Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровая и микропроцессорная техника. Учебное пособие
.pdf
4.4. Арифметико-логические устройства
для промежуточного хранения результатов, снимаемых с выхода
сдвигателя. Мультиплексоры МП1 и МП2 обеспечивают коммутацию на входы сумматора содержимого регистров Р1–Р3, а в
некоторых случаях – и инвертирование, т. е. получение обратных
кодов их содержимого (если в сумматоре не выполняется операция вычитания). Схема формирования признаков (флажков)
обеспечивает формирование значений логических условий, отражающи х получен ие на выходе су м матора нулевого числа, отрицательного числа, переполнения результата, переноса из старшего
разряда, четности результата и др., а регистр признаков (или набор триггеров) сохраняет значения этих условий.
В процессорах современных ЭВМ используют различные по
организации АЛУ. Эти различия обусловлены функциональным
назначением АЛУ, способами реализации операций, требованиями по быстродействию и др. Основные характерные особенности
того или иного АЛУ можно отнести к одной из трех групп: особенности обрабатываемой информации, организации выполнения операций и структурной организации.
Обрабатываемая в АЛУ информация представляет собой
либо численные, либо логические величины. Численные величины в ЭВМ представляются по-разному. Это проявляется в используемых формах представления данных, системах счисления,
разрядности, применяемых кодах. По этим признакам АЛУ можно разделяют следующим образом:
• по форме представления чисел:
– с фиксированной запятой;
– плавающей запятой;
– фиксированной и плавающей запятыми (универсальные);
• используемой системе счисления:
– работающие в позиционной системе счисления;
– работающие в непозиционной системе счисления;
• разрядности обрабатываемых чисел:
– выполняющие операции над числами (кодами) фиксиро-
ванной разрядности;
– обрабатывающие операнды переменной длины;
• кодам, используемым для представления отрицательных
чисел, с использованием:
• обратных кодов;
• дополнительных кодов.
91
Глава 4. Специальные узлы и устройства цифровой техники
Особенности структурной организации АЛУ определяют
составом операционных блоков устройства и характером связей
между ними. В этой группе признаков АЛУ разделяют:
• по количеству операционных блоков:
– одноблочные (универсальные или многофункциональные);
– многоблочные АЛУ;
• характеру связей:
– с магистральными связями;
– непосредственными связями.
По особенностям организации выполнения операций (процесса обработки) АЛУ разделяют следующим образом:
• по принципу получения результата:
– с алгоритмической реализацией операций;
– табличные;
– таблично-алгоритмические;
• порядку обработки данных:
– последовательные;
– параллельные;
– конвейерные.
4.5. МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ И ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРЫ
В средствах вычислительной техники при передаче цифровой
информации возникает проблема приема информации с нескольких направлений в разные интервалы времени. Эта задача решается применением мультиплексоров.
Мультиплексор – электронный коммутатор, осуществляющий передачу сигнала с одного из 2n входов под управлением
n-разрядного адреса этого входа на единственный выход. Адресные входы обозначают комбинацией символов SED (селекция
данных). Кроме адресных и информационных входов мультиплексор может иметь вход разрешения работы E. Выход мультиплексора может быть организован по схеме с тремя состояниями,
в этом случае вход разрешения управляет состоянием выходной
цепи. Рассмотрим мультиплексор с восемью входами и одним
выходом (рис. 4.8).
Сигналы заданы на входах селекции и управления. Комбинация сигналов на входах селекции соответствует десятичной
цифре 5, т. е. мультиплексор передает на выход информацию с
входа x5. Мультиплексор реализует функцию
92
4.5. Мультиплексоры и демультиплексоры
(
y ESSSx SSSx SSSx SSSx
2 1 00 2 101 21 02 21 03
SSSx SSSx SSS x SSSx
21 04 2105 2106 2107
).
При E = 1 предложенная функция соответствует таблице ис-
тинности (табл. 4.3).
0
1
2
3
4
5
6
7
SED
0
1
2
E
MUX
y = х
5
Информационные
входы
Адресные
входы
Вход разрешения
работы
х
0
х
1
х
2
х
3
х
4
х
5
х
6
х
7
S
1
0
S
0
1
S
1
2
1
Рис. 4.8. Условное графическое обозначение мультиплексора
Таблица 4.3
Таблица истинности мультиплексора с восемью
входами и одним выходом
№ S
0 0 0 0 x
1 0 0 1 x
2 0 1 0 x
3 0 1 1 x
4 1 0 0 x
5 1 0 1 x
6 1 1 0 x
7 1 1 1 x
S
2
S
1
y
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Логическую функцию, которую выполняет мультиплексор,
можно реализовать по предложенному выше выражению с ис-
93
Глава 4. Специальные узлы и устройства цифровой техники
пользованием многовходовых коньюнкторов и восьмивходового
дизъюнктора. Если функцию селекции (выбора) входа, с которого передается в данный момент информация на выход, реализовать с помощью дешифратора, то мультиплексор легко реализуется по схеме, представленной на рисунке 4.9.
