466.основы микропроцессорной техники учебное пособие
1. Л. А. Потапов
ОСНОВЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ
Утверждено редакционно-издательским советом в качестве
учебного пособия
Брянск
ИЗДАТЕЛЬСТВО БГТУ
2004
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. 3
ПРЕДИСЛОВИЕ
В последние годы отмечено наполнение рынка товаров всевоз-
можной автоматизированной аппаратурой самого различного назна-
чения и различной сложности - от пластиковой платежной карточки,
холодильника, автомобиля до систем управления самолетами, раке-
тами, морскими судами. Это стало возможным благодаря развитию
микропроцессорной техники, созданию технологической базы для
производства новых типов процессоров. В 2001 году отмечался 30-
летний юбилей появления первого микропроцессора. Скромный 4-
разрядный кристалл i4004 фирмы Intel дал могучее потомство, роль
которого в жизни современного человечества трудно переоценить.
Все эти годы не прекращалось острое соперничество ведущих элек-
тронных фирм за лидерство в этой высокоперспективной области.
Результатом этого соперничества стала разработка новых семейств и
типов микропроцессоров, расширение их функциональных возмож-
ностей и снижение стоимости. Спектр возможных применений мик-
ропроцессоров оказался настолько широким, что построенные на их
основе различного рода микропроцессорные системы сбора и об-
работки информации, управления и контроля технологическими
процессами стали проникать почти во все отрасли человеческой дея-
тельности — от научных исследований и производственной сферы
до медицины и повседневного быта. Широкое применение микро-
процессоров привело к революционным изменениям в технике и жиз-
ни общества. Появились информационные технологии, мобильная те-
лефонная связь, цифровые фотокамеры и многое другое.
Cовершенствование микропроцессоров шло параллельно с раз-
витием микроэлектронной технологии, позволяющей размещать на
одном кристалле все большее и большее число транзисторов.
На основе более совершенных МП создавались новые быстро-
действующие компьютеры, системы связи, различные автоматизиро-
ванные устройства, системы и многое другое. Процесс дальнейшего
развития микропроцессорной техники продолжается и в наши дни.
Издание настоящего пособия обусловлено тем, что новые госу-
дарственные образовательные стандарты для целого ряда специаль-
ностей (210106 – "Промышленная электроника", 140604 – "Электро-
привод и автоматика промышленных установок и технологических
комплексов", 220301 – “Автоматизация технологических процессов и
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. 4
производств”, 151001 – "Технология машиностроения", 190601 –
"Автомобили и автомобильное хозяйство" и др.) предусматривают в
соответствующих курсах разделы по микропроцессорной технике.
Однако имеющиеся учебники и учебные пособия не отражают совре-
менное состояние микропроцессорной техники.
Учебное пособие состоит из 5 глав.
В первой главе уточняется терминология, рассматриваются
структура и основные узлы микропроцессорных систем, персональ-
ных и встраиваемых ЭВМ.
Во второй главе дается краткая информация о видах, структуре
и особенностях работы универсальных и специализированных мик-
ропроцессоров (цифровых процессоров обработки сигналов).
В третьей главе подробно рассматриваются различные типы
однокристальных микроконтроллеров (отечественные МК-48 и МК-
51, а также импортные MCS-51 и MCS-96 фирмы Atmel, MC68HC05
и MC68HC11 фирмы Motorola, PIC и AVR-контроллеры). Приводятся
основные технические характеристики и системы команд некоторых
микроконтроллеров. Отдельный параграф посвящен разработке и от-
ладке микропроцессорных устройств на основе однокристальных
микроконтроллеров.
В четвертой и пятой главах рассматриваются, соответственно,
устройства ввода/вывода и памяти, которые во многом определяют
предельные возможности микропроцессорных систем. Перспективам
совершенствования устройств памяти посвящен отдельный параграф.
В приложении приведены основные характеристики однокри-
стальных микроконтроллеров серий MCS-51 и AVR, а также даны
системы команд микроконтроллеров серий МК-48 и МК-51
Для лучшего усвоения материала учебного пособия в конце
каждой главы приведены вопросы для самопроверки.
С целью универсальности учебное пособие сформулировано так,
что в полном объеме оно может быть использовано студентами элек-
тротехнических специальностей и в сокращенном объеме (за исклю-
чением текста, набранного мелким шрифтом) студентами неэлектро-
технических специальностей.
Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих
электронику и микропроцессорную технику, и может быть полезным
инженерно-техническим работникам, связанным с разработкой авто-
матизированной техники.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. 5
1. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА
Технические устройства, содержащие микропроцессоры или од-
нокристальные микроконтроллеры, выполненные в виде конструк-
тивно законченных изделий или отдельных блоков, называются
микропроцессорной техникой [2,13,27]. Эти устройства создаются
для выполнения различных задач управления, вычисления, регу-
лирования и т. д.
В зависимости от сложности различают микропроцессорные
устройства (МПУ) и микропроцессорные системы (МПС); в зави-
симости от типа решаемых задач - микропроцессорные системы
контроля (МПСК), микропроцессорные электронные вычисли-
тельные машины (МЭВМ), микропроцессорные измерительные
комплексы (МИК) и т.д.
1.1. Основные узлы и системы микропроцессорной
техники
Основным узлом всех устройств микропроцессорной техники
является микропроцессор или однокристальный микроконтроллер.
Микропроцессором (МП) называется программно-управляемое
устройство в виде интегральной микросхемы, обрабатывающее
цифровую информацию и управляющее этим процессом. МП может
принимать, дешифрировать и выполнять команды, представленные в
двоичном коде.
Однокристальный микроконтроллер (ОМК) (его часто назы-
вают однокристальной микроЭВМ) помимо арифметико-логического
устройства, устройства управления и сверхоперативной памяти (реги-
стров общего назначения), которые входят и в однокристальный мик-
ропроцессор, содержит также оперативную и постоянную память,
устройство ввода/вывода и некоторые другие устройства. Однако
адресуемая емкость памяти у однокристальной микроЭВМ суще-
ственно меньше, чем у однокристального микропроцессора, поэто-
му однокристальные микроЭВМ применяются в узкоспециализиро-
ванных системах как однокристальные микроконтроллеры с вполне
определенными алгоритмами обработки информации.
Для построения микропроцессорной системы на базе микро-
процессора используют микропроцессорный комплект — набор
совместимых интегральных микросхем, содержащий тактовый гене-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6. 6
ратор, таймеры, устройства прямого доступа к памяти, устройства
ввода/вывода и некоторые другие устройства.
