ВП НУБіП України «Заліщицький аграрний коледж ім. Є. Храпливого»

Лабораторна робота №1

З дисципліни Мікропроцесорні системи

Виконав:

студент 39 групи

Червоняк Денис Андрійович

Перевірив:

Викладач дисципліни ‘’Мікропроцесорні системи”

Міщук Тетяна Віталівна

2014

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

Дослідження МПС на базі мікропроцесорного комплекту КР580

Мета роботи

Вивчення структури та функцiональних можливостей мiкропроцесорної системи “МIКРОЛАБ КР58О”, карти її пам’ятi, органiв управлiння та режимiв роботи; ознайомлення з принциповою електричною схемою та конструкцiєю.

Контрольні питання

1. 1. Призначення, структура та функцiї мiкропроцесора.

   2. Мiкропроцесор К58ОВМ8О. Структура та призначення виводiв.

   3. Органiзацiя пам’ятi мiкролабораторiї.

   4. Iнтерфейс МП з ОЗП та ПЗП. Органiзацiя адресної шини та шини даних. Управлiння звертанням МП до ПЗП та ОЗП.

   5. Взаємодiя МП з зовнiшнiми пристроями: клавiатурою, дисплеєм, перемикачами вводу даних.

   6. Призначення клавiш клавiатури.

   7. Що таке iнтерфейс мiкропроцесорної системи?

1.1Процесор (або центральний процесор, ЦП) - це транзисторна мікросхема, яка є головним обчислювальним та керуючим елементом комп'ютера.

Англійська назва процесора - CPU (Central Processing Unit).

Процесор являє собою спеціально вирощений напівпровідниковий кристал, на якому розташовуються транзистори, сполучені напиленим алюмінієвими провідниками. Кристал поміщається в керамічний корпус з контактами.

У першому процесорі компанії Intel - i4004, випущеному в 1971 році, на одному кристалі було 2300 транзисторів, а в процесорі Intel Pentium 4, випущеному 14 квітня 2003, їх вже 55 мільйонів.

Сучасні процесори виготовляються по 0,13-мікронної технології, тобто товщина кристала процесора складає 0,13 мікрон. Для порівняння - товщина кристала першого процесора Intel була 10 мікрон.

У нашій роботі ми ставимо за мету розглянути призначення, основні функції процесора, його основні особливості, а також описати структуру та функціонування мікропроцесорів.

1. Призначення та основні функції процесора

Центральний процесор (ЦП, англ. Central processing unit, CPU, дослівно - центральне обчислювальне пристрій) - виконавець машинних інструкцій, частина апаратного забезпечення комп'ютера або програмованого логічного контролера, який відповідає за виконання операцій, заданих програмами.

Сучасні ЦП, що виконуються у вигляді окремих мікросхем (чіпів), що реалізують всі особливості, притаманні даного роду пристроїв, називають мікропроцесорами. З середини 1980-х останні практично витіснили інші види ЦП, внаслідок чого термін став все частіше і частіше сприйматися як звичайний синонім слова «мікропроцесор». Тим не менш, це не так: центральні процесорні пристрої деяких суперкомп'ютерів навіть сьогодні представляють собою складні комплекси великих (ВІС) і надвеликих інтегральних схем (НВІС).

Спочатку термін «Центральне процесорний пристрій» описував спеціалізований клас логічних машин, призначених для виконання складних комп'ютерних програм. Внаслідок досить точної відповідності цього призначення функцій існували в той час комп'ютерних процесорів, він природним чином був перенесений на самі комп'ютери. Початок застосування терміна і його абревіатури по відношенню до комп'ютерних систем було покладено в 1960-і роки. Пристрій, архітектура і реалізація процесорів з тих пір неодноразово змінювалися, однак їх основні виконувані функції залишилися тими ж, що й колись.