х
0
& 1
DС
S
0
S
1
S
2
1
2
4
EE
0
1
2
х
1
&
3
4
5
х
2
&
y
6
7
х
3
&
х
4
&
х
5
&
х
6
&
х
7
&
Рис. 4.9. Функциональная схема мультиплексора
Благодаря применению элемента И-ИЛИ и управляющего
дешифратора выходной сигнал будет определяться состоянием
строго определенного входного сигнала, адрес которого поступает на входы селекции. Например, при Е = 1 и S2S1S0 = 110 на
шестом выходе дешифратора формируется «1», которая разрешает
прохождение на выход переменной с входа x6, т. е. y = x6.
Демультиплексор осуществляет операцию, обратную операции мультиплексора, т. е. с единственного информационного
входа передает сигнал на один из 2n выходов. Адрес этого выхода
определяется комбинацией сигналов на адресных входах, кото-
94
4.5. Мультиплексоры и демультиплексоры
рые принимает n-разрядное двоичное число. В виде микросхе-
мы, специально предназначенной для этого, демультиплексор
не реализуется. Демультиплексор реализуется на дешифраторе
(рис. 4.10), имеющем вход разрешения работы E.
Адрес
выхода
Информационный
вход
Рис. 4.10. Демультиплексор на дешифраторе
S
0
S
1
x
DC
1
2
E
0
1
2
3
y0 = 0
y1 = 0
y2 = x
y3 = 0
При реализации демультиплексора на дешифраторе вместо
символа функции дешифратора DC может быть использован
символ функции демультиплексора DMX. На рисунке предполагается, что на входы S1S0 поступает двоичное число 10. При
этом вход S1 является старшим разрядом адреса выхода, на который поступает сигнал с входа x. Для предложенной комбинации
адресных сигналов входной сигнал x проходит на выход y2.
Контрольные вопросы и задания
1. Какие узлы называют комбинационными?
2. Назовите основные комбинационные узлы.
3. Какой стандартный узел имеет при n входах до 2n выходов? Опишите его
функционирование.
4. Какие разновидности входов могут присутствовать у комбинационных уз-
лов? Объясните их назначение.
5. Что такое мультиплексор и как он функционирует?
6. Что такое шифратор и как его можно использовать для организации кла-
виатуры?
7. Объясните назначение выхода «групповой перенос» в шифраторе.
8. Что такое демультиплексор и каким образом его можно реализовать на
дешифраторе?
9. Какие входы и выходы имеются у микросхемы компаратора цифровых
сигналов?
10. Объясните принцип построения сложного дешифратора на основе мно-
жества простых дешифраторов.
95
Глава 4. Специальные узлы и устройства цифровой техники
11. Объясните принцип построения сложного мультиплексора на основе
множества простых мультиплексоров.
12. Как обозначаются информационные входы у дешифратора и входы селекции у мультиплексора?
13. Объясните назначение входа «Enable» у дешифратора и мультиплексора.
Как эти узлы будут работать при пассивном сигнале на этом входе?
14. Назовите схемы соединения светодиодов в индикаторах. Как отличаются способы управления ими?
15. Объясните, зачем последовательно со светодиодами используют резисторы.
96
ГЛАВА 5. ОСНОВЫ
АРХИТЕКТУРЫ МИКРОПРОЦЕССОРОВ
И МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
5.1. ТИПОВАЯ СТРУКТУРА
МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ
Микропроцессорная техника включает технические и программные средства для построения микропроцессоров и микроконтроллеров, а также различных микропроцессорных устройств
и систем, в том числе персональных компьютеров.
Микропроцессор – программно-управляемое устройство,
предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, построенное на одной или нескольких БИС.
Микропроцессорная система – функционально законченное
изделие, выполненное на основе микропроцессора. Она включает память, устройства ввода (вывода) и ряд других для выполнения заданных функций.
Микрокомпьютер (микроЭВМ) – устройство обработки данных, состоящее из микропроцессора, полупроводниковой памяти, средств связи с периферийными устройствами (внешними
запоминающими устройствами, видеомонитором, клавиатурой)
и при необходимости пульта управления и источника питания,
объединенных общей конструкцией.
Контроллер – термин, широко используемый в вычислительной и микропроцессорной технике. Он имеет разный смысл в зависимости от характера применения. В одном варианте его часто
используют как название устройств управления периферийными
устройствами компьютерных систем (контроллер клавиатуры,
97
Глава 5. Основы архитектуры микропроцессоров и микропроцессорных систем
контроллер прерываний и т. п.). В другом варианте контроллером
называют специализированный микрокомпьютер (микроЭВМ),
предназначенный для решения отдельной задачи или группы
близких задач, чаще всего управления. Он обычно не имеет возможности подключения дополнительных устройств (например,
внешней памяти, средств ввода (вывода)). Структура контроллера проста и оптимизирована под максимальное быстродействие.
