Лекция 2 Классификация микропроцессоров



УЧЕБНО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

МДК 02.01 МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ

Профессионального модуля

ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ, УСТАНОВКА И НАСТРОЙКА ПЕРИФЕРИЙНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

 (профессиональный цикл)

основной профессиональной образовательной программы

среднего профессионального образования

ГБОУ СПО ВО «Владимирский авиамеханический колледж»

по специальности среднего профессионального образования

 

Компьютерные системы и комплексы

 

по программе базовой подготовки

Владимир 2018

Одобрено цикловой комиссией «Программного обеспечения и компьютерных систем»

 

Разработано на основе ФГОС СПО по специальности 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы

 

 

 

«

16

»

апреля

2018 г.

 

 

 

Протокол №

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Председатель

 цикловой комиссии ПО и КС

 

 

Заместитель директора по учебной работе

 

 

 

 

 

 

А.Е.Петров

      О.В.Крючкова
                           

 

Автор: С.А.Воронова – преподаватель ГБОУ СПО ВО «ВАМК»


СОДЕРЖАНИЕ

 

Тема 1 Архитектура микропроцессорных систем......................................... 4

Лекция 1 Архитектура и структура микропроцессора.............................. 4

Лекция 2 Классификация микропроцессоров............................................. 9

Лекция 3 Архитектура микропроцессора КР580ВМ80А........................ 15

Лекция 4 Алгоритм функционирования микропроцессора..................... 21

Лекция 5 Команды микропроцессорного устройства.............................. 25

Лекция 6 Регистровая структура универсального микропроцессора..... 37

Лекция 7 Физическая и логическая организация адресного пространства 45

Лекция 8 Организация и принципы работы кэш-памяти......................... 52

Лекция 9 Аппаратные средства защиты информации в микропроцессоре 60

Лекция 10 Мультипрограммный режим работы микропроцессора....... 68

Лекция 11 Мультипрограммный режим работы микропроцессора....... 77

Лекция 12 Прерывания.............................................................................. 80

Тема 2 Архитектура микропроцессоров..................................................... 91

Лекция 13 Структура микропроцессорной системы................................ 91

Лекция 14 Конвейерная организация микропроцессора....................... 102

Лекция 15 Структура и особенности архитектуры МП Pentium 4........ 115

Лекция 16 Основные направления развития архитектуры МП............. 126

Лекция 17 Микропроцессоры с архитектурой....................................... 135

Лекция 18 Многопроцессорные и многомашинные ВС......................... 143

Лекция 19 Архитектура однокристального микроконтроллера........... 155

Лекция 20 Построение микропроцессорных систем на основе однокристальных микроконтроллеров.............................................................. 166

 

 


Тема 1 Архитектура микропроцессорных систем

 

Лекция 1 Архитектура и структура микропроцессора

Цель лекции: знакомство с архитектурой микропроцессоров, отличительными чертами микропроцессоров.

 

Основные понятия и характеристики архитектуры микропроцессоров .

Микропроцессор (МП) - это программно управляемое устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки и выполнено в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).

Понятие большая интегральная схема в настоящее время четко не определено. Ранее считалось, что к этому классу следует относить микросхемы, содержащие более 1000 элементов на кристалле. И действительно, в эти параметры укладывались первые микропроцессоры. Например, четырехразрядная процессорная секция микропроцессорного комплекта К584, выпускавшегося в конце 1970-х годов, содержала около 1500 элементов. Сейчас, когда микропроцессоры содержат десятки миллионов транзисторов и их количество непрерывно увеличивается, под БИС будем понимать функционально сложную интегральную схему.

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, основу которой составляет микропроцессор.

Микропроцессор характеризуется большим количеством параметров и свойств, так как он является, с одной стороны, функционально сложным вычислительным устройством, а с другой - электронным прибором, изделием электронной промышленности. Как средство вычислительной техники он характеризуется прежде всего своей архитектурой, то есть совокупностью программно-аппаратных свойств, предоставляемых пользователю. Сюда относятся система команд, типы и форматы обрабатываемых данных, режимы адресации, количество и распределение регистров, принципы взаимодействия с оперативной памятью и внешними устройствами (характеристики системы прерываний, прямой доступ к памяти и т. д.). По своей архитектуре микропроцессоры разделяются на несколько типов, изображенных на рисунке 1.1.

Универсальные микропроцессоры предназначены для решения задач цифровой обработки различного типа информации от инженерных расчетов до работы с базами данных, не связанных жесткими ограничениями на время выполнения задания. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. К нему относятся такие известные микропроцессоры, как МП ряда Pentium фирмы Intel и МП семейства Athlon фирмы AMD.

