Лабораторная работа. Лапик Наталья Владиславовна Старший преподаватель Тюмень Тюмгнгу 2016 Попова Н. В., Лапик Н. В. Изучение лабораторного микропроцессорного комплекта и решения простейших задач методические указания
 Скачать 0.83 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ Тюменский государственный нефтегазовый университет Институт геологии и нефтегазодобычи Кафедра кибернетических систем ИЗУЧЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МИКРОПРОЦЕССОРНОГО КОМПЛЕКТА И РЕШЕНИЯ ПРОСТЕЙШИХ ЗАДАЧ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторной работе № 1 по дисциплине Микропроцессорная техника направления 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств профиль Автоматизация технологических процессов и производств в нефтяной и газовой промышленности по дисциплине Микропроцессорные системы для студентов специальности направление 13.03.02 – Электроэнергетика и электротехника профиль Электропривод и автоматика для всех форм обучения Составители Попова Надежда Владимировна Старший преподаватель Лапик Наталья Владиславовна Старший преподаватель Тюмень ТюмГНГУ 2016 Попова Н.В., Лапик Н.В. Изучение лабораторного микропроцессорного комплекта и решения простейших задач Методические указания к выполнению лабораторной работы № 1 Текст / сост. Н.В. Попова, Н.В. Лапик, Тюменский государственный нефтегазовый университете изд, испр Тюмень Издательский центр БИК ТюмГНГУ 2016.–32 с. Ответственный редактор доцент, к.т.н В.В. Козлов Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры кибернетических систем « 9 » февраля 2016 года, протокол №. 2 Аннотация Методические указания и индивидуальные задания по дисциплине Микропроцессорная техника предназначены для студентов, обучающихся по направлению 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств профиль Автоматизация технологических процессов и производств в нефтяной и газовой промышленности и дисциплине Микропроцессорные системы для студентов специальности направление 13.03.02 – Электроэнергетика и электротехника профиль Электропривод и автоматика форма обучения очная/заочная(5 лет, заочная г.)Данная дисциплина изучается водном семестре. Приведены основные теоретические сведения из дисциплины. Приведены варианты заданий для и контрольных вопросов. 3 СОДЕРЖАНИЕ Введение 3 1. Основные положения ........................................................................................ 4 2. Выполнение лабораторной работы ................................................................. 19 2.1 Задание к лабораторной работе. 23 2.2 Вопросы для самопроверки. 25 3. Список литературы ........................................................................................... 25 Приложение 1 Команды ассемблера ................................................................... 26 Приложение 2 Мнемоника команд 28 Приложение 3 Арифметические и логические команды 29 4 ВВЕДЕНИЕ Использование вычислительной техники предполагает наличие глубоких знаний, объединяющих умение программно управлять процессами вычислений, а также умение оценивать сущность процессов, происходящих в ЭВМ, на аппаратном уровне. Как правило, в производственном процессе применяются микропроцессорные системы. Относительно низкая стоимость, малые габариты и потребляемая мощность, высокая надежность и исключительная гибкость в применении ставят микропроцессорные приборы вне конкуренции по сравнению с любой другой элементной базой цифровых устройств. Основной технической базой автоматизации управления технологическими процессами являются специализированные микропроцессорные устройства (МПУ). Они являются предметом изучения на этапе базовой подготовки, предшествующей рассмотрению в специальных дисциплинах различных применений микропроцессорных устройств. При изучении специализированных микропроцессорных устройств рассматриваются приемы проектирования, как аппаратных, таки программных средств МПУ. Проектирование аппаратных средств, требует знания особенностей микропроцессорных комплектов микросхем различных серий и функциональных возможностей микросхем, входящих в состав используемого комплекта, умения правильно выбирать серию. Проектирование программных средств, требует знаний, необходимых для выбора метода и алгоритма решения задач, входящих в функции микропроцессорного устройства, для составления программ (часто с использованием языков низкого уровня – языка кодовых комбинаций, языка Ассемблера, а также умения использовать средства отладки программ. Основными задачами цикла лабораторных работ по дисциплине Микропроцессорные системы в автоматизации и управлении являются изучение структуры, режимов функционирования и состава команд микропроцессорной системы, а также формирование у студентов начальных навыков программирования на языке ассемблер и машинных кодов. Лабораторные работы выполняются на учебных микропроцессорных комплексах (УМК), построенных на базе микропроцессора КР580ВМ80А. Учебный микропроцессорный комплекс позволяет практически овладеть методикой разработки и отладки программ. На основе знаний, полученных в процессе работы с УМК, значительно легче понять принцип функционирования микропроцессорных систем на основе микропроцессоров других серий. 