Лекция 9 Универсальные микропроцессоры и МПК Лектор Люличева

Лекция 9 Универсальные микропроцессоры и МПК Лектор: Люличева И. А. 1

Рассматриваются вопросы n n n Краткая история МП. Обзор фирмы, выпускающих МП и МК. Структурная схема МП 8086. Структура и шинная огранизация микропроцессорной системы. Интерфейсные БИС. 2

Краткая история МП фирмы Intel n n n Микропроцессоры фирмы Intel в значительной мере определяют направление развития компьютерной техники. Каждые несколько лет фирма Intel демонстрирует новые прорывы в своей технологии. Производство микропроцессоров фирмы Intel началось с 4 -разрядного микропроцессора 4004 (1971), ориентированного на применения в микрокалькуляторах. Позднее фирма Intel разработала 8 -разрядные микропроцессоры 8008 (1972), 8080 (1974) и 8085 (1976), для построения небольшого компьютера. В 1978 был выпущен 16 -разрядный микропроцессор 8086 и в 1980 – первый ПК на его основе. За ним - 80286. 3

История появления МП фирмы Intel n n n В середине 1980 хх появились 32 - разрядные процессоры 80386 (1985) и 486 SX (1989), которые могли адресовать до 4 Г памяти и выполнять несколько задач одновременно. Процессор 486 DX имел дополнительно встроенные кэш-память первого уровня и устройство обработки чисел с плавающей точкой. Следующие процессоры фирмы Intel - 64 - разрядную шину данных, возможность обработки нескольких инструкций одновременно и набор дополнительных регистров и инструкций. Речь идет о процессорах Pentium, Pentium MMX, Pentium VI и последующих. 4

Фирмы, выпускающие МП n n Группой конкурентов фирмы Intel являлись фирмы, которые выпускали микропроцессоры, совместимые по системе команд с процессорами фирмы Intel, это были фирмы AMD, Cyrix, Nexgen и много других. Большинство из этих фирм сначала выпускали копии микропроцессоров 80386 по лицензии фирмы Intel. Эти процессоры имеют Cisc- архитектуру и совместимы по системе команд с МП 8086 снизу вверх. n 5

Конкуренция Intel и AMD n n Конкуренция Intel и AMD выходит на новый виток Несмотря на весьма широкий ассортимент продукции, предлагаемый Intel и AMD, именно х86 процессоры сделали их столь известными на мировой арене, и именно процессоры являются основным предметом конкуренции. На протяжении многих лет эти компании успешно участвуют в гонке по наращиванию производительности своих чипов, не оставляя шансов другим игрокам рынка. 6

Конкуренция Intel и AMD n n n Конкуренция Intel и AMD выходит на новый виток На рынке настольных решений конкурентная борьба между Intel и AMD не меньше, чем на рынке серверов, точнее сказать, даже больше. Впрочем, пока еще двухъядерные настольные процессоры могут заинтересовать разве только геймеров и энтузиастов, поэтому едва ли такие процессоры будут поначалу играть ключевую роль в бизнесе обеих компаний. Но учитывая темпы развития технологий, очевидно, очень скоро двухъядерные чипы потеснят свои одноядерные аналоги и на рынке настольных систем. 7

Конкуренция Intel и AMD n n n Новым оружием в противоборстве стали двухъядерные процессоры: Athlon 64 X 2 и Sempron от AMD и Intel Core 2 от Intel. Обе стороны, как уже упоминалось, имеют своих верных приверженцев и противников. И пожалуй, общий итог - ничья. Неизвестно, как развивалась бы история Intel, не имей она вечно наступающего на пятки конкурента в лице AMD. И что бы делала AMD, если бы не было Intel и она не начала бы продажу клонов Intel’овских процессоров… Как бы там ни было, обе компании прошли длинный путь, дожили до наших дней и продолжают конкурировать, судиться и поставлять миру новые технологии. 8

Конкуренция Intel и AMD n AMD против Intel - конкуренция возобновляется 08. 10. 2008 [11: 16], Александр Бакаткин Ни для кого сегодня не секрет, что второй по объему выпускаемой продукции производитель центральных процессоров в мире, компания AMD, испытывает серьезные затруднения в связи с финансовым кризисом. В связи с этим чипмейкер уже продал принадлежащее ему подразделение по разработке решений (интегральных микросхем, процессоров, управляющей логики) для телевизионных систем. 9

