2. Физические характеристики компонентов эвм. Центральный процессор. Память, объем памяти

Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины для выполнения арифметических и логических операций над информацией. Конструктивно представляет собой неболь-шую микросхему, находящуюся внутри системного блока и установленную на материнской плате, связанную с материнской платой интерфейсом процессорного разъема (Socket). /Акулов О.А., Медведьев Н.В. Информатика: базовый курс. М.: Омега-Л, 2006./

В состав микропроцессора входят:

- устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ, опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;

- арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ поключается дополнительный математический сопроцессор);

- микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);

- интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) - совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода (I/O - Input/Output port) - аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК. Информатика: /Учебник. Под ред. Макаровой Н.В. М.: Финансы и статистика, 2000./

Процессоры классифицируются по базовому типу, называющемуся семейством. С целью преемственности программного обеспечения последующие модели и модификации процессоров, как првило, содержат всю систему команд своих предшественников. Существует большое количество различных семейств процессоров, среди которых можно выделить семейство Intel и совместимых с ними AMD и Cyrix, на которых базируется значительная часть ПК. Фирмой Intel был создан процессор Pentium и его модификации Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Pentium IV. Процессоры фирмы Motorola, применяемые в компьютерах фирмы Apple, относятся к другому семейству.

Основными характеристиками процессора являются:

- быстродействие -- количество операций, производимых в 1 секунду, измеряется в бит/сек. Каждая последующая модель имеет более высокую производительность по сравнению с предыдущей. Современные процессоры обладают расширением ММХ (MultiMedia eXtention - расширение мультимедиа);

- тактовая частота - количество тактов, производимых процессором за 1 секунду. Операции, производимые процессором, не являются непрерывными, они разделены на такты. Эта характеристика определяет скорость выполнения операций и непосредственно влияет на производительность процессора. Процессор Pentium и его модификации имеют тактовые частоты от 60 МГц до 1,5 ГГц (1,5 миллиарда операций в секунду);

- разрядность - количество двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Указывая разрядность процессора 64, имеют в виду, что процессор имеет 64-разрядную шину данных, т.е. за один такт он обрабатывает 64 бита. /Дорот В.А., Новиков Ф.Н. Толковый словарь современной компьютерной лексики. 2-е изд. СПб.: BHV, 2001./

Оперативная память (RAM - random access memory, ОЗУ) - устройство, предназначенное для хранения обрабатываемой информации (данных) и программ, управляющих процессом обработки информации. Конструктивно представляет собой набор микросхем, размещенных на одной небольшой плате (модуль, планка). Модуль (модули) оперативной памяти вставляется в соответствующий разъем материнской платы, позволяя таким образом связываться с другими устройствами ПК. /Акулов О.А., Медведев Н.В. Информатика: базовый курс. М.: Омега-Л, 2006./

Основными характеристиками памяти являются объем, время доступа и плотность записи информации. Объем памяти определяется максимальным количеством информации, которая может быть помещена в эту память, и выражается в килобайтах, мегабайтах, гигабайтах. Время доступа к памяти (секунды) представляет собой минимальное время, достаточное для размещения в памяти единицы информации. Плотность записи информации (бит/см²) представляет собой количество информации, записанной на единице поверхности носителя. Важнейшей характеристикой компьютера в целом является его производительность, т.е. возможность обрабатывать большие объемы информации. Производительность ПК во многом определяется быстродействием процессора, а также объемом оперативной памяти и скоростью доступа к ней.

Оперативная память изготавливается в виде небольших печатных плат с рядами контактов, на которых размещаются интегральные схемы памяти (модули памяти). Модули памяти различаются по размеру и количеству контактов (SIMM или DIMM), по быстродействию, по объему.

Важнейшей характеристикой модулей оперативной памяти является быстродействие - частота, с которой считывается или записывается информация в ячейки памяти. Современные модули памяти имеют частоту 133 МГц и выше.

Оперативная память состоит из огромного количества ячеек (десятки миллионов), в каждой из которых хранится определенная информация. От объема оперативной памяти зависит, сможет ли компьютер работать с той или иной программой. При недостаточном количестве памяти программы либо совсем не будут работать, либо будут работать медленно. Типичный современный компьютер имеет 256 или 512 Мб оперативной памяти. Оперативная память энергозависима - при выключении электропитания информация, помещенная в оперативную память, исчезает безвозвратно.

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется кэш-память (cache - запас). Это сверхбыстрая оперативная память, предназначенная для временного хранения текущих данных и помещенная между оперативной памятью и процессором. Объем кэш-памяти до 1Мб. Специальные программно-аппаратные средства обеспечивают опережающее копирование данных из оперативной памяти в кэш и обратное копирование данных по окончании их обработки. Обработка данных в кэш-памяти производится быстрее, что приводит к увеличению производительности ПК. Непосредственного доступа из программы в кэш-память нет.

Специальная память. CMOS-память (изготовленная по технологии CMOS - complementary metal - oxide semiconductor) предназначена для длительного хранения данных о конфигурации и настройке компьютера (дата, время, пароль), в том числе и когда питание компьютера выключено. Для этого используют специальные электронные схемы со средним быстродействием, но очень малым энергопотреблением, питаемые от специального аккумулятора, установленного на материнской плате. Это полупостоянная память.

Данные записываются и считываются под управлением команд, содержащихся в другом виде памяти - BIOS.

BIOS - постоянная память, т.е. память, хранящая информацию при отключенном питании теоретически сколь угодно долго, в которую данные занесены при ее изготовлении. /Попов В.Б. Основы компьютерных технологий. М.: Финансы и статистика, 2002.

Жесткий магнитный диск (винчестер, HDD - Hard Disk Drive) - постоянная память, предназначена для долговременного хранения всей имеющейся в компьютере информации. Операционная система, постоянно используемые программы загружаются с жесткого диска, на нем хранится большинство документов.

Жесткий диск представляет собой герметичную коробочку, внутри которой спрятано несколько дисков, покрытых магнитным слоем. Над ними очень быстро движутся несколько головок чтения-записи.

Практически все современные жесткие диски выпускаются по технологии, использующей магниторезистивный эффект. Благодаря этому емкость дисков растет быстрыми темпами за счет повышения плотности записи информации.

Появление в 1999 г. изобретенных фирмой IBM головок с магниторезистивным эффектом (GMR - Giant Magnetic Resistance) привело к повышению плотности записи до 6,4 Гбайт на одну пластину в уже представленных на рынке изделиях.

Основные параметры жесткого диска:

- Емкость - винчестер имеет объем от 40 Гб до 200 Гб и более.

- Скорость чтения данных. Средний показатель - около 8 Мбайт/с.

- Среднее время доступа. Измеряется в миллисекундах и обозначает то время, которое необходимо диску для доступа к любому выбранному вами участку. Средний показатель - 9 мс.

- Скорость вращения диска. Показатель, напрямую связанный со скоростью доступа и скоростью чтения данных. Скорость вращения жесткого диска в основном влияет на сокращение среднего времени доступа. Повышение общей производительности особенно заметно при выборке большого числа файлов.

- Размер кэш-памяти - быстрой буферной памяти небольшого объема, в которую компьютер помещает наиболее часто используемые данные. У винчестера есть своя кэш-память размером до 8 Мбайт.

- Фирма-производитель. Освоить современные технологии могут только крупнейшие производители, потому что организация изготовления сложнейших головок, пластин, контроллеров требует крупных финансовых и интеллектуальных затрат. Жесткие диски производят семь основных компаний: Fujitsu, IBM-Hitachi, Maxtor, Samsung, Seagate, Toshiba и Western Digital. При этом каждая модель одного производителя имеет свои, только ей присущие особенности. /Дорот В.А., Новиков Ф. Н. Толковый словарь современной компьютерной лексики. 2-е изд. СПб.: BHV, 2001./

Компактные твердотельные носители. Проблема емких и надежных накопителей, являющихся внешними для компьютерной системы, стоит сегодня достаточно остро.

Использование 3,5' гибких дисков (1,44 Мбайт) в недавнем времени было очень популярно. Гибкие магнитные диски помещаются в пластмассовый корпус. В центре дискеты имеется приспособление для захвата и обеспечения вращения диска внутри пластмассового корпуса. Дискета вставляется в дисковод, который вращается с постоянной угловой скоростью.