5 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 Цель работы изучение структуры микропроцессорной системы на основе УМК, системы команд микропроцессора КР580ВМ80А (МП КР) и принципов построения программ в машинных кодах для микропроцессорных систем управления. 1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Микропроцессор КР580ВМ80А, представляет собой, изготовленную по n-МОП технологии БИС, содержащую около 5 тысяч транзисторов. БИС МП реализована на кремниевом кристалле размером 30 мм, заключенном в корпус с 40 выводами. Длина слова микропроцессора – 8 разрядов. Тактовая частота – 2 МГц. Уровни напряжения питания +5, -5, В. Микропроцессор предназначен для работы с памятью постоянной и оперативной, общей емкостью до 64 Кбайт. Память имеет байтовую структуру, возможна адресация в памяти любого байта. При обращении к памяти используются разрядные (двухбайтовые) адреса. УМК имеет структуру, представленную на рисунке 1. В качестве основных элементов микропроцессорной системы (МП) можно определить оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, центральный процессор (ЦП) и интерфейсы ввода-вывода информации. МП (ЦП) является центром всех операций. Ему необходимы питание и тактовые импульсы. Генератор тактовых импульсов (ГТИ) может быть отдельным устройством или входить в состав кристалла МП. ГТИ предназначен для синхронизации функционирования всех устройств входящих в состав МП- системы. Дешифратор адреса обеспечивает подключение одного из устройств МП-системы к шине адреса. На вход дешифратора адреса подключены 4 линии адресной шины. Типовым примером микропроцессорной системы является учебный микропроцессорной комплекс, построенный на базе микропроцессора КП580ВМ80А. УМК содержит шестнадцать адресных линий, которые составляют однонаправленную шину адресов, а также восемь линий, которые составляют двунаправленную шину данных. 6 Рисунок 1 - Структурная схема микропроцессорной системы Ввод данных осуществляется с помощью цифровой клавиатуры, содержащей основные буквенные символы шестнадцатеричной системы счисления. 7 Рисунок 2 – Поля памяти учебного микропроцессорного комплекса МП КР имеет ПЗУ и ОЗУ, объемом 2 Кбайта и 1 Кбайт соответственно. Схематическое представление полей памяти УМК представлено на рисунке 3. Первый Кбайт памяти ПЗУ отводится подпрограмму Монитор, которая загружается в верхнюю область ОЗУ при включении МП-комплекса. Удаление или изменение области ОЗУ, предназначенной для работы программы Монитор, приводит к неработоспособности УМК (требуется перезагрузка. Второй Кбайт ПЗУ используется для хранения описаний команд, используемых пользователем вовремя выполнения программы. Программы пользователя могут помещаться только в ОЗУ пользователя. При работе программы пользователь имеет право использовать адресное пространство соответствующее ОЗУ пользователя. Несоблюдение данных правил приводит к неработоспособности УМК, либо к потере данных. Как было ранее сказано, в МП КР существует семь регистров, которые пользователь может использовать для хранения и изменения данных. Также в МП КР имеется несколько внутренних регистров, которые пользователь может просматривать в процессе выполнения программы, а также содержимое этих регистров может влиять на выполнение программы пользователя. Некоторые регистры применяются в качестве специализированных, и используются непосредственно МП. Блок регистров. МП КР580ВМ80А содержит следующие программно-доступные разрядные регистры 8 1. Аккумулятор (или регистр А является ядром всех операций МП, к которым относятся арифметические, логические, загрузки или размещения данных и ВВ. Это разрядный регистр. 2. Регистры общего назначения ВС, DE и HL могут быть использованы как шесть разрядных или три разрядные пары регистров в зависимости от текущей выполняемой команды. Как ив типовом МП, пара HL (фирмой Intel названа указателем данных) может быть использована для указания адреса. Несколько команд используют пары ВС ив качестве указателя адреса, но обычно они являются регистрами хранения данных. 3. Счетчик команд PC всегда указывает на ячейку памяти следующей для выполнения команды. 