Встроенные микропроцессорные системы / ВстроенныеСистемы / mps1

Лекция 1

Организация микропроцессорной системы

Под организацией микропроцессорной системы (МПС) понимают состав ее программно-аппаратных средств, связи между ними и их функциональные характеристики.

Простая МПС состоит из центрального процессорного узла

(ЦПУ или CPU), основной памяти (ОП) для хранения программ и данных, подсистемы ввода-вывода (ВВ или I/O) для связи МПС с внешним миром и магистрали (М или BUS), объединяющей эти компоненты (рис.1.1).

ЦП считывает из ОП команды, образующие программу, декодирует их. Команда – это элементарное действие, которое определяется типом используемых данных, источником их получения, операцией над ними, приемником результата, а также источником получения следующей команды. По результату декодирования ЦП выполняет выборку данных из ОП или ВВ, обрабатывает их и пересылает обратно в ОП или ВВ – программно-управляемый обмен. Передача данных между ОП и ВВ, минуя ЦП, выполняется через канал прямого доступа к памяти.

С точки зрения ЦП ОП и ВВ представляют собой линейно упорядоченный набор байт со своими номерами (адресами). Диапазон значений адресов памяти, которые может сформировать ЦП для передачи по магистрали, называют логическим (линейным или исполнительным) адресным пространством. Диапазон адресов, реализованных в ОП и ВВ, называют физическим адресным пространством.

Для хранения программ и данных может использоваться одно пространство памяти. Такая организация получила название архитектуры Дж. фон Неймана – кодирование программ в формате, соответствующем формату данных. Программы и данные хранятся в едином пространстве, и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти.

Для хранения программ и данных может использоваться одно пространство для хранения программ, а другое для хранения данных. Такая организация получила название архитектуры Гарвардской лаборатории. Память программ и память данных разделены и имеют свои собственные адресные пространства и способы доступа к ним.

2. Центральный процессорный узел

ЦПУ является основным узлом микропроцессоров (МП или MP), коммуникационных процессоров (КП или CP), микроконтроллеров (МК или MC), микропроцессоров как систем на кристалле, систем на кристалле (SOC), процессоров цифровой обработки сигналов (DSP).

МП представляет собой функционально завершенное универсальное программно-управляемое устройство цифровой обработки данных, выполненное в виде одной СБИС. МП может применяться в персональных компьютерах, серверах, суперкомпьютерах и высокопроизводительных встроенных системах реального времени.

КП представляет собой объединение на одном кристалле МП и коммуникационных контроллеров. КП может применяться в оборудовании систем передачи и сетей связи.

МК представляет собой объединение на одном кристалле МП, постоянной памяти для хранения программ (десятки килобайт), оперативной памяти для хранения данных (сотни байт) и небольшого набора устройств ввода-вывода. МК может применяться в недорогих встроенных системах реального времени.

В состав ЦПУ могут входить в качестве сопроцессоров процессоры цифровой обработки сигналов или сигнальные процессоры (СП или DSP).

.

2.1. Устройство центрального процессорного узла

На рис.2.1. приведена организация МП. Узел интерфейса (УИ) обеспечивает доступ к системной и локальной магистрали МПС, а также содержит контроллер статической памяти, синхронной динамической памяти, мост шины PCI и т.п.

Кэш-память предназначена для улучшения взаимодействия основной памяти и процессорного ядра.

Узел управления памятью (УУП) предназначен для организации виртуального адресного пространства.

Узел загрузки/сохранения (УЗС) выполняет команды загрузки и сохранения данных, обеспечивая пересылки данных между регистрами, регистрами и памятью.

Арифметико-логическое устройство выполняет операции целочисленной арифметики и логические операции над данными из внешней памяти или узла регистров (УР).

Узел арифметики с плавающей запятой (УПЗ) выполняет операции с плавающей запятой над данными, представленными в соответствующем формате.

УР предназначен для хранения данных, адресной и управляющей информации процессора.

2.2. Выполнение команд

Среди регистров МП выделяется счетчик команд (СК), находящийся в УВК и указывающий адрес команды, которую необходимо выполнить. В УВК находится также регистр команд (РК), в котором находится команда, выполняемая в данный момент.

ЦПУ выполняет каждую команду за несколько шагов:

1) вызывает следующую команду из памяти и переносит ее в регистр команд;

2) меняет содержимое счетчика команд, который теперь указывает на следующую команду;

3) определяет тип выбранной команды;

4) если команда использует слово из памяти, определяет, где находится это слово;

5) передает слово, если это необходимо, в регистр ЦПУ;

6) выполняет команду;

7) переходит к шагу 1 для выполнения следующей команды.

Такую последовательность шагов называют выборка-декодирование-исполнение.