Раздел 1 Основы микропроцессорной техники Тема 1.1 Принцип программного управления – основной принцип работы мп
Вопросы темы:
1.1.1 Суть принципа программного управления. Влияние принципа программного управления на архитектуру МПС.
1.1.2 Метод последовательных вычислений. Основной цикл работы МП.
1.1.3* Понятие жесткой и программируемой логики. Дуализм «аппаратура - программные средства».
Суть принципа программного управления. Влияние принципа программного управления на архитектуру МПС.
Микропроцессор представляет собой некий универсальный набор цифровых узлов, алгоритм работы которых зависит от задач, решаемых микропроцессором. Логика работы МП закладывается в программу. Такой принцип работы микросхемы называется принципом программируемой логики. Этот принцип позволяет использовать одну и ту же микросхему для решения широкого круга задач, не изменяя схему, а записывая в память новую программу.
Программа – это описание алгоритма работы устройства, записанное на одном из языков программирования. Основу языка программирования составляют команды, которые предписывают микропроцессору определенные действия: сложить, передать, сравнить и т.д. Команды закодированы в виде двоичных чисел. В простых МП для кодирования команд используют 8 (байт) или 16 двоичных разрядов (2 байта). В сложных МП используют форматы 32, 64, 128, 256 разрядов.
Рисунок 1 – Форматы команд: а) байтовый; б) двухбайтовый
Принцип программного управления оказал кардинальное влияние на архитектуру МПС. Центральными устройствами любой МПС являются микропроцессор и память. В памяти хранится программа работы МПС, а МП является исполнителем команд программы. Таким образом, процессор не является самостоятельным устройством, для его работы требуется память, необходимая для хранения программ.
Команды программы записываются последовательно в соседние ячейки памяти. Каждая ячейка имеет свой двоичный адрес. Последовательное размещения команд в памяти обеспечивает поочередное их извлечение в том порядке, в каком они были записаны.
Рисунок 2 –Команды программы хранятся в ячейках памяти
От сложности программного обеспечения зависит объем памяти, необходимой для хранения программ.
Пример 1.
Программа состоит из 250 одно- и двухбайтовых команд, причем однобайтовых команд в 4раза больше, чем двухбайтовых. Достаточно ли объема 256 байт в памяти программ для записи программы?
Таким образом, принцип программного управления делает микропроцессор гибким, многофункциональным устройством, но требует введения в архитектуру памяти для хранения программ.
Метод последовательных вычислений. Основной цикл работы МП.
Так команды программы хранятся в памяти, прежде чем их выполнить, их необходимо передать из памяти в процессор. Последовательность извлечения, расшифровки и выполнения команды называется основным циклом работы процессора или циклом фон-Неймана, по имени американского ученого – математика, сформулировавшего принципы работы современных ЭВМ.
Рассмотрим, как происходит извлечение команды из памяти. Адрес команды формируется в специальном регистре МП, называемом счетчиком команд (рисунок 3). При включении питания, а также по сигналу «Сброс», счетчик команд обнуляется и «показывает» на ячейку с нулевым адресом, в которой всегда записывается первая команда программы. Адрес из счетчика команд по шине адреса передается в память и код команды из адресуемой ячейки копируется в МП. В микропроцессоре код команды записывается в специальный регистр, который называется регистром команд. В регистре команд код команды хранится до завершения выполнения команды. К выходам регистра команд подключен дешифратор команд, который преобразует двоичный код команды в унитарный сигнал, который инициализирует работу одной из схем, универсального набора исполнительных узлов микропроцессора. Команда начинает выполняться. При этом содержимое счетчика команд увеличивается на 1, то есть формируется следующий адрес. По завершению выполнения текущей команды, счетчик команд передает в память следующий адрес и цикл повторяется.
Рисунок 3 – Основные устройства МП
На рисунке 3 изображена упрощенная схема МП. На ней показаны основные узлы МП: устройство управления и арифметико-логическое устройство (АЛУ). Основными узлами устройства управления МП являются:
счетчик команд – специальный регистр, в котором формируется адрес выполняемой команды,
регистр команд, где код команды временно хранится до конца выполнения команды,
дешифратор команд, преобразующий двоичный код команды в унитарный сигнал,
некий набор узлов (1, 2, 3,…, n), необходимых для выполнения команд МП.
Основный цикл работы микропроцессора состоит их трех фаз:
извлечение кода очередной команды из памяти,
расшифровка кода команды,
выполнение команды.
1.1.3* Жесткая и программируемая логика. Дуализм «аппаратура - программа».
В устройствах с жесткой логикой алгоритм работы закладывается в схему. Элементы схемы подбираются для решения конкретной задачи, связи между ними жестко фиксируются. Схема с программируемой логикой содержит набор универсальных узлов, способных выполнить определенные операции, но порядок выполнения этих операции определяет программа работы устройства, хранящаяся в памяти. Извлекая команды программы из памяти и расшифровывая, их схема выполняет свои функции. Как правило, набор элементов в схеме избыточен для решения одной задачи, однако избыточность схемы позволяет гибко изменять функции схемы с программируемой логикой.
Любое преобразование информации можно выполнить как аппаратным, так и программным путем. Жесткая логика работает быстрее программируемой, но изменить алгоритм ее работы невозможно. В схемах с программируемой логикой много времени тратится на извлечение команды из памяти и ее расшифровку, поэтому программируемая логика уступает жесткой по быстродействию, но в ней имеется возможность быстро изменить функции схемы, поэтому она более гибкая.
Компромисс между аппаратурой и программой называют дуализмом (дуализм – двойственность) «аппаратура - программа». Чтобы повысить быстродействие МПС, в нее вводят больше «жестких схем», и часть задач решают аппаратным способом, например, в универсальных МП используется математический сопроцессор для выполнения математических операций (умножение, возведение в степень и т.д.), в МП радиотехнических систем вводят жесткие схемы, выполняющие преобразования Фурье. Для повышения гибкости системы расширяют круг задач, решаемых с помощью программы.
Контрольные вопросы и задания
1 В чем суть принципа программного управления МПС?
2 Как принцип программного управления повлиял на архитектуру МПС?
4 Как реализуется принцип последовательных вычислений?
5 Перечислите фазы основного цикла работы МП
6 Почему основной цикл работы МП называют циклом фон-Неймана?
7 Перечислите основные узлы МП
8 Для чего используется счетчик команд?
9 В чем преимущества и недостатки программируемой и жесткой ло гики?
10 Выполните перевод чисел из одной системы счисления в другую
-
D
B
H
255
1000 1100
fa
Рекомендуемая литература:
Ю.В. Новиков, П.К. Скоробогатов. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. М.: Интернет-Университет информационных технологий, 2003.-440с.
с.17-20
Урок 3