В настоящее время распространенными накопителями можно назвать дисководы CD-ROM и CD-RW (Compact Disc-ReWritable). С помощью специальных программ на чистый CD возможна запись информации в домашних условиях. Запись производится мощным лазером, под воздействием которого материал CD частично теряет прозрачность. По внешнему виду как сами дисководы, так и диски для CD-RW практически не отличаются от CD-ROM, DVD-ROM. Однако из-за меньшей прозрачности CD требуют лучшего отражающего покрытия. В целях сохранения информации CD необходимо предохранять от механических повреждений (царапин, сколов), а также от загрязнения. Накопители управляются контроллерами, размещенными на системной плате либо на мультикарте.

Устройства, выполненные на одной микросхеме (кристалле) и не имеющие подвижных частей, основаны на кристаллах электрически перепрограммируемой флэш-памяти. Физический принцип организации ячеек флэш-памяти можно считать одинаковым для всех выпускаемых устройств, как бы они ни назывались. Различаются такие устройства по интерфейсу и применяемому контроллеру, что обусловливает разницу в емкости, скорости передачи данных и энергопотреблении. /Акулов О.А., Медведев Н.В. Информатика: базовый курс. М.: Омега-Л, 2006./

Заключение

В данной работе была раскрыта структурная схема ЭВМ. Структура компьютера - это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов. Центральной частью компьютера является системный блок, с присоединенными к нему клавиатурой, монитором и мышью. Описаны основные компоненты ЭВМ: микропроцессор, внешняя и внутренняя память, генератор тактовой частоты, контроллеры (в том числе контроллер прерывания), системная шина, устройства ввода и вывода информации и другие. Рассмотрен принцип взаимодействия основных устройств. А также описаны состав центрального процессора и его основные характеристики, такие как быстродействие, тактовая частота и разрядность. Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины для выполнения арифметических и логических операций над информацией. Разобраны основные виды памяти и их основные характеристики, такие как емкость, скорость чтения данных и среднее время доступа к данным. Оперативная память - устройство, предназначенное для хранения обрабатываемой информации (данных) и программ, управляющих процессом обработки информации. CMOS-память предназначена для длительного хранения данных о конфигурации и настройке компьютера (дата, время, пароль), в том числе и когда питание компьютера выключено. Жесткий магнитный диск - постоянная память, предназначена для долговременного хранения всей имеющейся в компьютере информации. Использование 3,5' гибких дисков (1,44 Мбайт) в недавнем времени было очень популярно. Устройства, выполненные на одной микросхеме (кристалле) и не имеющие подвижных частей, основаны на кристаллах электрически перепрограммируемой флэш-памяти. В настоящее время распространенными накопителями можно назвать дисководы CD-ROM и CD-RW.

Микропроцессор и микропроцессорная система

Дать строгое, исчерпывающее определение термина “микропроцессор” (МП)

практически невозможно, поскольку МП связаны с динамично развивающейся

технологией, и изменения в технологии, возможно вызовут изменения в определении.

Грубо говоря, МП - это функционально завершенное программируемое

логическое устройство, изготовленное по БИС-технологии в виде одной или

нескольких интегральных схем (ИС) и предназначенное для обработки цифровой

информации. В конструкцию МП заложена большая гибкость. Однако, чтобы

реализовать его потенциальные возможности, МП надо соединить с другими

устройствами, в число которых обычно входят память и устройства ввода-вывода

(УВВ), и запрограммировать.

Вообще некоторая совокупность соединенных друг с другом системных

устройств, включающая в себя МП, память и УВВ, нацеленная на выполнение

некоторой четко определенной функции, обычно называется микроЭВМ, поскольку из

этих же системных устройств состоит любая ЭВМ.

Таким образом, данное название отражает изначальную область применения ЭВМ

- выполнение научно-технических расчетов. Для понимания же устройства и принципа

действия микроЭВМ целесообразно, прежде всего, отказаться от всяких ассоциаций с

этой областью их применения. По существу микроЭВМ представляет собой

программно управляемое цифровое устройство, способное воспринимать,

обрабатывать, запоминать и выдавать в окружающую среду информацию. В

соответствии с этим определением вместо термина “микроЭВМ” правильнее

использовать термин “микропроцессорная система” (МПС), поскольку он более точно

отражает существо дела.

Базовая структура МПС

Любая МПС содержит следующие функциональные блоки, имеющие свою

микроархитектуру (рис. 1): МП, состоящий из арифметико-логического устройства

(АЛУ) и устройства управления (УУ), память, устройства ввода и устройства вывода

информации. Объединение функциональных блоков в МПС осуществляется с

помощью системной шины, или магистрали, состоящей из адресной шины (АШ),

используемой для адресации программно-доступных элементов системы, шины данных

(ШД), по которой производится обмен информацией между блоками МПС; и шины

управления (ШУ), предназначенной для передачи управляющих сигналов.

Физические компоненты и схемы,

составляющие МПС - это ее аппаратные

средства (hardware). Аппаратура способна

выполнять только ограниченный набор

элементарных операций. Все прочие

возможности МПС достигаются

программным путем.

Программа - это определенным образом организованная совокупность

элементарных машинных операций, называемых командами (инструкциями), с

УУ & АЛУ

Память

УВВ

Рис. 1

1

помощью которых осуществляется обработка информации. Программы, написанные

для МПС, образуют ее программное обеспечение (ПО).

Программа и данные сначала накапливаются в памяти, куда они поступают через

устройство ввода. Затем отдельные команды программы одна за другой автоматически

поступают в УУ, которое их расшифровывает и выполняет. Для выполнения операций

обычно требуется, чтобы данные поступили в АЛУ, которое содержит все необходимые

для их обработки схемы. В процессе вычислений или после их завершения полученные

результаты направляются в устройство вывода.

АЛУ и УУ вместе обычно называются центральным процессорным устройством

(ЦПУ) или центральным процессором (ЦП). ЦП в МПС и есть МП.

Информация, которой оперирует МПС, представляет собой группы двоичных

разрядов (битов) конечной длины и хранятся в запоминающих устройствах - регистрах.

Она может храниться не только в памяти, но и в других устройствах системы, в том

числе и внутри МП. По существу, любую операцию в МПС можно рассматривать как

серию передач информации между регистрами с возможным ее преобразованием

(например, сложением), выполняемым в процессе передачи.

Группа двоичных разрядов, обрабатываемых одновременно, называется

машинным словом, а число двоичных разрядов, образующих слово - длиной слова.

Слово является основной (базовой) логической единицей информации в МПС.

Команды и данные обычно состоят из одного или нескольких слов. Типичные МП

имеют длину слова 4, 8, 16 или 32 двоичных разряда. В силу особой

распространенности слово длиной 8 двоичных разрядов имеет специальное название -

байт.

Память

Память, или точнее, запоминающее устройство (ЗУ) предназначено для хранения

больших объёмов информации. Этот блок МПС состоит из совокупности регистров,

каждый из которых способен хранить одно машинное слово. Каждый регистр, или

ячейка памяти, имеет свой адрес. Адрес - это просто целое число, однозначно

определяющее ячейку. Слово, хранящееся в ячейке, называют её содержимым.

МПС имеет два вида памяти , как правило: память, из которой возможно только

считывание (ROM - Read only memory), или постоянная память (ПЗУ), и память со

считыванием и записью (RAM - Read/Write memory) или оперативная память (ОЗУ).

Отметим, что память со считыванием и записью стало общепринятым называть

памятью с произвольной выборкой (RAM - random access memory - запоминающее

устройство с произвольной выборкой - ЗУПВ, несмотря на то, что и память только со

считыванием также обладает произвольностью выборки. Термин “произвольная

выборка” или “произвольный доступ”, соответствует тому факту, что обращение к

любой ячейке выполняется за одно и то же время.

ПЗУ предназначено для хранения постоянных данных и отлаженных программ,

обеспечивающих выполнение конкретной задачи или выполнение конкретной

функции, возложенной на данную МПС. ОЗУ используется для хранения

изменяющейся информации.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)

АЛУ предназначено для арифметической и логической обработки данных,

выполнения операций сдвига и формирования признаков результатов операций. Эти

встроенные операции чрезвычайно элементарны. Более сложные математические

действия должны выполняться с помощью программ, пользующихся встроенными

операциями.

