64-х разрядные 5. По виду обрабатываемой информации: а) Цифровые МП – наиболее распространенные б) Аналоговые МП Аналоговый МП Uвх 6. По виду временной организации работы: а) Асинхронные МП б) Синхронные МП Асинхронные – входные и выходные сигналы могут поступать и появляться в случайные моменты времени(высокая помехозащищенность). Синхронные – подача и выдача информации происходит в строго определенные моменты времени, которое задается синхронизирующей последовательностью импульса. 7. По числу одновременно выполняемых команд: а) Однокомандные МП б) Многокомандные МП Все простейшие МП работают по однокомандной системе. Это значит, что в один интервал времени выполняется одна командна.
Электрическая схема ЦПИ Генератор тактовых импульсов Интегральная схема МП Две интегральные схемы МП Одна интегральная схема системного контроллера . RDYIN – вход сигнала готовности (ГТ); RESIN – вход сигнала установил МП в исходное состояние (сброс); STSTB – отрицательный стробирующий импульс состояния МП; Ф1ТТЛ – частотная последовательность Uи = 3,2 ÷ 3,5 В; OSC – сигнал осцеляции; Ф1 – Ф2 – основные стабильные частотные последовательности для организации работы МП; READY – вход сигнала готовности; SING – синхронизирующий сигнал “C”; RESET – сброс; WAIT – сигнал ожидания; INTE – сигнал разрешения – прерыв(РПР); HOLD – 3.3Х; INT – запрос на прерывание; WR – сигнал записи; DBIN – сигнал ввода информации с шины данных; HLDA – подтверждение захвата (П.ЗХ); SUSEN – вход управления с системной шины управления; MEMR – чтение из памяти; MEMW – сигнал записи в память; I / OR – чтение из устройства ввода – вывода; I / OW – запись в устройство ввода – вывода; INTA – подтверждение прерывания (РПР); OE – управляющий сигнал (синхро – импульс); Т – двунаправленный сигнал.
Управление шинным формирователем
Значение сигнала
Направление передачи информации
ОЕ
Т
0
0
от В к А
0
1
от А к В
1
Х
нет передачи
Многорежимный буферный регистр К589ИР12 D0 – D7 – входная однобайтовая шина данных; Q0 – Q7 – выходная однобайтовая шина данных; ЗП – запрос на прерывания; С – синхроимпульс; ВК1 – ВК2 – управляющие входа выбора кристалла, обеспечивающие режим включения и выключения схемы; ВР – управляющий вход, определяющий направление информации и запоминание ее в регистре); R – сброс. Используется для организации ввода и вывода данных во внешнее устройство, временное хранение данных. Эта схема может организовать запрос на прерывание. Для включения схемы в работу на ВК1 надо подать лог”0”, а на ВК2 лог”1”. Если на ВР подаем лог”0”, то информация из регистра передается на выход Q, и производит связь между входом и выходом D и Q. Если на BP = 1, то выход запирается и информация не передается. Если на С = 1, то организовывается сигнал запроса. При поступлении лог”0” на R сбрасывается вся информация из регистра (очистка). Данный регистр может быть использован как простейшее устройство ввода – вывода информации из МПС.
Устройство ввода информации: Внешнее устройство выставляет импульс на вход “C”, запрашивая разрешения работать с МП. Этот сигнал схемой преобразуется и подается как сигнал запроса в МП. Если МП дает разрешение на запрос к внешнему устройству, то подается сигнал РПР.
Устройство вывода информации: От ВУ подается сигнал на вход “C”, затем преобразуется схемой и выдается сигнал запроса, который поступает в МП. МП выдает разрешение на запрос и МП выдает выставляет один байт данных на ШД и МП подает сигнал ВР = 0, схема открывается и на выход выдается сигнал, поступающий к внешнему устройству Q. После окончания выдачи всей информации МП сообщает внешнему устройству о конце работы. После окончания выдачи всей информации МП сообщает внешнему устройству о конце работы. После получения этого сигнала внешнее устройство выдает на вход R сигнал сброса и стирает
Запоминающие устройства(ЗУ)
Устройства памяти(УП) Классификация ЗУ классифицируются по следующим признакам: Функциональное назначение ЗУ. Пор функциональным назначениям ЗУ бывают следующих типов: -Сверхоперативное ЗУ. К ним относятся устройства, состоящие из регистром и внутренней памяти МП. Т.к. время обращения к внутренним регистрам очень маленькое, то все операции, связанные с запоминанием и чтением информации происходят в короткое время. -ОЗУ. Предназначено для хранения данных некоторых программ, результатов вычислений и другой оперативной информации, необходимой на момент произведения данной операции. Это обычно внешнее устройство.
-ПЗУ. Предназначено для хранения программ, постоянных констант и другой постоянной неизменной информации, которая необходима в работе МПС. -Полу ПЗУ. Отличаются от ПЗУ тем, что эти устройства можно небольшое количество раз перепрограммировать. Перепрограммирование этих ЗУ происходит на спец.установках.
