Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микропроцессорная техника. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«ТЮМЕНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Н. В. Попова, А. Э. Сидорова, В. Ф. Сватов
МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА
Учебное пособие
Тюмень
ТИУ
2023
УДК 621.38.049.77(075.8)
ББК 32.844.1я73
П 58
Рецензенты:
кандидат технических наук,
главный специалист ООО ТННЦ ПАО НК «Роснефть» В. В. Козлов;
кандидат технических наук,
доцент кафедры электроэнергетики ТИУ Е. П. Власова
П 58
Попова, Н. В. Микропроцессорная техника: учебное пособие /
Н. В. Попова, А. Э. Сидорова, В. Ф. Сватов. – Тюмень: ТИУ, 2023. 88 с. - Текст: непосредственный.
ISBN 978-5-9961-3155-6
В учебном пособии «Микропроцессорная техника» рассмот-
рены общие вопросы организации однокристальных микропроцессоров и микроконтроллеров, проведен сравнительный анализ
микроконтроллеров различных типов. Детально рассмотрены организация, функционирование, система команд КР580ВМ80А, прин-
ципы организации микропроцессорных систем различной сложности, алгоритмы их функционирования, а также инструментальные
средства подготовки программного обеспечения.
Пособие предназначено для обучающихся направления
подготовки 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов
и производств», 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника».
ISBN 978-5-9961-3155-6 © Федеральное государственное
бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тюменский индустриальный
университет», 2023
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................... 4
1. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА........................ 5
1.1. Классификация микропроцессоров..................................................... 5
1.2. Типовой пример микропроцессорной системы учебный микропроцес-
сорной комплекс, построенный на базе микропроцессора КР580ВМ80А.......
11
1.3. Разрядность поля кода операции и адресной части, количество
адресов команды........................................................................................... 15
1.4. Структура микропроцессора КР580ВМ80А....................................... 26
2. ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ №1. Изучение лабораторного микропроцессорного комплекта, состав команд операций передачи
данных, команд арифметических действий и логических операций микро-
процессора КР580ВМ80А и выполнение простых программ........................ 31
2.1. Выполнение программы осуществляется на языке Assembler........... 31
2.2. Пример выполнения лабораторной работы......................................... 32
2.3. Задания к 1 лабораторной работе......................................................... 35
2.4. Порядок защиты лабораторной работы............................................... 37
3. ВЫПОЛНЕНИЕ 2 ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ Изучение команд
условного и безусловного перехода, передачи управления микропро-
цессора КР580ВМ80А и организация циклов в программе........................ 38
3.1. Команды передачи управления............................................................. 38
3.2. Организация циклов............................................................................... 43
3.3. Организация временных задержек...................................................... 47
3.4. Разработка программы временной задержки..................................... 49
3.5. Программная реализация временных задержек большой длительности....
52
3.6. Расчет величины задержки времени.................................................... 53
3.7. Задание к лабораторной работе............................................................ 53
4. ВЫПОЛНЕНИЕ 3 ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
Программируемые устройства ввода/вывода............................................ 55
4.1. Модуль ввода-вывода цифровых сигналов......................................... 56
4.2 Режимы работы программируемого параллельного интерфейса......
61
4.3. Задание к лабораторной работе............................................................ 70
4.4. Содержание отчета................................................................................ 70
4.5. Порядок защиты лабораторной работы............................................... 70
4.6. Контрольные вопросы........................................................................... 71
Приложение 1. Команды ассемблера микропроцессора КР580ВМ80А..............
72
Приложение 2. Мнемоника команд ассемблера микропроцессора
КР580ВМ80А................................................................................................ 76
Приложение 3. Команды передачи данных микропроцессора Intel 8080..............
77
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ......................................... 87
3
ВВЕДЕНИЕ
Микроконтроллеры являются наиболее массовым представителем мик-
ропроцессорной техники. Интегрируя на одном кристалле высокопроизводительный процессор, память и набор периферийных устройств, микроконтроллеры позволяют с минимальными затратами реализовать широкую
номенклатуру систем управления различными объектами и процессами.