В любой МПС можно выделить следующие основные части
(подсистемы): процессорный модуль; память; устройства вво-
да/вывода; подсистему прерываний; подсистему прямого доступа в
память; внешние устройства (внешние запоминающие устройства и
так называемые периферийные устройства).
Процессорный модуль кроме микропроцессора или ОМК со-
держит ряд вспомогательных устройств, обеспечивающих функцио-
нирование МПС. Среди них могут быть тактовый генератор, аналого-
цифровой преобразователь (АЦП), цифроаналоговый преобразова-
тель (ЦАП) и другие.
Подсистема памяти включает внутренние и внешние устройства
памяти. Внешние устройства памяти предназначены для сохранения
и ввода программ. К ним относятся накопители на магнитных и ла-
зерных дисках, устройства с флэш-памятью и другие. Внутренние
устройства памяти выполняют обычно полупроводниковыми. По
назначению их подразделяют на оперативные запоминающие устрой-
ства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). При этом
ПЗУ используются для сохранения программ и некоторых констант, а
ОЗУ для изменяющихся величин (данные, промежуточные результа-
ты и т.п.).
Устройства ввода/вывода (УВВ) обеспечивают связь МПС с
внешними устройствами. Через них поступает информация для обра-
ботки и через них она уходит для исполнения внешними устройства-
ми. К устройствам ввода/вывода относят иногда также подсистемы
прерываний и прямого доступа к памяти (ПДП). Подсистема преры-
ваний организует приостановку работы микропроцессора на период
ввода некоторой внеплановой информации, а подсистема ПДП орга-
низует работу некоторых устройств напрямую с системой памяти,
минуя процессорный модуль.
Связь подсистем между собой и с внешними устройствами
обеспечивается аппаратными и программными средствами, которые
называются интерфейсом. Используется несколько видов интерфей-
сов: VXI, VIME, PCI, USB и другие.
Ниже более подробно рассматриваются структура и подсистемы
МПС.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. 7
1.2. Общая структура МПС
Любая МПС содержит МП или ОМК, устройства памяти и си-
стему ввода/вывода. Эти устройства могут быть связаны между со-
бой и с внешними устройствами различными способами.
Систему сопряжения всех устройств МПС, включающую сово-
купность аппаратных средств (интерфейсных интегральных схем),
шин (линий связи) и так называемого протокола (алгоритмов обме-
на, управляющих сигналов, и т. д.) называют интерфейсом. В узком
смысле слова интерфейс—это устройства ввода/вывода, которые
управляют потоком и форматами данных между МП и внешними (пе-
риферийными) устройствами.
Группа линий (совокупность проводов), по которым передается
однотипная информация, называется шиной.
Устройство, с помощью которого микропроцессор связывается
с внешними устройствами системы, называется портом. Как правило,
порт содержит внутреннюю память.
По тому, как организовано адресное пространство памяти про-
грамм и данных, различают Принстонскую и Гарвардскую архитекту-
ру (структуру) МПС.
Всем известный IBM PC-совместимый компьютер представляет
собой реализацию так называемой Принстонской (фон Нейманов-
ской) архитектуры (структуры) вычислительных машин. Эта архитек-
тура была представлена Джоном фон Нейманом еще в 1945 году и
имеет следующие основные признаки: машина состоит из блока
управления, арифметико-логического устройства (АЛУ), памяти и
устройств ввода/вывода. В ней реализуется концепция хранимой про-
граммы: программы и данные хранятся в одной и той же памяти.
Если разделить память на память программ и память данных, то
получим Гарвардскую архитектуру МПС.
Принстонская архитектура - не единственный вариант построе-
ния ЭВМ, есть и другие, которые не соответствуют указанным прин-
ципам (например, потоковые машины). Однако подавляющее боль-
шинство современных компьютеров основано именно на этих прин-
ципах (фон Неймана), включая и сложные многопроцессорные ком-
плексы, которые можно рассматривать как объединение таких ма-
шин. Конечно же, за более чем полувековую историю ЭВМ классиче-
ская архитектура прошла длинный путь развития.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8. 8
Прерывание – первое отличие современных архитектур от архи-
тектур машин фон-Неймана. Работа прерывания заключается в том
что при поступлении сигнала прерывания процессор обязан прекра-
тить выполнение текущей программы и немедленно начать обработку
процедуры прерывания.
Прямой доступ к памяти (ПДП) – второе отличие современных
архитектур от архитектур машин фон-Неймана. ПДП позволяет со-
кратить расходы на пересылку единицы информации.
Связь между микропроцессором и другими устройствами МПС
может осуществляться по принципам радиальных связей, общей ши-
ны или комбинированным способом. В однопроцессорных МПС, осо-
бенно 8- и 16-разрядных, наибольшее распространение получил
принцип связи "Общая шина", при котором все устройства подклю-
чаются одинаковым образом (рис.1.1).
Рис. 1.1. Схема интерфейса «общая шина»
Все сигналы интерфейса передаются по трем шинам - данных,
адреса и управления. Многочисленные разновидности интерфейсов
"Общая шина" обеспечивают передачу сигналов по раздельным или
мультиплексированным (совмещенным) линиям (шинам). Так, ин-
терфейс Microbus, с которым работают большинство 8-разрядных
МПС на базе МП i8080, передает адрес и данные по раздельным ши-
нам, но некоторые управляющие сигналы передаются по шине дан-
ных. Интерфейс Q-bus, используемый в микроЭВМ фирмы DEC (оте-
чественный аналог - микропроцессоры серии К1801), имеет мульти-
плексированную шину адресов и данных, по которой эта информация
передается с разделением во времени. Естественно, что при наличии
мультиплексированной шины в состав линий управления необходимо
Интерфейс «Общая шина»
ВУВУМП Память
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9. 9
включать специальный сигнал, идентифицирующий тип информации
на шине.
Обмен информацией по интерфейсу производится между двумя
устройствами, одно из которых является активным, а другое - пас-
сивным. Активное устройство формирует адреса пассивных
устройств и управляющие сигналы. Активным устройством выступа-
ет, как правило, микропроцессор, а пассивным - всегда память и не-
которые внешние устройства (ВУ). Однако иногда быстродействую-
щие ВУ могут выступать в качестве задатчика (активного устройства)
на интерфейсе, управляя обменом с памятью (так называемый режим
прямого доступа в память).