Ранні ЦП створювалися у вигляді унікальних складових частин для унікальних, і навіть єдиних у своєму роді, комп'ютерних систем. Пізніше від дорогого способу розробки процесорів, призначених для виконання однієї єдиної або кількох вузькоспеціалізованих програм, виробники комп'ютерів перейшли до серійного виготовлення типових класів багатоцільових процесорних пристроїв. Тенденція до стандартизації комп'ютерних комплектуючих зародилася в епоху бурхливого розвитку напівпровідникових елементів, мейнфреймів і мінікомп'ютерів, а з появою інтегральних схем вона стала ще більш популярною. Створення мікросхем дозволило ще більше збільшити складність ЦП з одночасним зменшенням їх фізичних розмірів. Стандартизація і мініатюризація процесорів привели до глибокого проникнення заснованих на них цифрових пристроїв в повсякденне життя людини. Сучасні процесори можна знайти не тільки в таких високотехнологічних пристроях, як комп'ютери, але і в автомобілях, калькуляторах, мобільних телефонах і навіть у дитячих іграшках. Найчастіше вони представлені мікроконтролера, де крім обчислювального пристрою на кристалі розташовані додаткові компоненти (пам'ять програм і даних, інтерфейси, порти вводу / виводу, таймери, та ін.) Сучасні обчислювальні можливості мікроконтролера порівнянні з процесорами персональних ЕОМ десятирічної давності, а частіше навіть значно перевершують їх показники.

Більшість сучасних процесорів для персональних комп'ютерів, загалом, засновані на тій чи іншій версії циклічного процесу послідовної обробки інформації, винайденого Джоном фон Нейманом.

Д. фон Нейман придумав схему побудови комп'ютера в 1946 році [6, c. 115]. Найважливіші етапи цього процесу наведені нижче. У різних архітектурах і для різних команд можуть знадобитися додаткові етапи. Наприклад, для арифметичних команд можуть знадобитися додаткові звернення до пам'яті, під час яких проводиться зчитування операндів і запис результатів. Відмінною особливістю архітектури фон Неймана є те, що інструкції і дані зберігаються в одній і тій же пам'яті.

Етапи циклу виконання:

1.

Процесор виставляє число, яке зберігається в регістрі лічильника команд, на шину адреси, і віддає пам'яті команду читання;

2.

Виставлене число є для пам'яті адресою; пам'ять, одержавши адресу і команду читання, виставляє вміст, що зберігається за цією адресою, на шину даних, і повідомляє про готовність;

3.

Процесор отримує число з шини даних, інтерпретує його як команду (машинну інструкцію) зі своєї системи команд і виконує її;

4.

Якщо остання команда не є командою переходу, процесор збільшує на одиницю (у припущенні, що довжина кожної команди дорівнює одиниці) число, що зберігається в лічильнику команд; в результаті там утворюється адреса наступної команди;

5.

Знову виконується п. 1.

Даний цикл виконується незмінно, і саме він називається процесом (звідки і пішла назва пристрою).

Під час процесу процесор зчитує послідовність команд, що містяться в пам'яті, і виконує їх. Така послідовність команд називається програмою і представляє алгоритм роботи процесора. Черговість зчитування команд змінюється у разі, якщо процесор зчитує команду переходу - тоді адреса наступної команди може виявитися іншим. Іншим прикладом зміни процесу може служити випадок отримання команди зупинки чи перемикання в режим обробки переривання.

Команди центрального процесора є самим нижнім рівнем управління комп'ютером, тому виконання кожної команди неминуче і безумовно. Не проводиться ніякої перевірки на допустимість виконуваних дій, зокрема, не перевіряється можлива втрата цінних даних. Щоб комп'ютер виконував тільки допустимі дії, команди повинні бути відповідним чином організовані у вигляді необхідної програми.

Швидкість переходу від одного етапу циклу до іншого визначається тактовим генератором. Тактовий генератор виробляє імпульси, службовці ритмом для центрального процесора. Частота тактових імпульсів називається тактовою частотою.

Розглянемо конвеєрну архітектуру процесора. Конвеєрна архітектура (pipelining) була введена в центральний процесор з метою підвищення швидкодії. Звичайно для виконання кожної команди потрібно здійснити деяку кількість однотипних операцій, наприклад: вибірка команди з ОЗУ, дешифрування команди, адресація операнда в ОЗУ, вибірка операнда з ОЗУ, виконання команди, запис результату в ОЗУ. Кожну з цих операцій зіставляють одному щаблі конвеєра. Наприклад, конвеєр мікропроцесора з архітектурою MIPS-I містить чотири стадії:

*

отримання і декодування інструкції (Fetch)

*

адресація і вибірка операнда з ОЗУ (Memory access)

*

виконання арифметичних операцій (Arithmetic Operation)

*

збереження результату операції (Store)

Після звільнення k-ї ступені конвеєра вона відразу приступає до роботи над наступною командою. Якщо припустити, що кожен ступінь конвеєра витрачає одиницю часу на свою роботу, то виконання команди на конвеєрі завдовжки в n ступенів займе n одиниць часу, однак у самому оптимістичному випадку результат виконання кожної наступної команди буде виходити через кожну одиницю часу.

