Цуимп 1 лекция типовая структура микропроцессора. 1 лекция. 1 Типовая структура микропроцессорной системы. 1 Введение. Цифровые системы, микропроцессоры и микрокомпьютеры
 Скачать 21.79 Kb.
|
|
1 Типовая структура микропроцессорной системы. 1.1 Введение. Цифровые системы, микропроцессоры и микрокомпьютеры. Одно из достижений технологий полупроводников заключается в создании больших интегральных схем (БИС), т.е. схем, позволяющих размещать большое число транзисторов, скажем 1000 или более, на одной кремневой подложке (на одном «кристалле»). Это называют высокой степенью интеграции. Собственно, высокая степень интеграции и привела к микропроцессорам. Микропроцессор, грубо говоря, это программируемое логическое устройство, изготовленное на БИС - технологии. Сам по себе он не может решить ту или иную конкретную задачу. Чтобы решить задачу, его нужно запрограммировать и соединить с другими устройствами. В их число обычно входят память и устройства ввода/вывода, нацеленная на выполнение некоторой четко определенной функции, микрокомпьютером или микропроцессорной системой. Хотя микрокомпьютеры обладают всеми свойствами обычных ЭВМ, замечательная их особенность состоит в относительно низкой стоимости и малом размере. Именно этому они обязаны своей популярностью и успехом. Большие ЭВМ и миникомпьютеры обладают, большой вычислительной мощью, но не для всех приложений эта мощь оказывается необходимой. Микропроцессоры открывают возможность для применения программируемых устройств в тех логических системах, для которых фактор стоимости оказывается важнее, чем скорость и разнообразие вычислений. Каждый день открываются новые области приложений для микропроцессоров. В настоящее время они используются в контрольно-измерительных приборах, в кассовых аппаратах магазинов, в интеллектуальных терминалах и карманных калькуляторов. Они оказываются жизненно важным элементом в управлении станками, химическими процессами, периферийными устройствами больших компьютеров, в управлении уличным движением, сложными бытовыми электроприборами и автомобилями. Наконец, в области развлечений и досуга благодаря этим устройствам возникло хобби - строить свои собственные компьютеры. 1.2 Типовая структура микрокомпьютера Типовая компьютерная система включает пять функциональных блоков; устройство ввода, память, арифметическое устройство, устройство управления и устройство вывода. Физические компоненты и схемы, составляющие микрокомпьютер,- это его аппаратура (hardware). Аппаратура способна выполнять только ограниченный набор элементарных операций. Все прочие функциональные возможности микрокомпьютера достигаются программным путем. Программа- это определенным образом организованная совокупность элементарных машинных операций, называемых командами или инструкциями, с помощью которых осуществляется обработка информаций, или данных. Программы, написанные для компьютера, образуют его программное обеспечение (software). Программа и данные сначала накапливаются в памяти, куда они поступают через устройство ввода. Затем отдельные команды программы одна за другой автоматически поступают в устройство управления, которое их расшифровывает и выполняет. Для выполнения операции обычно требуется, чтобы данные поступили в арифметическое устройство, содержащее все необходимое для их обработки схемы. В процессе вычислений или после их завершения полученные результаты направляются в устройство управления вместе обычно называются центральным процессорным устройством (ЦПУ) или центральным процессором (ЦП). Центральный процессор в микрокомпьютерной системе это и есть микропроцессор. Не только память, но и другие устройства ЭВМ способны хранить информацию. Информация запоминается как содержимое групп двоичных разрядов - битов – на запоминающих устройствах – регистрах. По существу, любую операцию в ЭВМ можно рассматривать как серию передач. Группа двоичных цифр, обрабатываемых одновременно, называется машинным словом, а число двоичных цифр, составляющих слово, называется длиной слова. Слово является базовой логической единицей информации в компьютере. Команды или данные обычно состоят из одного или несколько слов. Типичные микропроцессоры имеют длину слова 4, 8, 12 или 16 двоичных разрядов. В силу особой распространенности слово длинной 8 бит имеет специальное название- байт. Создание