Тема: Микропроцессор

План лекции:

7.1. Общая характеристика микропроцессора.

7.2. Система команд микропроцессора.

Современная технология разрешает изготовить весьма сложные электронные устройства в виде одной или нескольких ИМС. Но, чтобы производство такого устройства было экономически оправданно, необходимо изготовлять его массовыми сериями. Вместе с тем сложные специализированные устройства нужны в небольшом количестве экземпляров. Это противоречия между возможностями технологии и узкой специализацией сложных электронных устройств можно устранить с помощью программированных цифровых и логических устройств, которые получили название микропроцессорных. Программированные устройства могут выполнять разные функции в зависимости от программы, которая выполняется, и это позволяет расширить области их применения и увеличить тираж выпуска.

Микропроцессор (МП) - это устройство для обработки данных по определенной программе, реализованное с использованием интегральной технологии на одной или нескольких больших интегральных микросхемах (БИС).

Данные, которые обрабатывает МП, имеют вид двойных чисел, которые могут иметь 4, 8, 16 или 32 разряда. Единица информации, один бит, это одноразрядное двойное число. Кванты информации по 4, 8, 16, 32 бита называют словом данных. Широко распространенный процессор КР580ИК80 (серия К580), выполненный на одном кристалле БИС, имеет 5000 транзисторов и слово данных длиной 8 бит, который составляет один байт. Упрощенно МП можно представить структурной схемой на рис. 2. Главными частями МП является арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ) и регистры общего назначения (РОН). Функции АЛУ определяют архитектуру микропроцессора в целом. Типичными операциями, которые их выполняют АЛУ большинства микропроцессоров, является: ДОБАВЛЕНИЕ, ОТНИМАНИЕ, логические И, ИЛИ, ВЫКЛЮЧАЮЩИЕ ИЛИ (операция неравнозначности), СРАВНЕНИЕ, СДВИГ ВЛЕВО, СДВИГ ВПРАВО, ПРИРАЩЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ, ПРИРАЩЕНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ. Некоторые АЛУ способные выполнять большее количество операций, в других набор операций ограничен.

УУ задает режим работы всех элементов МП и последовательность выполнения всех операций.

РОН выполняют роль надоперативного запоминающего устройства и предназначены для сохранения М N-разрядных двоичных чисел (для процессоров серии К580 М = 6, N = 8). Одним из важнейших регистров МП является так называемый аккумулятор, который используется в большинстве арифметических и логических команд и в многих других командах. Кроме РОН процессор имеет еще несколько вспомогательных регистров, которые обслуживают работу АЛУ и УУ.

Рис. 2

ПК декодирует и разрешает выполнять набор команд, сформированный программой, которые размещаются во внешнем постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Команды поочередно вызываются из внешнего устройства памяти и превращаются в сигналы, которые действуют на все блоки МП. Все блоки МП связаны между собою и ПЗУ шиной адресов (ША), шиной данных (ШД) и шиной управления (ШУ). Шина представляет собой параллельные проводники, к которым подключены блоки МП и внешние устройства, например ПЗУ. ША используется для передачи адресов ячеек памяти к внешним устройствам. ШД используется для передачи данных и кодов команд, которые, как и числовые данные, представляют собой N-разрядные двойные числа. ШУ используется для передачи сигналов управления. ПК определяет распределение во времени связей между блоками по одни и тем же шинам.

Типичный МП обычно выполняется в виде большой ИМС с приблизительно 40 электрическими выводами. В восьмиразрядном МП 16 выводов используют для подключения к адресной шине (А0 - А 15), 8 выводов - для подключения для шины данных (D0 - D7), 5-7 выводов приходится на подключение источников питания и сигналы синхронизации. Остаток выводов (около 10) используют для передачи сигналов управления по шине управления.

Сам по себе МП не может выполнить каких-то полезных функций. Но на основании МП можно выполнить микро ЭВМ - устройство, которое состоит из МП, запоминающих устройств (ЗУ), органов управления и связи с внешними устройствами (так называемые интерфейсы). Совокупность микро-ЭВМ с внешними устройствами образовывает микропроцессорную систему (МПС) управления техническим объектом. Если же микро-ЭВМ предназначенная для управления каким-то техническим объектом, то она должна иметь средства согласования микропроцессорной части с этим объектом, то есть устройства ввода и вывода, упрощенная структурная схема которой показанная на рис. 3. МПС состоит из микропроцессора МП, каналов ввода-вывода интерфейсных ИМС, устройств ввода УВв и вывода УВыв, генератора тактовых импульсов ГТИ и запоминающих устройств ЗУ. Устройствами ввода могут быть контакты датчиков, контролирующих состояние объекта, выводы датчиков, которые превращают контролируемые физические параметры технического объекта (температуру, давление, деформацию, скорость вращения) в пропорциональные электрические сигналы, контакты клавиш клавиатуры, АЦП и т.п.. Устройствами вывода могут быть: дисплей (устройство для визуального отображения информации), печатающее устройство, ЦАП (для получения аналогового сигнала управления объектом), транзисторные ключи и т.п.. Устройства ввода-вывода, соединенные электрически с силовой сетью, могут быть подключены к низковольтным ИМС микропроцессорной системы лишь через оптоэлектрические устройства, которые обеспечивают их взаимную электрическую изоляцию. В состав устройства ввода-вывода входят также электронные усилители, которые используют для усиления сигналов от датчиков и сигналов управления МПС.