Дійсно, при відсутності конвеєра виконання команди займе n одиниць часу (так як для виконання команди як і раніше необхідно виконувати вибірку, дешифрацию і т. д.), і для виконання m команд знадобиться одиниць часу; при використанні конвеєра (у самому оптимістичному випадку) для виконання m команд знадобиться всього лише n + m одиниць часу.

Фактори, що знижують ефективність конвеєра:

1.

простий конвеєра, коли деякі щаблі не використовуються (напр., адресація і вибірка операнда з ОЗУ не потрібні, якщо команда працює з регістрами);

2.

очікування: якщо наступна команда використовує результат попередньої, то остання не може почати виконуватися до виконання першої (це долається при використанні позачергового виконання команд, out-of-order execution);

3.

очищення конвеєра при попаданні в нього команди переходу (цю проблему вдається згладити, використовуючи пророкування переходів).

Деякі сучасні процесори мають більше 30 ступенів в конвеєрі, що збільшує продуктивність процесора, однак приводить до великого часу простою (наприклад, у разі помилки в прогнозі умовного переходу.)

Першим загальнодоступним мікропроцесором був 4-розрядний Intel 4004. Його змінили 8-розрядний Intel 8080 і 16-розрядний 8086, що заклали основи архітектури всіх сучасних настільних процесорів. Але із-за поширеності 8-розрядних модулів пам'яті був випущений 8088, клон 8086 з 8-розрядною шиною пам'яті. Потім пройшла його модифікація 80186. У процесорі 80286 з'явився захищений режим з 24-бітної адресацією, що дозволяв використовувати до 16 Мб пам'яті. Процесор Intel 80386 з'явився в 1985 році і привніс покращуваний захищений режим, 32-бітову адресацію, що дозволила використовувати до 4 Гб оперативної пам'яті і підтримку механізму віртуальної пам'яті. Ця лінійка процесорів побудована на реєстрової обчислювальної моделі.

Паралельно розвиваються мікропроцесори, які взяли за основу стекову обчислювальну модель.

Розглянемо технологію виготовлення процесорів.

У сучасних комп'ютерах процесори виконані у вигляді компактного модуля (розмірами близько 5 × 5 × 0,3 см) вставляються в ZIF-сокет. Велика частина сучасних процесорів реалізована у вигляді одного напівпровідникового кристала, що містить мільйони, а з недавнього часу навіть мільярди транзисторів. У перших комп'ютерах процесори були громіздкими агрегатами, які займали часом цілі шафи і навіть кімнати, і були виконані на великій кількості окремих компонентів.

На початку 1970-х років завдяки прориву в технології створення ВІС і НВІС (великих і надвеликих інтегральних схем, відповідно), мікросхем, стало можливим розмістити всі необхідні компоненти ЦП в одному напівпровідниковому пристрої. З'явилися так звані мікропроцесори. Зараз слова мікропроцесор і процесор практично стали синонімами, але тоді це було не так, тому що звичайні (великі) і мікропроцесорні ЕОМ мирно співіснували ще, принаймні, 10-15 років, і лише на початку 1980-х років мікропроцесори витіснили своїх старших побратимів. Треба сказати, що перехід до микропроцессорам дозволив потім створити персональні комп'ютери, які тепер проникли майже в кожен будинок [1, c. 88].

Перший мікропроцесор Intel 4004 був представлений 15 листопада 1971 корпорацією Intel. Він містив 2300 транзисторів, працював на тактовій частоті 740 кГц і коштував 300 дол

За роки існування технології мікропроцесорів було розроблено безліч різних їх архітектур. Багато хто з них (у доповненому і вдосконаленому вигляді) вживаються й тепер. Наприклад, Intel x86, що розвинулася спочатку в 32-бітну IA-32, а пізніше в 64-бітну x86-64 (яка в Intel називається EM64T). Процесори архітектури x86 спочатку використовувалися лише в персональних комп'ютерах компанії IBM (IBM PC), але в даний час все більш активно використовуються у всіх областях комп'ютерної індустрії, від суперкомп'ютерів до вбудовуваних рішень. Також можна перерахувати такі архітектури як Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC - архітектури) і IA-64 (EPIC-архітектура).

