Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Организация микропроцессоров и микропроцессорных систем. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Рязанский государственный радиотехнический университет
С.В. СКВОРЦОВ, В.И. ХРЮКИН
ОРГАНИЗАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ
И МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
Учебное пособие
Рязань 2018
УДК 681.51.01
Организация микропроцессоров и микропроцессорных систем: учеб.
пособие / С.В. Скворцов, В.И. Хрюкин; Рязан. гос. радиотехн. ун-т. Рязань,
2018. 80 с.
Рассмотрены вопросы организации микропроцессоров с микропро-
граммным и жестким управлением, а также микропроцессорных систем на
их базе. Особое внимание направлено на архитектурные особенности микропроцессоров семейства Intel x86 в реальном и защищенном режимах.
Предназначено для бакалавров, обучающихся по образовательным
программам «Системы автоматизированного проектирования» направле-
ния 09.03.01 и «Конструирование и технология электронно-
вычислительных средств» направления 11.03.03.
Табл. 8. Ил. 89. Библиогр.: 5 назв.
Микропроцессор, устройство управления, микропрограмма, опера-
ционное устройство, система команд, режимы адресации, программная
модель, формат команды, прерывания и исключения, селекторы и дескрипторы, организация памяти, реальный и защищенный режим, мультизадачность, переключение задач
Печатается по решению редакционно-издательского совета Рязанского государственного радиотехнического университета.
Рецензент: кафедра САПР вычислительных средств Рязанского го-
сударственного радиотехнического университета (зав. кафедрой проф.
В.П. Корячко)
С к в о р ц о в Сергей Владимирович
Х р ю к и н Владимир Иванович
Организация микропроцессоров
и микропроцессорных систем
Редактор Р.К. Мангутова
Корректор С.В. Макушина
Подписано в печать 15.11.18. Формат бумаги 60х84 1/16.
Бумага писчая. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 5,0.
Тираж 50 экз. Заказ
Рязанский государственный радиотехнический университет.
390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1.
Редакционно-издательский центр РГРТУ.
Рязанский государственный
радиотехнический университет, 2018
ВВЕДЕНИЕ
При создании вычислительных средств различного назначения в ка-
честве их основы широко используются два класса изделий цифровой техники: устройства с жесткой структурой, выполненные на базе цифровых
логических схем; устройства с программным управлением (ЭВМ).
В устройствах с жесткой структурой логические элементы соединя-
ются в соответствии с реализуемыми функциями. Достоинством такого
подхода является простота реализации, недостатком то, что любое изменение функции требует изменения схемы, проверочных тестов, а иногда и
конструкции.
Системы на основе ЭВМ могут перенастраиваться на реализацию
новых функций. Для этого достаточно изменить программу. Недостатком
здесь является то, что быстродействие таких систем ниже по сравнению с
системами с жесткой структурой, реализующими такие же функции.
Развитие полупроводниковых технологий привело к созданию БИС,
которые сблизили два указанных класса изделий и объединили их достоинства. В качестве устройств с жесткой структурой сейчас используются
программируемые логические интегральные схемы. Работы в направлении
создания БИС с программным управлением привели к созданию нового
класса средств вычислительной техники - микропроцессоров (МП).
МП – это программно-управляемое устройство, выполненное в виде
одной или нескольких БИС и предназначенное для обработки данных и
управления процессом обработки.
Законченное изделие, выполненное на основе МП и предназначенное
для реализации одной-двух из следующих функций: получение, сбор, обработка, передача данных, управление, называется микропроцессорным
устройством (МПУ). МПУ обладает унифицированными присоединительными характеристиками: интерфейс, программное обеспечение (ПО), конструкция и обычно входит в состав каких-либо технических систем.
Микропроцессорная система (МПС) – это аналогичное МПУ изделие, реализующее все вышеперечисленные функции.
Первый промышленный микропроцессор появился в 1971 году. Он
был создан фирмой Intel. Это четырехразрядный МП I4004, который использовался в калькуляторах.
Однако широкое использование микропроцессоров началось только
в 1974 году с появлением восьмиразрядного МП I8080. Этот МП сыграл
значительную роль в развитии микропроцессорной техники. Он во многом
определил основы архитектуры для всех последующих поколений микропроцессоров. Такой МП имеет раздельные 8-разрядную шину данных и 16разрядную шину адреса, возможность подключения памяти ёмкостью до
64 килобайт (КБ) и до 256 внешних устройств.
