D_ris_1-1

Дәріс 1. Кіріспе. Микропроцессорлық құрылғылардың негізгі анықтамалары, сипаттамалары, қолдану салалары және жұмыс істеу ерекшеліктері.

Микропроцессорлық жүйелерді кеңінен қолдану микропроцессорлардың габаритінің кішілігі, қуат көзін аз тұтынуы, басқару арналарына көп санды процессорларды қосу мүмкіндігі, программалық орнатуларының қарапайымдығы сияқты артықшылықтарына байланысты.

Микропроцессорлар және микроЭЕМ-дер көптеген салаларда қолданылатындықтан, микропроцессорлық жүйелерді келесідей жіктеуге болады:

- бақылаудың және басқарудың орнатылған жүйелері;

- ақпаратты жинау және өңдеудің жергілікті жүйелері;

- күрделі объектілерді басқаратын үлестірілген басқару жүйелері;

- қатарластырылған жоғары жыдамдықты үлестірілген есептеу жүйелері.

Қазіргі кезде микропроцессорлық жүйелер келесі салаларда кеңінен қолданылуда:

- басқару жүйелері және бақылаушы-өлшеуіш аппаратуралары;

- байланыс техникасы және тұрмыстық және сауда аппаратуралары;

- көлік (транспорт) және әскери техника;

- есептеу машиналары, жүйелері, кешендері және желілері.

Микропроцессорлық жүйені кіріс сигналдарын өңдеп, шығыс сигналдарын беретін электронды жүйенің жеке бір қыры сияқты қарастыруға болады (Сурет- 1.1).

Сурет- 1.1. МПЖ электрондық жүйе түрінде

Дәстүрлі цифрлық жүйе көбінесе «қатаң логикалы» жүйе деп те аталады. «Қатаң логикалы» кез келген жүйелер тек бір ғана есепке немесе алдын ала белгілі болатын бір біріне ұқсас бірнеше есептерге бағытталған арнайы жүйені бейнелейді Жүйеге қосымша басқарушы ақпаратты, жүйе жұмысының программасын енгізсек, онда жүйе (сурет-1.1) әмбебап немесе программаланатын, яғни қатаң емес,

икемді жүйе болып саналады. Дәл осы сипаттамаларды микропроцессорлық жүйелер қамтамасыз ете алады.

«Қатаң логикалы» жүйелер есептелінетін есептер ұзақ уақыт өзгермейтін, ең жоғары жылдамдық қажет болатын, ақпаратты өңдеу алгоритмдері өте қарапайым жағдайларда ыңғайлы. Ал, әмбебап, программаланатын жүйелер есептелінетін есептер жиі өзгеретін, жоғары жылдамдық аса маңызды емес, ақпаратты өңдеу алгоритмдері күрделі жағдайларда жақсы. Яғни, әрбір жүйе өзінше жақсы.

Микропроцессорлық жүйенің ядросы микропроцессор (МП) немесе тек процессор (ағылшынның processor сөзінен шыққан) болып табылады. Қазақша аударғанда дұрысы «өңдеуіш» болып табылады, микропроцессор – үлкен интегралды сұлбалар (ҮИС) технологиясын қолданып жасалынған (көбінесе бір кристаллда), программалық басқару көмегімен ақпаратты өңдеу (сонымен қатар, енгізу-шығару) мүмкіндігіне ие, өңдеуші құрылғы. Басқа түйіндері тек қосымша функцияларды ғана орындайды: ақпаратты сақтау (мұның ішінде басқарушы ақпарат, яғни программа да бар), сыртқы құрылғылармен байланыс орнату, қолданушымен байланыс орнату және т.б.

Сонымен, микропроцессор көптеген операцияларды орындай алады, және бұл жағдайда басқару ақпараты, программа дәл осы кезде қандай ақпаратты өңдеу керек екенін анықтайды. Команда программасы инструкциялар жиынтығынан тұрады, яғни цифрлық кодалардан, процессор оларды қайта шифрлап, өзіне не істеу керектігін анықтайды.

