Общие сведения о микропроцессорах

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

План лекции

Новочеркасск 2006 год

Обсуждены на заседании

Их применения

Микропроцессоры и основы

(тексты лекций)

ПМК "__" __________ 2006 года

Протокол N 4

Занятие 1 Микропроцессор К580ВМ80

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить особенности построения универсального 8-разрядного микропроцессора К580ВМ80.

2. Совершенствовать умение выделять главное для качественного конспектирования учебного материала.

3. Прививать любовь к профессии офицера-связиста.

Время: 2 часа.

№ п/п	Учебные вопросы	Время мин.
1. 2.     3.	ВВОДНАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 1. Общие сведения о микропроцессорах. 2. Структура универсального 8-разрядного микропроцессо-ра и принципы функционирования. 3. Система команд. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Материальное обеспечение:

1. Компьютерный комплекс.

2. Программное обеспечение, демонстрационная программа "Микропроцессоры."

Литература:

1. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы.- М.Горячая линия – Телеком, 2000г., с.235-249.

В пятом семестре мы с вами изучили целый ряд цифровых устройств, каждое из которых предназначено для выполнения строго определенной операции над входными переменными. Сложные логические схемы, собранные на основе таких устройств, ещё называют устройствами с "жесткой" логикой. Изменение логики работы схемы требует создания нового устройства, т.к. реализованные функции с трудом поддаются изменению. Сегодня мы приступаем к изучению цифровых устройств, позволяющих создать систему, которая может быть приспособлена для самых различных целей, путем изменения последовательности команд или программы управления. Такие цифровые устройства получили название с программным управлением или микропроцессорные системы.

На изучение темы N3 "Микропроцессоры и основы их применения" выделено 14 часов. Из них 10 часов - лекции, 2 часа - семинар и 2 часа - лабораторное занятие. Сегодня первая лекция на тему "Микропроцессор К580ВМ80", где будут рассмотрены общие сведения и структура 8-разрядного микропроцессора.

Слово "микропроцессор" за последнее время стало одним из самых популярных в мире. Благодаря появлению микропроцессоров (МП), вычислительная техника получила широчайшее распространение, проникла в различные области жизни, науки и техники. Микропроцессором называют цифровое устройство, изготовленное в виде БИС и способное выполнять по разработанной программе обработку информации. Как правило, один МП не может выполнить задачу по обработке информации. Различные системы контроля и управления, реализованные на основе МП, содержат определенное число дополнительных функциональных устройств. Такие системы называют микропроцессорными. В основе построения микропроцессорных систем лежит магистрально-модульный принцип.

Это прежде всего означает, что микропроцессорная система имеет модульную организацию, т.е. строится из набора модулей. Под модулем в данном случае понимается конструктивно, функционально и электрически законченное устройство, позволяющее самостоятельно или в совокупности с другими модулями решать поставленные перед ним задачи. Модули микропроцессорной системы используют магистральный способ обмена информацией. Среди различных способов организации связи, между модулями можно выделить два: с помощью произвольных связей, реализующих принцип, каждый с каждым и магистральный. Магистральный способ обеспечивает обмен информацией между модулями с помощью единых магистралей. В микропроцессорных системах обычно выделяются следующие магистрали: магистраль данных или шина данных (ШД), адресная магистраль или шина адреса (ША) и магистраль управления или шина управления (ШУ).

Для примера рассмотрим структурную схему микропроцессорной системы минимальной конфигурации (рис.1).

Центральным элементом в данной структуре является микропроцессор (МП), который осуществляет обработку информации в соответствии с введенной программной и организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему. Работа МП происходит под воздействием синхронизирующих сигналов тактового генератора (ТАКТ. ГЕН.), часто выполняемого в виде отдельного модуля.

Память МП реализуется в виде отдельного модуля на полупроводниковых БИС. Память предназначена для хранения программы, согласно которой производится управление работой. МП. В памяти могут храниться данные, которые должны быть обработаны в соответствии с программой. В память можно загрузить промежуточные и окончательные результаты вычислений.

Для ввода программ и данных извне в память или регистры МП, а также вывода результатов используется набор периферийных или внешних устройств (ВУ): клавиатура, принтер, дисплей, накопители на магнитных дисках и др. Подключение внешних устройств производится с помощью специальных модулей - портов ввода - вывода, выполненных на БИС.

Обмен информацией между МП и остальными модулями системы осуществляется по трем магистралям: ШД, ША, ШУ. ША служит для передачи кода адреса, по которому производится обращение к устройствам памяти, ввода-вывода и другим устройствам, подключенным к МП. Обрабатываемая информация и результаты вычислений передаются по магистрали данных (ШД). Магистраль управления (ШУ) передает управляющие сигналы на все модули МПС, настраивая на нужный режим внешние устройства, участвующие в выполняемой команде.