4. Указатель стека SP является специальным регистром—указателем адреса (или данных, который всегда указывает на вершину стека в ОЗУ. Это разрядный регистр. 5. Регистр признаков (или индикаторов) содержит пять одноразрядных индикаторов, в которых содержится информация, относящаяся к состоянию МП. Эти указатели используются условными ветвлениями программы, вызовами подпрограмм и возвратами из подпрограмм. S Z 0 AC 0 P 1 CY Рисунок 3- Регистр признаков S - Признак знака принимает значение старшего разряда результата если результат отрицательный S=1; Z - Признак нуля если результат равен нулю, то иначе Z=0 АС - Признак вспомогательного переноса если есть перенос между тетрадами байта, то АС, иначе АС Р - Признак четности если число единиц в байте результата четно, то Р, иначе Р CY - Признак переноса (заема); если при выполнении команды возник перенос из старшего разряда или заем в старший разряд, то CY=1, иначе CY=0. Модификация регистра признаков происходит после любой арифметической, либо логической операций. Команды, использующие регистр признаков, анализируют состояние одного из битов и производят передачу управления программой по адресу, указанному в командной строке. Общие регистры (B, C, D, E, H, L) используются для хранения операндов, промежуточных и конечных результатов, а также адресов и индексов при косвенной и индексной адресациях. 9 Аккумулятор (регистр A) используется в качестве источника одного из операндов и места, где фиксируется результат операции. В команде аккумулятор в явном виде не адресуется. На использование аккумулятора в операции указывает код операции команды. Иначе говоря, в отношении аккумулятора применяется подразумеваемая адресация, что позволяет применять одноадресные команды, имеющие сравнительно короткий формат. Использование аккумулятора и общих регистров позволяет при выполнении команд уменьшить количество обращений к памяти и тем самым повысить быстродействие МП. Наличие в блоке регистров специализированного регистра косвенного адреса HL позволяет иметь команды с подразумеваемой косвенной адресацией, те. без указания в команде номера регистра, хранящего исполнительный адрес. Особенностью блока регистров МП является наличие в его составе схемы инкрементора/декрементора, которая производит над содержимым регистров (без привлечения АЛУ) операцию прибавления/вычитания единицы. Схема инкрементора/декрементора позволяет реализовать процедуры автоматического задания приращений при операциях с адресами не только в регистре-указателе стека, но ив счетчике команд. При выполнении операций в МП возникает потребность в кратковременном хранении некоторых операндов и результатов выполнения операций. Для этой цели служат регистры временного хранения данных W и Z, которые являются программно-недоступными для пользователя. Использование регистров временного хранения позволяет МП за один цикл выполнения команды реализовать, например, такую операцию, как обмен содержимым двух регистров. Для повышения эффективности операций со словами двойной длины и операций формирования и пересылок двухбайтных адресов имеется возможность оперировать с содержимым пар регистров B и C, D и Е, Никак с составными словами двойной длины, те. в МП автоматически выполняется операция конкатенации над содержимым пары регистров. При этом реализуются так называемые тандемные пересылки состоящие в передаче в цикле выполнения команды последовательно друг за другом 2 байт информации. В состав блока регистров входит регистр-защелка адреса памяти PC. Собственно регистр адреса недоступен программисту. Однако любая пара регистров (ВС, DE, HL) может быть использована для задания адресов команд и данных в программе. Этот адрес под воздействием соответствующих команд не только может быть загружен в регистр- защелку адреса, но и модифицирован посредством схемы 10 инкрементор/декрементор) в процессе загрузки. Регистр-защелка адреса передает адрес в буферную схему и далее в шину адреса. Имея последовательность действий выполняемых программой можно составить программу на языке ассемблер. Для этого надо подобрать мнемокод (мнемокод или мнемоника – условное обозначение команды языка ассемблер) для каждого действия (столбец 3 таблицы 1). Мнемокоды действий выполняемых МП КР приведены в приложении 1. Форматы команд Основная функция любого процессора – это выполнение команд. Типовая команда, в общем случае, должна указывать - подлежащую выполнению операцию - адреса исходных данных (операндов, над которыми выполняется операция - адрес, по которому должен быть помещен результат операции. В соответствии с этим команда состоит из двух частей операционной и адресной (рисунок 4). операционная адресная Рисунок 4 - Структура команды Формат команды определяет ее структуру, то есть количество