интегральных микросхем, состоящих из 10-15 до 25-100 схемных элементов (компонентов), являлось первым этапом на пути существенного расширения функциональных возможностей электронной аппаратуры и улучшение ее количественных и качественных показателей. Дальнейшее развитие микроэлектроники направленно на создание больших интегральных схем (БИС), состоящих из тысяч и десятков тысяч компонентов. Количество компонентов N в кристалле полупроводника характеризует степень интеграции k микросхемы. Её определяют по формуле: k=lgN В соответствии с этим к первой степени интеграции относят микросхемы, содержащие до 10 компонентов. Ко второй степени интеграции - от 11 до 100 компонентов; К третей степени интеграции - от 101 до 1000 и т.д. С появлением БИС началось реальное слияние процесса создания интегральных компонентов с производством электронной аппаратуры. БИС представляют ряд типовых узлов и схем цифровых устройств: счетчики, регистры, дешифраторы и т.д. На их основе реализуются блоки, а также целые электронные устройства. Микропроцессор (МП), грубо говоря, это программируемое логическое устройство, изготовленное по БИС - технологии. В конструкцию МП заложена большая гибкость. Сам по себе он не может решить ту или иную конкретную задачу. Чтобы решить задачу, его нужно запрограммировать и соединить с другими устройствами. В их число обычно входят память и устройства ввода-вывода (УВВ). Вообще говоря, некоторая совокупность соединенных друг с другом системных устройств, включающая МП, память и УВВ, нацеленная на выполнение некоторой четко определенной функции, называется микрокомпьютером или микропроцессорной системой (МПС). Хотя микрокомпьютеры обладают свойствами обычных ЭВМ, замечательная их особенность состоит в относительно низкой стоимости и малом размере. Именно этому они обязаны своей популярностью и успехом.  Рис. 1.1 Принципиальная организация компьютера. Программа и данные сначала накапливаются в памяти, куда они поступают через устройство ввода. Затем отдельные команды программы одна за другой автоматически поступают в устройство управления (УУ) которое их расшифровывает и выполняет. Для выполнения операции обычно требуется, чтобы данные поступили в арифметическое устройство (АУ), содержащее все необходимые для их обработки схемы. В процессе вычислений или после их завершения, полученные результаты направляются в устройство вывода. АУ и УУ вместе обычно называются центральным процессорным устройством (ЦПУ) или центральным процессором (ЦП). ЦП в микрокомпьютерной системе, это и есть МП. 1.2.1 Память. Запоминание больших объемов информации происходит в памяти или точнее, в запоминающем устройстве (ЗУ). Этот функциональный блок компьютера подразделяется на подблоки, называемые регистрами, и каждый из которых способен хранить одно машинное слово. Каждый такой регистр, или ячейка памяти, имеет свой адрес. Адрес- это просто целое число, однозначно идентифицирующее ячейку. Слово, хранящееся в ячейке, называют содержимым этой ячейки. Итак, как данные, так и программа хранятся в памяти. Это важное обстоятельство приводит к двум основным концепциям проектирования компьютера. Первая заключается в том, что компьютер имеет два отдельных и четко различающихся вида памяти. Программа находится всегда в одной памяти (ЗУП- запоминающее устройство памяти), а данные в другой (ЗУД- запоминающее устройство данных). В соответствии со второй концепцией различие между программной памятью и памятью для данных не проводится. В них программа может размещаться в любом месте общей памяти и задача программиста- следить за тем, чтобы данные и программа обрабатывались по- разному. Преимущество второй концепции в возможности трактовать программу как данные, что позволяет компьютеру изменять свои собственные команды. И во втором случае возможно два вида памяти: 1) память, из которой возможно только считывание (ROM- read- only- memory) или постоянная память; 2) память со считыванием и записью (RWM- read- write- memory) или память с произвольной выборкой. Изменить информацию, однажды записанную в постоянную память, сложно, если вообще возможно. Память этого типа благодаря своей низкой стоимости используется для хранения программ и постоянных данных; изменяющаяся информация хранится в памяти со считыванием и записью. Русский аналог: ПЗУ – постоянное запоминающее устройство (RОM); ОЗУ- оперативное запоминающее устройство (RWM). 