Выполняемые действия в МПС определяются блоком управле-
ния и АЛУ, которые вместе являются основой МП. Микропроцессор
выбирает и исполняет команды из памяти последовательно. Адрес
очередной команды задается "счетчиком адреса" в блоке управления.
Этот принцип исполнения называется последовательной передачей
управления.
Описанная система из одной, разбитой на три секции, шины ис-
пользовалась лишь в ранних ЭВМ класса IBM PC XT. Имея название
“Общая шина”, она и впрямь пронизывала весь компьютер и позво-
ляла соединить в каждый момент времени процессор с одним из
устройств памяти либо одним из контроллеров периферийных
устройств.
В современном компьютере имеется не одна, а несколько шин.
Основных шин четыре, и обозначаются они как L-шина, S-шина, М-
шина и X-шина. Линии адреса и данных у L-шины (или локаль-
ной шины) связаны непосредственно с микропроцессором. Мож-
но ввести понятие удаленности шины от процессора, считая, что
чем больше буферов отделяют шину от процессора, тем больше
удалена от процессора. Тогда L-шина может считаться ближай-
шей к процессору.
Основной шиной, связывающей компьютер в единое целое, яв-
ляется S-шина, или системная шина, к которой, кроме того, подклю-
чаются адаптеры периферийных устройств, не входящих в состав си-
стемного ядра. Именно она выведена на восемь специальных разъ-
емов-слотов. Эти слоты хорошо видны на системной плате компью-
тера, в них установлены платы периферийных адаптеров (дисплея,
флоппи-диска, винчестера, мыши и т.д.).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10. 10
При переходе с шины L на шину S сигналы процессора претер-
певают определенную трансформацию. Максимальная нагрузочная
способность линий микропроцессора не превышает 1мА, поэтому
между линиями L - шины и S - шины должны располагаться буфер-
ные элементы, повышающие мощность выводов как минимум в сто
раз. Кроме того, шина данных микропроцессора, как мы увидим в
дальнейшем, не всегда соединяется с остальными частями ЭВМ.
При выполнении так называемого внепроцессорного обмена вообще
необходимо отключать микропроцессор от остальных схем компью-
тера.
Когда микропроцессор с рассмотренной шинной архитектурой
выполняет, например, команду чтения из памяти, воздействие (адрес
и сигналы управления) с локальной L шины попадает на системную
S шину и только затем на шину памяти M. После этого данные, счи-
танные из памяти, опять-таки попадают на системную шину, а с нее -
на локальную. Очевидно, что каждый перенос информации через тот
или иной буферный элемент сопровождается определенной времен-
ной задержкой. И хотя время одной задержки невелико (не более 10
нс), суммарно их набирается довольно много. Это и определяло ту
довольно низкую тактовую частоту, на которой работали первые
компьютеры фирмы IBM (12 или даже 8 МГц).
Для устранения таких задержек в более поздних моделях IBM PC AT 286
основная оперативная память выделяется в особую подсистему и доступ к ней
осуществляется не через системную шину, а параллельно с доступом к систем-
ной шине. Как правило, это связано с наличием интегрированного контроллера
шины данных. Время суммарной задержки передачи данных в этом случае со-
кращается примерно до 20 нс, а тактовая частота повышается до 25 МГц.
Совершенствование МПС в этом направлении привело к тому, что пере-
ход от шины данных LD к шине памяти MD упростился до предела. Функцию
контроллера шины данных в этом случае выполняет обычный шинный форми-
рователь. На первый взгляд, в нем нет необходимости и можно было бы просто
объединить шины LD и MD. Но по соображениям согласования электрических
сигналов этого нельзя делать.
Дальнейшие возможности повышения производительности МП были
связаны с поисками решений в области архитектуры МПС. Введение кэш- па-
мяти позволило ослабить требования по времени доступа к основной опера-
тивной памяти (кэш-память - это быстродействующая статическая память,
расположенная между микропроцессором и относительно медленной основной
памятью; объем ее колеблется от 128 кбайт до 1 Мбайт). При этом на локаль-
ной шине, кроме микропроцессора и сопроцессора, появляется контроллер
управления кэш-памятью. При объеме памяти 128 кбайт вероятность того, что
необходимая микропроцессору информация окажется в кэш-памяти, составля-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11. 11
ет 95-98 %. Эффективность кэш-памяти становится значительной на частотах
выше 20 МГц, так как в этом случае потери производительности из-за задер-
жек доступа к оперативной памяти очень чувствительны.
Последующие архитектурные изменения МПС связаны с пере-
ходом от МП, имеющих 32-разрядные шины данных (i80386 и
i80486), к МП, имеющим 64-разрядные шины, а именно к микропро-
цессорам Pentium, Pentium Pro и Pentium 4. Наиболее наглядно
устройство МПС можно увидеть на примере современной ЭВМ.
1.3. Архитектура микроЭВМ
Архитектура типичной небольшой вычислительной системы с
интерфейсом "Общая шина" показана на рис. 1.2.
Вывод
Рис.1.2 Архитектура типовой микроЭВМ
ОЗУ
ПЗУ
Процессорный
модуль
16
Ввод
16
8
УВВ
ШУ
ША
ШД
Такая микроЭВМ [11.18,19] содержит устройство ввода/вывода
информации, процессорный модуль и запоминающие устройства
(ОЗУ и ПЗУ).
Микропроцессор координирует работу всех устройств цифро-
вой системы с помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ име-
ется 16-разрядная адресная шина (ША), которая служит для выбора
определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-
разрядной информационной шине или шине данных (ШД) осу-
ществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору
и от микропроцессора.
МП может посылать информацию в память микроЭВМ или к
одному из портов вывода, а также получать информацию из памяти
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12. 12
или от одного из портов ввода. Постоянное запоминающее устрой-
ство в микроЭВМ содержит некоторую программу (на практике про-
грамму инициализации ЭВМ). Программы могут быть загружены в
запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ), а так-
же из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ).
Современная микроЭВМ (рис.1.3) имеет более сложную архи-
тектуру. В ней имеются системная шина S, к которой подключены
все внутренние подсистемы и внешние периферийные устройства,
а также шина М, обеспечивающая связь процессорного модуля с
системой памяти, и шина Х, через которую подключаются подси-
стемы прерываний, ПДП и другие устройства.
