Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Мікропроцесорної системи

Дисципліна “Мікропроцесорна техніка” займається вивченням основних типів мікропроцесорів, їх архітектури, системи команд, способів організації мікропроцесорних систем на базі мікропроцесорних комплектів інтегральних схем та способів програмування і відлагодження програмного забезпечення.

Розвиток мікропроцесорної техніки був зумовлений потребами удосконалення обчислювальної техніки і започаткований появою нових технологій в мікроелектроніці, що лягло в основу створення великих інтегральних схем (ВІС) і суттєвою мініатюризацією електронних виробів.

Перше чим визначити поняття мікропроцесор, коротко розглянемо структуру ЕОМ. ЕОМ є пристроєм обробки інформації і може бути представлена чотирма основними вузлами (рисунок 1.1): арифметико-логічний пристрій (АЛП), пристрій керування (ПК), пам’ять, периферійні пристрої.

Рисунок 1.1 - Структура типової ЕОМ

Арифметико-логічний пристрій (АЛП) призначений для виконання арифметичних і логічних операцій. До арифметичних операцій відносяться операції додавання, віднімання, множення та ділення. Основні логічні операції: логічне множення (кон’юнкція, операція І), логічне додавання (диз’юнкція, операція АБО), логічне заперечення (інверсія, операція НІ). Крім базових логічних операцій АЛП виконує також операції І-НІ (штрих Шеффера), АБО-НІ (стрілка Пірса), ВИКЛЮЧАЮЧЕ АБО та інші.

Пристій керування (ПК) забезпечує керування роботою всіх основних вузлів, а також потоками інформації всередині ЕОМ. Дії ПК визначаються командами. Команда - кодований вислів, який однозначно вказує на операцію, що має здійснюватись. Сукупність команд, які необхідно виконати для розв’язку даної задачі, називають програмою.

Запам’ятовуючий пристрій (ЗП), або пам’ять служить для зберігання програм і оброблюваної інформації - даних. Пам’ять складається з блоків однакового розміру, які називають комірками. Кожна комірка, в свою чергу, складається з елементів пам’яті. Один елемент може зберігати тільки одну двійкову цифру: 1 або 0. Сукупність одиниць і нулів, що заповнюють комірку, називають вмістом комірки пам’яті. Щоб ввести число в комірку або добути її вміст, необхідно вказати адресу цієї комірки.

Периферійні пристрої - це пристрої вводу і виводу інформації (ПВВ), які виконують функції зчитування даних з відповідного носія або зовнішнього пристрою, перетворення їх у форму необхідну для вводу в ЕОМ, а також фіксації результатів обробки інформації на дисплеї, принтері, запам’ятовуючому пристрої, тощо. Тісний зв’язок між АЛП і ПК дозволяє розглядати їх як єдине ціле і його називають центральним процесором, або просто процесором (від англ. to process - обробляти). Таким чином процесор - це пристрій, який забезпечує автоматичну обробку інформації у відповідності до даної програми.

Мікропроцесор (МП) - це процесор, виконаний на базі однієї кількох великих інтегральних схем (ВІС). Прибавка “мікро” підкреслює мініатюризацію процесора в результаті високої степені інтеграції схем, що його утворюють. Строгіше визначається МП, як програмно-керована логічна схема з багатьма станами, функціонування, якої синхронізується тактовими імпульсами, здатна виконувати задану програму та керувати системою із шинною організацією. Під шиною розуміють сукупність інформаційних ліній зв’язку однакового функціонального призначення для з’єднання структурних одиниць обчислювальної системи.

Мікропроцесор не може бути самостійним пристроєм і функціонує тільки в складі МП системи (МПС).

МПС - обчислювальний пристрій, до складу якого входять такі компоненти: МП, пам’ять, шини (адресна ША, даних ШД, керування ШК), зовнішні пристрої вводу-виводу (наприклад дисковід, АЦП, індикатор, тощо). Структура МПС показана на рисунку 1.2.

Рисунок 1.2 - Узагальнена структура МПС

МПС мають в своїй основі принципи магістральності, тобто всі елементи системи з’єднані через магістралі (шини ША, ШД, ШК). Інформаційний обмін через ШД можливий завдяки тому, що всі користувачі мають зі сторони “пристрій - ШД” пристрої-формувачі з трьома станами. Формувачі можуть працювати в одному з трьох станів:

В третьому відключеному стані всі пристрої відключені від ШД - “плавають”. МП діє в системі, як контролер. Він гарантує, що в будь-який момент часу ШД може скористатись тільки один пристрій.

Вище вже обговорювався такий елемент системи, як пам’ять, тому зараз чіткіше означимо це поняття. Пам’ять - набір комірок, кожна з яких характеризується власним номером (адресою) і містить двійкове число, що може бути прочитане, або змінене в процесі звертання до комірки. Пам’ять МПС має дві компоненти: постійну та оперативну пам’ять.

Постійна пам’ять (ПЗП) - пам’ять, що має такі особливості:

- дозволяє одноразово змінювати (записувати) двійкові числа тільки в спеціальному режимі до початку функціонування МП системи,

- зберігає записану інформацію при відключеному живленні;

- використовується для зберігання програм та констант.