2

Обычно главный регистр в АЛУ называется аккумулятором. В нем, как правило,

находится один из операндов перед выполнением операции, и в него же помещается ее

результат. Некоторые типы МП могут иметь несколько аккумуляторов (например, два -

как микропроцессор МС6800 фирмы Motorola). АЛУ часто содержит еще несколько

регистров, называемых рабочими; они позволяют упростить составление программы.

Кроме того, в состав АЛУ входят так называемые флажки, которые представляют

собой отдельные триггеры. Флажки отображают информацию, характеризующую

текущее состояние МП, и важные особенности, или признаки, результата выполнения

команды. Эти признаки могут быть использованы для выбора дальнейшего пути

вычислений. Например, может существовать флажок, указывающий на нулевой

результат операции. Программист может воспользоваться проверкой этого флажка для

принятия решения: если некоторая операция дала нулевой результат, то будет

выполнена одна последовательность команд, в противном случае - другая. Количество

и смысл флажков у конкретных МП могут различаться. Флажки, характеризующие

результат операций или каких-либо проверок, часто размещаются вместе с другой

важной информацией о состоянии МП в специальном регистре, называемом словом

состояния программы (PSW - Program Status Word).

Устройство управления (УУ)

УУ управляет работой МПС. Оно автоматически, последовательно, по одной,

получает команды из памяти, декодирует каждую из них и генерирует необходимые

для её выполнения сигналы.

Чтобы получить команду из памяти, УУ должно знать ее адрес. Обычно команды

выбираются из последовательных ячеек памяти, а их адреса указываются

программным счётчиком (счётчиком команд), находящимся в УУ. Далее, чтобы иметь

возможность декодировать и выполнять текущую команду, её надо где-то запомнить.

Для этой цели в УУ имеется регистр команд (РК).

Чтобы УУ могло правильно понять команду, команда должна иметь

определенную структуру, называемую форматом команды. У МП разных типов

форматы команд различны. Однако, есть информация, которая должна присутствовать

в команде в любом случае. Это, прежде всего, - код операции и, в некоторых командах,

адрес. Код операции - это совокупность двоичных цифр, которые однозначно

определяют операцию, которая должна быть выполнена. Адресная часть команды (если

она присутствует) указывает на ячейки (например, памяти), к которым нужно

обратиться, выполняя команду.

Еще одной функцией УУ является синхронизация работы отдельных блоков

МПС. Она осуществляется с помощью тактового генератора. Обработка команды

занимает несколько тактов, или периодов, тактового генератора. Вообще говоря,

команду нужно выбрать из памяти, декодировать и затем выполнить. Каждый из этих

интервалов, связанный с обращением МП к памяти или внешнему устройству (ВУ) и

включающий в себя один или несколько периодов тактового генератора, представляет

собой машинный цикл. Совокупное время, требуемое для выборки, декодирования и

выполнения команды, образует командный цикл или цикл выполнения команды.

Таким образом, время выполнения любой команды всегда составляет целое число

периодов тактового генератора. Тактовые импульсы образуют синхронный временной

растр, в соответствии с которым протекают не только все внутренние этапы передачи и

обработки данных, но и процессы ввода-вывода информации.

Частота тактовых импульсов определяет одновременно быстродействие МПС и

выбирается как можно большей. Однако, она ограничена временем задержки и

распространения сигналов. Поэтому главной целью дальнейшего развития технологии

3

изготовления ИС является повышение допустимой частоты тактовых импульсов. В

настоящее время МПК чаще всего работают с частотой до 10 МГц.

Устройства ввода-вывода (УВВ)

УВВ МПС представляют собой совокупность буферных .регистров (устройства

ввода) и регистров-фиксаторов (устройства вывода), через которые осуществляется

связь МП с ВУ. Эти регистры называются портами ввода-вывода. Порты ввода-вывода

(ВВ) также имеют адреса, как и ячейки памяти, но в отличие от них, с ними могут

производиться только операции считывания (ввода) - для портов ввода, или записи

(вывода) - для портов вывода.

Обобщенный алгоритм функционирования МПС

Итак, активной частью МПС, ее ядром, является МП - функциональное

устройство, которое под воздействием тактовых импульсов способно в бесконечной

последовательности выполнять посылаемые ему команды.

Во время командного цикла МП должен выполнить следующие действия (рис. 2):

Во-первых, выбрать команду из памяти.

После того как программа и данные введены в память, адрес первой выполняемой

команды загружается в счётчик команд (СК) и начинается фаза выборки: содержимое

СК выставляется на АШ, и команда, которая находится в адресованной ячейке памяти,

посылается по ШД в регистр команд УУ. Поскольку команды в памяти располагаются в

последовательных ячейках памяти, содержимое СК увеличивается на 1, и в нем

оказывается адрес следующего слова программы. Затем УУ декодирует код операции

только что полученной команды. Если код операции показывает, что команда состоит

из более, чем одного слова, фаза выборки повторяется нужное число раз, чтобы

выбрать команду полностью. При этом каждый раз содержимое СК увеличивается на 1.

Таким образом, после завершения фазы выборки команды СК всегда содержит в себе

адрес следующей команды.

Выборка

команды

Обработка

запросов

прерываний

Декодирование

и выполнение

команды

Определение

адреса

следующей

команды

Программная

память

Адрес команды

Команда

Запросы прерываний

Адрес памяти

Данные

Адрес порта ВВ

Данные

Память

данных

Устройства

ВВ

Если нужно

для

выполнения

команды

Рис. 2

4

Во-вторых, выполнить команду.

После выборки и декодирования всей команды УУ переходит к фазе ее

выполнения . Оно формирует управляющие сигналы, и соответствующие схемы

выполняют заданную в команде операцию. Если в команде задан адрес операнда, УУ

переходит к пересылке адресуемой информации между указанной ячейкой или портом

ввода-вывода и соответствующим блоком МПС, например, АЛУ. Для этого адресная

часть команды передается на АШ, подготавливая последующее появление адресуемой

информации на ШД. В конечном счете УУ обеспечивает фактическое выполнение

заданной операции.

В-третьих, определить адрес следующей команды.

Когда команды расположены в последовательных ячейках памяти, адрес

следующей выполняемой команды уже находится в СК. В этом случае МП вновь

обращается к фазе выборки и описанный выше процесс повторяется до тех пор, пока

МП не получит указание остановиться.

Описанный алгоритм работы МПС характерен для известных автоматов,

управляемых последовательной программой. Однако, этим не исчерпываются

возможности МПС. Новое качество МП как программно управляемого автомата

состоит в том, что он способен обеспечить ветвление программ. Это значит, что в

зависимости от ранее полученного результата обработки информации (нуль,

переполнение разрядной сетки и т.д.) возможно альтернативное продолжение

программы. Для этой цели используются команды переходов или передачи управления.

Эти команды осуществляют проверку состояния флажка, отражающего

соответствующий признак полученного результата, и при выполнении условия

перехода изменяют содержимое СК, помещая в него новый адрес, содержащийся в

адресной части команды перехода. Таким образом, УУ автоматически получает

нужную ему следующую команду.

Существует особый тип команд перехода - команды вызова и команды возврата,

которые позволяют многократно использовать некоторую последовательность команд,

называемую подпрограммой. Подпрограмма хранится в памяти отдельно от главной

программы и предназначается для выполнения конкретной функции или процедуры,

которая часто встречается в главной программе.

Для использования подпрограммы ее необходимо вызвать из главной программы

(передать ей управление), выполнить и вернуться в главную программу для

продолжения работы. Чтобы обеспечить возвращение в главную программу, команда

вызова сохраняет содержимое СК, которое было в нем до перехода к подпрограмме, т.е.

адрес возврата, в специальной области памяти - стеке, и затем передаёт управление

подпрограмме. В свою очередь подпрограмма всегда заканчивается командой возврата,

которая восстанавливает содержимое СК, помещая в него сохраненный в стеке адрес

возврата.

В общем случае стек - это совокупность регистров, которые принимают и выдают

информацию в соответствии с правилом: “последним вошел - первым вышел” (LIFO -

last-in first-out). Это означает, что только вершина стека, где находится последний его

элемент, непосредственно доступна извне. В зависимости от типа МП стек может

находиться в УУ или использовать часть общей памяти системы.

Если стек может хранить несколько адресов (значений СК), то это позволяет

выполнять вложенные подпрограммы. Очевидно, что глубина вложений подпрограмм

зависит от емкости стека.