МикроЭВМ могут быть выполнены в виде персонального (PC)
компьютера (карманного, переносного, настольного), а также в виде
встраиваемой конструкции (например, промышленные компьютеры
PC/104 и MicroPC )
Одним из главных требований к выбору платформы для построения
встраиваемых компьютеров в большинстве случаев является их совместимость
Шина Х
Системная шина S
Шина памяти М
Системное ядро вычислительной машины
Процессорная
подсистема
Подсистема
памяти
КЭШ
память
Буфер
локальной
шины
Конвертор
системной
шины
Буфер
Шины X
Подсистема
прямого доступа в
память
Подсистема
таймеров- счетчиков
Подсистема
прерываний
Подсистема
управления
клавиатурой
Подсистема
CMO S памяти
I часов РВ
Периферийные устройства
Дисковая
подсистема
Видеомонитор
Подсистема
телекоммуникаций
Рис. 1.3. Архитектура микроЭВМ IBМ PC
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13. 13
с компьютерами фирмы IBM. В общих чертах требования к встраиваемым
компьютерам можно сформулировать так:
- минимальные массогабаритные показатели, позволяющие встроить
компьютер в большинство объектов;
- минимальное энергопотребление, удовлетворяющее требованиям огра-
ниченности ресурсов питания (вплоть до питания от батарей);
- устойчивость к механическим воздействиям (ударам, вибрации, для
возможности использования в движущихся или носимых объектах);
- устойчивость к климатическим воздействиям (расширенному диапазону
температур, повышенной влажности, агрессивным средам, росту грибков или
плесени);
- повышенная функциональная надежность, снижающая вероятность си-
стемных отказов или сбоев;
- длительный жизненный цикл, гарантирующий доступность устройств в
течение ряда лет.
Встроенные компьютеры отличаются от персональных:
- конструктивным исполнением – в виде крейта с пассивной кросс платой
(этажерочные и мезонинные конструкции);
- отсутствием дисковых накопителей, вместо них память на полупровод-
никовых элементах – масочное ПЗУ, FLASH, статическое ОЗУ с автономным
источником питания ;
- отсутствием стандартных устройств ввода-вывода информации;
- более низкой производительностью.
МикроЭВМ работает по программе, сохраняемой в устройствах памяти.
При этом микропроцессор последовательно выбирает команды из соответству-
ющей программы и организует их выполнение
В качестве примера, иллюстрирующего работу микроЭВМ, рассмотрим
процедуру ввода/запоминания/вывода (рис.1.4), для реализации которой
нужно выполнить следующие элементарные операции:
-нажать клавишу с буквой "А" на клавиатуре,
-поместить букву "А" в память микроЭВМ,
-вывести букву "А" на экран дисплея.
Предположим, что программа уже загружена в первые шесть ячеек па-
мяти в виде следующей цепочки команд:
-ввести данные из порта ввода 1,
-запомнить данные в ячейке памяти 200,
-переслать данные в порт вывода 10
В данной программе всего три команды, хотя может показаться, что в
памяти программ записано шесть команд. Это связано с тем, что команда
обычно разбивается на части.
Первая часть команды 1 в приведенной в программе - команда ввода
данных. Во второй части команды 1 указывается, откуда нужно ввести дан-
ные (из порта 1). Первая часть команды, предписывающая конкретное дей-
ствие, называется кодом операции (КОП), а вторая часть - операндом. Код
операции и операнд размещаются в отдельных ячейках памяти программ.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14. 14
Рис. 1.4. Диаграмма выполнения процедуры ввода/запоминания/вывода
На диаграмме выполнения процедуры ввода/вывода КОП хранится в
ячейке 100, а код операнда - в ячейке 101 (порт 1); последний указывает откуда
нужно взять информацию.
При типичной процедуре ввода/запоминания/вывода в микроЭВМ вы-
полняются следующие действия.
1. МП выдает адрес 100 на шину адреса. По шине управления поступает
сигнал, устанавливающий память программ (конкретную микросхему) в режим
считывания.
2. Запоминающее устройство программ пересылает первую команду
"Ввести данные" по шине данных, и МП получает это закодированное сообще-
ние. Команда помещается в регистр команд. МП декодирует (интерпретирует)
полученную команду и определяет, что для команды нужен операнд.
3. МП выдает адрес 101 на ША; ШУ используется для перевода памяти
программ в режим считывания.
4. Из памяти программ на ШД пересылается операнд "Из порта 1". Этот
операнд находится в программной памяти в ячейке 101. Код операнда (содер-
жащий адрес порта 1) передается по ШД к МП и направляется в регистр ко-
манд. МП теперь декодирует полную команду "Ввести данные из порта 1".
5. МП, используя ША и ШУ, связывающие его с устройством ввода, от-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15. 15
крывает порт 1. Цифровой код буквы "А" передается в аккумулятор внутри МП
и запоминается. При обработке каждой программной команды МП действует
согласно микропроцедуре выборки-декодирования-исполнения.
6. МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для перевода
памяти программ в режим считывания.
7. Код команды "Запомнить данные" подается на ШД и пересылается в
МП, где помещается в регистр команд.
8. МП дешифрирует эту команду и определяет, что для нее нужен опе-
ранд. МП обращается к ячейке памяти 103 и приводит в активное состояние
вход считывания микросхем памяти программ.
9. Из памяти программ на ШД пересылается код сообщения "В ячейке па-
мяти 200". МП воспринимает этот операнд и помещает его в регистр команд.
Полная команда "Запомнить данные в ячейке памяти 200" выбрана из памяти
программ и декодирована.
10. Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пересылает ад-
рес 200 на ША и активизирует вход записи, относящийся к памяти данных.
11. МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в память
данных. Код буквы "А" передается по ШД и записывается в ячейку 200 этой
памяти. Выполнена вторая команда. Процесс запоминания не разрушает содер-
жимого аккумулятора. В нем по-прежнему находится код буквы "А".
12. МП обращается к ячейке памяти 104 для выбора очередной команды и
переводит память программ в режим считывания.
13. Код команды вывода данных пересылается по ШД к МП, кото-
рый помещает ее в регистр команд, дешифрирует и определяет, что нужен
операнд.
14. МП выдает адрес 105 на ША и устанавливает память программ в ре-
жим считывания.
15. Из памяти программ по ШД к МП поступает код операнда "В порт 10",
который далее помещается в регистр команд.
16. МП дешифрирует полную команду "Вывести данные в порт 10". С
помощью ША и ШУ, связывающих его с устройством вывода, МП откры-
вает порт 10, пересылает код буквы "А" (все еще находящийся в аккуму-
ляторе) по ШД. Буква "А" выводится через порт 10 на экран дисплея.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Дайте определения понятий "микропроцессор" (МП), "микропроцес-
сорная система" (МПС), "микропроцессорный комплект (МПК), "микроЭВМ".
