Архитектуры микропроцессорных систем

1,Архитектуры микропроцессорных систем.  
Типовая архитектура микропроцессорного устройства и ее основные элементы: шины данных (ШД), адреса (ША), управления (ШУ), память, порты ввода/вывода. 

На схеме видны  основные элементы простейшего микропроцессорного устройства. Все названия даны в  русском и английском вариантах. 
CPU - центральный процессор (центральное процессорное устройство - ЦПУ) 
RAM - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 
ROM - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 
Port I/O - порт ввода/вывода 
Процессор - это основной управляющий элемент всей схемы. ОЗУ и ПЗУ - это два вида памяти. Их можно было бы не разделять. Процессор их и не разделяет и работает с обоими видами памяти одинаково. Но между ними есть одно довольно существенное различие. ОЗУ хранит информацию только при наличии напряжения питания.  
ПЗУ строятся по другой технологии. Они называются постоянными запоминающими устройствами потому, что информация в них записывается один раз либо при их производстве, либо непосредственно перед применением, при помощи специальных программаторов. Принцип хранения информации основан на пережигании внутренних перемычек в специальных микросхемах. Порты ввода/вывода - это обыкновенные регистры. Они служат для того, что бы микропроцессорная система могла управлять, какими ни будь внешними устройствами. С одной стороны к ним подключены системные шины, а с другой подключаются внешние устройства. 
 
 
 
 
 
 
 
 

2,Обобщенная структура микропроцессора

Процессор - это функциональный блок вычислительного устройства, предназначенный для реализации обработки цифровых данных и управления ходом этой обработки. Указанные действия выполняются процессором по командам, которые он автоматически считывает из памяти вычислителя.

В обобщенном виде функционирование процессора может  быть представлено как циклическое  чередование двух этапов – (1) выборки (чтения) командиз памяти и их дешифрации, и (2) выполнения команд.

Выборка (чтение) команд является автоматическим процессом, происходящим под воздействием импульсов от генератора тактовых импульсов (ГТИ), и не зависит от программиста в смысле механизма реализации, который жестко определяется аппаратной структурой процессора.

Дешифрация  команды представляет собой процесс формирования последовательности управляющих сигналов для всех узлов процессора и других блоков вычислителя на основе информации (т.е. кода), содержащегося в команде.

Действия, выполняемые в  соответствии с командой, могут представлять собой арифметическую или логическую обработку данных, пересылку данных, формирование адреса следующей команды или изменение режимов работы процессора. В любом случае эти действия определяются программистом в рамках имеющейся в его распоряжении системы команд конкретного процессора. После выполнения действий, задаваемых командой, процессор автоматически переходит к выборке следующей команды из памяти.

Современные микропроцессоры существенно различаются  набором функциональных блоков и  связями между ними. Тем не менее, в структуре любого процессора можно  выделить основные элементы, определяющие специфику процессора как управляющего центра вычислителя. Прежде всего, речь идет о двух блоках: устройстве управления и операционном устройстве.

Устройство  управления (УУ) предназначено для реализации выборки команд, их дешифрации, и на основе этого – для управления обменом и обработкой информации путем генерации последовательности управляющих сигналов.

Операционное  устройство (ОУ) служит для обработки цифровой информации (арифметические и логические операции, сдвиги, анализ чисел и т.п.).

Обобщенна структура  микропроцессора показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Обобщенная структура микропроцессора

Основным  элементом для хранения информации внутри процессора являются регистры, которые выполняют функцию сверхоперативного ОЗУ с минимальным временем записи и считывания.

Регистр команд РгК (англ. IR - insructionregister) используется для фиксации кода команды после считывания ее из памяти. Как правило, в этом регистре фиксируется лишь код операции (КОП) - часть кода команды, определяющая выполняемое действие и способ адресации операндов (см. ниже).