Микропроцессор келесідей сипаттамаларға ие:

1) тактілік жиілік, ЭЕМ-дегі элементтердің қайта қосылуының максималды уақытын анықтайды;

2) разрядтылық, яғни бір уақытта өңделінетін екілік разрядтардың максималды саны;

3) сәулеті.

Микропроцессор келесі белгілер бойынша жіктеледі:

Микропроцессорлық кешендегі ҮИС саны бойынша:

• біркристалды;

• көпкристалды МП;

Міндеті бойынша:

• әмбебап;

• арнайы МП;

Өңделінетін кіріс сигналдары бойынша:

• цифрлық;

• аналогты МП;

Уақыт бойынша ұйымдастыру сипаттамасы бойынша:

• синхронды;

• асинхронды.

Командаларды орындау үшін процессор құрылымына:

- ішкі регистрлер; арифметикалы-логикалық құрылғы (АЛҚ, ALU - Arithmetic Logic Unit); мультиплексорлар; буферлер; - регистрлер және басқада түйіндер кіреді (сурет -1.2).

Жалпы жағдайда МП құрамына (сурет - 1.3) келесілер кіреді:

• АЛҚ; үзу блогы (ҮБ); командалар дешифраторы; басқару сұлбасы; командалар регистрі (КР); деректер мекен-жайының буфері; ортақ мақсаттағы регистрлер (ОМР); индексті регистр (ИР); стек (С); стек көрсеткіші (СК); программалық санауыш (ПС); регистр-аккумулятор (А); таңбалар регистрі (ТР); инкремент-декремент сұлбасы (ИД); үзу блогы (ҮБ).

Байланыстың құрсымдық құрылымы. Максималды әмбебаптылыққа жету үшін және ақпарат алмасу хаттамаларын қарапайымдату үшін микропроцессорлық жүйелерде жүйе құрамына кіретін жеке құрылғылар арасына байланыстың құрсымдық құрылымын қолданады. Сигналдар немесе кодалар тасымалданатын байланыс желілерінің тобы құрсым (шина) деп аталады (ағылшыша bus).

1.3 – сурет. Микропроцессордың логикалық құрылымы.

Бірнеше элементтердің шығыстарын бір құрсымға бекітудің үш әдісі бар:

- «НЕМЕСЕ» сұлбасы көмегімен (сурет 1.4, а), 2С, 2S деп белгіленеді, кейде ТТЛ, TTL;

- ашық коллекторлы сұлба көмегімен (сурет 1.4, б), ОК, OC деп белгіленеді;

- үш күйлі сұлбаны қолдану арқылы (сурет 1.4, в), 3С, 3S деп белгіленеді.

Микропроцессорлық жүйенің типтік құрылымының құрамына үш негізгі типті құрылғылар кіреді: процессор; жады; енгізу/шығару құрылғысы (ЕШҚ, I/O - Input/Output Devices).

Микропроцессорлық жүйенің барлық құрылғылары ортақ жүйелік құрсыммен (сондай ақ, ол жүйелік магистрал немесе арна деп аталады) біріккен. Жүйелік магистрал құрамына төменгі деңгейлі төрт негізгі құрсым кіреді:

- мекен құрсымы (Address Bus);

- деректер құрсымы (Data Bus);

- басқару құрсымы (Control Bus);

- қоректендіру құрсымы (Power Bus).

Микропроцессорлық жүйе (МПЖ) деп ақпаратты цифрлық түрде өңдейтін және басқаратын, құрамында бір микропроцессор (МП), жадының бір немесе бірнеше негізгі және қосымша моульдері, енгізу-шығару құрылғысы, біріктіру блоктары (контроллерлер) кіретін жүйе.

1.4 – сурет. Ортақ құрсымға қосылу әдістері

Микропроцессорлық жүйенің логикалық құрылымы 1.5-суретте көрсетілген.

