Тема 6. Микропроцессоры и микроЭвм
6.1. АЛУ
АЛБ – функциональный элемент, выполняющий набор арифметических и логических операций над двумя многоразрядными двоичными числами. Состав АЛБ позволяет выполнять все логические операции, сложение, производство дополнительного кода, сдвиг на один разряд и др.
Из АЛБ формируется арифметико-логическое устройство (АЛУ), осуществляющее арифметические и логические операции над множеством многоразрядных чисел.
6.2. Генератор тактовых импульсов
Для получения прямоугольных импульсов применяют мультивибраторы.
Простейший мультивибратор можно построить на операционном усилителе
R
вых Uп1
R1
t
C
Uп2
R2
Tи
А
б
Рис. 71
Происходит сравнение напряжений на входе в виде пороговых значений (несколько мВ) Uп1, Uп2. Осуществляется это в виде перезарядки конденсатора С через резистор R, в зависимости от знака выходного напряжения, которое принимает прямоугольный вид, так как каждое сравнивание напряжения на конденсаторе с пороговым перебрасывает ОУ от положительного значения напряжения источника питания к отрицательному и наоборот.
Длительность импульса определяется Tи = RC ln(1 + 2 R1/R2) .
Для получения импульсов одного знака на выходе нужно поставить диод.
Для получения импульсов с меньшей скважностью используются таймеры.
6.3. Микропроцессор
Микропроцессор (МП) – универсальные программно-управляемые устройства обработки данных. Схемное представление на рис. 72.
МП ГТИ
Внешняя
память
Интерфейс
Рис. 72
С внешними устройствами МП связан магистралью, по которой функционирует информация.
Интерфейс – совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих логическое или физическое взаимодействие устройств и программно-вычислительной технике. То есть интерфейс пропускает сигнал от внешних устройств, при этом информирует МП о характере сигнала. Сюда могут приходить сигналы с нескольких внешних датчиков.
Вся работа МП происходит под воздействием тактовых импульсов, которые поступают от генератора тактовых импульсов (ГТИ)
Преобразование данных, выполняемое МП реализуется в виде вычислительного алгоритма – последовательности простых логических и арифметических действий – операций. Конкретное содержание выполняемого алгоритма задается формализованным описанием – программой. Она состоит из последовательности команд. Команда – двоичный код, которому соответствует определенное действие.
Код команды состоит из кода операции, указывающего выполняемую операцию и кода адреса. Этот код указывает расположение данных – операндов, над которыми должна выполняться операция. Для удобства составления программ командам присваиваются условные обозначения (мнемокод).
Программа работы МП хранится в памяти. При выполнении программы из памяти вызываются отдельные команды, согласованно с принятой системой адресации.
Для выполнения каждого действия отводится определенный интервал времени. Различают следующие интервалы:
– цикл команды – время, необходимое для считывания команды и ее исполнения;
– машинный цикл – время, требуемое МП для одного обращения к памяти или к интерфейсу, каждый машинный цикл состоит из элементарных действий – состояний;
– такт – период тактовых импульсов или длительность одного состояния.
Таким образом, МП выполняет команды программы, то есть определяет адрес очередной команды, считывает ее из памяти, декодирует, производит действие, соответствующее коду операции, и помещает результат либо на выход к интерфейсу
По способу управления различают МП с аппаратным и микропрограммным управлением. Первые МП шли с аппаратным управлением Позже стали реализовать микропрограммное, которое реализуется в виде последовательности микропрограмм, состоящих из микрокомандоуправляющих слов. Структурная схема такого МП на рис. 73
Арифметические и логические операции над многоразрядными числами выполняет АЛУ, к которой добавлено устройство десятичной логики для выполнения операций над двично-десятичными числами.
Входящие и исходящие данные, промежуточные результаты хранятся во внутренней памяти, к которой относится аккумулятор, рабочий и общего назначения регистры.
Рис 73
Аккумулятором наз. специальный регистр для передачи результатов вычисления из одной операции в другую. Аккумулятор совместно с регистром используется в качестве источника одного из операндов, над которым АЛУ выполняет действие, и в качестве приемника результата вычислений. Использование аккумулятора позволяет не указывать в команде адрес одного из операндов или адрес результата операции и, таким образом, уменьшает разрядность кода команды. При выполнении операций в АЛУ источником второго операнда служит рабочий регистр. Этот операнд в рабочий регистр может поступать либо по магистрали данных через буферный регистр и внутреннюю магистраль, либо от одного из N регистров общего назначения.
Основная емкость памяти реализуется на «N» регистрах общего назначения, используемых для запоминания команд или данных. Число этих регистров – важный показатель МП. Выбор нужного регистра производится по сигналам с блока управления с помощью дешифратора и мультиплексора.
В составе МП существует внешняя память. Часть этой внешней памяти образует стек. Запоминающие ячейки стека заполняются последовательно одна за другой. Вывод информации производится тоже последовательно. Адресацию ячеек стека осуществляет специальный регистр – указатель стека.
Адрес ячейки внешней памяти, хранящей следующую команду, заносится в специализированный регистр – счетчик команд. Обычно команды программы заложены в соседних ячейках, поэтому переход к следующей команде – это возрастание счетчика на единицу.
Внутренняя и магистраль данных восьмиразрядные, магистраль адресов 16 разрядная. Команды и данные в МП и из МП поступают по магистрали данных.
Управление процессами, происходящими в МП, осуществляет устройство управления и синхронизации. Схема синхронизации состоит из схем формирования тактов, машинных циклов и сигналов цикловой синхронизации, которые определяют начало каждого машинного цикла. Схемы синхронизации работают от внешнего генератора.
На устройство управления поступают также сигналы, свидетельствующие о готовности интерфейса и другие сигналы прерывания, указывающие на необходимость прерывания выполнения одной части программы и переход к выполнению другой.
6.4. АЦП.
Для того, чтобы МП обрабатывал сигнал его необходимо преобразовать из аналоговой форы в цифровую. Это осуществляет аналого–цифровой преобразователь (АЦП), структурно- принципиальная схема которого на четыре разряда приведена на рис. 74.
Аналоговый сигнал uc попадает на вход операционных усилителей, которые работают в режиме сравнения, сравнивается с опорным сигналом, который идет от делителя напряжения, запитанного от источника (высокоточного) опорного напряжения, обеспечивая шаг квантования. Результат сравнения и преобразования на рис. 74, б. На рис. 74 в – изображение АЦП. Естественно, что в данном случае преобразование аналогового сигнала в цифру происходит с искажениями. Необходимо повышать количество уровней сравнения, чтобы уменьшить ошибку квантования, а так же уменьшить расстояния по времени между отсчетами.
uc
Еп
Х4
Х4
ПП Х3
Выход t
Х2 Х4
^/#
Х3
Х1 Х2
Х1
uc а б t в
Рис. 74
.