Шпоры / 2. Микропроцессорные системы

1. Общая архитектура современных микропроцессорных систем.

Типовая архитектура микропроцессорного устройства и ее основные элементы: шины данных, адреса, управления, память, порты ввода/вывода

Процессор - это основной управляющий элемент всей схемы. (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде, реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем ).

Микроконтро́ллер — микросхема, предназнач. для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и перифер-х устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. По сути, это однокристальный  компьютер, способный выполнять простые задачи.

ОЗУ. Для хранения информации в них используются миниатюрные конденсаторы, выполненные интегральным способом на кристалле кремния. Входной сигнал при помощи дешифратора подается на этот конденсатор и, если это логическая единица, то конденсатор заряжается. Если логический ноль, то разряжается.

ПЗУ. Принцип хранения информации основан на пережигании внутренних перемычек в специальных микросхемах. Если перемычка есть, то это значит, что в данной ячейке хранится единичный бит информации. Если она прожжена, то в ячейке ноль. Процессор может только читать информацию из ПЗУ.

Порты ввода/вывода (или просто порты) - это обыкновенные регистры. Они служат для того, что бы микропроцессорная система могла управлять, какими-нибудь внешними устройствами

На схеме изображены три основные шины микропроцессорной системы. Вместе они составляют системную шину. Системная шина состоит из следующих составляющих:

Шина данных - шина предназначена для передачи данных от микропроцессора к периферийным устройствам ((ОЗУ и ПЗУ) и порты ввода/вывода) и обратно.

Шина адреса предназначена для передачи адреса ко всем периферийным устройствам.

Шина управления. В шину управления условно объединяют набор линий, передающих различные управляющие сигналы от процессора на все периферийные устройства и обратно.

2. Основные программно-доступные элементы микропроцессорной системы.

- Ячейки памяти для хранения 1 байта информации.

- Порты вв/в служат для преобразования двоичной информации в какие-либо физические сигналы и обратно.

- Доступные регистры процессора.

- Внутренняя память – память, которая находится на системной плате и платах расширения.

- Внешняя память – все устройства, которые не находятся непосредственно на системной плате.

-Таймер - вспомогательное устройство в составе микропроцессорной системы, позволяющее генерировать импульсы с заданной частотой или заданной длительности

3. Особенности Гарвардской и

Принстонской архитектуры построения микропроцессорных систем.

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных (микроконтроллеры).

Классическая гарвардская архитектура

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий:

• выборку двух операндов,

• выбор инструкции и её выполнение,

• сохранение результата.

В чистой архитектуре фон Неймана процессор одномоментно может либо читать инструкцию, либо читать/записывать единицу данных из/в памяти. То и другое не может происходить одновременно, поскольку инструкции и данные используют одну и ту же системную шину. А в компьютере с использованием гарвардской архитектуры процессор может читать инструкции и выполнять доступ к памяти данных в то же самое время, даже без кэш-памяти. Таким образом, компьютер с гарвардской архитектурой может быть быстрее (при определенной сложности схемы), поскольку доставка инструкций и доступ к данным не претендуют на один и тот же канал памяти. Также машина гарвардской архитектуры имеет различные адресные пространства для команд и данных. 

Принстонская архитектура — архитектура ЭВМ, в которой используется принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Принципы принстонской архитектуры

1. Принцип двоичного кодирования.

2. Принцип однородности памяти.

3. Принцип адресуемости памяти.

4. Принцип последовательного программного управления.

5 Принцип жесткости архитектуры.

4. Программная модель 16-разрядного микропроцессора i8086.

Процессор интересует нас, прежде всего, как набор регистров.

Все регистры имеют размер слова (16 разрядов), за каждым из них закреплено определенное имя. По назначению и способу использования регистры можно разбить на следующие группы:

регистры общего назначения (AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP, SP);

Особенностью регистров общего назначения является то, что их можно использовать в любых арифметических, логических и т.п. машинных операциях.

сегментные регистры (CS, DS, SS, ES);

Эти регистры используются для сегментирования адресов, которое является разновидностью модификации адресов и которое используется для сокращения размера команд.

указатель команд (IP);

В регистре IP всегда находится адрес команды, которая должна быть выполнена следующей. Более точно, в IP находится адрес этой команды, отсчитанный от начала сегмента команд, на начало которого указывает регистр CS.

регистр флагов (Flags).

Флаг - это бит, принимающий значение 1 ("флаг установлен") или значение 0 ("флаг сброшен"). В i8086 используется 9 флагов, собранных в один 16-разрядный регистр, называемый регистром флагов (Flags)

Флаги делятся на две группы: флаги условий и флаги состояний.

5. Методы адресации. Безоперандные команды.

прямая, косвенная, косвенная со смещением, индексная, индексная со смещением, адресация строк данных, адресация порта ввода-вывода.

Команды управления машиной

Команда 000000. Мнемокод: HALT – Вызывает прерывание по вектору 4 аналогично клавише "СТОП".

Команда 000001. Мнемокод: WAIT – По этой команде процессор временно прекращает выполнение программы и переходит в режим ожидания прерывания.

Команда 000005. Мнемокод: RESET – По этой команде все внешние устройства устанавливаются в состояние, которое они имеют после включения питания, после чего процессор возобновляет работу.

Команда 000240. Мнемокод: NOP – По этой команде процессор не выполняет никаких действий и переходит к выполнению следующей команды.

6. Методы адресации. Регистровая адресация.

прямая, косвенная, косвенная со смещением, индексная, индексная со смещением, адресация строк данных, адресация порта ввода-вывода.

Регистровая адресация (РА) напоминает прямую адресацию. Различие состоит в том, что адресное поле инструкции указывает не на ячейку памяти, а на регистр процессора.

Идентификатор регистра в дальнейшем будем обозначать буквой R. Обычно размер адресного поля в данном случае составляет три или четыре бита, что позволяет указать соответственно на один из 8 или 16 регистров общего назначения (РОН).

Двумя основными преимуществами регистровой адресации являются: короткое адресное поле в команде и исключение обращений к памяти. К сожалению, возможности по использованию регистровой адресации ограничены малым числом РОН в составе процессора.

ПА-адрес указывается непосредственно в виде некоторого значения, все ячейки располагаются на одной странице. Преимущество этого способа в том, что он самый простой, а недостаток — в том, что разрядность регистров общего назначения процессора должна быть не меньше разрядности шины адреса процессора. 

7. Методы адресации. Регистровая косвенная адресация.

прямая, косвенная, косвенная со смещением, индексная, индексная со смещением, адресация строк данных, адресация порта ввода-вывода.

Косвенная регистровая адресация (КРА) представляет собой косвенную адресацию, где исполнительный адрес операнда хранится не в ячейке основной памяти, а в регистре процессора. Соответственно, адресное поле команды указывает не на ячейку памяти, а на регистр:

Достоинства и ограничения косвенной регистровой адресации те же, что и у обычной косвенной адресации, но благодаря тому, что косвенный адрес хранится не в памяти, а в регистре, для доступа к операнду требуется на одно обращение к памяти меньше.

8. Методы адресации. Индексная адресация.

прямая, косвенная, косвенная со смещением, индексная, индексная со смещением, адресация строк данных, адресация порта ввода-вывода.

Индексная — метод адресации, при котором актуальный (исполнительный) адрес формируется путем прибавления к базовому адресу содержимого индексного регистра. Используется при программировании на языке Ассемблер: в индексный регистр закладывается базовый адрес, а в команде указывается число, которое необходимо прибавить к базовому адресу, чтобы получить адрес нужных сведений.