1.5 – сурет. Микропроцессорлық жүйенің логикалық құрылымы

Микропроцессорларда функционалдық басқарушы сигналдардың жиынтығын өндірудің екі әдісін қолданады: микропрограммалық және программалық (сурет 1.6).

Микропрограммалық басқару қағидатында (МПБП) келесідей позициялар бар:

- құрылғы іске асырған кез келген операция, элементарлық әрекеттер тізбегі - микрооперациялар болып табылады;

- микрооперациялардың ретін басқару үшін логикалық шарттар қолданылады;

- құрылғыдағы операциялардың орындалу процесі микропрограмма деп аталатын микрооперациялар және логикалық шарттар терминінде бейнеленген алгоритм түрінде баяндалады;

- микропрограмма құрылғы функциясын бейнелеу формасы ретінде қолданылады, оның негізінде құрылғылардың уақыт бойынша құрылымы және жұмыс істеу реті анықталады.

Микропроцессорлық жүйенің жұмыс істеу режімдері. Жүйе жадысына программаны жаза отырып, микропроцессорық жүйені осы аппаратура қолдайтын кез келген есепті орындатуға болады. Есептерді шешуге бағытталуға жүйенің жұмыс режімін, яғни жүйелік магистрал (құрсым) бойынша ақпарат алмасу режімін таңдауда әсерін тигізеді.

а) ә)

1.6 – сурет. Микропроцессордың басқару құрылғысының құрылымы

Кез келген дамыған микропроцессорлық жүйе (сондай-ақ, компьютер де) магистраль бойынша негізгі алмасу режімдерін қолдайды:

- шартты өту командалары бойынша ақпаратты программалық түрде алмасу;

- үзу сигналдарын қолдана отырып, ақпарат алмасу (Interrupts);

- жадыға тура қатынас құруды қолдана отырып, ақпарат алмасу (ЖТҚҚ, DMA - Direct Memory Access);

- енгізу-шығару құрылғыларын микропроцессорға қосу арқылы.

Үзу бойынша алмасу әдісі қандай да бір сыртқы оқиғаға, сыртқы бір сигналдың келіп түсуіне микропроцессорлық жүйенің жауап беруі қажет болғанда қолданылады. Бұл жағдайда барлық жұмыс программалық режімдегідей, процессордың өзімен іске асырылады.

Жадыға тура қатынас құру (ЖТҚҚ, DMA) – бұл режім, жоғарыда қарастырылған режімдерден принципиалды түрде ерекшеленеді, мұнда жүйелік құрсым бойынша алмасу процессордың қатысуынсыз орындалады. ЖТҚҚ операциясы ақпаратты енгізу/шығру құрылғысынан жадыға немесе жадыдан енгізу/шығару құрылғысына жіберіледі. Ақпараттың жіберілуі біткенде процессор үзілген программасына үзілген нүктеден бастап қайтадан бастайды. Бұл жағдайда жүйеге қосымша құрылғыны енгізу керек: ЖТҚҚ контроллері ақпаратты процессордың қатысуынсыз толығымен алмасуды іске асырады.

Негізгі әдебиет 1[3-25], 2[3-10], 3[6-23]

Қосымша әдебиет 3[19-40], 8[14-40]

Бақылау сұрақтары:

1. Микропроцессорлық жүйелерде есептеу процесстерінің қандай типтері қолданылады?

2. Микропроцессор түсінігіне анықтама беріңіз, ол қандай сипаттамалармен сипатталады?

3. Микропроцессордың жіктелуі.

4. Микропроцессор құрамына қандай блоктар кіреді?

5. Құрсымдық құрылым міндетін түсіндіріңіз.

6. Микропроцессорлық жүйе дегеніміз не?

7. Микропрограммалық басқару қағидатын түсіндіріп беріңіз.

8. Микропроцессорлық жүйеде магистраль бойынша алмасудың қандай режімдері қолданылады?