Конспекты лекций. Конспект лекций. Микропроцессорные устройства систем управления
 Скачать 0.73 Mb.
|
2. Принципы организации и применения микропроцессорных систем.2.1. Особенности организации структуры МП-системы.В общем случае в состав МП входят арифметико-логическое устройство, устройство управления, а также связанные с ними вспомогательные регистры. Арифметико-логическое устройство микропроцессора служит для выполнения арифметических и логических операций над данными, поступающими из памяти или из устройств ввода. Устройство управления управляет потоком данных и команд. Это устройство выбирает из памяти команды, дешифрирует и выполняет их, посылает результаты на устройства вывода. Таким образом МП, взятый отдельно, не может выполнять каких-либо полезных функций. Для реальной пользы от функционирования МП он должен использоваться совместно с памятью и устройствами ввода-вывода. Объединение МП с памятью и средствами связи с внешними устройствами ввода-вывода (такие средства называются интерфейсами) позволяет получить микропроцессорную систему. Знакомство с принципами работы МП-системы начнем с рассмотрения ее структурной схемы, представленной на рис. 2.1 и содержащей минимальный набор элементов, которым должна обладать любая МП-система.  Рис.2.1. Общая структурная схема МП-системы. Элементом, производящим обработку данных, здесь является МП. МП и ряд вспомогательных схем, обеспечивающих его работу и работу всей ЭВМ, образуют так называемый процессорный модуль, к которому с помощью системных шин подключают периферийные модули. Данное разделение на указанные модули носит функциональный характер. Конструктивно все модули могут быть выполнены, например, в одной БИС (однокристальные микроЭВМ или микроконтроллеры). Системные шины представляют собой набор соединительных проводников-линий, объединяющих одноименные выводы всех периферийных модулей. По каждой линии может быть передано значение одного разряда двоичного кода в виде уровней напряжения, соответствующих логическому нулю или логической единицы. Периферийными модулями в рассматриваемой структуре являются запоминающие устройства, в состав которых входят постоянное запоминающее устройство ПЗУ и оперативное запоминающее устройство ОЗУ, и регистры для подключения внешних устройств (например, клавиатуры, устройства визуального отображения информации, различных датчиков и исполнительных механизмов), называемые портами ввода или вывода. В представленной на рис. 2.1 структуре используются раздельные группы шин для связи портов ввода-вывода и запоминающих устройств с процессорным модулем. Такую структуру часто называют структурой с распределенными шинами или радиальной. Такая организация удобна, когда необходимо реализовать параллельный режим обмена данными как с внешними устройствами ввода-вывода, так и с памятью. Каждая группа шин в этом случае отвечает за связь своего типа периферийного модуля с процессорным и позволяет осуществить независимый во времени обмен информацией. Однако это достигается за счет значительного увеличения аппаратных средств. Программа работы встроенной в какое-либо устройство МП-системы хранится в ПЗУ. ПЗУ - это БИС памяти, в которую необходимая информация (программа, константы) заносится в процессе ее изготовления или непосредственно перед установкой в МП-систему. Информация в ПЗУ сохраняется независимо от того, включен ли источник питания или выключен. Промежуточные данные хранятся во внутренних регистрах МП, а также в ОЗУ. Данные могут как записываться в ОЗУ, так и считываться из него. При снятии питающего напряжения данные в ОЗУ теряются. При отладке программ, а также в случае использования МП-системы в качестве универсальной (например, персональная ЭВМ), то есть выполняющей в разное время различные программы, ОЗУ используется и для хранения программ. В этом случае МП-система обычно имеет ПЗУ с малым количеством ячеек (с малым объемом) памяти, куда записывается небольшая программа-загрузчик, под управлением которой в начале работы в ОЗУ с какого-либо внешнего устройства загружается рабочая программа. 2.2. Структура МП-системы с общей шиной.Часто при построении МП-системы для связи процессорного модуля с периферийными используется одна группа шин. В этом случае микропроцессор обращается к внешним устройствам ввода-вывода как к элементу памяти. Данная организация проста с точки зрения задействованных аппаратных средств, но допускает лишь последовательный во времени режим обмена информацией между периферийными модулями и процессорным модулем, т.е. невозможно одновременно обратиться и к памяти и к портам ввода-вывода. Это обстоятельство снижает производительность системы с точки зрения организации обмена информации в ней, но при этом не требует организации сложной аппаратной реализации. Во многих случаях управляющих систем, где не требуется сверхбыстрой реакции на внешние возмущения, такая структура является наиболее оптимальной. Структурная схема МП-системы с общей шиной представлена на рис.2.2.  