 

 

 

 


Рисунок 1.1 – Классификация микропроцессоров

 

 

Основные характеристики микропроцессоров:

- разрядность: определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за один такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ).

Разрядность МП обозначается m/n/k/ и включает:

m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;

- тактовая частота, определяющая максимальное время переключения элементов в ЭВМ;

- виды и форматы обрабатываемых данных;

- система команд, режимы адресации операндов;

- емкость прямоадресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса;

- частота внешней синхронизации. Для частоты синхронизации обычно указывается ее максимально возможное значение, при котором гарантируется работоспособность схемы. Для функционально сложных схем, к которым относятся и микропроцессоры, иногда указывают также минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. В то же время в тех применениях МП, где не требуется высокое быстродействие, снижение частоты синхронизации - одно из направлений энергосбережения. В ряде современных микропроцессоров при уменьшении частоты он переходит в <спящий режим>, при котором сохраняет свое состояние. Частота синхронизации в рамках одной архитектуры позволяет сравнить производительность микропроцессоров. Но разные архитектурные решения влияют на производительность гораздо больше, чем частота;

- производительность: определяется с помощью специальных тестов, при этом совокупность тестов подбирается таким образом, чтобы они по возможности покрывали различные характеристики микроархитектуры процессоров, влияющие на производительность.

Назначение микропроцессоров

Микропроцессор выполняет следующие функции:

- выборку команд программы из основной памяти;

- дешифрацию команд;

- выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах;

- управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода;

- отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств;

- управление и координацию работы основных узлов МП.

Обобщенная структура микропроцессора изображена на рисунке 1.2.

 

Рисунок 1.2 – Обобщенная структура микропроцессора

 

Устройство управления (УУ) предназначено для реализации выборки команд, их дешифрации, и на основе этого – для управления обменом и обработкой информации путем генерации последовательности управляющих сигналов.

Операционное устройство (ОУ) служит для обработки цифровой информации (арифметические и логические операции, сдвиги, анализ чисел и т.п.).

Основным элементом для хранения информации внутри процессора являются регистры, которые выполняют функцию сверхоперативного ОЗУ с минимальным временем записи и считывания.

Регистр команд РгК (англ. IR - insructionregister) используется для фиксации кода команды после считывания ее из памяти. Как правило, в этом регистре фиксируется лишь код операции (КОП) - часть кода команды, определяющая выполняемое действие и способ адресации операндов (см. ниже).

Регистры операндов служат для хранения данных в процессе их обработки, позволяют избегать постоянных обращений к памяти. В современных процессорах количество регистров операндов может достигать 10-15 штук. По сути, они образуют внутреннюю память процессора.

В однокристальных микроконтроллерах количество регистров операндов доведено до нескольких десятков, и применительно к ним вводится понятие регистрового файла. Некоторые из регистров операндов могут использоваться также для хранения или формирования адресов других операндов, т.е. на их основе реализуется механизм косвенной адресации данных в памяти (см. ниже). Данные, размещенные в регистрах операндов, поступают на обработку в арифметико-логическое устройство (АЛУ). В некоторых типах процессоров один из регистров операндов всегда является и приемником результата операции в АЛУ – такой регистр принято называть регистром-аккумулятором. Процессоры, в которых принята схема выполнения операций в виде:

<аккумулятор> (операция) <операнд> Þ <аккумулятор>, называются процессорами с аккумуляторно-ориентированной структурой

Счетчик команд (англ. PC - programmingcounter) – регистр, в котором при выборке или выполнении текущей команды формируется адрес следующей команды. Модификация содержимого регистра PC – это средство управления последовательностью выборки команд из памяти и, следовательно, управления ходом вычислительного процесса (т.е. реализация ветвлений в алгоритмах).

Указатель стека (англ. SP - stackpointer ) – регистр, в котором при выполнении программы хранится адрес границы той области памяти, для которой программист использует принцип последовательного доступа к данным (так называемый протокол работы со стеком).

Регистр адреса – регистр, в котором формируется адрес любого устройства, внешнего по отношению к процессору (ячейки памяти или порта ввода-вывода), перед обращением к этому устройству. Данный регистр необходим, поскольку источником адресной информации могут являться различные регистры процессора. При этом регистр адреса играет роль накапливающего буфера, из которого адресная информация выдается на внешнюю шину адреса.

Регистр признаков (англ. F - flags) – это элемент внутренней памяти, в котором в виде отдельных битов фиксируются признаки, характеризующие результат операции, выполненной в АЛУ (нулевой результат, переполнение разрядной сетки и т.п.).