В-четвёртых, осуществить проверку запросов прерывания.

При работе в режиме реального времени МПС должна обладать способностью как

можно быстрее реагировать на определённые события, спонтанно возникающие в

5

системе управления. При возникновении такого события МП должен приостановить

выполнение текущей программы и перейти к соответствующей подпрограмме,

выполняемой как необходимая реакция МПС на возникшее событие. В соответствии со

случайным характером этот вид ветвления должен в каждом из многочисленных

случаях распознаваться и осуществляться специальными аппаратными средствами. Эти

средства - система прерываний, являющаяся составной частью МПС.

Для реализации механизма прерываний МП имеет специальный вход, на который

подаются сигналы, или запросы прерывания от ВУ. Поскольку сигналы прерывания

возникают в случайные моменты времени, МП реагирует на них не сразу, а лишь после

завершения текущего командного цикла.

В конце каждого командного цикла и перед началом следующего МП проверяет

наличие сигнала прерывания и в случае его обнаружения сохраняет адрес следующей

команды в стеке, а в СК записывает предусмотренный системой прерывания начальный

адрес соответствующей подпрограммы обслуживания этого прерывания. Таким

образом гарантируется, что после выполнения подпрограммы обслуживания

прерывания сохраненный в стеке первоначальный адрес следующей команды будет

возвращен в СК (разумеется, с некоторой задержкой) и прерванная программа будет

продолжена без потери информации.

Таким образом, следует различать прекращение последовательного выполнения

программы по командам перехода и по запросам прерывания. В обоих случаях

последствия одинаковы: продолжение программы следует не в соответствии с

последующей командой программной памяти, а по заранее предусмотренному адресу.

Но по существу здесь имеются значительные различия, а именно: командами перехода

осуществляется детерминированное ветвление программы как реакция на

определенные события, возникающие по ходу выполнения программы; прерывания,

напротив, обуславливают ветвление программы вследствие случайных событий,

появляющихся независимо от выполняемой программы как необходимая реакция МПС

на поведение или состояние ВУ.

Способность прерывания является решающим инструментом обработки

информации в реальном масштабе времени. Пропускная способность систем

прерывания (например, требуемое время перехода к подпрограмме) является поэтому

важнейшей характеристикой МПС.

Отметим, что порядок обработки прерываний от нескольких устройств

определяется аппаратным и программным обеспечением системы прерываний и может

следовать правилу обслуживания: ”первым вошел - первым вышел” (FIFO), либо

некоторой приоритетной схеме в соответствии с установленным приоритетом

устройств.

Функциональная схема МПС

Исходя из рассмотренного выше обобщенного алгоритма работы МПС, можно

более детально определить необходимые для МПС функциональные элементы. На рис.

3 приведена обобщенная функциональная схема МПС.

Рассмотрим сначала модули, расположенные в левой половине схемы, которые

служат для организации выполнения текущего командного цикла: регистр команд (РК)

хранит в течение цикла выполняемую команду и поставляет входную информацию для

дешифратора команд (ДК), который вырабатывает управляющие сигналы для прочих

модулей МПС в соответствии с тактовыми импульсами, поступающими от тактового

генератора. ДК, таким образом, является сложным модулем, определяющим структуру

последовательности команд МПС.

6

Конкретная исполняемая программа хранится в памяти программ (ПП). В начале

командного цикла соответствующая команда, адрес которой определяется содержимым

СК, считывается из ПП и передается в РК. Содержимое СК после этого либо

отсчитывается последовательно, либо устанавливается адрес новой последовательности

команд, если в этом цикле декодирована команда перехода.

Система прерываний (СП) воспринимает запросы прерывания и после

выполнения текущей команды, содержимое СК сохраняется в стеке и устанавливается

начальный адрес подпрограммы обслуживания прерывания. Устройство и принцип действия микропроцессорных систем

Микропроцессор и микропроцессорная система

Дать строгое, исчерпывающее определение термина “микропроцессор” (МП)

практически невозможно, поскольку МП связаны с динамично развивающейся

технологией, и изменения в технологии, возможно вызовут изменения в определении.

Грубо говоря, МП - это функционально завершенное программируемое

логическое устройство, изготовленное по БИС-технологии в виде одной или

нескольких интегральных схем (ИС) и предназначенное для обработки цифровой

информации. В конструкцию МП заложена большая гибкость. Однако, чтобы

реализовать его потенциальные возможности, МП надо соединить с другими

устройствами, в число которых обычно входят память и устройства ввода-вывода

(УВВ), и запрограммировать.

Вообще некоторая совокупность соединенных друг с другом системных

устройств, включающая в себя МП, память и УВВ, нацеленная на выполнение

некоторой четко определенной функции, обычно называется микроЭВМ, поскольку из

этих же системных устройств состоит любая ЭВМ.

Таким образом, данное название отражает изначальную область применения ЭВМ

- выполнение научно-технических расчетов. Для понимания же устройства и принципа

действия микроЭВМ целесообразно, прежде всего, отказаться от всяких ассоциаций с

этой областью их применения. По существу микроЭВМ представляет собой

программно управляемое цифровое устройство, способное воспринимать,

обрабатывать, запоминать и выдавать в окружающую среду информацию. В

соответствии с этим определением вместо термина “микроЭВМ” правильнее

использовать термин “микропроцессорная система” (МПС), поскольку он более точно

отражает существо дела.

Базовая структура МПС

Любая МПС содержит следующие функциональные блоки, имеющие свою

микроархитектуру (рис. 1): МП, состоящий из арифметико-логического устройства

(АЛУ) и устройства управления (УУ), память, устройства ввода и устройства вывода

информации. Объединение функциональных блоков в МПС осуществляется с

помощью системной шины, или магистрали, состоящей из адресной шины (АШ),

используемой для адресации программно-доступных элементов системы, шины данных

(ШД), по которой производится обмен информацией между блоками МПС; и шины

управления (ШУ), предназначенной для передачи управляющих сигналов.

Физические компоненты и схемы,

составляющие МПС - это ее аппаратные

средства (hardware). Аппаратура способна

выполнять только ограниченный набор

элементарных операций. Все прочие

возможности МПС достигаются

программным путем.

Программа - это определенным образом организованная совокупность

элементарных машинных операций, называемых командами (инструкциями), с

УУ & АЛУ

Память

УВВ

Рис. 1

1

помощью которых осуществляется обработка информации. Программы, написанные

для МПС, образуют ее программное обеспечение (ПО).

Программа и данные сначала накапливаются в памяти, куда они поступают через

устройство ввода. Затем отдельные команды программы одна за другой автоматически

поступают в УУ, которое их расшифровывает и выполняет. Для выполнения операций

обычно требуется, чтобы данные поступили в АЛУ, которое содержит все необходимые

для их обработки схемы. В процессе вычислений или после их завершения полученные

результаты направляются в устройство вывода.

АЛУ и УУ вместе обычно называются центральным процессорным устройством

(ЦПУ) или центральным процессором (ЦП). ЦП в МПС и есть МП.

Информация, которой оперирует МПС, представляет собой группы двоичных

разрядов (битов) конечной длины и хранятся в запоминающих устройствах - регистрах.

Она может храниться не только в памяти, но и в других устройствах системы, в том

числе и внутри МП. По существу, любую операцию в МПС можно рассматривать как

серию передач информации между регистрами с возможным ее преобразованием

(например, сложением), выполняемым в процессе передачи.

Группа двоичных разрядов, обрабатываемых одновременно, называется

машинным словом, а число двоичных разрядов, образующих слово - длиной слова.

Слово является основной (базовой) логической единицей информации в МПС.

Команды и данные обычно состоят из одного или нескольких слов. Типичные МП

имеют длину слова 4, 8, 16 или 32 двоичных разряда. В силу особой

распространенности слово длиной 8 двоичных разрядов имеет специальное название -

байт.

Память

Память, или точнее, запоминающее устройство (ЗУ) предназначено для хранения

больших объёмов информации. Этот блок МПС состоит из совокупности регистров,

каждый из которых способен хранить одно машинное слово. Каждый регистр, или

ячейка памяти, имеет свой адрес. Адрес - это просто целое число, однозначно

определяющее ячейку. Слово, хранящееся в ячейке, называют её содержимым.

МПС имеет два вида памяти , как правило: память, из которой возможно только

считывание (ROM - Read only memory), или постоянная память (ПЗУ), и память со

считыванием и записью (RAM - Read/Write memory) или оперативная память (ОЗУ).