Більшість процесорів використовуються в даний час є Intel-сумісними, тобто мають набір інструкцій тощо, як процесори компанії Intel.

Найбільш популярні процесори сьогодні виробляють фірми Intel, AMD і IBM. Серед процесорів від Intel: 8086, i286 (в комп'ютерному сленгу називається «двійка», «двушка»), i386 («трійка», «трійка»), i486 («четвірка»), Pentium («пень», «пеньок», «другий пень», «третій пень» і т. д. Спостерігається також повернення назв: Pentium III називають «трійкою», Pentium 4 - «четвіркою»), Pentium II, Pentium III, Celeron (спрощений варіант Pentium), Pentium 4, Core 2 Quad, Core i7, Xeon (серія процесорів для серверів), Itanium, Atom (серія процесорів для вбудованої техніки) і ін AMD має в своїй лінійці процесори архітектури x86 (аналоги 80386 і 80486, сімейство K6 і сімейство K7 - Athlon, Duron, Sempron) і x86-64 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom, Opteron та ін.)

1.2 Мікропроцесор КР1810ВМ86 (8086) Мікропроцесор КР1810ВМ86 (далі як МП-86) являє собою подальший розвиток і вдосконалення розглянутого нами МП-80. Але у порівнянні з МП-80 він має такі істотні відміни: при збереженні тієї ж n-МОН - технології була досягнута вища ступінь інтеграції і на кристалі 5,5 х 5,5 мм розташовано біля 30 тисяч транзи­сторів; зменшено інерційність логічних елементів і тактову частоту підви­щено до 5 - 8 МГц; завдяки цьому продуктивність мікропроцесора збіль­шилась на порядок; розширено розрядність шини даних до 16 розрядів; розширено розрядність шини адреси до 20 розрядів, таким чином за­безпечено можливість адресувати пам’ять до 1 Мбайт; розширено у кілька разів набір команд. Все це зробило МП-86 високопродуктивним мікропроцесором, на якому була створена більшість вітизняних ЕОМ. На ньому була також побудована ши­роковідома ПЕОМ типу PC/XT. З другого боку, МП-86 став надалі основою для низки наступних поколінь новітніх процесорів : 80286, 80386, 80486, Pen­tium, тощо. Структура мікропроцесорного пристрою на КР1818ВМ86 Блок-схема мікропроцесорного пристрою на процесорі КР1810ВМ86 зо­бражена на рис.12.1. Мікропроцесор має 40 виводів. Більшу кількість виводів не вдалось зро­бити з технологічних причин. Тому тут не вдалось зробити роздільно виводи ША та ШД, як це було, наприклад, у МП-80. В МП-86 скорочення кількості ви­водів досягнуто шляхом суміщення (мультиплексування) функцій виводів ШД і ША: 16 виводів позначених на рис.12.1 як AD15 - AD0 в різні інтервали часу використовуються або як адресні виводи, або як виводи шини даних. Але оскіль­ки адреса має 20 розрядів, то передбачено ще 4 адресних виводи А19 - А16, на котрі видаються старші біти адреси. З виводів А19 - А16 та AD15 - AD0 адреса через буферний регістр БР потрапляє на 20-розрядну шини адреси і під­тримується там протягом всього машинного циклу. З цієї шини адреса потрап­ляє до пам’яті або до ЗП введення / виведення. Запис адреси в БР здійснюється за стробом адреси ALE по негативному фронту якого буфер БР сприймає та фік­сує адресу. Чи ця адреса призначена для памяті, або для ЗП, визначається сигналом (“1” - пам’ять(memory); “0” - зовнішній пристрій (input-output)). Напря­мок обміну між МП та цими пристроями визначається сигналами та ; = 0 здійснює сприймання даних до МП (читання), а при = 0 виконує­ться запис інформації в пам’ять або у ЗП . Обмін даними здійснюється через двоспрямований шинний формувач ШФ, який спрацьовує від строба . Вибір напрямку передачі даних зада­є­ться сигналом DT/, котрий керує роботою шинного формувача (“1” - від МП назовні (transmitting); “0” - до МП (reseaving)). Сигнал визначає роботу блока пам’яті і буде розглянутий згодом. Синхросигнал CLK надходить від ГТІ і задає темп роботи всієї сис­теми; RDY - сигнал готовності від пам’яті або від ЗП; RESET - апаратне ски­дання МП.