1.2.2 Арифметическое устройство (АУ). АУ осуществляет обработку данных, выполняя операции вычитания, сложения, сравнивания, операции И, ИЛИ над двумя числами (операндами) с выдачей результата по одному выходу. Вид операции задается программными командами. Обычно главный регистр в АУ называется аккумулятором. В нем, как правило, находится один из операндов перед выполнением операции и в него же помещается её результат. АУ часто содержит еще несколько вспомогательных регистров, названных рабочими;они упрощают составление программ. АУ содержит также признаковые БИТы или флажки. Эти БИТы содержат информацию, характеризующую состояние МП, которая важна для выбора дальнейшего пути вычисления. 1.2.3 Устройство управления (УУ). УУ управляет работой компьютера. Оно автоматически, последовательно по одной, получает команды из памяти, декодирует каждый из них и генерирует необходимые сигналы. Для того, чтобы получить команду из памяти, УУ прежде всего должно знать её адрес. Обычно команды выбираются из последовательных ячеек памяти и их адреса указываются программным счетчиком, находящимся в УУ. Чтобы иметь возможность декодировать и выполнять текущую команду, ее нужно где-то запомнить. Этой цели в УУ служит регистр команды. Для того, чтобы быть правильно проинтерпретированной УУ, команда должна иметь определенную структуру, которую называют форматом команды. У разных МП форматы команд различны. Следующая функция УУ- это синхронизация работы отдельных блоков компьютера. Она осуществляется с помощью генератора тактовых импульсов или тактового генератора. Обработка команды занимает несколько периодов тактового генератора. Команду нужно выбрать из памяти, декодировать и затем выполнить. Выборка, декодирование и выполнение распадаются на несколько временных интервалов. Каждый из этих интервалов, включающих один или более число периодов тактового генератора, представляет собой так называемый машинный цикл. Совокупное время для выполнения одной команды (выборка, декодирование и выполнение) образует командный цикл. Код операции - это совокупность двоичных цифр, которая однозначно определяет операцию, выполняемую в процессе интерпретации команды. Адресная часть команды (если она присутствует) указывает на ячейку (например в памяти), в которую надо обратиться, выполняя команду. 1.2.4 Устройства ввода/вывода (УВВ). Устройства ввода/вывода - это устройства, осуществляющие контакт компьютера с внешним миром и преобразующие информацию с тех языков и тех скоростей, на которых работает компьютер, к тем, которые воспринимает человек или другая связанная с компьютером система. Устройство ввода получает из внешнего мира данные команды, которые поступают в память. Устройство вывода получает вычисленные результаты и передает их человеку, оператору или другой системе. УВВ - представляет собой периферийные устройства машины (внешние или граничные устройства). Точки контакта между УВВ и МП называются портами ввода/вывода. Порты имеют свои адреса, так что к одному МП может быть подключено несколько УВВ. 1.2.5 Шины. Отдельные блоки МПС связаны друг с другом с помощью шин. Шина представляет собой совокупность линий, по которым передается информация от любого из нескольких источников к любому из нескольких приемников. Существуют адресные шины, шины данных и шины управления. Адресная шина- однонаправленная, т.е. информация передается только в одном направлении (от МП к памяти, вводному или выводному устройству). Шина данных- двунаправленная, т.е. информация по ней может предаваться в обоих направлениях, и она служит для передачи данных. Шина управления состоит из линии, по которой передаются тактовые, синхронизирующие сигналы, а также информация о состоянии (статусе) устройств. Часть линий в управляющей шине однонаправленные, часть двунаправленные. Поэтому на рисунках, как правило, направление этой шины не указано. Контрольные вопросы: 1. Типовая структура микропроцессорной системы. 2. Память. 3. Арифметическое устройство. 4. Устройство управления. 5. Устройства ввода/вывода. 6. Шины. 7. Что такое степень интеграции? 8. Чем отличаются микропроцессор и микропроцессорная система? 9. Какие виды памяти существуют? 10. Какие устройства называются устройствами ввода-вывода? 11. Какие виды шин вы знаете? |