Рис.2.2. Структура МП-системы с общей шиной. По роду передаваемой информации все шины разделены на три группы, образующие шину данных, шину адреса и шину управления. Характерной особенностью шины данных является ее двунаправленность, обеспечиваемая буферными регистрами, под которой понимается возможность передачи данных в разные моменты времени в различных направлениях, например, сначала от процессорного модуля к периферийному, а затем в обратном направлении. Ещё одна особенность этих буферных регистров заключается в том, что они являются трехстабильными, т.е. выходы этих регистров могут принимать третье пассивное или, так называемое высокоимпедансное состояние, благодаря чему регистр оказывается как бы отключенным от шины данных. Каждый периферийный модуль имеет вход для приема сигнала CS (crystal select или выбор модуля). В процессе работы с помощью этого сигнала "активизируется" только один из периферийных модулей. Это означает, что возможен обмен данными между ним и процессорным модулем. Выходы остальных модулей при этом остаются в высокоимпедансном состоянии (отключенном) и на работу системы в целом не влияют. Поскольку процессорный модуль должен обмениваться данными с определенными ячейками памяти запоминающих устройств или с определенными портами, то для возможности обращаться (адресоваться) к ним, каждая ячейка памяти и каждый порт ввода и вывода имеют свои индивидуальные номера - адреса. При обмене данными процессорный модуль устанавливает двоичный код, соответствующий адресу порта или ячейки памяти на шине адреса. Шина адреса является однонаправленной, т.е. адреса передаются только в одном направлении: от процессорного модуля. Рассматриваемая структура содержит два модуля памяти: модуль ОЗУ и модуль ПЗУ. Некоторые МП-системы могут содержать несколько модулей ОЗУ и ПЗУ, каждый из которых имеет вход для приема сигнала «выбор модуля». Во всех случаях, когда содержится более одного модуля памяти, часть кода адреса ячейки памяти должна указывать, к какому модулю памяти производиться обращение. Эта часть называется кодом выбора модуля. Оставшаяся часть кода адреса выбирает ячейку памяти внутри модуля и называется адресом слова. Дешифрация кода выбора модуля производится с помощью дешифратора выбора модуля памяти, который вырабатывает соответствующий сигнал CS. Дешифрация адреса слова осуществляется внутренним дешифратором модуля. Входы этого дешифратора (адресные шины модуля памяти) подключаются к соответствующим линиям шины адреса. Рассматриваемая структура содержит один порт ввода и один порт вывода. Однако таких портов может быть и гораздо больше. Все входы CS портов ввода и вывода подключаются через дешифратор номеров портов к линиям шины адреса. Порты «активизируются» при появлении на шине адреса кодов, соответствующих их номерам. Дополнительным условием «активизации» любого периферийного модуля является наличие соответствующего сигнала на шине управления. По линиям шины управления от процессорного модуля к периферийным поступают сигналы, определяющие выбор группы модулей (порты или модули памяти), а также направление обмена данными: сигнал чтения из модулей запоминающих устройств – MR (read memory), сигнал записи в модули запоминающих устройств – MW (write memory), сигнал чтения из порта ввода – IOR (read input/output), сигнал записи в порт вывода – IOW (write input/output). Таким образом, при записи, например, числа в ячейку памяти ОЗУ процессорный модуль устанавливает на шине адреса адрес этой ячейки памяти, на шине данных – двоичный код записываемого числа и выдает на соответствующую линию шины управления сигнал MR. При этом с шины данных число записывается в адресуемую ячейку памяти ОЗУ. При чтении, например, данных из какого-либо порта ввода процессорный модуль устанавливает на шине адреса адрес этого порта и выдает на соответствующую линию шины управления сигнал IOR. При этом адресуемый порт ввода передает информацию со своего входа на шину данных, откуда она считывается процессорным модулем. Мы рассмотрели организацию обмена данными между процессорным и периферийными модулями. Теперь рассмотрим работу МП-системы в целом. Работа МП-системы, как и любого цифрового устройства, заключается в обработке исходных данных по заданному алгоритму. Под алгоритмом работы цифрового устройства понимается набор последовательно выполняемых действий по обработке исходных данных с целью получения требуемого результата. В МП-системе алгоритм реализуется при выполнении программы, хранимой в памяти в виде последовательности команд. Выполнение любой команды начинается с чтения кода этой команды из запоминающего устройства. Для этого процессорный модуль устанавливает на шине адреса код адреса ячейки памяти, в который записан код команды и выдает на соответствующую линию шины управления сигнал MR. В результате код команды выдается из ячейки памяти на шину данных и считывается процессорным модулем. МП дешифрирует код операции команды, определяет какие действия ему необходимо выполнить и переходит к исполнению команды. Во время выполнения команды МП может обращаться к памяти для чтения или записи данных, к порту ввода для ввода исходных данных, к порту вывода для вывода полученных результатов. После окончания выполнения текущей команды МП переходит к выполнению очередной команды, т.е. обращается к ячейке памяти, где хранится код следующей команды. |