Регистры  операндов служат для хранения данных в процессе их обработки, позволяют избегать постоянных обращений к памяти. В современных процессорах количество регистров операндов может достигать 10-15 штук. По сути, они образуют внутреннюю память процессора. В однокристальных микроконтроллерах количество регистров операндов доведено до нескольких десятков, и применительно к ним вводится понятие регистрового файла.Некоторые из регистров операндов могут использоваться также для хранения или формирования адресов других операндов, т.е. на их основе реализуется механизм косвенной адресации данных в памяти (см. ниже). Данные, размещенные в регистрах операндов, поступают на обработку в арифметико-логическое устройство (АЛУ). В некоторых типах процессоров один из регистров операндов всегда является и приемником результата операции в АЛУ – такой регистр принято называть регистром-аккумулятором Процессоры, в которых принята схема выполнения операций в виде:

<аккумулятор> (операция) <операнд> Þ <аккумулятор>,

называются  процессорами с аккумуляторно-ориентированной структурой.

Счетчик команд (англ. PC - programmingcounter) - регистр, в котором при выборке или выполнении текущей команды формируется адрес следующей команды. Модификация содержимого регистра PC – это средство управления последовательностью выборки команд из памяти и, следовательно, управления ходом вычислительного процесса (т.е. реализация ветвлений в алгоритмах).

Указатель стека (англ. SP - stackpointer ) - регистр, в котором при выполнении программы хранится адрес границы той области памяти, для которой программист использует принцип последовательного доступа к данным (так называемый протокол работы со стеком).

Регистр адреса - регистр, в котором формируется адрес любого устройства, внешнего по отношению к процессору (ячейки памяти или порта ввода-вывода), перед обращением к этому устройству. Данный регистр необходим, поскольку источником адресной информации могут являться различные регистры процессора. При этом регистр адреса играет роль накапливающего буфера, из которого адресная информация выдается на внешнюю шину адреса.

Регистр признаков (англ. F - flags) - это элемент внутренней памяти, в котором в виде отдельных битов фиксируются признаки, характеризующие результат операции, выполненной в АЛУ (нулевой результат, переполнение разрядной сетки и т.п.).

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - функциональный блок процессора, предназначенный для реализации действий по обработке данных.

Результат операции, выполненной в АЛУ, заносится  в один из регистров или пересылается в память (в зависимости от команды). В регистре признаков автоматически  формируются признаки, характеризующие  этот результат.

Функционирование  процессора всегда синхронизируется от внешнего генератора тактовых импульсов (ГТИ). Именно под влиянием импульсов  от ГТИ устройство управления процессора автоматически реализует действия, связанные с выборкой команд из памяти и их дешифрацией.

Выполнение  команды всегда занимает некоторое  количество периодов тактовой частоты  и состоит из последовательности элементарных действий процессора (выборка  команды, чтение операнда, вычисление в АЛУ). Эти элементарные действия называют машинными циклами (МЦ). В течение каждого МЦ происходит генерация строго определенной комбинации управляющих сигналов для соответствующих узлов процессора и всей вычислительной системы. 

     3,Пам‘ять мікропроцесорних систем. Постійні запам’ятовуючі пристрої (ПЗП). Інтерфейс ПЗП з мікропроцесорними системами.

Для хранения информации в микропроцессорных  системах используются запоминающие устройства на основе полупроводниковых материалов, а также магнитные и оптические внешние носители. Внутренняя память компьютера представлена в виде отдельных  интегральных микросхем (ИМС) собственно памяти и элементов, включенных в  состав других ИМС, не выполняющих непосредственно  функцию хранения программ и данных - это и внутренняя память центрального процессора, и видеопамять, и контроллеры  различных устройств. Для функционирования компьютерной системы необходимо наличие  как оперативного запоминающего  устройства (ОЗУ), так и постоянного  запоминающего устройства (ПЗУ), обеспечивающего  сохранение информации при выключении питания. ОЗУ может быть статическим  и динамическим, а ПЗУ однократно или многократно программируемым.

Постоянное ЗУ содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором  программы. Такую информацию составляют стандартные подпрограммы, табличные  данные, коды физических констант и  постоянных коэффициентов и т. п. Эта информация заносится в ПЗУ  предварительно, и в ходе работы процессора может только считываться. Таким образом, ПЗУ работает в  режимах хранения и считывания.

ПЗУ обладает преимуществом  перед ОЗУ в свойстве сохранять  информацию при сбоях и отключении пита¬ния. Это свойство получило название энергонезависимость. Опе¬ративное ЗУ является энергозависимым, так как  информация, записанная в ОЗУ, утрачивается при сбоях питания.