Конкуренция Intel и AMD n n n AMD официально объявила о создании новой компании, главной задачей которой станет изготовление полупроводниковых устройств, а в качестве основного партнера выступит Advanced Technology Investment Company (ATIC) из Абу-Даби, последняя принадлежит правительству Абу-Даби и Объединенных Арабских Эмиратов. Первоначально планируется выплатить AMD $1, 2 млрд, которые частично пойдут и на выплату долга компании - общая сумма долга AMD на данный момент составляет около $5, 4 млрд, так что после завершения сделки эта величина разом снизится до $3, 3 млрд. Разумеется, наиболее интересным выглядят перспективы обновленной AMD, ведь столь существенные финансовые вливания позволят компании, по крайней мере на некоторое время, переключиться с задач по выходу из кризиса на непосредственное усиление собственных позиций на мировом рынке. Это означает возобновление реальной конкуренции между AMD и Intel за рынок, что должно только радовать конечного потребителя. Ведь после поглощения ATI дела у чипмейкера идут далеко не лучшим образом, и задержки с выпуском процессоров Barcelona только усугубили ситуацию, сделав невозможным на равных бороться с конкурирующими решениями Intel. 10

Фирмы, выпускающие МП n Complex Instruction Set Computers означает - устройство вычислений с полной системой команд, которые реализуют на уровне машинного языка наборы команд разной сложности; от простых, что характерно для МП первого поколения, к значительной сложности, характерным для современных 32 -разрядних микропроцессоров типа Pentium, К 6 или Athlon AMD , 680 xx и др. . 11

Фирмы, выпускающие МП n n n Мощным конкурентом фирм Intel и AMD на рынке универсальных МП является фирма Motorola, при этом она выпускает также универсальные и специализированные микроконтроллеры. В конце 1970 хх фирмой Motorola был выпущен ее первый 8 битовый процессор 6800, аналогичный первым МП 8080 и Z 80. Позднее фирма Motorola выпустила микропроцессор 68000 (1980), который имеет 16 - разрядную шину данных, но может обрабатывать 32 - битовые данные и адресовать память до 4 Гбайт. Его преемниками стали микропроцессоры 68010, 68020 и 68030, которые продолжительное время составляют основную конкуренцию микропроцессорам, совместимым с х86. Эти МП используются в дорогих корпоративных компьютерах и занимают около 10% рынка ПК, но более популярны для серверов сетей. 12

Микропроцессор 8086 Рассмотрение универсальных МП начнем с 16 разрядного 8086 (К 1810 ВМ 86). К его наиболее важным аппаратурным особенностям относятся: n Сложная регистровая структура; (8 Регистров общего назначения – РОНов, 4 сегментных регистра и др. ) n принцип выполнения команды с одновременной выборкой следующей, что повышало пропускную способность системной магистрали (хорошо); n распределенное микропрограммное устройство управления; n мультиплексированная шина адреса-данных (плохо!); 13

Структурная схема 8086 14

Структурная схема 8086 n Устройство управления декодирует байты из очереди команд и управляет работой операционного устройства и шинного интерфейса. Операционное устройство МП состоит из 4 -х шестнадцатиразрядных регистров общего назначения: РОН (AX, BX, CX, DX), из 4 -х регистров указателей (адресных регистров SP, BP, SI, DI) и арифметико-логического устройства (АЛУ) с регистром признаков операций (флагов F). 15

Регистр флагов 8086 n n n ZF - флаг/признак нулевого результата (Zero), устанавливается в 1, если получен нулевой результат, иначе (ZF)=0. CF - флаг переноса (Carry) устанавливается, если в результате выполнения операции из старшего бита переносится или занимается 1 при сложении или вычитании, иначе (CF)=0. На CF влияют также команды сдвига и умножения. SF - флаг знака результата (Sign) равен единице, если результат отрицательный, т. е. он дублирует старший знаковый бит результата. PF - флаг четности (Parity). (PF)=1, если сумма по модулю два всех битов результата равна нулю (число единичных битов - четное). AF - флаг дополнительного переноса (Auxiliary) устанавливается, если есть перенос из старшего бита младшей тетрады (бит D 3) в младший бит старшей тетрады (бит D 4). Используется в операциях над упакованными BCD числами. OF - флаг переполнения (Overflow) устанавливается, когда результат операции превысит одно- или двухбайтовый диапазон чисел со ЗНАКОМ, а также в некоторых других случаях. Другое определение: (OF)=1, если перенос/заем в старший бит результата не равен переносу/заему из старшего бита. 16