Отметим, что память со считыванием и записью стало общепринятым называть

памятью с произвольной выборкой (RAM - random access memory - запоминающее

устройство с произвольной выборкой - ЗУПВ, несмотря на то, что и память только со

считыванием также обладает произвольностью выборки. Термин “произвольная

выборка” или “произвольный доступ”, соответствует тому факту, что обращение к

любой ячейке выполняется за одно и то же время.

ПЗУ предназначено для хранения постоянных данных и отлаженных программ,

обеспечивающих выполнение конкретной задачи или выполнение конкретной

функции, возложенной на данную МПС. ОЗУ используется для хранения

изменяющейся информации.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)

АЛУ предназначено для арифметической и логической обработки данных,

выполнения операций сдвига и формирования признаков результатов операций. Эти

встроенные операции чрезвычайно элементарны. Более сложные математические

действия должны выполняться с помощью программ, пользующихся встроенными

операциями.

2

Обычно главный регистр в АЛУ называется аккумулятором. В нем, как правило,

находится один из операндов перед выполнением операции, и в него же помещается ее

результат. Некоторые типы МП могут иметь несколько аккумуляторов (например, два -

как микропроцессор МС6800 фирмы Motorola). АЛУ часто содержит еще несколько

регистров, называемых рабочими; они позволяют упростить составление программы.

Кроме того, в состав АЛУ входят так называемые флажки, которые представляют

собой отдельные триггеры. Флажки отображают информацию, характеризующую

текущее состояние МП, и важные особенности, или признаки, результата выполнения

команды. Эти признаки могут быть использованы для выбора дальнейшего пути

вычислений. Например, может существовать флажок, указывающий на нулевой

результат операции. Программист может воспользоваться проверкой этого флажка для

принятия решения: если некоторая операция дала нулевой результат, то будет

выполнена одна последовательность команд, в противном случае - другая. Количество

и смысл флажков у конкретных МП могут различаться. Флажки, характеризующие

результат операций или каких-либо проверок, часто размещаются вместе с другой

важной информацией о состоянии МП в специальном регистре, называемом словом

состояния программы (PSW - Program Status Word).

Устройство управления (УУ)

УУ управляет работой МПС. Оно автоматически, последовательно, по одной,

получает команды из памяти, декодирует каждую из них и генерирует необходимые

для её выполнения сигналы.

Чтобы получить команду из памяти, УУ должно знать ее адрес. Обычно команды

выбираются из последовательных ячеек памяти, а их адреса указываются

программным счётчиком (счётчиком команд), находящимся в УУ. Далее, чтобы иметь

возможность декодировать и выполнять текущую команду, её надо где-то запомнить.

Для этой цели в УУ имеется регистр команд (РК).

Чтобы УУ могло правильно понять команду, команда должна иметь

определенную структуру, называемую форматом команды. У МП разных типов

форматы команд различны. Однако, есть информация, которая должна присутствовать

в команде в любом случае. Это, прежде всего, - код операции и, в некоторых командах,

адрес. Код операции - это совокупность двоичных цифр, которые однозначно

определяют операцию, которая должна быть выполнена. Адресная часть команды (если

она присутствует) указывает на ячейки (например, памяти), к которым нужно

обратиться, выполняя команду.

Еще одной функцией УУ является синхронизация работы отдельных блоков

МПС. Она осуществляется с помощью тактового генератора. Обработка команды

занимает несколько тактов, или периодов, тактового генератора. Вообще говоря,

команду нужно выбрать из памяти, декодировать и затем выполнить. Каждый из этих

интервалов, связанный с обращением МП к памяти или внешнему устройству (ВУ) и

включающий в себя один или несколько периодов тактового генератора, представляет

собой машинный цикл. Совокупное время, требуемое для выборки, декодирования и

выполнения команды, образует командный цикл или цикл выполнения команды.

Таким образом, время выполнения любой команды всегда составляет целое число

периодов тактового генератора. Тактовые импульсы образуют синхронный временной

растр, в соответствии с которым протекают не только все внутренние этапы передачи и

обработки данных, но и процессы ввода-вывода информации.

Частота тактовых импульсов определяет одновременно быстродействие МПС и

выбирается как можно большей. Однако, она ограничена временем задержки и

распространения сигналов. Поэтому главной целью дальнейшего развития технологии

3

изготовления ИС является повышение допустимой частоты тактовых импульсов. В

настоящее время МПК чаще всего работают с частотой до 10 МГц.

Устройства ввода-вывода (УВВ)

УВВ МПС представляют собой совокупность буферных .регистров (устройства

ввода) и регистров-фиксаторов (устройства вывода), через которые осуществляется

связь МП с ВУ. Эти регистры называются портами ввода-вывода. Порты ввода-вывода

(ВВ) также имеют адреса, как и ячейки памяти, но в отличие от них, с ними могут

производиться только операции считывания (ввода) - для портов ввода, или записи

(вывода) - для портов вывода.

Обобщенный алгоритм функционирования МПС

Итак, активной частью МПС, ее ядром, является МП - функциональное

устройство, которое под воздействием тактовых импульсов способно в бесконечной

последовательности выполнять посылаемые ему команды.

Во время командного цикла МП должен выполнить следующие действия (рис. 2):

Во-первых, выбрать команду из памяти.

После того как программа и данные введены в память, адрес первой выполняемой

команды загружается в счётчик команд (СК) и начинается фаза выборки: содержимое

СК выставляется на АШ, и команда, которая находится в адресованной ячейке памяти,

посылается по ШД в регистр команд УУ. Поскольку команды в памяти располагаются в

последовательных ячейках памяти, содержимое СК увеличивается на 1, и в нем

оказывается адрес следующего слова программы. Затем УУ декодирует код операции

только что полученной команды. Если код операции показывает, что команда состоит

из более, чем одного слова, фаза выборки повторяется нужное число раз, чтобы

выбрать команду полностью. При этом каждый раз содержимое СК увеличивается на 1.

Таким образом, после завершения фазы выборки команды СК всегда содержит в себе

адрес следующей команды.

Выборка

команды

Обработка

запросов

прерываний

Декодирование

и выполнение

команды

Определение

адреса

следующей

команды

Программная

память

Адрес команды

Команда

Запросы прерываний

Адрес памяти

Данные

Адрес порта ВВ

Данные

Память

данных

Устройства

ВВ

Если нужно

для

выполнения

команды

Рис. 2

4

Во-вторых, выполнить команду.

После выборки и декодирования всей команды УУ переходит к фазе ее

выполнения . Оно формирует управляющие сигналы, и соответствующие схемы

выполняют заданную в команде операцию. Если в команде задан адрес операнда, УУ

переходит к пересылке адресуемой информации между указанной ячейкой или портом

ввода-вывода и соответствующим блоком МПС, например, АЛУ. Для этого адресная

часть команды передается на АШ, подготавливая последующее появление адресуемой

информации на ШД. В конечном счете УУ обеспечивает фактическое выполнение

заданной операции.

В-третьих, определить адрес следующей команды.

Когда команды расположены в последовательных ячейках памяти, адрес

следующей выполняемой команды уже находится в СК. В этом случае МП вновь

обращается к фазе выборки и описанный выше процесс повторяется до тех пор, пока

МП не получит указание остановиться.

Описанный алгоритм работы МПС характерен для известных автоматов,

управляемых последовательной программой. Однако, этим не исчерпываются

возможности МПС. Новое качество МП как программно управляемого автомата

состоит в том, что он способен обеспечить ветвление программ. Это значит, что в

зависимости от ранее полученного результата обработки информации (нуль,

переполнение разрядной сетки и т.д.) возможно альтернативное продолжение

программы. Для этой цели используются команды переходов или передачи управления.

Эти команды осуществляют проверку состояния флажка, отражающего

соответствующий признак полученного результата, и при выполнении условия

перехода изменяют содержимое СК, помещая в него новый адрес, содержащийся в

адресной части команды перехода. Таким образом, УУ автоматически получает

нужную ему следующую команду.

Существует особый тип команд перехода - команды вызова и команды возврата,

которые позволяют многократно использовать некоторую последовательность команд,

называемую подпрограммой. Подпрограмма хранится в памяти отдельно от главной

программы и предназначается для выполнения конкретной функции или процедуры,

которая часто встречается в главной программе.

