ЛЕКЦИЯ 20 Микропроцессоры и системы микропроцессоров Содержание

ЛЕКЦИЯ 20 Микропроцессоры и системы микропроцессоров

Содержание лекции • Память – Оперативная – Постоянная – Flash • Микропроцессор КР 580 (Intel 8080) – Архитектура – Схемотехника – Программирование

Что такое микроконтроллеры, микропроцессоры и сигнальные процессоры.

МП, СП и т. д. • По мере развития цифровых микросхем их быстродействие достигло впечатляющих результатов. Наиболее быстрые из цифровых микросхем обладают скоростью переключения порядка 3. . 5 нс. (серия микросхем 74 ALS), а внутри кристалла микросхемы, где нет больших ёмкостей нагрузки время переключения измеряется пикосекундами. Таким быстродействием обладают программируемые логические схемы и заказные БИС. В этих микросхемах алгоритм решаемой задачи заключён в их принципиальной схеме. • Часто для решаемой задачи не требуется такого быстродействия, каким обладают современные цифровые микросхемы. Однако за быстродействие приходится платить: – Быстродействующие микросхемы потребляют значительный ток. – Для решения задачи приходится использовать много микросхем, это выливается в стоимость и габариты устройства.

Универсальные микропроцессоры • Универсальные микропроцессоры используются для построения вычислительных машин. В них используются самые передовые решения по повышению быстродействия, не обращая особого внимания на габариты, стоимость и потребляемую энергию. В технике связи компьютеры используются для управления системами связи или устройствами связи, обладающими большими габаритами и стоимостью. Такие компьютеры называются контроллерами.

Микроконтроллеры • Для управления малогабаритными и дешёвыми устройствами связи используются однокристальные микро. ЭВМ, которые в настоящее время называются микроконтроллерами. В микроконтроллерах наоборот, максимальное внимание уделяется именно габаритам, стоимости и потребляемой энергии.

Сигнальные процессоры • Еще один класс микропроцессоров решает задачи, которые традиционно решала аналоговая схемотехника. Это сигнальные процессоры. К сигнальным процессорам предъявляются специфические требования. От них требуются максимальное быстродействие, малые габариты, легкая стыковка с аналого цифровыми и цифро аналоговыми преобразователями, большая разрядность обрабатываемых данных и небольшой набор математических операций, обязательно включающий операцию умножения накопления и аппаратную организацию циклов.

ПАМЯТЬ

Поговорим о ПАМЯТИ • Только Сисадмин, может попросить денег у директора. Не взаймы, не до получки А на Память!!!

Статические оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) • Схемы, в которых в качестве запоминающей ячейки используется параллельный регистр называется статической ОЗУ, т. к. информация в ней сохраняется все время, пока к микросхеме подключено питание. В отличие от статической ОЗУ в микросхемах динамического ОЗУ постоянно требуется регенерировать их содержимое, иначе информация будет испорчена. • В микросхемах ОЗУ присутствуют две операции: операция записи и операция чтения. Для записи и чтения информации можно использовать различные шины данных (как это делается в сигнальных процессорах), но чаще используется одна и та же шина данных. Это позволяет экономить выводы микросхем, подключаемых к этой шине и легко осуществлять коммутацию сигналов между различными устройствами.

Статические оперативные запоминающие устройства (ОЗУ)

Блок памяти на нескольких микросхемах

Постоянные запоминающие устройства • ПЗУ на базе мультиплексора

Создание ПЗУ • В реальных ПЗУ запись информации производится при помощи последней операции производства микросхемы металлизации. Металлизация производится при помощи маски, поэтому такие ПЗУ получили название масочных ПЗУ. Еще одно отличие реальных микросхем от упрощенной модели, приведенной выше это использование кроме мультиплексора еще и демультиплексора. Такое решение позволяет превратить одномерную запоминающую структуру в многомерную и, тем самым, существенно сократить объем схемы дешифратора, необходимого для работы схемы ПЗУ. Эта ситуация иллюстрируется следующим рисунком:

Формирование ПЗУ

ППЗУ • Такие микросхемы называются программируемыми ПЗУ (ППЗУ) и изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 6. В качестве примера можно назвать микросхемы 155 РЕ 3, 556 РТ 4, 556 РТ 8 и другие.