Использование микроконтроллеров в системах управления и обработки
информации обеспечивает исключительно высокие показатели эффективности
при достаточно низкой стоимости. Микроконтроллерам практически нет
альтернативы, когда нужно создать качественные и дешевые системы которая
может состоять только из одного микроконтроллера.
Микропроцессор, как и любое вычислительное устройство, состоит
из двух основных блоков: управляющего и операционного.
Вся работа ЭВМ – это выполнение какой-либо программы, будь то прог-
рамма операционной системы или программа пользователя. Достаточно
рассмотреть порядок выполнения программы процессором для того, чтобы
понять, как работает ЭВМ.
Под разрядностью микропроцессора следует понимать величину его
разрядной сетки, определяемой соотношением разрядности шины данных
и адреса, можно сказать, что это ширина поля данных.
Под понятием разрядности машинного слова, разрядности внутрен-
них устройств МП, следует понимать максимально возможную величину
обрабатываемых данных, выраженную в битах (иногда в байтах, словах
или двойных словах), но и существуют микропроцессорные системы (МПС)
с изменяемой разрядностью данных.
Основной характеристикой любой МПС является ее производи-
тельность, под которой как правило понимают количество выполняемых
в единицу времени элементарных операций, а также время доступа к памяти
и внешним устройствам, а под критериями максимальной производительности
считают минимальное время доступа к памяти и максимально возможную
тактовую частоту процессора.
4
1. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА
1.1. Классификация микропроцессоров
Микропроцессор характеризуется очень большим числом параметров
и качеств, поскольку обеспечивает эффективное автоматическое выполнение
операций обработки цифровой информации в соответствии с заданным
алгоритмом.
По числу БИС в микропроцессорном комплекте различают микропро-
цессоры однокристальные и многокристальные секционированные (микро
программируемые) (рис. 1.1.).
Однокристальные получаются при реализации всех аппаратурных средств
в виде одной БИС, они имеют фиксированную систему команд, выполняются
с использованием различных МОП технологий микроэлектроники позволяющие
размещать на одном кристалле большое число элементарных схем.
Секционированные микропроцессоры получаются в том случае,
когда в виде БИС реализуются части (секции) структуры процессора при
функциональном разбиении её вертикальными плоскостями.
Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллель-
ном включении секций МП в них добавляются средства «стыковки», чем достигается возможность работы с требуемой разрядностью слов.
По назначению различают универсальные и специализированные
микропроцессоры.
Универсальные микропроцессоры предназначаются для решения
широкого круга задач и применения в различных вычислительных системах.
Универсальность МП определяется возможностью их разнообразного
применения и обеспечивается программным управлением МП, позволяющую
производить программную настройку МП на выполнение определенных
функций, магистрально-модульным принципом построения, специальными
аппаратурно-логическими средствами, специализированные процессоры включают в себя цифровые сигнальные процессоры и микроконтроллеры, такие
процессоры – рассчитаны на обработку в реальном времени цифровых потоков,
образованных путем оцифровывания аналоговых сигналов и сравнительно
малую разрядность, а так же преимущественно целочисленную обработку.
Высокая производительность МП достигается использованием для пост-
роения быстродействующих больших и сверхбольших интегральных электронных
схем и специальных архитектурных решений, таких как стековая память,
разнообразные способы адресации, гибкая система команд, а технологичность
МП-средств обеспечивается модульным принципом конструирования, который
предполагает реализацию этих средств в виде набора функционально законченных
БИС, просто объединяемых в соответствующие вычислительные устройства,
машины и комплексы
5
Рис. 1.1. Классификация микропроцессоров
Многокристальные либо секционные микро программируемые контрол-
леры с изменяемой разрядностью слова и фиксированным набором микроопераций, это биполярный МП основан на конструктивном принципе функциональноразрядного слоя состоят из несколько одинаковых кристаллов объединяемых
микропрограммным блоком, подразумевает, что набор возможных элементарных
действий процессора образует конечное фиксированное множество, причем
каждому действию соответствует конкретный управляющий код команды.