Для использования подпрограммы ее необходимо вызвать из главной программы

(передать ей управление), выполнить и вернуться в главную программу для

продолжения работы. Чтобы обеспечить возвращение в главную программу, команда

вызова сохраняет содержимое СК, которое было в нем до перехода к подпрограмме, т.е.

адрес возврата, в специальной области памяти - стеке, и затем передаёт управление

подпрограмме. В свою очередь подпрограмма всегда заканчивается командой возврата,

которая восстанавливает содержимое СК, помещая в него сохраненный в стеке адрес

возврата.

В общем случае стек - это совокупность регистров, которые принимают и выдают

информацию в соответствии с правилом: “последним вошел - первым вышел” (LIFO -

last-in first-out). Это означает, что только вершина стека, где находится последний его

элемент, непосредственно доступна извне. В зависимости от типа МП стек может

находиться в УУ или использовать часть общей памяти системы.

Если стек может хранить несколько адресов (значений СК), то это позволяет

выполнять вложенные подпрограммы. Очевидно, что глубина вложений подпрограмм

зависит от емкости стека.

В-четвёртых, осуществить проверку запросов прерывания.

При работе в режиме реального времени МПС должна обладать способностью как

можно быстрее реагировать на определённые события, спонтанно возникающие в

5

системе управления. При возникновении такого события МП должен приостановить

выполнение текущей программы и перейти к соответствующей подпрограмме,

выполняемой как необходимая реакция МПС на возникшее событие. В соответствии со

случайным характером этот вид ветвления должен в каждом из многочисленных

случаях распознаваться и осуществляться специальными аппаратными средствами. Эти

средства - система прерываний, являющаяся составной частью МПС.

Для реализации механизма прерываний МП имеет специальный вход, на который

подаются сигналы, или запросы прерывания от ВУ. Поскольку сигналы прерывания

возникают в случайные моменты времени, МП реагирует на них не сразу, а лишь после

завершения текущего командного цикла.

В конце каждого командного цикла и перед началом следующего МП проверяет

наличие сигнала прерывания и в случае его обнаружения сохраняет адрес следующей

команды в стеке, а в СК записывает предусмотренный системой прерывания начальный

адрес соответствующей подпрограммы обслуживания этого прерывания. Таким

образом гарантируется, что после выполнения подпрограммы обслуживания

прерывания сохраненный в стеке первоначальный адрес следующей команды будет

возвращен в СК (разумеется, с некоторой задержкой) и прерванная программа будет

продолжена без потери информации.

Таким образом, следует различать прекращение последовательного выполнения

программы по командам перехода и по запросам прерывания. В обоих случаях

последствия одинаковы: продолжение программы следует не в соответствии с

последующей командой программной памяти, а по заранее предусмотренному адресу.

Но по существу здесь имеются значительные различия, а именно: командами перехода

осуществляется детерминированное ветвление программы как реакция на

определенные события, возникающие по ходу выполнения программы; прерывания,

напротив, обуславливают ветвление программы вследствие случайных событий,

появляющихся независимо от выполняемой программы как необходимая реакция МПС

на поведение или состояние ВУ.

Способность прерывания является решающим инструментом обработки

информации в реальном масштабе времени. Пропускная способность систем

прерывания (например, требуемое время перехода к подпрограмме) является поэтому

важнейшей характеристикой МПС.

Отметим, что порядок обработки прерываний от нескольких устройств

определяется аппаратным и программным обеспечением системы прерываний и может

следовать правилу обслуживания: ”первым вошел - первым вышел” (FIFO), либо

некоторой приоритетной схеме в соответствии с установленным приоритетом

устройств.

Функциональная схема МПС

Исходя из рассмотренного выше обобщенного алгоритма работы МПС, можно

более детально определить необходимые для МПС функциональные элементы. На рис.

3 приведена обобщенная функциональная схема МПС.

Рассмотрим сначала модули, расположенные в левой половине схемы, которые

служат для организации выполнения текущего командного цикла: регистр команд (РК)

хранит в течение цикла выполняемую команду и поставляет входную информацию для

дешифратора команд (ДК), который вырабатывает управляющие сигналы для прочих

модулей МПС в соответствии с тактовыми импульсами, поступающими от тактового

генератора. ДК, таким образом, является сложным модулем, определяющим структуру

последовательности команд МПС.

6

Конкретная исполняемая программа хранится в памяти программ (ПП). В начале

командного цикла соответствующая команда, адрес которой определяется содержимым

СК, считывается из ПП и передается в РК. Содержимое СК после этого либо

отсчитывается последовательно, либо устанавливается адрес новой последовательности

команд, если в этом цикле декодирована команда перехода.

Система прерываний (СП) воспринимает запросы прерывания и после

выполнения текущей команды, содержимое СК сохраняется в стеке и устанавливается

начальный адрес подпрограммы обслуживания прерывания.

Справа на рис. 3 показаны те модули, которые предназначены для реализации

собственных рабочих задач МПС. Главным из них является АЛУ. По сигналу

управления, посылаемому дешифратором команд (ДШК), в этом модуле выполняется

арифметическая или логическая операция с одним или двумя операндами, результатом

которых является новое двоичное слово. Этот процесс происходит очень быстро,

обычно за один период тактовых импульсов. Таким образом, объем реализуемых этим

модулем функций в решающей мере определяет производительность МПС. Часто

экономят на АЛУ для снижения аппаратных затрат и предусматривают минимальный

объем операций, особенно арифметических. Это приводит к повышению затрат на

программирование и снижению быстродействия МПС.

Данные (операнды) для обработки в АЛУ поступают из определенных ячеек

памяти данных (ПД), где сохраняется и результат. Так как для обмена информацией

между АЛУ и ПД нужно несколько периодов тактовых импульсов, часто некоторая,

очень небольшая часть ПД помещается вблизи АЛУ и называется в этом случае

регистрами общего назначения (РОН). Доступ к ним осуществляется очень быстро, что

приводит в конечном счете к уменьшению времени выполнения команд. Между ПД,

РОН и АЛУ нужно, следовательно, установить магистраль для передачи данных,

ведущую ко всем портам ввода-вывода, через которые осуществляется связь МПС с

внешними устройствами (ВУ). Для адресации как ячеек ПД, так и портов ввода-вывода

используется адресная информация, передаваемая ДШК.

Стек

РК Регистры

ДШ

команд

Установка

адреса

следующей

команды

СК

АЛУ

ПП ПД

СП ГТИ

Флаги

Адрес

Действие

Данные

Памят ь

УВВ

ЦП

Запросы

прерываний

Порт

вывода 1

Порт

вывода 2

Порт

вывода n

Порт

ввода 1

Порт

ввода 2

Порт

ввода m

Рис. 3

7

Приведенная на рис. 3 схема поясняет расчленение МПС на две основные части:

управляющую (входящие в нее модули имеют штриховую окантовку), которая

запускается тактовыми импульсами и выполняет командные циклы в синхронном

режиме, и управляемую (относящиеся к ней модули имеют сплошную окантовку),

которая в соответствии с заданной программой побуждается к выполнению

определенных операций обработки и передачи информации между АЛУ, ПД и портами

ввода-вывода. Связь между этими частями МПС осуществляется, главным образом, по

сигналам системы управления, кроме двух случаев. Для выполнения условных

переходов необходима обратная связь правой части с модулем, определяющим адрес

следующей команды, чтобы передать ему признаки последнего результата (выставить

флажки). А кроме того, управляющая часть должна иметь возможность вернуться к

содержимому регистров.

Приведённая на рис. 3 схема отражает, прежде всего, возможные

функциональные связи между модулями МПС. Практическая их реализация может

быть совсем иной. Так, в частности, различные типы памяти могут объединяться в

единый блок памяти и соответственно этому совместно подсоединяться на общую

магистраль системы.

Представление информации и система команд МП

См. [1], глава 2, с. 16-36.

Связь с внешними устройствами

В системах реального времени микроЭВМ взаимодействует с большим числом

внешних устройств. Сигналы задающих и измерительных устройств являются

входными сигналами микроЭВМ, а выходными сигналами являются исполнительные

сигналы, с помощью которых осуществляется управление объектом, и сигналы

индикации.

Подсоединение к портам ввода-вывода микроЭВМ различных по своей природе

внешних устройств обычно требует специальных согласующих элементов, которые

должны обеспечить решение целого ряда задач. Рассмотрим их краткую

характеристику.