Оперативна пам’ять - пам’ять, якій властиве:

багаторазовий запис та читання двійкових чисел з комірок безпосередньо в процесі функціонування МП системи;

втрата інформації при відключенні живлення;

використання для збереження проміжних і вихідних даних (в процесі налагоджування програм можливе використання ОЗП і для зберігання програм).

Центральним пристроєм системи є мікропроцесор, який містить: елементи розміщення даних (блок регістрів = регістри оперативного призначення + стек + ознаки), вузли для декодування команд і блок керування і синхронізації, а також елементи для організації вводу-виводу.

Основні функції МП в МП системі наступні:

1) добування, декодування і виконання команд в заданому програмою порядку;

2) передача даних з пам’яті і в пам’ять, з пристроїв вводу-виводу і в ПВВ;

3) відповідь на зовнішні переривання;

4) установка загальної синхронізації і сигналів керування для всієї системи.

Узагальнена структура МП містить елементи, які показані на рисунку 1.3.

Рисунок 1.3 - Узагальнена структура МП

На рисунку введені поняття, на яких зупинимося детальніше.

Регістр оперативного призначення (РОП) - відокремлена комірка оперативної пам’яті із спрощеним та прискореним зверненням до неї (надоперативна пам’ять), яка є складовою частиною мікропроцесора і призначена для зберігання операндів, тобто двійкових чисел, з якими виконується команда.

Акумулятор - регістр оперативного призначення, що містить один із операндів поточної команди та зберігає результат виконання арифметико-логічних команд.

Стек (stack) - спеціалізована область оперативної пам’яті для зберігання поточної інформації при раптових змінах програми (детально вивчається в подальших розділах).

Ознака - однобітовий код ознаки результату попередньої арифметичної або логічної команди (детально вивчається в подальших розділах).

Функціонування МП системи відбувається наступним чином:

1) Лічильник команд мікропроцесора генерує (виставляє) на системній адресній шині номер команди, що має виконуватись; сформований номер є одночасно адресою комірки пам’яті, в який зберігається двійковий код потрібної команди (коди команд програм заносяться в постійну пам’ять МП системи до початку виконання програми);

2) код чергової команди відбирається з комірки пам’яті, виставляється на шину даних і сприймається мікропроцесором;

3) за допомогою дешифратора команд ДшК мікропроцесора відбувається розпізнавання коду команди і визначається її зміст;

4) блок керування БК організує виконання необхідних операцій шляхом формування відповідних керуючих сигналів на внутрішній шині керування ВШК, що є складовою частиною внутрішньої шини ВШ.

Таким чином МП виконує три основні операції: добування, декодування і виконання за схемою на рисунку 1.4.

Рисунок 1.4 - Схема функціонування типового МП

З поняттям МПС тісно пов’язані наступні терміни.

Однокристальна мікроЕОМ - елемент МП системи, в якому на одному кристалі (у вигляді однієї невеликої інтегральної схеми) можуть розміщатись декілька складових МП системи.

Програмне забезпечення МП системи - набір програм для функціонування МП системи згідно заданого алгоритму.

Апаратні (апаратурні) засоби МП системи - сукупність мікроелектронних пристроїв (мікросхем), друкованих плат, механічних елементів, що є середовищем для розміщення та реалізації програмного забезпечення.

Мікроконтролер (control - керувати) - спеціалізована МП система з мінімальним набором апаратних засобів, призначення якої обмежене виконанням одного, наперед жорстко заданого алгоритму.

Персональний комп’ютер - універсальна модульна МП система з розширеним набором апаратних засобів (в т.ч. декількох мікроконтролерів, реалізованих у вигляді модулів) для виконання довільних алгоритмів, складність яких обмежена потужністю МП.

В мікропроцесорній техніці широко використовуються такі терміни, як “біт”, “слово”, “байт”.

Біт (від англ. Binary digit - двійковий розряд) - це розряд двійкового числа: 0 або 1. Так, 0101 - чотирибітове двійкове число, при чому крайня ліва цифра представляє старший розряд даного числа, а крайня права - молодший розряд.

Машинне слово (далі просто слово) - спеціальна послідовність нулів та одиниць, яка може бути прочитана або інтерпретована МПС даного типу, тобто машинне слово - це група бітів, які обробляє мікропроцесорний пристрій за один крок, або число бітів, що зберігається в одному регістрі МП.

Для мікропроцесорної техніки базовим є байт. По відношенню до нього визначається формат даних.

Байт (від англ. Byte) - восьмибітове слово, яке розглядається як одиниця для обміну цифровою інформацією між пристроями МПС. В мікропроцесорній техніці довжину слова, формат даних конкретної мікроЕОМ вимірюють числом байтів (рисунок 1.5). Також в байтах часто виражають ємність запам’ятовучих пристроїв.

Рисунок 1.5 - Машинне слово

2. Представлення чисел і елементи двійкової арифметики в цифрових пристроях

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