Принцип действия ППЗУ • ППЗУ С УФ стиранием Ячейка представляет собой МОП транзистор, в котором затвор выполняется из поликристаллического кремния. Затем в процессе изготовления микросхемы этот затвор окисляется и в результате он будет окружен оксидом кремния диэлектриком с прекрасными изолирующими свойствами. В описанной ячейке при полностью стертом ПЗУ заряда в плавающем затворе нет, и поэтому транзистор ток не проводит. При программировании микросхемы на второй затвор, находящийся над плавающим затвором, подаётся высокое напряжение и в плавающий затвор за счет тунельного эффекта индуцируются заряды. После снятия программирующего напряжения на плавающем затворе индуцированный заряд остаётся и, следовательно, транзистор остаётся в проводящем состоянии. Заряд на плавающем затворе может храниться десятки лет.

Арифметико логические устройства (АЛУ)

Арифметико логические устройства • Ранее были рассмотрены схемы, осуществляющие суммирование многоразрядных кодов. Однако кроме суммирования часто требуется осуществлять не только суммирование, но и вычитание двоичных кодов. Двоичные коды, при помощи которых можно записывать отрицательные числа уже рассматривались в предыдущих лекциях. Там же было показано, что при использовании дополнительных кодов операцию вычитания двух положительных чисел можно заменить операцией суммирования положительного и отрицательного числа, при этом получение отрицательного числа из положительного числа является элементарной операцией. Для этого необходимо проинвертировать число и прибавить к нему 1.

Арифметические операции • Беззнаковые • С учетом знака

Схема вычитателя числа A из числа B (В А) • Для совершения Операции вычитания достаточно инвертировать число А.

Микропроцессор

Структура МП • АЛУ –арифметико логическое устройство • УУ – устройство управления • УВВ – устройство ввода/вывода Центральный процессор АЛУ УВВ УУ Память

Ход выполнения операций МП 1 Поместить код команды в регистр команд Выполнение команды 4 3 2 Дешифрировать команду Увеличить на 1 содержимое счетчика команд (инкремента счетчика команд)

D 7 0 шина данных Буфер шины данных и регистр защёлка 8 битная внутренняя шина данных А регистр F регистр Регистр временно го хранения Регистр команд данных СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МП КР 580 ВМ 80 А Дешифра тор команд и схемы кодирова ния цикла АЛУ Регистр защёлка аккумулято ра Схема десятичной коррекции П И Т А Н И Е Yi +5 В +12 В Земля Устройство управления (УУ) Мультиплексор С х е м а В ы б о р к и Р е г и с т р а Регистр временно го хране ния дан ных W Регистр временно го хране ния данных Z Регистр B Регистр C Регистр D Регистр E Регистр H Регистр L Указатель стека SP Программный счётчик PC Схема инкремента /декремента регистр защёлка шины адреса Ф 1 Ф 2 WR SYNC DBIN HLCA WAIT INTE HOLD READY Буфер шины адреса RESET INT Линии шины управления А 15 0

Обозначение МП КР 580 ВМ 1

Микропроцессорный комплект Функциональное назначение и тип микросхемы Обозначение функционального аналога Технол огия Разрядность 1 2 3 4 5 8080 A n. МО П 8 FT ≤ 2, 5 МГц Программируемый синхрон но асинхрон ный передат чик 8251 n. МО П 5… 8 FT ≤ 2 МГц VОБМ=56 Кбит/c Программируе мый параллель ный интерфейс 8255 n. МО П 8, 4, 1 FT ≤ 2 МГц Программируе мый контрол лер прямого доступа к па мяти КР 580 ИК 57 8257 n. МО П Канал данных 8, адрес 16 FT ≤ 2 МГц Программируемое многорежимное вре менное устройство (таймер) 8233 n. МО П 8 FT ≤ 2 МГц Программируе мое устройст во управления прерываниями 8259 n. МО П С число запросов 8… 64 tздр. =500 нс. ЦПУ параллельной обработки данных Быстродействие

Микропроцессорный комплект Генератор, тактовых импульсов КР 580 ГФ 2 8224 ТТЛ Ш ▬ FT ≤ 27 МГц Контроллер электроннолучевой трубки КР 580 ВГ 75 8275 n. МО П 8 FT ≤ 3, 12 МГц Программируемый контроллер клавиатуры и индикации КР 580 ВВ 79 8279 n. МО П 8 FT ≤ 2 МГц Контроллер шин КР 580 ВГ 18 8218 ТТЛ Ш ▬ tздр. ≤ 100 нс. Системный контроллер и шинный формирователь КР 580 ВК 28 8228 ТТЛ Ш 8 tздр. ≤ 60 нс. Буферные регистры КР 580 ИР 83 8283 ТТЛ Ш 8 tздр. ≤ 45 нс. Шинные формирователи КР 580 ВА 86 8286 ТТЛ Ш 8 tздр. ≤ 30 нс.