МП ведет обработку информации в соответствии с программой, записанной в одном из блоков памяти. Для получения кода команды, которую необходимо исполнить, МП формирует на ША адрес ячейки памяти, в которой она записана, а по магистрали управления - управляющие сигналы, обеспечивающие режим считывания информации. Считанный из памяти код поступает по ШД в МП, где он записывается в специальный регистр. В соответствии с записанным кодом выполняются операции, необходимые для реализации команды.

Для обмена информацией с внешними устройствами МП формирует код (адрес) порта, к которому подключено внешнее устройство. Одновременно на ШУ поступают управляющие сигналы, настраивающие подключаемое устройство на необходимый обмен информации (запись, считывание, хранение и т.д.).

Любой МП можно оценить с помощью следующих трех характеристик: длинной слова данных, количеством адресуемых слов памяти и скоростью выполнения команд.

МП оперирует данными, представляемыми словами фиксированной длины. Под словом в данном случае понимается последовательность 0 и 1. Все слова перед обработкой хранятся в регистрах МП. Число разрядов регистров кратно 8 и обычно составляет 8-, 16-, 32- или 64- разряда.

Другой характеристикой МП является количество слов памяти, к которым он может обращаться. Каждому слову в памяти, как уже ранее отмечалось, присваивается номер или адрес. Адреса памяти начинаются с нуля и представляются в двоичной системе счисления. Для МП с 8 разрядной ША максимальный объем памяти 2⁸ = 256 байт, а для 16-разрядных - 65536 байт или 64 Кбайт.

Следующей характеристикой МП является скорость, с которой он выполняет команды. Этот параметр неразрывно связан с частотой тактового генератора. Современные МП могут работать с частотами десятки, сотни и даже тысячи МГц. При тактовой частоте 10МГц один такт выполняется за 0.1 мкс. Для выполнения одной простой операции, например арифметического сложения двух целых чисел, взятых из памяти с пересылкой результата в память, требуется 25-30 тактов. Таким образом, на выполнение такой операции при указанной тактовой частоте затрачивается 2.5-3.0 мкс. Следовательно, МП может выполнить в этом случае 300-400тыс. таких операций в секунду. Для умножения целых положительных чисел требуется 130-150 тактов, т.е. в этом случае время выполнения операции 13-15 мкс, а быстродействие исчисляется в 60-80 тыс. операций в секунду. В некоторых случаях при выполнении сложных операций быстродействие падает до 8-10 тыс. операций.

На практике часто встречаются достаточно сложные системы классификации существующих МП.

По назначению различают универсальные и специализированные МП.

Универсальные МП характеризуются универсальным набором команд. Это означает, что с помощью такого набора команд можно осуществить преобразование информации в соответствии с любым заданным алгоритмом. Такие МП могут быть использованы для решения широкого круга задач. Специализированные МП предназначены для решения определенного класса задач и, может быть, для решения одной конкретной задачи. Примером специализированного микропроцессора является сигнальный микропроцессор, который будет рассматриваться позднее. Особенностями специализированных МП являются низкая стоимость, малая потребляемая мощность, компактность, простота управления.

По числу БИС различают: однокристальные, многокристальные и секционные МП.

Однокристальные МП реализуются в виде одной БИС или СБИС. Чаще всего под МП понимают именно однокристальный МП. Возможности таких МП ограничены предельно допустимым числом активных элементов в кристалле и допустимым числом выводов.

У многокристального МП логическая структура разбивается на функционально законченные части, каждая из которых реализуется в виде БИС. Такой МП обычно содержит БИС обработки информации, БИС управления и синхронизации, БИС для связи с внешними устройствами и др.

Секционный МП представляет собой многоразрядный МП, образованный параллельным включением микропроцессорных секций. Микропроцессорная секция представляет собой БИС для обработки 2-, 4-, или 8-разрядных чисел и позволяющая соединять одновременно несколько секций для увеличения разрядности обрабатываемого слова до 16-, 24-, 32-разрядов.

Отечественной промышленностью выпускаются однокристальные ЭВМ, в которых на одном кристалле содержится МП и память небольшой емкости.

. 2. Структура универсального 8-разрядного микропроцессора и принципы функционирования

Микропроцессор К580ИК80, прототипом которого является МП Intel 8080, один из первых отечественных однокристальных 8-разрядных МП нашел самое широкое применение в различных микро-ЭВМ, микропроцессорных устройствах и системах. Представляет собой БИС, изготовленную по n-МОП технологии, содержащую около 5 тыс. транзисторов, размещенных на кремниевом кристалле размером около 30 мм², в пластмассовом корпусе с 40 выводами.

МП предназначен для обработки 8-разрядных слов. Имеет 16 разрядную ША, что позволяет ему обращаться к памяти с общей емкостью 64 Кбайт. Быстродействие данного микропроцессора составляет порядка 500 тыс. операций в секунду.

Упрощенная структурная схема такого МП представлена на рис.2.

В составе микропроцессора можно выделить следующие элементы:

-арифметическо-логическое устройство (АЛУ),

-управляющее устройство (УУ),

-набор регистров.

