Тема лекции 9. Микропроцессоры (мп) и микропроцессорные системы(мпс). Классификация мп и мпс. Структура базового мп

В настоящее время, МП и МПС применяется везде, где возникает необходимость контролировать и управлять объектами управления (оборудованием и процессами) различной сложности и конфигурации, от простого (автомобили) до сложных (автоматические заводы и человекоподобные роботы).

Микропроцессор (МП) - программно-аппаратное устройство, изготовленные в одном кристалле, в виде ИС, БИС или СБИС и предназначенные для обработки информации представленной в двоичной форме (арифметические и логические операции над двоичными числами).

Основными особенностями логической структуры современных микропроцессоров и

построенных на их базе обрабатывающих устройств являются :

- модульная структура, в которой модули являются функционально законченными устройствами ;

- магистральная организация связей между модулями, при которой общие шины используются разными модулями;

- микропрограммное управление;

- байтовая адресация и обработка данных;

- использование внутренних сверхоперативных регистров и БЗУ (КЭШ).

Микропроцессорные системы (МПС) - программно-аппаратная система ядром которого является МП и память, обладающая в идеале возможностями приема, обработки и вывода любой (сигнал, текст, видео, речь и т.д.) информации в заданной разработчиком форме и алгоритму.

Классификация МП.

По разрядности данных: 8,16,32,64 разрядные

По конструктивному исполнению делятся:

- однокристальные МП;

- многокристальные МП.

К однокристальным относятся МП вся схема, которой расположено в теле одного кристалла (корпусе) и выполняет все заданные функции. Многокристальные МП делятся на два класса:

- многокристальные МП с фиксированной разрядностью в 4 и 8 разрядов, из которых с помощью объединяющих интерфейсных микросхем можно собрать 8,16,32 и 64 разрядные МП;

- секционные многокристальные МП с разделением функции выполняемого одним кристаллом, например: 8 разрядная секция АЛУ; 8 разрядная секция РОН, 8 разрядная секция УУ и т.д.. из комплекта которых можно собрать 8 разрядный МП.

Микроконтроллером называется МПС с встроенной памятью программ и данных, а также встроенным интерфейсом для подключения внешних устройств, предназначенные для использования в системах управления технологическим оборудованием и/или процессами. Микроконтроллеры используемые для цифровой обработки сигналов называются процессорами цифровой обработки или спецпроцессорами.

Структура базового мп

Рассмотрим структуру базовой МПС, обладающей типичными чертами многих конкретных машин. Знание прин ципов построения и функционирования этой ЭВМ является базой для освоения микропроцессор ных систем любых типов и моделей, поэтому она названа базовой ЭВМ.

На рис.10.2 приве дена упрощенная структура базовой ЭВМ. Это одноадресная машина, работающая с 16-битовыми словами. В ней реализованы два вида адресации операндов: прямая и косвенная.

В состав процессора входят:

- шесть регистров (16-разрядные регистр команд, аккумулятор, регистр данных; 11 -разрядный счетчик команд и регистр адреса; 1 -разрядный регистр переноса;

- арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции над операндами, циклические сдвиги содержимого аккумулятора и регистра переноса;

- микропрограммное устройство управления (МПУУ), хранящее в своей памяти микропрограммы выполнения команд, пультовых операций, реакции на сигналы прерывания и ряд других программ.

Счетчик команд(СК) служит для организации обращения к ячейкам памяти, в которых хранится программа. В конце каждого цикла исполнения команд счетчик указывает адрес ячейки памяти, содержащей следующую команду программы. Так как команды чаще всего заносятся в последовательные ячейки, а при выполнении текущей команды содержимое счетчика автоматически увеличивается на единицу, то автоматически указывает адрес следующей команды. В некоторых случаях содержимое СК может быть изменено самой программой (при выполнении команд условных и безусловных переходов).

Регистр команд(РК) используется для хранения команды, непосредственно выполняемой машиной. Код операции команды пересылается из РК в устройство управления ЭВМ и декодируется.

Регистр адреса(РА) содержит значение исполнительного адреса ячейки памяти. Если ЭВМ осуществляет выборку команды, то в РА пересылается содержимое СК. Если ЭВМ производят выборку данных, то адрес поступит из регистра команд.

Регистр данных(РД) используется для временного хранения 16-разрядных слов при обмене информацией между памятью и процессором. При считывании команды, числа или символа из памяти в процессор это слово сначала попадает в РД, а потом пересылается либо в регистр команд (команды), либо в другие регистры процессора. При пересылке данных из процессора в память они сначала помещаются в РД и лишь затем записываются в нужную ячейку памяти.

Рис.9.1.

Аккумулятор(А) является одним из главных элементов процессора. Машина может выполнять арифметическую или логическую операцию над двумя операндами одновременно. Обычно первый операнд извлекается из памяти в РД, в то время как второй находится в аккумуляторе. Операция, задаваемая командой, выполняется над содержимым РД и А, и результат операции помещается в А.

Регистр переноса(С) является продолжением аккумулятора и заполняется при его переполнении. Этот регистр также используется для организации циклических сдвигов. Состояние регистра переноса может проверяться для принятия решений.

Арифметико-логическое устройство(АЛУ) выполняет все арифметические и логические операции, предусмотренные системой команд, с учетом переноса циклического сдвига и наращивания аккумулятора на 1. Память базовой ЭВМ состоит из 2048 ячеек по 16 бит с адресами 0,1,..., 2046, 2047. Одну ячейку (или слово) можно использовать для хранения одного двоичного числа или одной команды программы, закодированной в двоичном коде. Пользователь должен сам определить, какая область памяти будет использоваться для данных и какая для программы. При этом надо учитывать, что восемь ячеек памяти с адресами 0,08,-, OOF несколько отличаются от остальных. Эти ячейки называются индексными и их лучше использовать в циклических программах.

В устройства ввода-вывода входят:

- устройства ввода, обеспечивающие считывание информации (исходных данных и программы решения задачи) с определенных носителей информации (клавиатур, перфолент, магнитных лент, дисков, датчиков состояния управляемых объектов) и ее представление в форме электрических сигналов, воспринимаемых другими устройствами ЭВМ (процессором и памятью);

- устройства вывода представляют результаты обработки информации в форме, удобной для визуального восприятия (индикаторы, печатающие устройства, графопострои-

тели, экран дисплея и т.п.). При необходимости они обеспечивают заполнение результатов на носителях, с которых эти результаты могут быть снова введены в ЭВМ для дальнейшей обработки или передачу результатов на исполнительные органы управляемого объекта. Все внешние устройства (ВУ) микроэвм можно подразделить на три группы:

- устройства для связи человек-микроэвм (различные клавиатуры, индикаторы, устройства для работы с различными носителями информации, принтера, символьные и графические дисплеи, графопостроители, читающие автоматы, устройства речевого обмена информацией и т.п.);

- устройства для связи с объектами управления (различные датчики и исполнительные органы, устройства для преобразования непрерывных сигналов с датчиков в цифровые сигналы и обратного преобразования при выдаче информации на исполнительные органы);

- внешние запоминающие устройства большой емкости (ЗУ на магнитных лентах и дисках, память на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД) и приборах с зарядовой связью. Базовая модель микроэвм должна обладать следующими свойствами:

- надежностью;

- ремонтопригодностью;

- малыми габаритами;

- отсутствием накладных расходов;

- легкостью обучения и доступностью для непрофессионалов;

- принципом открытости, т.е. возможностью наращивания аппаратных и программных ресурсов;

- сравнительно низкой стоимостью;

- экономичностью.