2. Каковы отличия однокристальных микропроцессоров от однокристаль-
ных микроЭВМ?
3. Дайте определение понятия "шина". Какие шины имеются в микропро-
цессорах?
4. Дайте определение понятия "порт".
5. Дайте определение понятия "интерфейс".
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16. 16
2. МИКРОПРОЦЕССОРЫ
В процессе совершенствования микропроцессоров произошла
их дифференциация по функционально-структурным особенностям
и областям применения.
2.1. Виды процессорных устройств
В настоящее время имеются следующие основные виды микро-
процессоров: универсальные микропроцессоры с CISC - архитекту-
рой; универсальные микропроцессоры с RISC - архитектурой; специ-
ализированные микропроцессоры (сигнальные, арифметические и
др.); микроконтроллеры.
Универсальные микропроцессоры с CISC – архитектурой
(Complicated Instruction Set Computer – компьютер со сложным набо-
ром команд) применяются главным образом в персональных компью-
терах и серверах. Лидером в этой области является фирма Intel, кото-
рой комплектуется более 80 % выпускаемых персональных компью-
теров. Микропроцессоры семейства M68000 фирмы Motorola исполь-
зуются в персональных компьютерах типа Macintosh, составляющих
около 10 % мирового производства. Микропроцессоры этого семей-
ства широко используются в устройствах управления, встраиваются в
различные приборы и системы.
Универсальные микропроцессоры с RISC – архитектурой
(Reduced Instruction Set Computer – компьютер с сокращенным набо-
ром команд) применяются в основном в рабочих станциях и мощных
серверах. В этой области имеются несколько ведущих производите-
лей. Широкое применение находят RISC-микропроцессоры семейств
SPARC фирмы Sun Microsystems и Rx000 фирмы MIPS Computer
Systems. За последние годы очень активно внедряются в различную
аппаратуру RISC-микропроцессоры семейства PowerPC – совместная
разработка фирм IBM, Motorola, Apple Computers. Среди фирм, вы-
пускающих RISC-микропроцессоры, находятся также Intel, Hewlett-
Packard, Digital Equipment. Необходимо отметить также транспьюте-
ры – оригинальные RISC-микропроцессоры, разработанные фирмой
Inmos для построения мультипроцессорных систем.
В классе специализированных микропроцессоров в настоя-
щее время наиболее широко представлены DSP (Digital Signal
Processor – процессоры цифровой обработки сигналов), основными
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
17. 17
производителями которых являются фирмы Texas Instruments, Analog
Devices, Motorola, NEC. Кроме DSP выпускаются микропроцессоры,
специализированные для передачи информации в системах коммуни-
кации – коммуникационные контроллеры, а также для обработки
графической информации, арифметические сопроцессоры и многие
другие.
Однокристальные микроконтроллеры (ОМК) являются
наиболее массовыми представителями микропроцессорной техники.
Интегрируя на одном кристалле высокопроизводительный процессор,
память и набор периферийных устройств, они позволяют с мини-
мальными затратами реализовать широкую номенклатуру систем
управления различными объектами и процессами.
Использование ОМК в системах управления и обработки ин-
формации обеспечивает исключительно высокие показатели эффек-
тивности при столь низкой стоимости, что им практически нет аль-
тернативной элементной базы для построения качественных и деше-
вых систем. Во многих применениях система может состоять только
из одного однокристального микроконтроллера. Исключением явля-
ется применение программируемых логических интегральных схем
(ПЛИС) в области обработки сигналов в том случае, когда требуется
параллельная обработка большого потока входных данных. Произ-
водством микроконтроллеров занимается огромное число фирм.
К сожалению, отечественная электронная промышленность,
также имевшая некоторые успехи в этой области, в настоящее время
утратила свои позиции среди производителей микропроцессоров.
При разработке современных электронных приборов российские спе-
циалисты используют в основном зарубежную элементную базу, ко-
торая стала доступной широкому кругу потребителей.
Среди микроконтроллеров, производящихся в России, следует
отметить микроконтроллеры серий 1816 и 1830, являющиеся анало-
гами контроллеров семейства MCS51.
Микропроцессоры характеризуются:
1) тактовой частотой, определяющей максимальное время вы-
полнения переключения элементов в ЭВМ;
2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно об-
рабатываемых двоичных разрядов (разрядность МП обозначается
m/n/k, где m - разрядность внутренних регистров, определяющая
принадлежность к тому или иному классу процессоров;
n - разрядность шины данных, определяющая скорость передачи ин-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
18. 18
формации; k - разрядность шины адреса, определяющая размер ад-
ресного пространства). Так, МП i8088 характеризуется значения-
ми m/n/k=16/8/20;
3) архитектурой (понятие архитектуры микропроцессора вклю-
чает систему команд и способы адресации, возможность совме-
щения выполнения команд во времени, наличие дополнительных
устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его ра-
боты).
Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.
Микроархитектура микропроцессора - это аппаратная организация и
логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схе-
мы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и
связывающие их информационные магистрали. Макроархитектура -
это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адреса-
ции и принципы работы микропроцессора.
В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное
представление машины в терминах основных функциональных моду-
лей, языка ЭВМ, структуры данных.
По назначению различают универсальные и специализирован-
ные микропроцессоры. Универсальные микропроцессоры могут быть
применены для решения широкого круга разнообразных задач. При
этом их эффективная производительность слабо зависит от проблем-
ной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его про-
блемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функ-
ций позволяет резко увеличить его эффективную производительность
при решении только определенных задач.
Среди специализированных микропроцессоров можно выделить
различные математические МП, предназначенные для повышения
производительности арифметических операций за счет применения,
например, матричных методов их выполнения, МП для обработки
данных в различных областях и т. д. С помощью специализиро-
ванных МП можно эффективно решать новые сложные задачи парал-
лельной обработки данных.
Так, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую
обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние
в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных: входных, передава-
емых формой сигнала, и фиксированных опорных и к определению их подобия.
Конволюция дает возможность в реальном масштабе времени находить соот-
ветствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными
эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
19. 19
полезный сигнал на фоне шума. Разработанные однокристальные конвольверы
используются в устройствах опознавания образов в тех случаях, когда возмож-
ности сбора данных превосходят способности системы обрабатывать эти дан-
ные.