Построение ЭВМ

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ЭВМ Системная шина процессора предназначена для обмена информацией микропроцессора с любыми внутренними устройствами микропроцессорной системы. качестве обязательных устройств, которые входят в состав любой микропроцессорной системы, можно назвать ОЗУ, ПЗУ, таймер и порты ввода вывода. Структурная схема микропроцессорного устройства приведена на рисунке 1. В состав системной шины в зависимости от типа процессора входит одна или несколько шин адреса, шины данных и шина управления. Несколько шин данных и адреса применяется для увеличения производительности процессора и используется в сигнальных процессорах. В универсальных процессорах и контроллерах обычно применяется одна шина адреса и одна шина данных.

Структура с прямым обращением Центральный процессор Каналы ввода вывода Мультиплексный Селекторный Канал (типа I) канал (типа II) Память

Магистральная структура ЭВМ Центральны й процессор Память Устройство вводавывода Системная магистраль (Шина)

Системная шина

Адресное пространство микропроцессорного устройства. • Адресное пространство микропроцессорного устройства изображается графически прямоугольником, одна из сторон которого представляет разрядность адресуемой ячейки этого микропроцессора, а другая сторона весь диапазон доступных адресов для этого же микропроцессора. Обычно в качестве минимально адресуемой ячейки памяти выбирается восьмиразрядная ячейка памяти (байт). Диапазон доступных адресов микропроцессора определяется разрядностью шины адреса системной шины. При этом минимальный номер ячейки памяти (адрес) будет равен 0, а максимальный определяется из формулы:

Адресное пространство микропроцессорного устройства. • Для шестнадцатиразрядной шины это будет число 65535 (64 K). Адресное пространство этой шины и распределение памяти микропроцессорной системы, изображённой на рисунке 1, приведено на рисунке 2, а распределение памяти микропроцессорной системы, изображённой на рисунке 1, приведено на рисунке

Подключение внешних устройств к микропроцессору • Внешними устройствами называются любые устройства, которыми управляет или которым передает информацию микропроцессор или устройства от которых он получает информацию. В качестве внешних устройств может выступать принтер или дисплей клавиатура или модем, но для устройств связи в качестве внешних устройств чаще выступают микросхемы приемников, передатчиков (в том числе построенные на базе сигнальных процессоров), синтезаторов частоты или электрически стираемые постоянные запоминающие устройства. • Согласование микросхем между собой не представляет трудностей, так как практически все современные микросхемы по входу и выходу согласованы с TTL уровнями. Если же это не так, то для согласования нестандартных уровней с TTL уровнями выпускаются специальные микросхемы. Несколько иначе обстоит дело с индикаторами и различными исполнительными устройствами.

Подключение устройств вывода • В качестве простейшего индикатора рассмотрим светодиодный индикатор. Схема подключения такого индикатора показана на рисунке 1. Транзистор служит для увеличения тока параллельного порта, при помощи которого микропроцессор зажигает и гасит светодиодный индикатор. Кроме того, транзистор позволяет согласовать уровни напряжения, необходимые для работы цифровых микросхем, к которым относятся и микропроцессорные устройства и уровни напряжения, необходимые для работы светодиодного индикатора. Гальванической развязки транзисторный ключ не обеспечивает.

Подключение устройств ввода • При считывании информации из внешнего устройства возникают аналогичные проблемы. Источники дискретной информации могут иметь различную физическую природу. Они могут находиться на значительном расстоянии от контроллера, иметь различное напряжение питания, но их данные должны быть надежно введены в микропроцессор.

Принципы построения таймеров • аймеры предназначены для формирования временных интервалов, позволяя микропроцессорной системе работать в режиме реального времени. • Таймеры представляют собой обычные цифровые счётчики, которые подсчитывают импульсы от высокостабильного генератора частоты. К системной шине микропроцессора таймеры подключаются при помощи параллельных портов.

Программирование • • Главной задачей проектирования микропроцессорных систем становится разработка программных средств, т. е. прикладных программ. Особое внимание уделяется при программировании МПС языку ассемблера. Главное его достоинство заключается в том, что он допускает представление всех элементов программы в символической (буквенно цифровой) форме. В общем случае преобразование символических наименований языка ассемблера в понятные машине двоичные коды возлагается на специальную программу, называемую ассемблирующей программой или ассемблером. Таким образом, ассемб лер это программа, которая переводит программу, написанную на языке ассемблера на язык машинных кодов. Язык ассемблера ЭВМ того или иного типа нередко также называют ассемблер. Чтобы разделить эти два понятия, в случае, когда речь идет о програм ме будем писать ассемблер (строчные буквы), а вместо слов "язык ассемблера" АССЕМБЛЕР (прописные буквы).