В большинстве случаев выполняемые программы хранятся в постоянной памяти и не меняются. Конструктивно контроллеры
обычно выполняют в виде одной печатной платы, которая размещается в корпусе управляемой технической системы.
Микроконтроллер – это функционально законченная микропроцессорная система обработки данных, которая реализована в виде одной БИС. Микроконтроллер объединяет в одном
кристалле все основные элементы микропроцессорной системы:
центральный процессор, память, устройства ввода (вывода), набор периферийных устройств. Микроконтроллеры предназначены для реализации устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру.
При построении микропроцессорной системы используют
два основных принципа:
• модульность построения;
• магистральный принцип обмена информацией.
Модульность построения предполагает, что система строится на основе ограниченного количества типов конструктивно и
функционально завершенных модулей. Исходя из классической
схемы компьютера, любая микропроцессорная система должна
состоять, как минимум, из модуля процессора, модуля памяти и
модуля управления вводом (выводом). Основой модуля процессора является микропроцессор.
Магистральный принцип обмена информацией определяет
характер связей между модулями микропроцессорной системы.
Существует два принципа взаимодействия элементов модулей и
самих модулей в системе:
• произвольных связей, реализующих правило «каждый с
каждым»;
• упорядоченных связей – магистральный, или шинный.
При использовании принципа произвольных связей все сигналы между устройствами передаются по отдельным линиям свя-
98
5.1. Типовая структура микропроцессорной системы
зи. Каждое устройство, входящее в систему, передает свои сигналы и коды независимо от других устройств. При этом в системе
получается много линий связи и разных правил (протоколов) обмена информацией.
При магистральном принципе все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное
время. Это называют временным мультиплексированием. Обмен
информацией по отдельным линиям связи может осуществляться
в одном (однонаправленная передача) или в двух (двунаправленная передача) направлениях. Группу линий связи, по которым
передаются сигналы и коды, называют магистралью, или шиной.
Применение принципа магистрального обмена позволяет
минимизировать число связей между устройствами системы, сократить число выводов БИС. Большое достоинство магистрального принципа связи состоит в том, что все устройства должны
принимать и передавать информацию по одним и тем же правилам (протоколам) обмена. Это обеспечивает стандартизацию
интерфейсов всех устройств, входящих в систему.
При использовании магистрального принципа обмена информацией все модули микропроцессорной системы соединяются с единой магистралью, которую называют системной шиной.
Шина представляет собой набор электрических проводников,
объединенных функционально и физически (например, на печатной плате).
Типовая структура микропроцессорной системы, состоящей
из модуля процессора, модуля памяти и модуля ввода (вывода),
приведена на рисунке 5.1.
Модуль
процессора
Магистраль (системная шина)
Рис. 5.1. Магистрально-модульная структура микропроцессорной системы
Модуль
памяти
Модуль
ввода
(вывода)
99
Глава 5. Основы архитектуры микропроцессоров и микропроцессорных систем
Весь информационный поток, циркулирующий в микропроцессорной системе, разделяют на три группы: адреса, данные и
сигналы управления. В соответствие с этим в магистрали (системной шине) выделяют три шины нижнего уровня:
• шину адреса;
• шину данных;
• шину управления.
Шина адреса предназначена для однозначного определения
адреса элемента микропроцессорной системы (например, ячейки памяти или устройства ввода (вывода)). Обычно адрес задает
процессор, поэтому шина адреса чаще всего однонаправленная.
Шина данных служит для обмена данными между элементами микропроцессорной системы. Шина данных всегда двунаправленная.
Шина управления предназначена для управления работой
элементов микропроцессорной системы. По ней передаются
управляющие сигналы. Отдельные линии шины управления могут быть однонаправленными или двунаправленными.
Для организации шин используют специальные буферные
микросхемы (шинные формирователи), отличающиеся высокой
нагрузочной способностью. Поэтому возможность подключения
к шине нескольких входов логических элементов ограничивается
лишь нагрузочной способностью буферных элементов, к выходу
которых эта шина присоединена.
Сложнее организуется подключение выходов нескольких элемент ов к одной шине. Возмож ны два способа такого под к лючен и я:
• использование схем, имеющих выходы с тремя состояниями;
• использование схем, имеющих выходы с открытым кол-
лектором (открытым стоком).
Архитектуры микропроцессора:
• со сложной системой команд (CISC-процессоры);
• с упрощенной системой команд (RISC-процессоры);
• принстонская;
• гарвардская.
Особенность микропроцессора как устройства с программируемой логикой заключается в подчиненности его аппаратного
состава (структуры из элементов, составляющих микропроцессор, и связей между ними) программируемости. Это означает,
что функции, реализуемые в микропроцессоре, определяются не
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]