5.2 Состав и принципы функционирования микропроцессорных систем [1, 4, 5]
Все процессорные системы, построенные по фон Неймановской архитектуре имеют магистрально-модульную структуру, в которой отдельные устройства (модули), входящие в состав системы, обмениваются информацией по общей – системной шине – магистрали (рисунок 13).
Основным элементом системы является процессор, в состав которого входят:
устройство управления, предназначенное для выполнения функций управления и синхронизации в процессорной системе в целом или ее отдельными частями;
операционное устройство, предназначенное для непосредственного выполнения операций в процессоре;
регистровое запоминающее устройство, предназначенное для оперативного хранения данных, используемых в процессе выполнения операций и управления информацией;
кэш память, предназначенная для промежуточного хранения не больших объемов информации для их оперативного использования.
Рисунок 13 – Типовая структура процессорной системы
Помимо процессора в состав микропроцессорной системы входят:
оперативное запоминающее устройство, предназначенное для хранения выполняемых программ (или их фрагментов) и данных непосредственно используемых этой программой;
постоянное запоминающее устройство, предназначенное для хранения предварительно задаваемых констант и стандартных неизменяемых программ. К таким программам относятся, как правило, служебные программы обеспечивающие запуск, функционирование и исправление ошибок в системе;
интерфейсные устройства, предназначенные для реализации протоколов параллельного или последовательного обмена данными с внешними устройствами;
контроллер прямого доступа к памяти, предназначен для формирования управляющего сигнала, обеспечивающего отключение процессора от внешних шин и приостановки его работы на время предоставления прямого доступа запросившему устройству и управления этим устройством;
контроллер прерываний, предназначен для формирования управляющего сигнала, обеспечивающего временное прекращение выполнения процессором основной программы и запуск подпрограммы обработки прерывания.
В процессе функционирования процессорной системы реализуются следующие основные режимы ее работы:
вызов основной программы;
вызов подпрограммы;
обслуживание прерываний;
прямой доступ к памяти.
Выполнение основной программы является основным режимом работы процессора. Выполнение основной программы начинается с того, что в оперативную память поступает адрес ячейки, в которой храниться первая команда. В общем случае команда представляет собой многоразрядное двоичное число, которое состоит из двух частей. Первая часть содержит код операции, которую команда должна выполнить. Вторая – адресная, содержащая адрес ячейки оперативной памяти операнда, над которым эта операция должна быть выполнена и по какому адресу должен быть помещен результат выполнения команды. На рисунке 14 представлены примеры одно и двух адресных команд.
а) б)
Рисунок 14 – Структура команды: а – одноадресной; б - двухадресной
Источником адресов ячеек выполняемых команд (рисунок 15) является программно недоступный регистр специального назначения – счетчик команд (PC, program counter) содержимое которого автоматически увеличивается на 1 (инкрементируется) в конце цикла выполнения любой команды. Сгенерированный счетчиком команд адрес поступает через регистр адреса и шину адреса в оперативное запоминающее устройство. Из оперативной памяти по указанному адресу производится считывание команды, которая по шине данных через регистр данных поступает в регистр команд. Регистр данных выполняет роль буфера между памятью и остальными регистрами процессора.
Под буфером (buffer), согласно [5] понимается –.
После поступления команды в регистр команд производится дешифрация команды, в процессе которой определяется вид выполняемой операции и формируется адрес необходимых операндов. Сформированный адрес через регистр адреса поступает в шину адреса и далее в запоминающее устройство, из которого последовательно считываются все операнды.
Рисунок 15 – Алгоритм выполнения процессором команд программы
После считывания один операнд обязательно помещается в регистр аккумулятор, другой в рабочий регистр.
В соответствии с кодом поступившей команды устройство управления процессора передает в арифметико-логическое устройство сигнал на выполнение команды. Операнды последовательно считываются из регистров, выполняется заданная операция, результат которой если не определено иное помещается в регистр аккумулятор и далее в регистр данных.