Согласование уровней сигналов, подавление помех и защиту от перегрузок на

входах и выходах микроЭВМ.

Уровни сигналов микропроцессорных средств находятся в пределах нескольких

вольт (обычно 0-5 В), а нагрузочная способность их выводов невелика. Кроме того,

входы и выходы интегральных схем (ИС) чувствительны к перегрузкам

(перенапряжениям от помех), которые могут привести к необратимой потери

функциональных свойств.

Отсюда вытекают недостатки микропроцессорных средств по сравнению с

классической управляющей техникой на основе реле:

высокая чувствительность к напряжениям помех, индуцируемых

электромагнитными полями (например, при коммутациях на сильноточных

установках);

частые ошибки при сигналах низкого уровня;

необходимость защиты электронных схем от перенапряжений (обычно

осуществляется так называемыми оптическими связями);

необходимость усилителей мощности выходных сигналов для воздействия на

исполнительные и индикаторные устройства.

8

При создании жёсткой системы управления на основе релейных элементов,

каждая коммутационная функция требует дополнительной печатной платы, что

обуславливает ограничения на информационную часть устройства, на число вводимых

и выводимых величин.

При проектировании систем управления на основе микропроцессорных средств

эти ограничения в значительной мере снимаются, но в качестве новых узких мест

появляются проблемы согласования электронных схем с измерительными и

исполнительными устройствами. Зачастую объём и стоимость устройств согласования,

хотя они и выполняют вспомогательные функции, многократно превосходят те же

показатели самих микроЭВМ.

Преобразование сигналов. Следующей задачей является преобразование сигналов

для обеспечения ввода и вывода информации в микроЭВМ. Напомним, что микроЭВМ

представляет собой цифровое устройство, которое оперирует информацией,

представленной двоичными словами определённой длинны. В соответствии с этим

информация в микроЭВМ также должна вводится в виде двоичных слов. Но в таком

виде поступают очень немногие внешние сигналы. Можно провести следующую

принципиальную классификацию сигналов: двоичные, дискретные и аналоговые.

Двоичные сигналы принимают только два состояния и, следовательно, служат для

передачи состояний «включено» и «выключено» механических выключателей,

оптических и акустических приёмников или измерительных и исполнительных

устройств с двумя состояниями (рис. 1а). Кроме того, они возникают в тактовых,

импульсных и счётных системах. Ввод-вывод двоичных сигналов не требует никаких

преобразований. Следует лишь установить, будет ли через порт ВВ передан один

двоичный сигнал, который и составит при этом полное слово микроЭВМ (из которого

затем нужен только один разряд) или на общем порте ВВ будет произвольно

сосредоточено несколько двоичных сигналов.

Если внешнее устройство принимает только конечное число различных

состояний, то получится цифровая система (например, клавишные устройства,

позиционные измерительные системы с конечным числом уровней и т.д.). Передача

информации о состоянии может быть осуществлена с помощью многоуровневого

сигнала (рис. 1б). Но всё же предпочтительнее использовать кодированную передачу

параллельных двоичных сигналов (рис. 1в), поскольку эта форма прямо соответствует

формату ввода-вывода микроЭВМ. Дискретные сигналы с большим числом уровней

могут потребовать для своего представления параллельных двоичных сигналов,

разрядность которых превосходит длину слова микроЭВМ. Такие сигналы делятся

между несколькими портами ВВ и, следовательно, не могут быть введены в обращение

только одной операцией ВВ.

Аналоговые сигналы принципиально не могут быть переданы при представлении

информации в формате ввода-вывода микроЭВМ. Аналоговый сигнал (рис. 1г) может

принимать бесконечное число значений и, следовательно, должен бы быть закодирован

двоичным словом бесконечной длины. Решение может состоять только в

преобразовании информации, при котором аналоговый сигнал приближается по форме

к дискретному. Эта задача решается аналого-цифровыми преобразователями (АЦП),

которые также очень широко распространены как интегральные схемы.

Согласование микроЭВМ и внешних устройств по быстродействию

(синхронизация).

В качестве следующей проблемы связи между микроЭВМ и внешними

устройствами следует назвать согласование их рабочих скоростей. Поскольку

микроЭВМ выполняет команды программы последовательно одну за другой, она не в

состоянии непрерывно выдавать или принимать информацию. Иными словами, время

прохождения программ ВВ и выполнения между ними необходимых операций по

9

обработке данных требует дискретного принципа работы и от микроЭВМ, и от

внешних устройств. В зависимости от конкретных условий интервалы времени между

операциями ВВ могут колебаться в широких пределах. Это приводит к тому, что при

непрерывных сигналах микроЭВМ может вводить только их дискретные отсчёты, а на

стороне вывода может формировать только ступенчатые сигналы. В каждом

конкретном случае нужно оценивать, достаточна ли скорость реакции микроЭВМ в

сравнении с динамикой (скоростью изменения) внешнего процесса.

В случае непрерывных сигналов интервал дискретизации между отсчётами

должен соответствовать известной теореме Котельникова. В случае двоичных или

дискретных сигналов интерес представляют только те моменты времени, при которых

происходит изменение состояния. МикроЭВМ должна быть об этом соответственно

информирована.

Чтобы узнать об изменениях состояния входного сигнала предлагаются два

следующих метода.

Метод опроса. МикроЭВМ циклически вводит текущее значение входного

сигнала и непосредственно анализирует его (см. рис. 2а). Недостатком этого метода

является то, что микроЭВМ постоянно загружена наблюдениями за состоянием

входного процесса (программа В запускается даже при отсутствии каких либо

изменений состояния) и период опроса для конкретного случая может быть слишком

большим (время задержки Т - время реакции на изменение состояния входного

сигнала).

Метод прерываний. Простая электронная схема гарантирует, что всякое

изменение состояния входного сигнала вырабатывает запрос прерывания МП.

МикроЭВМ прерывает выполнение текущей программы и запускает подпрограмму

обслуживания прерывания, которая осуществляется ввод, анализ и обработку

переменного состояния. В этом случае обеспечивается загрузка микроЭВМ только при

возникновении изменения состояния, а реакция на это может быть быстрой.

Предпосылкой для обоих методов (а также предпосылкой для использование

микроЭВМ вообще) является то, что изменения сигналов по сравнению с

быстродействием микроЭВМ происходят относительно редко ( можно считать, что

временные интервалы между изменениями состояний должны быть 10-100 раз больше,

чем время выполнения команды).

До сих пор мы обсуждали только ввод информации. При выводе информации

следует отличать устройства, которые подчиняются любому временному режиму

микроЭВМ, т.е. могут принимать данные в любой момент времени и с любой

скоростью, и устройства, которые сами определяют момент времени для приёма

данных и скорость их вывода. В последнем случае с процессом вывода всегда связан

процесс ввода, в котором микроЭВМ должна быть информирована о готовности ВУ к

приёму данных. Относительно реализации такого ввода снова возникают обе

рассмотренные выше возможности: сигнал готовности ВУ может контролироваться

микроЭВМ программно путём опроса, либо вызывать прерывание.

10__

Справа на рис. 3 показаны те модули, которые предназначены для реализации

собственных рабочих задач МПС. Главным из них является АЛУ. По сигналу

управления, посылаемому дешифратором команд (ДШК), в этом модуле выполняется

арифметическая или логическая операция с одним или двумя операндами, результатом

которых является новое двоичное слово. Этот процесс происходит очень быстро,

обычно за один период тактовых импульсов. Таким образом, объем реализуемых этим

модулем функций в решающей мере определяет производительность МПС. Часто

экономят на АЛУ для снижения аппаратных затрат и предусматривают минимальный

объем операций, особенно арифметических. Это приводит к повышению затрат на

программирование и снижению быстродействия МПС.

Данные (операнды) для обработки в АЛУ поступают из определенных ячеек

памяти данных (ПД), где сохраняется и результат. Так как для обмена информацией

между АЛУ и ПД нужно несколько периодов тактовых импульсов, часто некоторая,

очень небольшая часть ПД помещается вблизи АЛУ и называется в этом случае

регистрами общего назначения (РОН). Доступ к ним осуществляется очень быстро, что

приводит в конечном счете к уменьшению времени выполнения команд. Между ПД,

РОН и АЛУ нужно, следовательно, установить магистраль для передачи данных,

ведущую ко всем портам ввода-вывода, через которые осуществляется связь МПС с

внешними устройствами (ВУ). Для адресации как ячеек ПД, так и портов ввода-вывода

используется адресная информация, передаваемая ДШК.