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – функциональный блок процессора, предназначенный для реализации действий по обработке данных.

Результат операции, выполненной в АЛУ, заносится в один из регистров или пересылается в память (в зависимости от команды). В регистре признаков автоматически формируются признаки, характеризующие этот результат.

Функционирование процессора всегда синхронизируется от внешнего генератора тактовых импульсов (ГТИ). Именно под влиянием импульсов от ГТИ устройство управления процессора автоматически реализует действия, связанные с выборкой команд из памяти и их дешифрацией.

Выполнение команды всегда занимает некоторое количество периодов тактовой частоты и состоит из последовательности элементарных действий процессора (выборка команды, чтение операнда, вычисление в АЛУ). Эти элементарные действия называют машинными циклами (МЦ). В течение каждого МЦ происходит генерация строго определенной комбинации управляющих сигналов для соответствующих узлов процессора и всей вычислительной системы.

 

Контрольные вопросы:

1. Какие основные характеристики микропроцессора?

2. Какие основные узлы микропроцессора?

3. Назовите назначение составных частей микропроцессора.

4. Назовите функции, выполняемые микропроцессором.

 

Лекция 2 Классификация микропроцессоров

Цель лекции: знакомство с отличительными чертами микропроцессоров различных типов архитектуры, классификацией микропроцессоров.

 

Функциональная классификация микропроцессоров изображена на рисунке 2.1.

 

Рисунок 2.1

 

Микропроцессоры с аппаратным принципом управления характеризуются фиксированной разрядностью шин адреса и данных и неизменяемой системой команд. Последняя характеристика подразумевает, что набор возможных элементарных действий процессора образует конечное фиксированное множество, причем каждому действию соответствует конкретный управляющий код – код команды. Указанное свойство определяется тем, что в состав процессора входит блок дешифрации команд, функционирующий по жесткой аппаратной логике.

Микропроцессорный комплект (МПК) - набор СБИС и БИС с общими конструктивно-технологическими принципами и электрическими характеристиками (уровни сигналов, быстродействие), предназначенных для построения функционально полнофункциональной микропроцессорной системы (МПС) для задач вычислений или управления.

В состав МПК входят: центральный процессор (ЦП), или микропроцессор, арифметический сопроцессор - средство эффективной реализации вычислительных действий под управлением ЦП, а также контроллеры периферийных функций с программной настройкой режимов: порты параллельной и последовательной связи, таймеры - средства реализации временных интервалов, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти. Микросхемы ПЗУ и ОЗУ не входят в состав МПК и образуют самостоятельные функциональные группы.

Универсальные микропроцессоры ориентированы на использование в различных вычислительных, информационных и управляющих системах, в которых требуется обработка больших объемов информации (например, для цифровой обработки изображений, управления базами данных, визуализации данных оператору или экипажу), но нет специальных требований к архитектуре вычислителя, большому количеству средств УСО (устройства связи с объектом), габаритным размерам и энергопотреблению. Схема универсального микропроцессора приведена на рисунке 2.2. Универсальность микропроцессора подразумевает как широкую сферу использования, так и типовую структуру вычислительной системы.

 

Рисунок 2.2

 

Универсальные микропроцессоры принято разделять на CISC - и RISC- микропроцессоры.

CISC-микропроцессоры (Completed Instruction Set Computing - вычисления с полной системой команд) имеют в своем составе весь классический набор команд с широко развитыми режимами адресации операндов. Именно к этому классу относятся, например, микро процессоры типа Pentium. В то же время RISC-микропроцессоры (reduced instruction set computing - вычисления с сокращенной системой команд) используют, как следует из определения, уменьшенное количество команд и режимов адресации. Здесь прежде всего следует выделить такие микропроцессоры, как Alpha 21x64, Power PC. Количество команд в системе команд - наиболее очевидное, но на сегодняшний день не самое главное различие в этих направлениях развития универсальных микропроцессоров. Другие различия мы будем рассматривать по мере изучения особенностей их архитектуры.

Однокристальный микроконтроллер (МК)представляет собой микропроцессорную систему, реализованную на одном кристалле СБИС. Типичная архитектура МК включает в себя собственно процессор, генератор тактовых импульсов (ГТИ), блоки памяти (ОЗУ и ПЗУ), порты ввода-вывода, таймеры, контроллер прерываний. Функциональные возможности этих блоков ниже, чем у соответствующих специализированных БИС из МПК. Основными достоинствами МК являются конструктивное и схемотехническое единство всех блоков, общий электрический интерфейс, удобство программной настройки режимов работы всех подсистем. Благодаря этому микроконтроллеры являются популярным средством для построения встраиваемых цифровых управляющих систем.