двоичных разрядов, отводимых под всю команду, а также количество и расположение отдельных полей команды. Полем называется совокупность двоичных разрядов, кодирующих составную часть команды. При создании ЭВМ выбор формата команды влияет на многие характеристики будущей машины. Оценивая возможные форматы, нужно учитывать следующие факторы общее число различных команд общую длину команды тип полей команды (фиксированной или переменной длины) и их длина простоту декодирования адресуемость и способы адресации стоимость оборудования для декодирования и исполнения команд. Длина команды. Это важнейшее обстоятельство, влияющее на организацию и емкость памяти, структуру шин, сложность и быстродействие ЦП. С одной стороны, удобно иметь в распоряжении мощный набор команд, то есть как можно больше кодов операций, операндов, способов адресации, и максимальное адресное пространство. Однако все это требует выделения большего количества разрядов под каждое поле команды, что приводит к увеличению ее длины. Вместе стем, для ускорения выборки из памяти желательно, чтобы команда была как можно короче, а ее длина была равна или кратна ширине шины данных. Для упрощения аппаратуры и повышения быстродействия 11 ЭВМ длину команды обычно выбирают кратной байту, поскольку в большинстве ЭВМ основная память организована в виде битовых ячеек. В рамках системы команд одной ВМ могут использоваться разные форматы команд. Обычно это связано с применением различных способов адресации. В таком случаев состав кода команды вводится поле для задания способа адресации (СА), и обобщенный формат команды приобретает вид, показанный на рисунке 5. В большинстве ВМ одновременно уживаются несколько различных форматов команд. Коп СА Адресная часть Рисунок 5 - Обобщенный формат команды Разрядность поля кода операции. Количество двоичных разрядов, отводимых под код операции, выбирается так, чтобы можно было представить любую из операций. При заданной длине кода команды приходится искать компромисс между разрядностью поля кода операции и адресного поля. Большее количество возможных операций предполагает длинное поле кода операции, что ведет к сокращению адресного поля, то есть к сужению адресного пространства. Для устранения этого противоречия иногда длину поля кода операции варьируют. Изначально под код операции отводится некое фиксированное число разрядов, однако для отдельных команд это поле расширяется за счет нескольких битов, отнимаемых у адресного поля. Разрядность адресной части. В адресной части команды содержится информация о местонахождении исходных данных и месте сохранения результата операции. Обычно местонахождение каждого из операндов и результата задается в команде путем указания адреса соответствующей ячейки основной памяти или номера регистра процессора. Принципы использования информации из адресной части команды определяет систем адресации. Система адресации задает число адресов в командекоманды и приняты способы адресации Количество адресов в команде. Для определения количества адресов, включаемых в адресную часть, используют термин адресность. В максимальном варианте необходимо указать три компонента адрес первого операнда, адрес второго операнда и адрес ячейки, куда заносится результат операции. В принципе может быть добавлен еще один адрес, указывающий место хранения следующей инструкции. 12 В итоге имеет место четырехадресный формат команды (рисунок 6). Операция Адреса Код операции й операнд й операнд результат Следующая команда Рисунок 6 - Четырехадресный формат команды В фон-Неймановских ЭВМ необходимость в четвертом адресе отпадает, поскольку команды располагаются в памяти в порядке их выполнения, и адрес очередной команды может быть получен за счет простого увеличения адреса текущей команды в счетчике команд. Это позволяет перейти к трехадресному формату команд(Рисунок 7). Требуется только добавить в систему команд ЭВМ команды, способные изменять порядок вычислений. Операция Адреса Код операции й операнд й операнд Результат Рисунок 7 - Трехадресный формат команды К сожалению, ив трехадресном формате длина команды может оказаться весьма большой. Так, если адрес ячейки основной памяти имеет длину 32 бита, а длина кода операции - 8 бит, то длина команды составит 104 бита (13 байт. Если по умолчанию взять в качестве адреса результата адрес одного из операндов (обычно второго, то можно обойтись без третьего адреса, ив итоге получаем двухадресный формат команды(Рисунок 8). Естественно, что в этом случае соответствующий операнд после выполнения операции теряется. Операция Адресат Коп 1 операнд 2 операнд/результат Рисунок 8 - Двухадресный формат команды Команду можно еще более сократить, перейдя к одноадресному |