Каналы ввода-вывода интерфейсных ИМС предназначены для кратковременного сохранения информации в процессе ввода и вывода и переключения каналов преобразование информации. Обычно каналы интерфейсных микросхем подсоединяются к устройствам ввода-вывода через буферные усилители, предназначенные для согласования уровня мощности сигналов.

Запоминающие устройства подразделяют на постоянные запоминающие устройства (память программ) и оперативные запоминающие устройства (память данных). Последние выполняются на параллельных регистрах. Оперативные запоминающие устройства допускают считывание и запись к ним информации, постоянные запоминающие устройства допускают только считывание с них информации, предварительно записанной на них с помощью специальных програматоров. Оперативные запоминая устройства не сохраняют занесенную в них информацию при отключении напряжения питания МПС. В случае необходимости сохранение такой информации используют резервное питание микросхем оперативной памяти от аккумулятора.

Рис. 3

Особенностью МПС является то, что обмен информацией между большим количеством устройств осуществляется с помощью общих для всех устройств шин - ША, ШД, ШУ. С помощью сигналов, которые их подает МП по шине управления, нужны элементы МПС в определенный момент работают в режиме передачи данных к шинам, другие - в режиме приема данных с шины, а остальные элементы переводятся в состояние отсоединения от шин, то есть не реагируют на числовые коды, которые появляются на ШД и ША.

Устройство управления, которое входит в состав МП, обеспечивает определенную последовательность сигналов управления с помощью генератора тактовых импульсов (ГТИ). Частота сигналов ГТИ ограничена быстродействием логических элементов и лежит обычно в границах 0,5 - 40 МГц. Для процессора серии К580 частота тактовых импульсов f = 2 МГц. Период тактовых импульсов Т = 0,5 мкс. Одна команда процессора К580, в зависимости от ее сложности, выполняется за 4-18 тактов. Итак, кратчайшая команда выполняется за 2 мкс, а наиболее длинная - за 9 мкс. Если принять, что в среднем одна команда выполняется за 8 тактов, то есть за 4 мкс, то за 0,1 сек. процессор выполнит 25 000 команд. Предположим, что МПС осуществляет управление техническим объектом и программа, которую выполняет МПС, состоит из 1500 команд. Тогда за 0,1 сек. программа будет циклически выполнена большее, чем 16 раз. Это позваляет, МП обслуживать все внешние устройства так, что у человека-оператора создается впечатление непрерывного взаимодействия всех элементов МПС, будто они работают по принципу "любой с любым".

Для обработки информации в МПС используют двоичную систему исчисления, в которой используют лишь два символа. Это хорошо согласовывается с техническими характеристиками устройств, которые имеют лишь два стойких состояния: "включен" и "выключен". Обычно для обозначения этих состояний используют соответственно символы 1 и 0.

В двоичной системе исчисления, равно как и в десятичной, каждой позиции (разряду) предназначен определенный вес, но если в десятичной системе этот вес равняется числу 10 в некоторой степени, то в двоичной системе вместо числа 10 используется число 2. Вес первых 12 позиций (разрядов) цифр двоичного числа имеет значение:

Как и в десятичной системе для обособления мелкой части от целой используют точку (двойную точку). Вес каждой позиции справа от точки равняется основе системы 2 в отрицательной степени, значение которой определяется номером позиции. Например, двоичное число .

Каждая команда МП содержит в себе код операции, которая выполняется в соответствии с данной командой, и операнды - то есть число, над которым выполняется команда или адрес ячейки памяти, в которых записано число. Вся информация в МП представлена в виде двойных чисел. Поэтому каждая команда выглядит как многоразрядное двойное число. Например, команда "загрузить в аккумулятор МП содержание ячейки памяти с номером 2056₁₀" записывается в виде кода с форматом три байта:

0011 1010 0000 1000 0000 1000.

Первый слева байт (восемь разрядов) - это код операции, а другие два байта - это код адреса ячейки памяти, то есть число 2056 в двойном коде. Действительно, число 0000 1000 0000 1000 = 2¹¹ + 2³ = 2048+8 =2056₁₀.

Запись кодов команд в двоичной системе исчисления очень громоздка. Поэтому для упрощения записи программ используют шестнадцатеричную систему исчисления. Она состоит из 16-ти символов, любому из которых отвечает четырехразрядное число в двоичном коде. Таблица 1 показывает запись числа в шестнадцатеричной, двойном и десятичном кодах. В случае применения шестнадцатеричной формы записи код той же команды выглядит значительно короче:

ЗА 0808.

Таблица 1.

Дата добавления: 2014-11-15; просмотров: 262; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!