Очередным крупным шагом в развитии микропроцессорной техники
стало появление в 1978 г. 16-разрядного универсального микропроцессора
4
I8086. Этот микропроцессор заложил основы архитектуры x86. Именно
МП с такой архитектурой фирм Intel, AMD, VIA, Transmeta, IDT, Cyrix
наиболее часто используются при построении персональных ЭВМ, а также
микропроцессорных систем.
За годы развития МП техники (с 1971 г.) сложились следующие основные направления.
1. Однокристальные МП с фиксированной разрядностью обрабаты-
ваемой информации и фиксированной системой команд. В качестве примеров первых однокристальных МП можно указать: К580, К1810, К1801,
I80286. Дальнейшим развитием однокристальных МП является МП с RISС,
CISC, VLIW архитектурой.
МП с RISС архитектурой или организацией предназначены для достижения максимального быстродействия. Основная их особенность: сокращенный набор команд одинакового формата. Все эти команды выполняются за один такт. Более сложные, но реже используемые команды реализуются на программном уровне. При этом за счет значительного повышения скорости выполнения команд из сокращенного набора средняя производительность RISС МП является более высокой, чем у обычных МП.
Примеры RISС МП: ALPHA 21х64, PA-8000, Power 7.
МП с CISC организацией характеризуются расширенным набором
команд, предоставляющим широкие возможности для программирования.
Примеры СISС МП: AMD 64, Core i3/i5/i7/i9 (Intel).
МП с VLIW архитектурой характеризуются тем, что каждая инструкция задает несколько операций, которые должны выполняться параллельно. При этом задача распараллеливания вычислительного процесса
решается не аппаратно, как в МП с RISС и CISC организацией, а во время
компиляции, и в инструкциях явно указывается, какое вычислительное
устройство какую операцию должно выполнять. Примеры VLIW МП:
Transmeta 5600, Mersed, Palaris (Intel).
2. Однокристальные микроЭВМ и микроконтроллеры. Они содер-
жат на одном кристалле все компоненты системы: центральный процессор
(ЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), средства ввода/вывода.
Микроконтроллеры, в отличие от микроЭВМ, имеют упрощенную
систему команд, используют простейшие методы адресации и средства
ввода/вывода. Примеры: I8051, ATmega6450 (AVR).
3. Секционированные МП с микропрограммным управлением.
Предназначены для проектирования специализированных систем, в которых разработчик сам определяет разрядность обрабатываемых данных и
систему команд программного уровня. Примеры: К1804, К1816.
4. Специализированные МП. Здесь можно выделить следующие
классы устройств: а) процессоры цифровой обработки сигналов; б) аналоговые МП (микроконверторы); в) транспьютеры.
5
МП
ОЗУ
ПЗУ
ИВВ
УВВ
ГТИ
Рис. 1.1
ША
ШД
ШУ
Процессоры цифровой обработки сигналов представляют собой МП,
предназначенные для решения задач цифровой обработки сигналов, к которым относятся обработка звуковых сигналов, обработки изображений,
распознавание речи, распознавание образов, цифровая фильтрация, спектральный анализ и др. Примеры: TMS 320 (Texas Instruments), Media GX.
Аналоговые МП предназначены для измерения низкочастотных сигналов путем их преобразования в цифровой код и его обработки на встроенном микроконтроллере. Результаты вычислений могут быть преобразованы в аналоговый сигнал. Примеры: К1813, ADuC824.
Транспьютеры - это МП для построения многопроцессорных систем
и вычислительных сетей. Транспьютер представляет собой сверхбольшую
БИС, которая содержит ЦП, ОЗУ, средства связи с соседними МП и средства доступа к внешней памяти. Примеры: Т600, Т800 (Inmos).
1. АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРОВ
И МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
1.1. Принципы построения МП и МПС
Архитектура МПС – это ее логическая организация, определяющая
возможности системы по аппаратной или программной реализации заданных функций. Архитектура отражает:
структуру МП или МПС;
способы представления и форматы данных;
набор реализуемых операций, т.е. систему команд;
форматы управляющих слов;
режимы адресации, то есть способы доступа ко всем элементам
структуры, к которым возможно обращение,
реакцию МП на внешние сигналы.