Основным элементом микропроцессора является АЛУ, которое предназначено для выполнения всех логических и арифметических операций, предусмотренных программой. В составе АЛУ 8-разрядное суммирующее устройство и набор регистров для выполнения сдвиговых операций.

Устройство управления является вторым наиболее сложным элементом в структуре МП. Оно организует взаимодействие между всеми элементами как самого микропроцессора, так и микропроцессорной системы.. Выполнение любой операции можно разбить на элементарные действия: запись числа в регистр, считывание из регистра, сдвиг кодовой комбинации на один разряд влево или вправо, инвертирование и т.д. Для выполнения каждой элементарной операции требуется управляющий сигнал. Такие элементарные операции, выполняемые в течение одного такта сигналов синхронизации, называются микрооперациями. Как правило, в течение одного такта могут выполняться несколько микроопераций. Совокупность управляющих сигналов, соответствующая набору микроопераций, выполняемых в одном такте, называют микрокомандой, а набор микрокоманд для реализации одной операции - микропрограммой. При выполнении определенной операции в памяти управляющего устройства отыскивается соответствующая ей микропрограмма. Микрокоманды данной микропрограммы последовательно считываются и выполняют элементарные действия, из которых складывается операция. Такой способ реализации операций получил название микропрограммного, а МП с устройством управления на этом принципе называется МП с программируемой логикой. Достоинство такой организации управления заключается в возможности гибкого изменения набора команд в МП с помощью изменения совокупности микропрограмм, реализующих эти команды. В то же время использование принципа программируемой логики при построении управляющих устройств приводит к снижению быстродействия МП из-за увеличения числа тактовых периодов реализации микропрограммы. В некоторых случаях формирование микрокоманд осуществляется с помощью набора логических схем. Это значительно повышает быстродействие микропроцессора, но при этом нет возможности корректировать, дополнять или изменять сами микрокоманды. Такие управляющие устройства называют с жесткой логикой.

Все остальные элементы микропроцессора – регистры. Среди регистров можно выделить:

-регистр команд,

-регистры общего назначения,

-программный счетчик.

Регистр команд предназначен для записи и хранения команд, которые считываются из памяти и по ШД передаются в МП. Команда содержит код операции, которую должен выполнить МП. Выходы регистра команд соединены с дешифратором команд, роль которого в данном случае выполняет УУ. Управляющее устройство определяет операцию, записанную в коде команды. Сигналы с выхода УУ управляют передачей информации между отдельными блоками микропроцессора.

Регистрами общего назначения (РОН) называют регистры А, В, С, D, Е, Н, L, которые образуют сверхоперативную память микропроцессора. У данного МП все регистры общего назначения 8-разрядные, однако большинство регистров могут использоваться парами, как 16-разрядные ВС, DE и HL. ША с помощью специального устройства коммутации (К) может подключаться к регистровой паре HL или программному счетчику.

Особое место среди регистров общего назначения занимает регистр А, который является аккумулятором. Аккумулятор - это регистр, в который заносится одно из чисел, которое должно быть обработано арифметическо-логическим устройством. В аккумулятор записывается результат выполнения любой операции. Так, например, если необходимо произвести сложение двух чисел, то одно из чисел записывается в аккумулятор, а другое в один из регистров общего назначения. После выполнения операции сложения результат будет записан в аккумулятор. Аккумулятор можно считать основным рабочим регистром, в который заносятся данные из памяти и результаты выполнения операций, записываемые обратно в память либо в устройство ввода-вывода.

Программный счетчик или счетчик команд это регистр, предназначенный для хранения адреса (номера) следующей команды, которая должна быть извлечена из памяти. Перед началом работы в счетчик команд заносится адрес первой команды программы. После считывания этой команды, записи её в регистр команд и дешифрации определяется адрес следующей команды. При этом содержимое счетчика команд увеличивается на число равное длине выполняемой команды. Обычно наращивание содержимого счетчика команд осуществляется в процессе выполнения команды. Нормальная последовательность выполнения команд программы может быть изменена. Для этого в программный счетчик заносится адрес перехода, а найденный адрес следующей команды сохраняется в специальной области памяти - стеке. При необходимости продолжить естественный ход выполнения программы в программный счетчик записывается адрес, хранящийся в стеке.

В заключение данного вопроса следует отметить, что все МП работают в соответствии с принципами программного управления. Суть этих принципов заключается в следующем:

1.Вся информация для МП представляется в двоичном коде.

2.Алгоритм решения любой задачи представляется в виде последовательности команд или программы.

3.Команда содержит наименование операции и определяет объект, над которым выполняется заданное действие.

4.Программа и данные располагаются в памяти, состоящей из ячеек, каждая из которых имеет свой номер (адрес) и служит для хранения одной команды или числа.

5. Выполнение программы сводится к выборке и выполнению команд

Дата добавления: 2014-01-11