Запись информации в постоянные ЗУ, как правило, существенно  отличается от считывания по способу  и времени выполнения. Процесс  записи для полупроводниковых постоянных ЗУ получил также название “прожига”  или программирования, первое из которых  связано со способом записи, сводящимся к разрушению (расплавлению, прожигу) соединительных перемычек в чистом ЗУ. В полупроводниковых ПЗУ в  качестве элементов памяти, точнее, в качестве нелинейных коммутирующих  и усилительных элементов обычно используются транзисторы. Они объединены в матрицу, выборка данных из которой  производится по строкам и столбцам, соответствующим указанному адресу, так же, как и в других ЗУ с  произвольным доступом.

Строго говоря, непосредственно запоминание информации в этом ПЗУ осуществляется плавкой  перемычкой, а транзисторы выполняют  роль ключей-усилителей. Плавкая перемычка  может быть изготовлена из нихрома, поликристаллического кремния или  других материалов. В зависимости  от того, как именно работает усилитель  считывания (в режиме повторителя  или инвертора), наличие перемычки  соответствует записи “1” или  “0”. Разрушение перемычки (импульсом  сильного тока) приводит к записи значения, обратного исходному.

ИНТЕРФЕЙС С ПЗУ

Большинство микропроцессоров сами по себе функционально ограничены. Большая часть из них содержит память и немногие порты ввода/вывода, которые через интерфейс соединяют  их с периферией. Интерфейс – совокупность унифицированных технических и программных средств, необходимых для подключения данных устройств к системе или одной системы к другой. Среди прочих свойств интерфейса отметим решение им задачи синхронизации, выбора направления передачи данных и иногда приведение уровней или форм сигналов.

Рассмотрим задачу разработки интерфейса с ПЗУ. На рис. 9.4 приведена часть системы, включающая МП и ПЗУ. С выходами   ПЗУ соединены 8 линий шины данных. Единственный выход управления считыванием   идет из МП на вход активизации   ПЗУ.

 
Рис. 9.4 Структурная схема интерфейса с ПЗУ

С постоянным запоминающим устройством емкостью 4 Кбайт соединены 12 линий адресной шины младших разрядов ( ). Дешифратор, встроенный в ИС ПЗУ, может получить доступ к любому из 4096 (2¹²=4096) 8–разрядных слов ПЗУ. Адресные линии четырех старших разрядов ( ) идут в устройство комбинационной логики – дешифратор адреса. Для доступа в ПЗУ и считывания из него данных МП должен: активизировать линии адреса  ; установить сигнал НИЗКОГО уровня на линии управления считыванием  ; установить сигнал НИЗКОГО уровня на линии дешифратора адреса и выбора кристалла. Предположим, что МП нужно обратиться в память по адресу 0000H (0000 0000 0000 0000₂). Младшие 12 бит подключаются по адресным линиям   к контуру дешифратора ПЗУ. К адресным принадлежат также старшие 4 бита  . Они декодируются дешифратором адреса. Если ( )=00002, дешифратор адреса выдает сигнал, который активизирует вход   выбора кристалла (рис. 9.4). Таким образом, старшие 4 бита адреса выбирают сегмент памяти, а младшие 12 бит определяют нужную ячейку памяти в этом сегменте. В интерфейсе с ПЗУ важное значение имеют способы адресации и синхронизации. Адресация нами рассмотрена, рассмотрим теперь синхронизацию. На рис. 9.5 приведена временная диаграмма сигналов МП, управляющих считыванием 8–разрядного слова из ПЗУ. Верхняя линия диаграммы представляет переход адресных линий   на их соответствующий логический уровень. Согласно рис. 9.4 адресные линии  активизируют адресные входы ПЗУ, тогда как адресные линии   декодируются дешифратором адреса и активизируют вход   выбора кристалла ПЗУ. Спустя некоторое время, выход управления считыванием   МП активизирует процесс вывода данных из ПЗУ. Расположенные здесь данные помещаются на шину данных и принимаются МП. На рис. 9.5 показаны критические ограничения синхронизации. После того как на адресных линиях установился соответствующий логический уровень и активизировался вход  ПЗУ, нужен определенный отрезок времени для извлечения слова данных. Это время необходимо внутренним дешифраторам ПЗУ для нахождения требуемого байта в памяти.