-Внешние ЗУ. Предназначены для хранения большого объёма информации, которая не очень часто используется в работе. -Буферное ЗУ. Предназначено для осуществления согласованных действий между двумя блоками МПС. Элементами этих ЗУ являются статические электронные элементы, например, триггеры. Динамические ячейки ЗУ основаны на конденсаторах. Лог «1» является заряженный конденсатор, лог «0» - разряженный. По частоте, если есть на выходе частота, то это лог «1», если нет – «0». Наибольшее применение находят статические элементы, т.к. они более простые и не требуют дополнительно энергии для хранения информации. Динамические, основанные на конденсаторах, должны подзаряжаться, т.к. конденсатор со временем разряжается. по способу организации системы обмена информации По этому поводу существуют ЗУ с произвольной выборной (ЗУПВ), это значит, что запись и выборку информации можно производить в любой момент времени. -ЗУ с последовательным обращением(ЗУПВ), запись информации происходит одна за другой. Но читать при этом невозможно, и наоборот, если происходит чтение – нельзя записывать. -ЗУ с последовательно-параллельным информационным обменом. Эти устройства могут работать как в последовательном, так и в параллельном режимах в момент записи и чтения информации. 3. По конструктивным особенностям: а) встроенные в кристалл МП б) исполнение в виде отдельных БИС, т.е. это отдельные элементы в) Группа ИС на одной плате с устройством управления. г)Блоки, выполненные в виде отдельного устройства по отношения к МПС в виде наращиваемого модуля. д)блоки, сконструированные до появления ПК, использовались в старых ЭВМ.
Основные параметры ЗУ -Одним из основных параметров ЗУ является ёмкость устройства. Ёмкость определяется по формуле C=N*n N-количество ячеек в данном ЗУ n-разрядность одной ячейки(бит) -Быстродействие ЗУ характеризуется а) Временем выборки tвбр – представляет временной интервал между моментом подачи сигнала выборки и последним моментом времени считывания данных на выходе схемы. б) Цикл записи (время записи tзап) - определяется минимально допустимым времени между моментом подачи сигнала при записи и моментом, когда допустимо следующее обращение к памяти. -Потребляемая мощность. -Набор питающих напряжений(В) -Тип корпуса (пластмассовый, металлический, квадратный, круглый)
Простейшее устройство БИС и его функционирование ЭП - элемент памяти, C=N*1=N это однобитное устройство ЭП – элемент памяти в виде триггера n1-строки n2-столбцы РЗ – разрешение записи (разрешающий сигнал записи) Режим записи информации: При записи информации в ЗУ на ШД выставляются бит данных, на ША выставляется двоичный код адреса ячейки памяти, куда требуется записать информацию. Далее информация записывается в РгАдр и разделяется на n1 и n2. Таким образом n1 поступает в ДШ строк, где для работы этого ДШ подаётся управляющий сигнал ВК. При наличии ВК и n1, ДШ строк активирует на выходе 1. Этот выход 1 подаётся на первую строку ЭП. Элемент адреса n2 подаёт информацию в ДШ столбцов, где активируется также один выход из n выходов(например, 1). Информация с первого выхода подаётся на все ЭП в столбце и таким образом активизирует ЭП, на который одновременно поступил сигнал с ДШ строк и ДШ столбцов, а остальные элементы остаются пассивными. Активизированный ЭП готов к приёму или считыванию информации.
Режим чтения На ША выставляется адрес ячейки памяти, с которой надо считать информацию. Ячейка памяти также описывается и при записи. Сигнал РЗ отсутствует, поэтому информация со входа не пройдёт. Активный ЭП подключается к линиям, которые передают сигнал на линии усилителей чтения, где сигнал усиливается по мощности, далее - на Т для выравнивания фронта и подаётся на выход.
Временные диаграммы работы простейшего ЗУ в режиме чтения и записи. В момент t1 выставляется номер ячейки памяти, из которой нужно взять информацию. В этот же момент подаётся сигнал ВК, разрешающий работу устройства памяти. В этот же момент подаётся сигнал РЗ, который запрещает запись информации в ЗУ. Чтение данных производится в t2 и задержкой tзад. Это необходимо для того, чтобы исключить все переходные процессы, возникающие на внешних шинах. Это делается, чтобы не повредить записанную в ячейке памяти информацию. Момент t2 начинают выдаваться данные на выход ЗУ и продолжаются до t3. После t3 снимаются все сигналы с линии. ЗУ отключается, переходит в режим хранения информации. 2. Режим записи
РЗ
ВК
ШД
t1
t4
t
t

Данные При записи информации в t1 на ШО выставляются данные. В этот же момент подаётся сигнал ВК, разрешающий работу ЗУ. Эти данные поступают на вход ЗУ, но сигнал РЗ подаётся только в момент t2 с задержкой tзад2. Это необходимо, чтобы исключить переходные процессы на внешних шинах при включении информации. В моменты t2 и t3 информация записывается в ячейку памяти и в момент t3 сигнал с РЗ снимается. Этот сигнал снимается раньше на время tзад3 , для того чтобы исключить влияние переходных процессов. В момент времени t4 снимаются все сигналы с ЗУ и внешних шин. ЗУ переходит в режим хранения информации.
Схема наращивания разрядности ячеек памяти. Р Для увеличения до 4-х разрядов нужно взять 4 одноразрядных ячейки и соединить вместе по ША, ВЕ, РК. C=N*4 Увеличение ячеек памяти и разрядности
Дешифратор линий C=N*n A={A1,A2} При поступления адреса с шины адреса А. При поступлении А2 на ДШЛ на выходе ДШН в соответствии им один активный выход, который подключён к выводам ВК всей линейки. И тем самым даёт разрешение работы всем интегральным схемам, находящимся в линии. После этого находится ячейка памяти, с которой будут производиться действия записи или чтения. После того, как ячейка найдена, на выходы данных подаются данные, которые записываются в ячейки памяти. При чтении так же открывается линия и выходы этой ячейки памяти подсоединяются к выходу, которые поступают ДШ. Подключение реальных ПЗУ и ШД МПС.ППЗУ