Обобщенная структурная схема МПС с магистральной организацией
связей представлена на рис. 1.1.
6
АЛУ
Буферный
регистр
Регистр
сдвига
РОН
Выходная шина
Входная шина
МП выполняет роль центрального устройства управления (УУ) и
устройства арифметико-логической обработки данных. В качестве УУ он
вырабатывает последовательности синхронизирующих и логических сигналов, которые определяют работу всех устройств и элементов МПС. Одновременно МП выполняет извлечение команд управляющей программы
из памяти, их расшифровку (дешифрацию) и исполнение. ГТИ – генератор
тактовых импульсов, который синхронизирует работу МП. ПЗУ – постоянное запоминающее устройство для хранения констант и управляющих
программ. ОЗУ – оперативное запоминающее устройство для временного
хранения промежуточных данных и программ. ИВВ – интерфейс ввода/вывода. Обеспечивает подключение к магистралям устройства ввода/вывода (УВВ). МА – магистраль (шина) адресов. МД – магистраль данных. МУ – магистраль управления.
Основное влияние на архитектуру МПС оказывают способы передачи данных, адресов и сигналов управления между МП и другими компонентами МПС.
При магистральной организации обмен информацией между модулями осуществляется через три многоразрядные шины данных, адресов и
управления. Эти шины заменяют все многообразие связей в ЭВМ с традиционной структурой. Здесь в каждый момент времени связываются только
те элементы, которые должны выполнять обмен информацией.
1.1.1. Принципы организации обработки информации в МП
Типовая структура обрабатывающей части или операционного устройства (ОУ) МП имеет вид, представленный на рис. 1.2.
Рис. 1.2
Основой обрабатывающей части МП является АЛУ – арифметикологическое устройство. АЛУ может выполнять различные операции над
одним или двумя операндами, размещенными в буферном регистре и регистре сдвига.
7
команда
(КОП)
код операции
сигналы управления
УУ
Обрабаты-
вающая
часть МП
признаки результата
y
1
y
2
yn данные
результаты
Результаты выполненных операций могут заноситься в регистры общего назначения (РОН). Они обеспечивают хранение операндов и результатов промежуточных вычислений. Особенностью этих регистров является
то, что количество их ограничено, а время доступа к ним мало.
Представленная структура обладает достаточно широкими возможностями. Так, содержимое любого РОН может быть передано в буферный
либо сдвиговый регистр. Результат выполнения операций может быть
опять записан в РОН. В целом обрабатывающая часть МП реализует:
арифметические и логические операции; операции сдвига; пересылку данных между различными РОН через АЛУ.
1.1.2. Принципы организации управления в МП
Устройство управления МП должно выполнять две основные функции: управление выполнением команд; выборку команд из памяти в требуемой последовательности.
Каждая команда МП выполняется в течение нескольких тактов синхронизации. На каждом такте УУ должно вырабатывать определенные наборы управляющих сигналов Y = (y1, y2, …, yn), которые задают функционирование обрабатывающей части МП. Взаимодействие УУ с обрабатывающей частью МП схематично показано на рис. 1.3.
Существует два подхода к организации управления выполнением
команд: схемное (жёсткое) и микропрограммное управление.
кой структурой, которая выполняет дешифрацию команды и генерацию
соответствующей последовательности управляющих сигналов уi в течение
нескольких тактов, i = 1, 2, …, n.
ставить в виде, изображенном на рис. 1.4.
Рис. 1.3
В первом случае УУ реализуется в виде электронной схемы с жест-
Структуру УУ с жесткой логикой в простейшем случае можно пред-
8
команда
(КОП)
сложение
вычитание
…
Pг
КОП
ГТИ
ДШ
КОП
Логическая
схема
формирования
управляющих
сигналов
Счетчик
тактов
ДШ
тактов
y1
y2
…
…
…
…
…
…
…
yn
такт1
…
такт n
СС
БМУ
УП
Рг МК
Обрабаты-
вающая
часть
МП
У
данные
резуль таты
выбор следующей МК
(адрес перехода)
адрес
признаки результата
КОП
Рис. 1.4
Здесь Рг КОП – регистр кодов операций; ДШ – дешифратор; СС –
синхросигналы.