По сигналу устройства управления адрес результата передается из регистра команд в регистр адреса и далее на шину адреса. Одновременно по шине данных передается и записывается результат. После чего все выше описанные операции повторяются.
Вызов подпрограммы. Перед рассмотрением алгоритма вызова подпрограммы определим понятие следующих терминов [5]:
Подпрограмма (subprogram) –
Ассемблер (assembler) –.
Ассемблирование (assembly) –
Компиляция (compilation) –.
Трансляция программы (translation) –.
Язык ассемблера (assembly language) –.
Обращение к подпрограмме реализуется при поступлении в процессор специальной команды. На языке ассемблера, используемом для программирования микроконтроллера
MCS-51, это команды LCALL и ACALL;
AVR, это команды RCALL и CALL.
При поступлении одной из вышеописанных команд содержимое счетчика команд Program Counter содержащие в себе адрес следующей команды основной программы сохраняется в специальном области памяти – стеке (stack), чтобы обеспечить возвращение к ее выполнению с того места, где она была остановлена. Вместо этого в счетчик команд загружается адрес первой команды выполняемой подпрограммы. Возврат к основной программе реализуется по команде RET (return), завершающей подпрограмму. По этой команде находящее в стеке содержимое снова загружается в счетчик команд, и выполнение основной программы продолжается с прерванного места.
Особенность процедуры вызова подпрограмм состоит в том, что она разрешает использование вложенных подпрограмм, то есть во время выполнения подпрограммы возможен вызов новой подпрограммы, с последующим возвращением к предыдущей подпрограмме (рисунок 16).
Рисунок 16 – Последовательность вызовов подпрограмм
Обслуживание прерываний.
Прерывание (interruption) –.
Флаг (flag) –.
При работе микропроцессорной системы очень часто возникают ситуации, когда требуется прервать выполнение текущей программы и перейти к подпрограмме, обеспечивающей необходимую реакцию системы на создавшиеся обстоятельства. Такие ситуации называются прерываниями или исключениями, в зависимости от причин вызывающих их возникновение.
В общем случае под исключениями (exception) понимаются нештатные ситуации (ошибки), возникающие при работе процессора. То есть другими словами прерывания – реакция процессора на внешние события, исключения – на внутренние.
Во всех этих ситуациях (рисунок 17) процессор завершает выполнение очередной команды и заносит в стек текущее содержание счетчика команд и содержимое регистра состояния процессора PSW (processor status word). Этот регистр определяет текущее состояние процессора при выполнении программы. Его содержимым являются биты управления, задающие режим работы процессора, и биты признаков (флаги), указывающие характеристики результата выполнения операции. Если запрос прерывания поступает от внешнего устройства, то процессор формирует сигнал подтверждения прерывания, который информирует это устройство, что начато обслуживание данного запроса. Затем в устройстве управления выполняется операция векторизации, целью которой является определение типа прерывания и его приоритет. Далее в счетчик команд загружается из памяти вектор прерывания или другими словами начальный адрес соответствующей подпрограммы обслуживания. Эти вектора являются входами в подпрограммы обслуживания и хранятся в таблице векторов прерываний, которая обычно записывается в оперативное запоминающее устройство.
Рисунок 17 – Алгоритм функционирования процессора при обработке прерывания
Завершается программа обслуживания специальной командой возврата из прерывания, которая извлекает из стека хранившееся содержимое счетчика команд и регистра состояния процессора и загружает их обратно в эти регистры, обеспечивая возвращение к выполнению прерванной программы.
Прямой доступ к памяти. Режим прямого доступа к памяти DMA (Direct Memory Access) используется, если необходимо произвести пересылку значительного массива информации между запоминающим устройством и каким-либо внешним устройством, которое подает в систему соответствующий запрос (рисунок 18). Реализация такой пересылки с непосредственным использованием процессора требует наличия отдельной программы обмена информацией, в которой должны быть записаны отдельные команды пересылки каждого байта или слова. При этом необходим определенный объем памяти и значительное время для ее выполнения.