Однокристальные микроконтроллеры (ОМК или просто МК) предназначены для использования в системах промышленной и бытовой автоматики. Они представляют собой большие интегральные схемы, которые включают в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор (как правило, целочисленный), ЗУ команд, ЗУ данных, генератор тактовых сигналов, программируемые устройства для связи с внешней средой (контроллер прерывания, таймеры- счетчики, разнообразные порты ввода/вывода), иногда аналого- цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т. д. В некоторых источниках этот класс микропроцессоров называется однокристальными микро-ЭВМ (ОМЭВМ).

В настоящее время две трети всех производимых микропроцессорных БИС в мире составляют МП этого класса, причем почти две трети из них имеет разрядность, не превышающую 16 бит.

Отличительные особенности архитектуры однокристальных микроконтроллеров:

- физическое и логическое разделение памяти команд и памяти данных (гарвардская архитектура), в то время как в классической неймановской архитектуре программы и данные находятся в общем запоминающем устройстве и имеют одинаковый механизм доступа;

- упрощенная и ориентированная на задачи управления система команд: в МК, как правило, отсутствуют средства обработки данных с плавающей точкой, но в то же время в систему команд входят команды, ориентированные на эффективную работу с датчиками и исполнительными устройствами, например, команды обработки битовой информации;

- простейшие режимы адресации операндов.

 

МК для задач логического управления, схема которого изображена на рисунке 2.3, - логические процессоры- имеют специальные аппаратные расширения (память с битовой адресацией, порты с индивидуальной настройкой каждой линии) и расширенный набор команд логической обработки данных. В современных разработках широкое применение нашли МК серии К1816 (аналог Intel MCS-51), а также AVR - и PIC-контроллеры. Существуют также многочисленные расширения стандартного MCS-51 – с повышенным быстродействием, увеличенными объемами памяти и набором функций.

 

 

Рисунок 2.3

 

Аналоговые процессоры для обработки сигналов –включают в себя, кроме типовых блоков МК, включают в себя многоканальные АЦП и ЦАП, блоки формирования управляющих импульсов (например, ШИМ-импульсов). Такой процессор представляет собой интегрированную систему обработки аналоговой информации в цифровом виде.

Еще одна разновидность МК – конвейерные сигнальные процессоры, содержащие конвейеры для реализации алгоритмов цифровой фильтрации данных и обработки изображений. Такие алгоритмы состоят из последовательности операций умножения и суммирования. Конвейер представляет собой набор однотипных блоков для выполнения операций умножения-суммирования, включенных последовательно друг за другом. Таким образом, результат выполнения операции в одном блоке автоматически является входными данными для следующего блока. Применение конвейерной обработки позволяет выдавать на каждом такте работы системы очередной результат вычислений. Пример простейшей структуры сигнального процессора приведен на рисунке 2.4.

 

 

Рисунок 2.4


Особенность микропроцессора данного типа состоит в том, что в его состав входит блок аппаратного умножения (MUL), который совместно с арифметико-логическим устройством (ALU) и сдвигающими регистрами (SHIFTER) образует блок для эффективной реализации вычислений по алгоритмам цифровой фильтрации данных.

МП с микропрограммным принципом управления конструктивно выполняют в виде секций БИС малой разрядности, имеющих средства для наращивания разрядности обрабатываемых данных. Для подобных МП в принципе отсутствует понятие системы команд. Действия процессора на тот или иной управляющий код (считанный из памяти код команды) определяются программистом путем настройки специального блока или БИС - блока микропрограммного управления. Таким образом, разработчики системы могут сформировать систему команд, ориентированную на эффективное решение определенного круга задач. Существенным недостатком подобных систем является громоздкость аппаратных модулей на их основе, а также необходимость написания программного обеспечения буквально в машинных кодах, что затрудняет разработку.

 

Контрольные вопросы:

1. Какие типы микропроцессоров ориентированы на использование в различных вычислительных, информационных и управляющих системах, в которых требуется обработка больших объемов информации ?

2. Какие из типов микропроцессоров характеризуются фиксированной разрядностью шин адреса и данных и неизменяемой системой команд?

3. Какой функциональный тип микропроцессора предназначен для построения полнофункциональной микропроцессорной системы?

4. Какой микропроцессор имеет специальные аппаратные расширения (память с битовой адресацией, порты с индивидуальной настройкой каждой линии) и расширенный набор команд логической обработки данных?

 

 


Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 537;