Основное достоинство УУ с жесткой структурой: высокое быстродействие. Недостатки: сложность структуры логической схемы и невозможность введения новых операций.
Устройство управления с микропрограммным управлением основано
на использовании микрокоманд (МК), каждая из которых определяет совокупность управляющих сигналов Y=(у1, у2, …, уn), вырабатываемых в
одном такте. Последовательность микрокоманд, необходимых для реализации некоторой внешней команды МП, называется микропрограммой и
хранится в управляющей памяти (УП).
Структура УУ с микропрограммным управлением схематично представлена на рис. 1.5.
значен для формирования адреса МК; РгМК – регистр микрокоманд, который используется для хранения выбранной МК.
Рис. 1.5
Здесь БМУ – блок микропрограммного управления, который предна-
9
Классификация команд
по количеству опе-
рандов
безоперандные
команды
однооперандные
команды
двухоперандные
команды
по архитектурным
признакам
по функциональным
признакам
команды передачи
данных
команды передачи
управления
команды обработ-
ки данных
команды изменения
содержимого Рг
команды изменения
содержимого
ячеек памяти
команды выполнения
операций в АЛУ
команды управления
команды ввода/ вывода
команды операций со
стеком
команды изменения
содержимого Рг признаков
В этой схеме получение очередной внешней команды вызывает чтение начального адреса и запуск соответствующей микропрограммы. Затем
МП в течение нескольких тактов под управлением микропрограммы производит действия, необходимые для выполнения команды. Адрес следующей МК определяется текущей МК. Признаки результата, поступающие в
БМУ, используются в случае условных переходов в микропрограмме. При
этом адрес перехода обычно также задается в текущей МК.
Основное достоинство - возможность изменения системы команд
МП путем разработки соответствующих микропрограмм и записи их в УП.
Недостатки: сложность микропрограммирования и необходимость обращения к УП в каждом такте работы МП, что увеличивает время выполнения команд и снижает быстродействие МПС.
1.2. Классификация, структура и форматы команд МП
Классификация команд МП представлена на рис. 1.6. Рассмотрим
более подробно состав команд МП, используя классификацию по функциональным признакам.
информации без выполнения каких-либо операций обработки. Команды
этой группы делятся на 3 подгруппы.
Рис. 1.6
1. Команды передачи данных обеспечивают простую пересылку
10
С
С
Циклический сдвиг
вправо
влево
а) команды обращения к памяти: загрузить - содержимое ячейки
памяти пересылается в Рг; сохранить - содержимое Рг пересылается в память;
б) команды обращения к регистрам: переслать из Рг1 в Рг2; загру-
зить непосредственно, то есть константу из команды занести в Рг;
в) команды ввода/вывода, в которых при вводе информация передается из внешнего устройства (ВУ) в регистр, а при выводе – наоборот,
содержимое Рг в ВУ.
2. Команды передачи управления предназначены для выполнения
переходов в программе в соответствии с некоторыми условиями (признаками результата) или внешними сигналами. Команды делятся на две подгруппы:
а) команды безусловного перехода;
б) команды условного перехода, к которым относятся и команды
организации циклов.
3. Команды обработки данных делятся на арифметические, логиче-
ские, сдвигов.
К арифметическим командам относятся: сложить, умножить, вы-
честь, разделить (Рг - Рг, Рг - память, память - память, Рг – const), а также
команды инкремента и декремента. Кроме того, к этой подгруппе относятся команды работы с числами, длина которых больше одного машинного слова: сложить с переносом Рг1+Рг2+С, где С - флаг переноса; вычесть
с займом Рг1-Рг2-С, где С - флаг займа.
Логические команды предназначены для выполнения поразрядных
логических операций: и, или, исключающее или, не.
Команды сдвигов можно разделить на команды с логическим сдвигом и команды с арифметическим сдвигом. При логическом сдвиге перемещаются все разряды числа. При арифметическом сдвиге знаковый разряд сохраняется.
Кроме того, среди команд сдвигов сложно выделить циклический
сдвиг и сдвиг с переносом. В циклических сдвигах выдвигаемый разряд переносится в освобождаемый и одновременно фиксируется в виде флага переноса (рис. 1.7).
Рис. 1.7
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]