По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифро-
вые и аналоговые микропроцессоры. Микропроцессоры могут иметь
встроенные АЦП и ЦАП, тогда входные аналоговые сигналы переда-
ются в МП через АЦП в цифровой форме, там обрабатываются по со-
ответствующей программе и после преобразования с помощью ЦАП
в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки
зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые
функциональные преобразователи сигналов и называются аналого-
выми микропроцессорами. Они выполняют функции любой анало-
говой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуля-
цию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов
в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложные схемы, состо-
ящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конден-
саторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессора
позволяет значительно повысить точность обработки аналоговых
сигналов, а также расширить функциональные возможности самого
МП путем программной "настройки" цифровой части микропроцес-
сора на различные алгоритмы обработки сигналов. Обычно в составе
однокристальных аналоговых МП имеется несколько каналов анало-
го-цифрового и цифро-аналогового преобразования. В аналоговом
микропроцессоре большое значение уделяется увеличению скорости
выполнения арифметических операций. Отличительная черта анало-
говых микропроцессоров - способность к переработке большого объ-
ема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и
умножения с большой скоростью при необходимости даже путем от-
каза от операций прерываний и переходов. Аналоговый сигнал, пре-
образованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном мас-
штабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме
через цифроаналоговый преобразователь. При этом согласно теореме
Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое
превышать верхнюю частоту сигнала.
Сравнение цифровых микропроцессоров производится сопо-
ставлением времени выполнения ими списков операций, аналоговых
микропроцессоров - по количеству эквивалентных звеньев аналого-
цифровых рекурсивных фильтров второго порядка. Производи-
тельность аналогового микропроцессора определяется его спо-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
20. 20
собностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрее
осуществляется умножение, тем больше эквивалентное количество
звеньев фильтра в аналоговом преобразователе и тем более сложный
алгоритм преобразования цифровых сигналов можно задавать в мик-
ропроцессоре. Одним из направлений дальнейшего совершенствова-
ния аналоговых микропроцессоров является повышение их универ-
сальности и гибкости, поэтому вместе с повышением скорости обра-
ботки большого объема цифровых данных будут развиваться сред-
ства обеспечения развитых вычислительных процессов обработки
цифровой информации путем применения аппаратных блоков преры-
вания программ и программных переходов.
По характеру временной организации работы микропроцессоры
делят на синхронные и асинхронные. У синхронных микропроцес-
соров начало и конец выполнения операций задаются устройством
управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от
вида выполняемых команд и величин операндов). Асинхронные
микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следую-
щей операции определить по сигналу фактического окончания вы-
полнения предыдущей операции. Для более эффективного использо-
вания каждого устройства микропроцессорной системы в состав
асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обес-
печивающие автономное функционирование устройств. Закончив ра-
боту над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал за-
проса, означающий его готовность к выполнению следующей опера-
ции. При этом роль естественного распределителя работ принимает
на себя память, которая в соответствии с заранее установленным
приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспече-
нию их командной информацией и данными.
По организации структуры микропроцессорных систем разли-
чают микроЭВМ одно- и многомагистральные. В одномагистральных
микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подклю-
чаются к единой информационной магистрали, по которой передают-
ся коды данных, адресов и управляющих сигналов.
В многомагистральных микроЭВМ устройства группами под-
ключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осу-
ществить одновременную передачу информационных сигналов по
нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем
усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
21. 21
По числу выполняемых программ различают одно- и многопро-
граммные микропроцессоры. В однопрограммных микропроцессо-
рах выполняется только одна программа. Переход к выполнению дру-
гой программы происходит после завершения текущей программы. В
много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно
выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ
2.2. Внутренняя архитектура микропроцессора
Основными внутренними компонентами МП являются [10,12-
16]: арифметико-логическое устройство, реализующее множество
арифметических и логических функций МП; узел синхронизации и
управления, воспринимающий и генерирующий внешние управля-
ющие сигналы; набор регистров для временного хранения кодов
команд, данных, адресов и информации о внутреннем состоянии
МП (рис.2.1).
Рис.2.1. Внутренняя организация микропроцессора
Содержимое некоторых из внутренних регистров МП может
быть изменено программным путем, другая их часть не доступна
Буфер ША
Регистр
команды
Дешифратор
команды
Схема синхронизации
и управления
РОН
SP
PCАЛУ
АккумуляторФлажки
Буфер ШД
ШУ ША
ШД
Внутренняя шина данных
ГТИ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
22. 22
программисту. Общее число внутренних регистров МП разных се-
мейств различно, как различны конкретные функции, выполняе-
мые ими. Тем не менее для всего многообразия внутренних реги-
стров МП характерны следующие наиболее важные их виды.
Регистр команды воспринимает код текущей команды с ши-
ны данных и осуществляет его хранение в течение всего времени ее
исполнении. Регистр команды не доступен программисту.
Для хранения данных и промежуточных результатов в МП ис-
пользуются программно-доступные рабочие регистры. Если все
рабочие регистры в составе МП позволяют непосредственно запи-
сывать в них результаты вычислений, выполненных АЛУ, их обычно
называют регистрами общего назначения (РОН). Если в МП имеется
всего лишь один такой специализированный регистр, его называют
аккумулятором.
Регистры для хранения адресов (указательные регистры) также
программно доступны. К указательным регистрам относятся про-
граммный счетчик (другое наименование — указатель команды), а
также регистры — указатели стека.
Программный счетчик (РС) обеспечивает хранение двоично-
го кода адреса ячейки памяти, где помещена команда, которую
предстоит выполнить процессору вслед за исполняемой им в дан-
ный момент командой.
Новый цикл выбора команды МП всегда начинается с того,
что на его шине адреса появляется содержимое РС, и очередная ко-
манда по этому адресу переписывается с шины данных в регистр
команд, после чего она поступает на дешифратор команды. Выходы
дешифратора подключены к узлу синхронизации и управления,
определяющему требуемое для выполнения этой команды направле-
ние передачи данных и реагирующему на внешние сигналы, по-
ступающие по шине управления от других устройств. В процессе ис-
полнения команды содержимое РС автоматически увеличивается.
Таким образом, в любой момент времени его содержимое представ-
ляет собой адрес очередной ячейки памяти, где может храниться ли-
бо следующая команда, либо дополнительные данные, привлекаемые
МП для исполнения данной команды.