Процессор - это функциональный блок вычислительного устройства, пред-
назначенный для реализации обработки цифровых данных и управления ходом
этой обработки.
Указанные действия выполняются процессором по командам, которые
он автоматически считывает из памяти вычислителя.
В обобщенном виде функционирование процессора может быть предс-
тавлено как циклическое чередование двух этапов – (1) выборки (чтения) команд
из памяти и их дешифрации, и (2) выполнения команд.
Выборка (чтение) команд является автоматическим процессом, проис-
ходящим под воздействием импульсов от генератора тактовых импульсов
(ГТИ), и не зависит от программиста в смысле механизма реализации, который
жестко определяется аппаратной структурой процессора.
Дешифрация команды представляет собой процесс формирования пос-
ледовательности управляющих сигналов для всех узлов процессора и других
блоков вычислителя на основе информации, содержащегося в команде.
Действия, выполняемые в соответствии с командой, могут представлять
собой арифметическую или логическую обработку данных, пересылку данных,
формирование адреса следующей команды или изменение режимов работы
процессора.
6
В любом случае эти действия определяются программистом в рамках
имеющейся в его распоряжении системы команд конкретного процессора.
После выполнения действий, задаваемых командой, процессор автоматически
переходит к выборке следующей команды из памяти.
Если емкость каждой отдельно адресуемой ячейки памяти равна одному
байту, говорят, что память имеет байтную организацию. Некоторые процессоры
допускают организацию памяти также в виде слов (2 байта, 16 битов), а также
битовую адресацию отдельных участков памяти.
Современные микропроцессоры существенно различаются набором
функциональных блоков и связями между ними.
Тем не менее, в структуре любого процессора можно выделить основ-
ные элементы, определяющие специфику процессора как управляющего
центра вычислителя. Прежде всего, речь идет о двух блоках: устройстве
управления и операционном устройстве.
Устройство управления (УУ) предназначено для реализации выборки ко-
манд, их дешифрации, и на основе этого – для управления обменом и обработкой
информации путем генерации последовательности управляющих сигналов.
Операционное устройство (ОУ) служит для обработки цифровой инфор-
мации (арифметические и логические операции, сдвиги, анализ чисел).
Практически все современные микропроцессоры имеют в своем составе
специальные регистры, в которых при работе содержатся начальные адреса
текущих активных сегментов кода, данных и стека.
Рис. 1.2. Обобщенная структура микропроцессора
Основным элементом для хранения информации внутри процессора
являются регистры, которые выполняют функцию сверхоперативного ОЗУ
с минимальным временем записи и считывания.
7
Регистр команд РгК (англ. IR - insructionregister) используется для
фиксации кода команды после считывания ее из памяти, в этом регистре
фиксируется лишь код операции (КОП) - часть кода команды, определяющая
выполняемое действие и способ адресации операндов.
В однокристальных микроконтроллерах количество регистров опе-
рандов доведено до нескольких десятков, и применительно к ним вводится
понятие регистрового файла.
Регистры операндов служат для хранения данных в процессе их
обработки, позволяют избегать постоянных обращений к памяти, количество
регистров операндов может достигать 10-15 штук, по сути, они образуют
внутреннюю память процессора, а некоторые из регистров операндов могут
использоваться также для хранения или формирования адресов других
операндов, можно сказать, что на их основе реализуется механизм косвенной адресации данных в памяти.
Данные, размещенные в регистрах операндов, поступают на обработку
в арифметико-логическое устройство (АЛУ), один из регистров операндов как
правило является и приемником результата операции, в арифметико логическом
устройстве – такой регистр принято называть регистром-аккумулятором.
Процессоры, в которых принята схема выполнения операций в виде:
<Аккумулятор> (операция) <операнд> Þ <аккумулятор>, называются
процессорами с аккумуляторно-ориентированной структурой.