Ассемблер • Ассемблерные программы записываются в виде последовательно сти команд, называемых также операторами или предложениями ассемблера. Каждый оператор записывается в одной строке, имеющей че тыре поля: – – поле метки; поле мнемоники операции; поле операндов; комментарии.

Текст программы • Поля отделяются друг от друга, как правило, пробелами, а поле комментариев отделяется от поля операндов символом “; ”. Для удобства чтения ассемблерных программ применяется формат с фиксированными полями, и комментарии даются на русском языке.

Пример • Заменить число, хранящееся в ячейке с адресом 0200 Н, на то же число в дополнительном коде: • LXI H, 0200 Н • MOV A, H • CMA • INR A • MOV M, A

ПРОГРАММИРОВАНИЕ МП Кол-во так тов Флаги ZSPC Команда Код Комментарий 13 --- LDA адрес 3 A Загрузить “A” из ячейки памяти 13 --- STA адрес 32 Послать “A” в ячейку памяти 7 --- LDAX B 0 A Загрузить “A” адреса(BC) 7 --- STAX B 02 Послать “A” по адресу (BC) 7 --- STAX D 12 Послать “A” по адресу (DE) A B C D E H L M из Загрузить “A” из регистра 5(7) --- MOV A, рег. 7 F 78 79 7 A 7 B 7 C 7 D 7 E 5(7) --- MOV B, рег. 47 40 41 42 43 44 45 46 “B” 5(7) --- MOV C, рег. 4 F 48 49 4 A 4 B 4 C 4 D 4 E “C” 5(7) --- MOV D, рег. 57 50 51 52 53 54 55 56 “D” 5(7) --- MOV M, рег. 77 70 71 72 73 74 75 -- “M” 7(10) --- MVI 3 E 06 0 E 16 1 E 26 2 E 36 Загрузить число в регистр рег. , числ о

ПРОГРАММИРОВАНИЕ МП Кол-во такт ов Флаги ZSPC Команда Код Комментарий A B C D E H L M 4(7) xxxx ADD рег. 87 80 8 82 1 83 84 85 86 ‘A’+регистр 4(7) xxxx ADC рег. 8 F 88 8 8 A 9 8 B 8 C 8 D 8 E ‘A’+рег. +перенос 4(7) xxxx SUB рег. 97 90 9 92 1 93 94 95 96 ‘A’-регистр 4 ---x RAR 1 F сдвиг “A” вправо; C─> A 7, A 0─>C 4 ---x RRC 0 F сдвиг “A” вправо; C─> A 7, A 0─>C 5 --- INX B 03 “BC” +1 5 --- INX D 13 “DE” +1 5 --- INX H 23 “HL” +1 5 --- INX SP 33 “SP” +1 5 --- DCX B 0 B “BC” ─1 5 --- DCX D 1 B “DE” ─1 5 --- DCX H 2 B “HL” ─1 5 --- DCX SP 3 B “ SP” ─1

ЛИТЕРАТУРА 1. Мирский Г. Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. М. : Радио и связь, 1984. 2. Каган Б. М. , Сташин В. В. Основы проектирования микропро цессорных устройств автоматики. М. : Энергоатомиздат, 1987. 3. Григорьев В. Л. Программное обеспечение микропроцессорных систем. М. : Энергоатомиздат, 1983. 4. Балашов Е. П. , Пузанков Д. В. Микропроцессоры и микропро цессорные сиетемы. М. : Радио и связь, 1981. 5. Микропроцессоры. Кн. 1, 3 /Под ред. Л. П. Преснухина. Мн. : Высшая школа, 1986. . : ; : 6. Микро ЭВМ "УМК". Эксплуатационная документация. Альбом , I. ; 7. Микро ЭВМ. /Под ред. А. Дирксена. М. : Энергоиздат, 1982. 8. Гуртовцев А. Л. , Гудыменко Программы для микропроцес соров. Справочное пособие. Мн. : Вышэйшая школа, 1989. 9. Майоров В. Г. , Гаврилов А. И. Практический курс программирования микропроцессорных систем. М. : Машиностроение, 1989. http: //www. sibsutis. ru/~mavr/cont. CU. htm