Регистр — указатель стека SP используется для хранения
адреса последней использованной ячейки стека (области памяти, раз-
мер которой изменяется в процессе обработки). Работа стека органи-
зована по принципу "последним пришел — первым вышел". При за-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
23. 23
писи данных в стек содержимое регистра SP автоматически уменьша-
ется, и по этому адресу данные заносятся в память. При удалении
данных из стека они переписываются из ячейки, адрес которой хра-
нится в SP, после чего его содержимое автоматически увеличивается.
Таким образом, этот регистр всегда следит за положением вершины
стека (наиболее удаленной от начала стека ячейки памяти).
Информация об особенностях результата последней операции,
выполненной АЛУ (информация о внутреннем состоянии МП), хра-
нится в регистре флажков (другие его названия — регистр состоя-
ния, регистр кода условия). В микропроцессорной технике так обыч-
но называют простой набор триггеров, состояния которых зависят от
результатов операции АЛУ (строго говоря, простой набор отдельных
триггеров нельзя называть регистром, но применительно к МП это не
вызывает особых недоразумений). Каждый триггер в составе реги-
стра состояния устанавливается (или сбрасывается) при какой-то сво-
ей особенности результата в АЛУ (например, триггер нуля Z, пере-
полнения V, отрицательного результата N переноса С и др.). Регистры
состояния программно-доступны, причем программист может уста-
новить (или сбросить) каждый триггер в отдельности или одновре-
менно весь регистр.
Рассмотренные основные компоненты в составе МП связаны
между собой быстродействующей внутренней шиной данных, а его
внешние шины отделены от нее буферными каскадами, повышаю-
щими нагрузочную способность внешних шин. Отметим, что раз-
рядность МП определяется числом бит данных, обрабатываемых в
одной операции АЛУ, и всегда равна числу проводников внешней
шины данных. Объем адресуемой памяти МП зависит от провод-
ников внешней адресной шины. Нетрудно убедиться в том, что с
помощью адресной шины из N проводников МП можно передать
2N
различных двоичных адресов ячеек памяти. Всякому внешнему
устройству ввода/вывода также присваивается определенный адрес,
что позволяет МП осуществлять операции ввода/вывода подобно
обращению к обычной ячейке памяти.
Все операции в МП инициируются импульсами синхронизации
от внешнего (реже встроенного) генератора тактовых импульсов (ТГ),
стабилизированного кварцевым резонатором. По значению частоты
следования импульсов синхронизации в первом приближении
можно судить о быстродействии МП. При прочих равных условиях
оно тем больше, чем выше частота синхронизации. Первые образцы
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
24. 24
МП работали при частотах тактового генератора 2…4 МГц, для со-
временных МП типичны значения частоты порядка 1…3 ГГц и выше.
2.3. Универсальные микропроцессоры
Универсальные микропроцессоры (микропроцессоры общего
применения) [21] используются чаще всего в составе микроЭВМ.
Восьмиразрядные МП (например, такие широко распространен-
ные МП Intel 8080 и разработанные примерно в то же время МП
МС6800 фирмы "Motorola"; а также отечественный КР580ВМ80А
и более совершенные Iп1е1 8085, МС36502, Z80, МС6809 и другие)
выпускаются в виде больших интегральных схем (БИС) с 40 контактами
при двухстороннем расположении выводов. Их шина адреса содержит
16 проводников, поэтому они непосредственно могут адресоваться к
65536 ячейкам (64 кбайт). Все эти микропроцессоры при одинаковой
внутренней архитектуре различаются некоторыми конструктивными
особенностями, функциями и количеством программно-доступных
внутренних регистров и, как следствие этого, наборами используе-
мых команд. На их основе в 90-е годы изготавливали микроЭВМ, в
последнее время их используют иногда для создания сравнительно
простых контроллеров, хотя более оправдано использовать для этих
целей ОМК.
Шестнадцатиразрядные МП обычно имеют 64-контактный кор-
пус также с двухрядным расположением выводов. По сравнению с 8-
разрядными основные преимущества этих МП заключаются в расши-
рении набора команд, более быстром их исполнении и увеличенном
объеме адресуемой памяти (обычно 1 Мбайт и более).
Общепризнанным лидером на рынке 16-разрядных микропроцес-
соров считается фирма " Intel ". Популярные 16-разрядные МП
(например, открывшие эру ПЭВМ МП семейства Intel 8086 / 8088 и
более мощные 80186, 80286; отечественный МП КМ1810ВМ86 и дру-
гие) представляют собой не просто усовершенствованные описанные
МП (Intel 8080 / 8085), а содержат некоторые принципиальные реше-
ния в области разработки новых конфигураций универсальных и специ-
ализированных микропроцессоров, позволяющих значительно повы-
сить их быстродействие. Увеличение быстродействия в 16-разрядных
МП достигается путем улучшения организации процесса вычислений и
применения дополнительных аппаратных средств.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
25. 25
Среди архитектурных особенностей 16-разрядных МП отметим
несомненную находку, связанную с применением для более быстрого
исполнения команд принципа конвейеризации. Так называют специаль-
ную организацию работы МП, при которой каждая очередная команда
заносится в регистр команд не из памяти, а выбирается из очереди ко-
манд. Для этого перед регистром команды дополнительно включается
сверхбыстродействующий блок памяти, в который предварительно из
памяти переписываются несколько очередных команд (очередь ко-
манд). Длина очереди составляет 6 байт (для МП 8086) и 4 байта (для
МП 8088). Такой подход позволяет существенно повысить скорость
выполнения программы, сокращая простои быстродействующего про-
цессора в промежутках времени, когда производится относительно
более медленное обращение к памяти.
К дополнительным аппаратным средствам относят разработан-
ный фирмой Intel специализированный процессор 8087 (более совер-
шенный его вариант i80287) для ускоренного выполнения арифметиче-
ских операций (с большими числами). Он подключается к шинам адре-
са данных, а также к некоторым линиям шины управления и
действует как вспомогательный процессор (арифметический сопро-
цессор). Сопроцессор 8087 контролирует командный поток, и при об-
наружении специально зарезервированного кода команды он выполня-
ет, а основной МП игнорирует ее. Сопроцессор может с повышенной
точностью выполнять все арифметические операции и вычислять
значения таких сложных математических функций, как логарифмиче-
ские, тригонометрические и обратные тригонометрические функции;
возведение в степень; извлечение корня и др.
Сопроцессор не может работать изолированно от центрального
МП, но вместе они образуют тандем, обеспечивающий при числен-
ной обработке в 10- 50 раз более высокую производительность. Чтобы
сэкономить число внешних выводов ИС, в 16-разрядных МП часто
применяется описанное мультиплексирование шин данных и адреса.