1.3 Організація пам’яті Особливість МП-86 полягає в тому, що він є перехідним етапом від прос­тих 8-розрядних процесорів до багаторозрядних. Тому для того щоб мати мож­ливість використовувати програми та комплектуючі ІМС, які були розроблені для 8-розрядних мікропроцесорів, в МП-86 передбачена можливість працювати як з 8-розрядними, так і з 16-розрядними даними. Це дещо ускладнює його апа­ратну частину. Блок пам’яті МП-86 складаєьтся з восьмирозрядних комірок пам’яті (КП), кожній з яких привласнюється 20-розрядна двійкова адреса. Дані можна записувати в пам’ять (або зчитувати з неї) у вигляді 8-розрядних байтів або 16- розрядних слів. В останньому випадку мають бути задіяні дві суміжні комірки пам’яті. Така двоїстість відображається на організації пам’яті та роботі з нею. Уся пам’ять складається з двох блоків: блоку комірок з парними адре­сами та блоку комірок з непарним адресами. Кожний блок може містити до 512 Кбайт і керуватися окремо (рис.12.3.). До обох блоків надходять лінії ША А19 - А1. До блоку парних адрес надходить також лінія А0, а до блоку непарних адрес - лінія . Блоки спрацьовують, якщо на цих лініях буде низький рівень (“0”). При роботі з 16-розрядним словом дані з блоку парних КП видаються на молодші розряди ШД, а з блоку непарних КП - на старші розряди ШД. Результати, які одержуються при різних комбінаціях сигналів А0 та подано у табл.12.1. Як видно, при комбінації = 0 та А0 = 0 на шину даних видається ціле 16-розрядне слово, що складається з старшого та молодшого байтів. При = 0 та А0 = 1 видається лише старший байт. А при = 1 та А0 = 0 лише молод­ший байт. При ком­бінації 11 пам’ять відключена. Така органі­зація пам’яті дозво­ляє гнучко вида­вати або слова, або байти. Звідсі ж ви­пливає, що при запису слова йому слід надавати парну адресу. Тоді при зчиту­ванні слова достатньо буде вказати парну адресу та видати сиг­нал = 0. В цьому разі слово записується та зчитується за один машинний цикл. Можна, звичайно, записувати слово і “по частинам”: старший байт за п­арною адресою, а молодший - за непарною, Тоді і записувати, і видобувати слово доведеться за два заходи, втрачаючи на це два машинні цикли. А це, зви­чайно, знизить швидко­дію системи.

1.4 Системна шина - магістраль.

Різноманітні вузли комп'ютера пов'язані з мікропроцесором та між собою через пристрій, що називається системною шиною. Слово "шина" спочатку (було введено в електротехніці та означало товстий мідний дріт для передачі великих струмів. У комп'ютерній техніці "шиною" називають пристрій для зв’язку між собою кількох вузлів комп'ютера. Оскільки основний обмін даними відбувається через системну шину, її також називають магістраллю. Магістраль містить такі три шини:

• шина управління, яка служить для управління з боку МП усіма системами та процесами, що відбуваються в комп'ютері;

• шина адреси (адресна шина), за допомогою якої здійснюється вибір по¬трібної комірки пам'яті, а також портів введення-виведення;

• шина даних, по якій інформація передається від МП до будь-якого прист¬рою або, навпаки, від пристрою до МП.

Розглянемо схему обміну інформацією між МП та оперативною пам'яттю (мал. 9.2). Послідовність роботи цієї схеми дуже проста. Процесор сигналізує по шині управління до пам'яті про те, що він збирається зчитати дані, які розміщені за певною адресою (тобто у певній комірці). З оперативної пам'яті надходить відповідь, що ці дані доступні. Далі МП по адресній шині повідомляє адреси потрібних комірок пам'яті, а по шині даних зчитує інформацію з комірок. Не зупиняючись на деталях конструкцій шин, можна сказати, що кожна шина — це набір електричних з'єднань-проводів. Адресна шина, наприклад для МП Intel 8088, складається з 20 паралельних проводів — по одному для кожного біта, тобто адресна шина для даного МП є 20-розрядною.