Счетчик команд (PC - programmingcounter) – это регистр, в котором при
выборке или выполнении текущей команды формируется адрес следующей
команды, модификация содержимого регистра PC – это средство управления
последовательностью выборки команд из памяти и, следовательно, управления
ходом вычислительного процесса (т.е. реализация ветвлений в алгоритмах).
Указатель стека (SP - stackpointer) - регистр, в котором при выполнении
программы хранится адрес границы той области памяти, для которой
программист использует принцип последовательного доступа к данным,
иначе называют протокол работы со стеком.
Регистр адреса – это регистр, в котором формируется адрес любого
внешнего устройства, по отношению к процессору, может быть, как ячейки
памяти либо порты ввода-вывода, перед обращением к этому устройству.
Данный регистр необходим, поскольку источником адресной информации
могут являться различные регистры процессора. При этом регистр адреса
играет роль накапливающего буфера, из которого адресная информация
выдается на внешнюю шину адреса.
Регистр признаков (F - ags) - это элемент внутренней памяти, в ко-
тором в виде отдельных битов фиксируются признаки, характеризующие
результат операции, выполненной в АЛУ (нулевой результат, переполнение
разрядной сетки и четность, знак, заем или перенос).
8
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - функциональный блок
процессора, предназначенный для реализации действий по обработке данных,
как правило результат операции, выполненной в АЛУ, заносится в один из
регистров или пересылается в память (в зависимости от команды). В регистре
признаков автоматически формируются признаки, характеризующие этот
результат выполненной программы.
Функционирование процессора всегда синхронизируется от внешнего
генератора тактовых импульсов.
Именно под влиянием импульсов от ГТИ устройство управления
процессора автоматически реализует действия, связанные с выборкой
команд из памяти и их дешифрацией.
Выполнение команды всегда занимает некоторое количество перио-
дов тактовой частоты и состоит из последовательности элементарных действий процессора (выборка команды, чтение операнда, вычисление в АЛУ).
Эти элементарные действия называют машинными циклами (МЦ). В течение
каждого МЦ происходит генерация строго определенной комбинации
управляющих сигналов для соответствующих узлов процессора и всей
вычислительной системы.
Источники адресной информации различаются в зависимости от дейст-
вий процессора: при чтении команд из памяти источником адресной информации, выставленной на шину адреса, является счетчик команд PC. При этом
содержимое регистра PC автоматически изменяется на количество считанных
байтов команды.
В случае доступа к данным либо записи данных в память или регистры
портов источником адреса является адресная часть команды (прямая адресация)
или один из регистров процессора, указанный в команде (косвенная адресация).
Микропроцессор КР580ВМ80А представляет собой изготовленную
по n-МОП технологии БИС, содержащую около 5 тысяч транзисторов. БИС
МП реализована на кремниевом кристалле размером 30 мм2, заключенном
в корпус с 40 выводами. Длина слова микропроцессора – 8 разрядов. Тактовая
частота – 2 МГц. Уровни напряжения питания: +5, -5, +12В.
Микропроцессор предназначен для работы с памятью постоянной и опе-
ративной, общей емкостью до 64 Кбайт. Память имеет байтовую структуру,
возможна адресация в памяти любого байта. При обращении к памяти используются 16-разрядные (двухбайтовые) адреса.
УМК имеет структуру, представленную на рисунке 1.3.
В качестве основных элементов микропроцессорной системы (МП)
можно определить оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное
запоминающее устройство (ПЗУ), центральный процессор (ЦП) и интерфейсы
ввода-вывода информации.
9
Рис. 1.3. Структурная схема микропроцессорной системы
МП (ЦП) является центром всех операций. Ему необходимы питание
и тактовые импульсы.
Генератор тактовых импульсов (ГТИ) может быть отдельным устройст-
вом или входить в состав кристалла МП. ГТИ предназначен для синхронизации
функционирования всех устройств входящих в состав МП-системы.
Дешифратор адреса обеспечивает подключение одного из устройств
МП-системы к шине адреса. На вход дешифратора адреса подключены
4 линии адресной шины.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]