В современных процессорных системах пересылка больших объемов информации обеспечивается с помощью специальных устройств – контроллеров DMA, которые реализуют режим прямого доступа к памяти.
Рисунок 18 – Алгоритм функционирования процессорной системы в режиме прямого доступа к памяти
При поступлении запроса от внешнего устройства контроллер DMA выдает соответствующий сигнал процессору. Получив этот сигнал, процессор завершает очередной цикл обмена по системной шине и отключается от нее, то есть переводит свои выводы, подключенные к шинам данных и адреса, линиям управления оперативным запоминающим устройством и внешними устройствами в высокоимпедансное состояние. При этом процессор дает разрешение контроллеру DMA на реализацию прямого доступа к памяти. Получив сигнал разрешения, контроллер переходит в режим управления системой. Он выдает на шину адреса адрес ячеек оперативного запоминающего устройства, с которыми выполняется текущий обмен информацией, формирует необходимые сигналы, определяет режим работы запоминающего устройства (запись или считывание) и интерфейсного устройства, через которое производится пересылка информации.
Передача сигналов запроса и подтверждения прямого доступа к памяти между процессором и контроллером DMA производится по соответствующим линиям шины управления.
5.3 Интерфейсы микропроцессорных систем (на самостоятельное изучение)
План ответа:
1 Дайте определение следующим терминам: Физический интерфейс, логический интерфейс, логический протокол
2 Интерфейс ATA (PC/AT Attachment или Advanced Technology Attachment)
3 Интерфейс Serial Advanced Technology Attachment (SATA-3)
4 Интерфейс Peripheral components interconnect Express (PCI – E 3.0)
В первом пункте перечислены термины обязательные к конспектированию. По желанию этот список можно расширить. В пунктах 2 -3 следует привести основные особенности интерфейсов, достоинства и недостатки.
Литература:
1 Микропроцессорные системы: Учебное пособие для вузов [Текст] / Е.К.Александров, Р.И.Грушевицкий, М.С.Куприянов и др. Под общей редакцией Д.В.Пузанкова. – СПб.: Политехника, 2002 . – 935 с.: ил. – ISBN 5-7325-0516-4.
2 Internet источники.
При использовании Internet источников следует указать их библиографическое описание.
64-разрядным), сообщения, конфигурация и ввод/вывод.
Выводы по лекции
1 Существующие процессоры могут использоваться для решения большого круга задач.
2 Фон Неймановская архитектура построения процессора является в настоящее время самой широко используемой.
3 Из-за сложностей с реализацией естественного распараллеливания задач эффективность архитектуры фон Неймана снижается с выходом каждого нового процессора.
4 Процессорная система может работать в четырех основных режимах.
Литература
ГОСТ 15971-90. Система обработки информации. Термины и определения [Электронный ресурс] / Библиотека WWW.STANDARTOV.RU стандартов. – Режим доступа: http://www.standartov.ru/norma_doc/20/20325/index.htm.
Овчинников, В Мультиклеточные процессоры – новое поколение вычислительных устройств [Электронный ресурс] /Владимир Овчинников // Компоненты и технологии. – 2011. – № 6. – Режим доступа: http://www.kit-e.ru/articles/elcomp/2011_6_86.php.
Зырянов, Б. Мультиклеты – новое слово в микропроцессорах [Элеетронный ресурс] /Борис Зырянов, Николай Стрельцов, Дмитрий Кукушкин и др. // Современная электроника . – 2014. – № 2. – Режим доступа: www.soel.ru/cms/f/?/453046.pdf?/453046.pdf.
Микропроцессорные системы: Учебное пособие для вузов [Текст] / Е.К.Александров, Р.И.Грушевицкий, М.С.Куприянов и др. Под общей редакцией Д.В.Пузанкова. – СПб.: Политехника, 2002 . – 935 с.: ил. – ISBN 5-7325-0516-4.
ГОСТ 19781-90. Обеспечение систем обработки информации программное. Термины и определения [Электронный ресурс] . – Режим доступа: http://docs.nevacert.ru/files/gost/gost_19781-1990.pdf