- •Общие сведения. Основные определения
- •Классификация микропроцессоров
- •Мп классифицируются
- •8, 16, 32, 64 Разрядные, секционные.
- •Организация шин
- •Шинная структура связи
- •Принципы построения микропроцессорных систем
- •3. Принцип микропрограммного управления состоит в возможности осуществления элементарных операций микрокоманд (сдвигов, пересылок информации, логических операций).
- •Обобщенная структура микропроцессорной системы управления
- •Основные узлы бис микропроцессора
- •Режимы работы микропроцессорных систем
- •3) Прямой доступ к памяти
- •Архитектура микропроцессора
- •Упрощенная функциональная схема алу
- •Достоинства и недостатки архитектур мп
- •Обоснование выбора микропроцессора
- •Критерии выбора микропроцессора
- •Организация ввода/вывода
Обоснование выбора микропроцессора
Для конкретной области применения микропроцессора можно сформулировать ряд требований к аппаратуре, программному обеспечению и вспомогательным средствам.
Требования к микропроцессору, как к элементу системы, определяются функциональным назначением системы.
Можно выделить 4 сферы применения микропроцессоров:
1) Встроенная система управления (ВСУ).
Это, например, программное управление станками, контроль расхода топлива и т. д.
Микропроцессоры во ВСУ выполняют функции, ориентированные на обработку входных и выходных сигналов, т.е. процессоров предварительной обработки данных, представленных в аналоговой форме.
В этом случае важна надежность, способность быстрого выполнения арифметических и логических операций.
2) Микропроцессоры, управляющие процессом или объектом в реальном времени (УРВ).
Микропроцессор должен обладать высокой производительностью, иметь системные средства защиты питания и автоматического перезапуска после сбоя.
3) Микропроцессоры, управляющие процессом приема-передачи сообщений (ППС).
Работают с нечисловой информацией. Используются для передачи сообщений между терминалами. Важны: способ адресации, быстродействие.
4) Система для научно-технических расчетов.
Необходимы развитые средства взаимодействия с пользователем, программное обеспечение языками высокого уровня, развитая система команд.
Критерии выбора микропроцессора
Микропроцессор одновременно рассматривается как вычислительное устройство и как ИС. Как вычислительное устройство микропроцессор характеризуется следующими параметрами:
-
Разрядность обрабатываемых данных и выполняемых команд;
-
Способность к наращиванию разрядности;
-
Время выполнения команд типа «регистр-регистр», «регистр-память»;
-
Число команд;
-
Число внутренних регистров (РОН, индексных, арифметических, вспомогательных);
-
Возможность обеспечения режима прерывания;
-
Число уровней прерываний;
-
Тип интерфейса;
-
Наличие и объем стека;
10) Объем адресуемой памяти;
11) Наличие канала прямого доступа к памяти;
12) Число входных и выходных шин и их разрядность.
Как ИС микропроцессор характеризуется следующими параметрами:
1. Тип базовой технологии;
2. Степень интеграции элементов;
3. Число источников питания, их номиналы;
4. Тип корпуса;
5. Помехоустойчивость;
6. Нагрузочная способность;
7. Устойчивость к климатическим, радиационным, механическим факторам;
8. Стоимость;
9. Число микросхем в МПК и число микросхем МПК, необходимых и достаточных для построения 16-разрядных микропроцессоров.
Комплексный анализ по всем приведенным параметрам, имеющим различную ее природу и вес затруднителен, поэтому выбираются наиболее значительные параметры в каждом конкретном случае, или с помощью весовых коэффициентов.
Критерий выбора |
Область применения |
|||
ВСУ |
УРВ |
ППС |
НТР |
|
1. Производительность |
|
+ |
|
+ |
2. Развитая адресация |
|
|
+ |
+ |
3. Многоуровневые прерывания |
+ |
+ |
|
|
4. Развитый ввод/ввод |
+ |
+ |
|
|
5. Таймер |
+ |
+ |
|
|
6. Канал прямого доступа |
|
|
+ |
|
7. Защита питания |
|
+ |
|
|
8. Высокая надежность |
+ |
+ |
|
|
9. Автоматический перезапуск после сбоя |
|
+ |
|
|
10. Программное обеспечение |
+ |
|
|
+ |
11. Средства взаимодействия с пользователем |
|
|
|
+ |
Оценка качества и выбор того или иного типа микропроцессора для конкретной области применения проводится ориентировочно, например с учетом весовых коэффициентов, учитывающих важность того или иного параметра для потребителя.