Тридцатидвухразрядные МП имеют от 60 до нескольких сотен
контактов (МП Pentium — 296, Pentium Рго — 387 контактов), распо-
ложенных либо по всем четырем сторонам корпуса, либо в узлах пря-
моугольной сетки, нанесенной на его поверхность (матричное разме-
щение выводов). Как правило, шина адреса таких МП также состоит из
32 проводников, поэтому современные 32-разрядные МП обладают
большим диапазоном адресации памяти (4 Гбайт).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
26. 26
Об их исключительно высокой производительности можно су-
дить, хотя бы по типичным значениям частоты тактового генератора
(сотни МГц вместо10 МГц для лучших образцов 16-разрядных МП).
При разработке 32-разрядных МП описанные тенденции по
дальнейшему совершенствованию организации вычислительного про-
цесса получили свое дальнейшее развитие и привели к использова-
нию в них так называемой кэш-памяти и других дополнительных
средств управления памятью.
Кэш-памятью называют сверхбыстродействующую память
для хранения в ней наиболее часто адресуемых команд и данных.
Дело в том, что для большинства используемых программ харак-
терна тенденция частого обращения к одним и тем же адресам памяти,
и содержимое по этим адресам (вместе с самими адресами) заносит-
ся в кэш-память, которая либо встраивается в сам МП, либо помеща-
ется между МП и основной памятью.
При выполнении программы кэш-память определяет, не совпада-
ет ли запрашиваемый МП адрес с ее содержимым. При совпадении
(удачного "попадания") команда считывается из быстродейству-
ющей кэш-памяти без обращения к относительно медленной основ-
ной памяти.
При достаточно высоком проценте удачных попаданий дости-
гается заметное увеличение быстродействия всей систем Очевидно,
чем больше кэш-память, тем больше и удачных попаданий (объем
кэш-памяти современных МП может достигать сотен кбайт)
Дополнительные средства управления памятью обеспечивают
эффективное распределение областей памяти между различными про-
граммами (и их данными), а также их защиту от наложения друг на
друга. Обычно они встраиваются в сам МП или выполняются в виде
отдельных ИС.
Рассмотрим более подробно устройство и работу микропроцес-
сора [3] на примере простейшего МП i8080. На рис. 2.1 представле-
на внутренняя структура МП i8080, включающего 8-разрядное АЛУ
с буферным регистром и схемой десятичной коррекции, блок реги-
стров общего назначения, регистры указателя стека и счетчика ко-
манд , управляющий автомат, буферные схемы шин адреса и данных
и схему управления системой.
Внешний интерфейс представлен 8-разрядной двунаправленной
шиной данных D[7:0], 16-разрядной шиной адреса A[15:0] и группой
линий управления.
Назначение входных и выходных линий МП :
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
27. 27
D[7:0] - двунаправленная шина данных служит для приема и выдачи дан-
ных, приема команды, приема вектора прерывания, выдачи дополнительной
управляющей информации (слово PSW);
Рис. 2.1. Внутренняя структура МП i8080
A[15:0] - однонаправленная шина адреса служит для выдачи адреса памя-
ти и устройств ввода/вывода;
Ф1,Ф2 - сигналы тактового генератора частотой 1…2,5 МГц;
RESET - сброс (начальная установка и запуск программы с адреса 0000);
READY - входной сигнал готовности памяти или ВУ к обмену (обеспечи-
вает асинхронный режим обмена);
INT - запрос внешнего прерывания;
HOLD - захват шины (требование прямого доступа в память со стороны
ВУ);
WR - запись - выходной сигнал, определяющий направление передачи
информации по шине данных от процессора к памяти или ВУ;
RD - чтение - выходной сигнал, определяющий направление передачи
информации по шине данных от памяти или ВУ к процессору;
АЛУ
УА
HOLD
Внутренняя шина 8 бит
Буфер данных
DB[7:0]
W2 W3
D E
B C
H L
SP
PC
Инкр/Декр
Буфер адреса
16
16
AB[15:0]
A W2
АЛБ
Flags
Рг. команд
Управляющий
автомат
Ф1, 2
RESET
RD
READY
INT
WR
SYNC
WAIT
INTE
HLDA
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
28. 28
SYNC - выходной сигнал, идентифицирующий наличие на шине данных
дополнительной управляющей информации (PSW);
WAIT - выходной сигнал, отмечающий состояние ожидания или останова
МП;
INTE - выходной сигнал, подтверждающий режим внешних прерываний;
HLDA - выходной сигнал, подтверждающий режим прямого доступа в
память (подтверждение захвата).
МП работает в составе МПС, обмениваясь информацией с памя-
тью и ВУ. В основе работы МП лежит командный цикл (КЦ)- дей-
ствия по выбору из памяти и выполнению одной команды. В зависи-
мости от типа и формата команды, способов адресации и числа опе-
рандов командный цикл может включать различное число обращений
к памяти и ВУ и, следовательно, - иметь различную длительность.
Командный цикл начинается с извлечения из памяти первого байта
команды по адресу, хранящемуся в PC. Напомним, что команды i8080
имеют длину 1, 2 или 3 байта, причем в первом байте содержится ин-
формация о длине команды. В случае 2- или 3-байтовой команды ре-
ализуются дополнительные обращения к памяти по соседним (боль-
шим) адресам.
После считывания команды начинается ее выполнение, в про-
цессе которого может потребоваться еще одно или несколько обра-
щений к памяти или ВУ (чтение операнда, запись результата).
Для реализации команды МП i8080 может потребоваться от од-
ного до пяти обращений к памяти (ВУ). Хотя обращения к ЗУ/ВУ
располагаются в разных частях КЦ, выполняются они по единым
правилам, соответствующим интерфейсу МПС и реализовываются на
общем оборудовании управляющего автомата. Действия МПС по пе-
редаче в/из МП одного байта данных/команды называются машин-
ным циклом.
Командный цикл представляет собой последовательность ма-
шинных циклов (МЦ), причем КЦ i8080 может содержать от 1 до 5
МЦ, которые принято обозначать M1, M2,..M5. МЦ обязательно
включает действия по передаче байта информации. Кроме того, в не-
которых МЦ дополнительно реализуются действия по пересылке
и/или преобразованию информации внутри МП, поэтому длитель-
ность МЦ может быть различной – из-за различного числа содержа-
щихся в них машинных тактов (T1, T2,...).
Машинный такт образует пара сигналов тактового генератора,
поэтому длительность такта постоянна.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