Рис. 3

7

Приведенная на рис. 3 схема поясняет расчленение МПС на две основные части:

управляющую (входящие в нее модули имеют штриховую окантовку), которая

запускается тактовыми импульсами и выполняет командные циклы в синхронном

режиме, и управляемую (относящиеся к ней модули имеют сплошную окантовку),

которая в соответствии с заданной программой побуждается к выполнению

определенных операций обработки и передачи информации между АЛУ, ПД и портами

ввода-вывода. Связь между этими частями МПС осуществляется, главным образом, по

сигналам системы управления, кроме двух случаев. Для выполнения условных

переходов необходима обратная связь правой части с модулем, определяющим адрес

следующей команды, чтобы передать ему признаки последнего результата (выставить

флажки). А кроме того, управляющая часть должна иметь возможность вернуться к

содержимому регистров.

Приведённая на рис. 3 схема отражает, прежде всего, возможные

функциональные связи между модулями МПС. Практическая их реализация может

быть совсем иной. Так, в частности, различные типы памяти могут объединяться в

единый блок памяти и соответственно этому совместно подсоединяться на общую

магистраль системы.

Представление информации и система команд МП

См. [1], глава 2, с. 16-36.

Связь с внешними устройствами

В системах реального времени микроЭВМ взаимодействует с большим числом

внешних устройств. Сигналы задающих и измерительных устройств являются

входными сигналами микроЭВМ, а выходными сигналами являются исполнительные

сигналы, с помощью которых осуществляется управление объектом, и сигналы

индикации.

Подсоединение к портам ввода-вывода микроЭВМ различных по своей природе

внешних устройств обычно требует специальных согласующих элементов, которые

должны обеспечить решение целого ряда задач. Рассмотрим их краткую

характеристику.

Согласование уровней сигналов, подавление помех и защиту от перегрузок на

входах и выходах микроЭВМ.

Уровни сигналов микропроцессорных средств находятся в пределах нескольких

вольт (обычно 0-5 В), а нагрузочная способность их выводов невелика. Кроме того,

входы и выходы интегральных схем (ИС) чувствительны к перегрузкам

(перенапряжениям от помех), которые могут привести к необратимой потери

функциональных свойств.

Отсюда вытекают недостатки микропроцессорных средств по сравнению с

классической управляющей техникой на основе реле:

высокая чувствительность к напряжениям помех, индуцируемых

электромагнитными полями (например, при коммутациях на сильноточных

установках);

частые ошибки при сигналах низкого уровня;

необходимость защиты электронных схем от перенапряжений (обычно

осуществляется так называемыми оптическими связями);

необходимость усилителей мощности выходных сигналов для воздействия на

исполнительные и индикаторные устройства.

8

При создании жёсткой системы управления на основе релейных элементов,

каждая коммутационная функция требует дополнительной печатной платы, что

обуславливает ограничения на информационную часть устройства, на число вводимых

и выводимых величин.

При проектировании систем управления на основе микропроцессорных средств

эти ограничения в значительной мере снимаются, но в качестве новых узких мест

появляются проблемы согласования электронных схем с измерительными и

исполнительными устройствами. Зачастую объём и стоимость устройств согласования,

хотя они и выполняют вспомогательные функции, многократно превосходят те же

показатели самих микроЭВМ.

Преобразование сигналов. Следующей задачей является преобразование сигналов

для обеспечения ввода и вывода информации в микроЭВМ. Напомним, что микроЭВМ

представляет собой цифровое устройство, которое оперирует информацией,

представленной двоичными словами определённой длинны. В соответствии с этим

информация в микроЭВМ также должна вводится в виде двоичных слов. Но в таком

виде поступают очень немногие внешние сигналы. Можно провести следующую

принципиальную классификацию сигналов: двоичные, дискретные и аналоговые.

Двоичные сигналы принимают только два состояния и, следовательно, служат для

передачи состояний «включено» и «выключено» механических выключателей,

оптических и акустических приёмников или измерительных и исполнительных

устройств с двумя состояниями (рис. 1а). Кроме того, они возникают в тактовых,

импульсных и счётных системах. Ввод-вывод двоичных сигналов не требует никаких

преобразований. Следует лишь установить, будет ли через порт ВВ передан один

двоичный сигнал, который и составит при этом полное слово микроЭВМ (из которого

затем нужен только один разряд) или на общем порте ВВ будет произвольно

сосредоточено несколько двоичных сигналов.

Если внешнее устройство принимает только конечное число различных

состояний, то получится цифровая система (например, клавишные устройства,

позиционные измерительные системы с конечным числом уровней и т.д.). Передача

информации о состоянии может быть осуществлена с помощью многоуровневого

сигнала (рис. 1б). Но всё же предпочтительнее использовать кодированную передачу

параллельных двоичных сигналов (рис. 1в), поскольку эта форма прямо соответствует

формату ввода-вывода микроЭВМ. Дискретные сигналы с большим числом уровней

могут потребовать для своего представления параллельных двоичных сигналов,

разрядность которых превосходит длину слова микроЭВМ. Такие сигналы делятся

между несколькими портами ВВ и, следовательно, не могут быть введены в обращение

только одной операцией ВВ.

Аналоговые сигналы принципиально не могут быть переданы при представлении

информации в формате ввода-вывода микроЭВМ. Аналоговый сигнал (рис. 1г) может

принимать бесконечное число значений и, следовательно, должен бы быть закодирован

двоичным словом бесконечной длины. Решение может состоять только в

преобразовании информации, при котором аналоговый сигнал приближается по форме

к дискретному. Эта задача решается аналого-цифровыми преобразователями (АЦП),

которые также очень широко распространены как интегральные схемы.

Согласование микроЭВМ и внешних устройств по быстродействию

(синхронизация).

В качестве следующей проблемы связи между микроЭВМ и внешними

устройствами следует назвать согласование их рабочих скоростей. Поскольку

микроЭВМ выполняет команды программы последовательно одну за другой, она не в

состоянии непрерывно выдавать или принимать информацию. Иными словами, время

прохождения программ ВВ и выполнения между ними необходимых операций по

9

обработке данных требует дискретного принципа работы и от микроЭВМ, и от

внешних устройств. В зависимости от конкретных условий интервалы времени между

операциями ВВ могут колебаться в широких пределах. Это приводит к тому, что при

непрерывных сигналах микроЭВМ может вводить только их дискретные отсчёты, а на

стороне вывода может формировать только ступенчатые сигналы. В каждом

конкретном случае нужно оценивать, достаточна ли скорость реакции микроЭВМ в

сравнении с динамикой (скоростью изменения) внешнего процесса.

В случае непрерывных сигналов интервал дискретизации между отсчётами

должен соответствовать известной теореме Котельникова. В случае двоичных или

дискретных сигналов интерес представляют только те моменты времени, при которых

происходит изменение состояния. МикроЭВМ должна быть об этом соответственно

информирована.

Чтобы узнать об изменениях состояния входного сигнала предлагаются два

следующих метода.

Метод опроса. МикроЭВМ циклически вводит текущее значение входного

сигнала и непосредственно анализирует его (см. рис. 2а). Недостатком этого метода

является то, что микроЭВМ постоянно загружена наблюдениями за состоянием

входного процесса (программа В запускается даже при отсутствии каких либо

изменений состояния) и период опроса для конкретного случая может быть слишком

большим (время задержки Т - время реакции на изменение состояния входного

сигнала).

Метод прерываний. Простая электронная схема гарантирует, что всякое

изменение состояния входного сигнала вырабатывает запрос прерывания МП.

МикроЭВМ прерывает выполнение текущей программы и запускает подпрограмму

обслуживания прерывания, которая осуществляется ввод, анализ и обработку

переменного состояния. В этом случае обеспечивается загрузка микроЭВМ только при

возникновении изменения состояния, а реакция на это может быть быстрой.

Предпосылкой для обоих методов (а также предпосылкой для использование

микроЭВМ вообще) является то, что изменения сигналов по сравнению с

быстродействием микроЭВМ происходят относительно редко ( можно считать, что

временные интервалы между изменениями состояний должны быть 10-100 раз больше,