Критерий выбора |
Весовой коэф., % |
Диапазон параметров |
Бал значимости |
Разрядность данных |
20,0 |
4;8 16 32 |
1 2 4 |
Эффективность системы команд |
15,0 |
малый средний высокий |
1 2 4 |
Число уровней приоритетных прерываний |
10,0 |
до 8 16-32 64 и более |
1 2 4 |
Время реакции на прерывание (мс) |
13,0 |
более 10 1-10 менее 1 |
1 2 4 |
Аппаратные арифметические расширители |
10,0 |
отсутствует средний обширный |
1 2 4 |
Критерий выбора |
Весовой коэф., % |
Диапазон параметров |
Бал значимости |
Число индексных регистров |
12,0 |
до 8 16-32 более 64 |
1 2 4 |
Емкость памяти, кВ |
10,0 |
менее 16 16-64 более 64 |
1 2 4 |
Цикл памяти (мс) |
10,0 |
более 2 1-2 менее 1 |
1 2 4 |
По данным таблицы можно получить числовую оценку в баллах аппаратурных средств. Предполагаем наиболее простой и наиболее сложный микропроцессор (от 100 до 400 баллов).
QЦ = , Бi – бал значимости;
i – критерий выбора;
Кi – весовой коэффициент;
ОЦ – оценка.
Все реальные системы могут быть оценены промежуточным значением баллов. Сопоставление числового значения этой оценки с граничным значением позволит выбрать совокупность параметров системы.
ОДНОКРИСТАЛЬНЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРЫ
Однокристальный восьмиразрядный процессор
Структурная схема обобщенного восьмиразрядного микропроцессора
Схема имеет внешнюю 8-ми разрядную шину, по которой передаются данные, коды команд и адреса.
УУ – устройство управления - в соответствии с дешифрованными кодами команд и внешними управляющими сигналами генерирует управляющие сигналы для всех блоков структурной схемы.
ДШК - дешифратор команд - формирует сигналы для УУ в соответствии с дешифрованным кодом команды.
РгК - в 8-ми разрядном регистре команд хранится машинный код команды (1 байт).
АЛУ – комбинационная схема на основе сумматора и логических элементов, которые сигналами с выходов УУ настраиваются на ту или иную (арифметическую или логическую) операцию.
А - аккумулятор – 8-ми разрядный регистр, в котором хранится один из операндов двухоперандных команд, а также результат операции.
ВА, ВР - временной регистр, временной аккумулятор – 8-ми разрядные буферные регистры, позволяющие отделить входы АЛУ от его выходов.
F – регистр флагов - несколько триггеров (5 и 6), которые устанавливаются в единичное или сбрасываются в нулевое состояние в зависимости от результата операции в АЛУ.
РОН – блок 8-ми разрядных регистров общего назначения, в которых хранятся данные и промежуточные результаты. РОН можно рассматривать как быстродействующее ОЗУ. Имеет наибольшее быстродействие среди ОЗУ различных типов, т.к. размещено непосредственно на кристалле БИС микропроцессора.
Некоторые типы 8-ми разрядных процессоров кроме 8-ми разрядных РОН содержат 16-ти разрядные индексные регистры для организации косвенной адресации. Иногда предполагается обращение к паре 8-ми разрядных регистров, как к одному 16-ти разрядному.
М - мультиплексор – устройство, содержащее РОН с внутренней шиной микропроцессора.
SP – указатель стека – 16 разрядный регистр, в котором хранится адрес последней занятой ячейки стека.
IP – указатель команд – 16 разрядный регистр, в котором хранится адрес последней выполненной команды.
После выборки из памяти программ очередного байта команды содержимое указателя команд увеличивается на единицу.
БА, БД – буферные регистры адреса и данных – регистры с 3 состояниями, предназначенные для формирования сигнала на линиях шин адреса и шин данных.
СИД – схема инкремента и декремента – устройство, позволяющее без участия АЛУ увеличить или уменьшить на единицу содержимое одного из регистров РОН, SP или IP.
Конструктивно БИС 8-ми разрядного микропроцессора выполнено в корпусе с 40 выводами, из которых 16 приходятся на шину адреса, 8 на шину данных, 2 (или 4) на шину питания, остальные – на линии шины управления.
F1, F2 – входы двух не перекрывающихся последовательностей импульсов синхронизации.
F1
t
F2 t
RESET – вход сигнала начальной установки (сброса).
READY – вход сигнала готовности внешнего устройства или памяти к обмену. Используется для организации обмена с менее быстродействующими по сравнению с микропроцессором устройствами.
WAIT – ожидание – выход сигнала подтверждения ожидания. Активный уровень (1) свидетельствует, что процессор перешел в режим ожидания и выполняет такты ожидания.
HOLD – вход сигнала запроса ПДП – выходной сигнал. Активный уровень свидетельствует о том, что процессор перевел свои шины адреса, данных и управления в 3 состояние (состояние высокого сопротивления).
HLDA – выход сигнала подтверждения ПДП.
INT – вход сигнала запроса прерывания.
INTE – выход сигнала разрешения прерывания.
DBIN – чтение. Выход сигнала (1- Н уровень) свидетельствует о том, что двунаправленная шина данных находится в режиме приема информации.
- сигнал записи. Активное состояние (0 – L уровень) этого сигнала свидетельствует о том, что двунаправленная шина данных находится в режиме выдачи информации.
SYNC – выход сигнала синхронизации (S). Высокий уровень свидетельствует о том, что по шине данных передается байт состояния, который используется для формирования некоторых управляющих сигналов.
Схемы конкретных микропроцессоров отличаются количеством и обозначением регистров, а также некоторыми управляющими сигналами.
Например: в микропроцессоре i8085 вместо двух сигналов F1, F2 используется один – синхронизации; вместо сигнала DBIN используется READ. Низкий уровень этого сигнала свидетельствует о том, что двунаправленная шина данных находится в режиме приема информации.
В микропроцессоре i8085 есть дополнительный сигнал M/I-O (Memory/Input-Output) – признак обращения к памяти (в случае логической 1) или к устройствам ввода/вывода (в случае логического 0). Этот сигнал заменяет сигнал синхронизации.
Схема работает следующим образом: при включении питания или формирования сигнала начальной установки Reset содержимое указателя команд приобретает нулевое значение и начинается машинный цикл выборки команды из памяти.
Содержимое ячейки памяти по нулевому адресу через буферный регистр данных и внутреннюю шину микропроцессора поступает в регистр команд, после этого в дешифратор команд.
В соответствии с дешифрированными кодами команд и внешними сигналами синхронизации и управления устройство управления формирует управляющие импульсы для каждой микрооперации команды.
Программной моделью микропроцессора называется совокупность программно доступных регистров (содержимое которых можно прочитать или изменить с помощью команд).
Например: в КР580ВМ80 (i8080) РОН, аккумулятор, регистр флагов, указатель стека, указатель команд, в которых хранится адрес команды.
Максимально-возможная емкость памяти с прямой адресацией определяется количеством разрядов шины адреса. Большинство 8 разрядных микропроцессоров имеют 16 разрядную шину адреса, т. е. могут адресовать 216 = 64 кБ памяти.
Микропроцессоры с 8 разрядной шиной данных имеют 4 основных режимов адресации операндов:
- прямая адресация (второй и третий байты команды содержат адрес операнда);
- регистровая адресация – в мнемонике команды указывается регистр общего назначения, в котором находится операнд;
непосредственная адресация – во 2 и 3 байтах команды указывается 8-ми или 16 –битовый операнд;
косвенная регистровая адресация – указывается регистр или пара регистров, содержащая адрес ячейки памяти.