Состав МП комплектов n Для работы любой МП системы кроме центрального процессора (CPU) нужны некоторые вспомогательные схемы, которые могут быть встроены в микросхему CPU или размещаться в отдельных корпусах. Так, внешний или встроенный генератор синхронизации (или ГТИ) формирует одну или несколько последовательностей равномерно расположенных импульсов, которые необходимы для синхронизации действий всей МП системы. Вспомагательные БИС входят в состав МП комплектов (МПК). 17

Архитектура МПК Обычно архитектура МПК и микропроцессорных систем (МПС) на их основе усовершенствовалась вместе с микропроцессорами. Появлялись новые шины, увеличивалась разрядность, быстродействие шин, их пропускная способность. Разрабатывались новые наборы микросхем. В телекоммуникационных системах, например в ЦАТС, широко используются специализированых МПС, которые приближены по составу к ПК, но имеют другую периферию. В последних лекциях мы рассмотрим структуру современного ПК, а также примеры специализированых МПС, которая используется в телекомуникационных системах. 18

Аналогия МПС с системной платой ПК В современных ПК вместо МП комплекта используется понятие чипсет. Это одна или несколько микросхем, разработанных для "обвязки" конкретного МП. n Они содержат в себе контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти, таймеры, систему управления памятью и шиной - все те компоненты, которые в IBM PC-XT были собраны на отдельных микросхемах. 19

Аналогия МПС с системной платой ПК n Обычно в одну из микросхем набора входят также часы реального времени с CMOS-памятью и иногда - клавиатурный контроллер, однако эти блоки могут присутствовать и в виде отдельных чипов. В последних разработках в состав чипсета стали включаться и контроллеры внешних устройств ПК. 20

Структура и шинная огранизация микропроцессорной системи n n n На рис 3. 1 приведена общая структурная схема микропроцесорной системы (МПС). Она функционирует по системе трех шин: данных (ШД), адреса (ША), управления (ШУ), В ее состав обязательно входят микропроцессор (CPU), тактовый генератор (ТГ), микросхемы памяти (ОЗУ и ПЗУ), а также микросхемы для подключения периферийных устройств. 21

Упрощенная структурная схема МП системы n n n ША ШД ШУ 22

Структура и шинная огранизация микропроцессорной системи Шины используются для передачи сигналов между отдельными блоками в режиме разделения времени. n Синхронизацию работы отдельных блоков и управления обменом информации по шинам обычно выполняет микропроцессор. n Иногда эти функции берет на себя контроллер прямого доступа в память ПДП (DMA). 23

Шинная огранизация микропроцесорной системи n n Рассмотрим каждую из шин отдельно. Шина данных. По этой шине происходит обмен данными между центральным процессором ЦП, портами ввода /вывода и памятью. Эти данные могут быть как командами ЦП, так и данными, которые ЦП посылает в порты ввода /вывода или память или принимает оттуда. Чем выше разрядность шины, тем выше производительность МПС. В МП 8088 шина данных имела ширину 8 разрядов. В МП 8086, 80186, 80286 ширина шины данных 16 разрядов; МП 80386, 80486, Pentium и Pentium Pro - 32 разрядов, а компьютеры с МП семейства Pentium 4 имеют уже 64 разрядную шину данных. 24

Шинная огранизация микропроцесорной системи n Шина адреса. Процесс обмена данными возможен лишь в том случае, когда известен отправитель и получатель этих данных. Каждый компонент МПС, каждый регистр ввода /вывода и ячейка ОЗП или ПЗП имеют свой адрес и входят в общее адресное пространство. Шина адреса используется ЦП для выбора необходимого элемента памяти или устройства ввода /вывода путем установки адреса на шине. 25

Шинная огранизация микропроцесорной системи n n Во многих МПС решающую роль играет объем максимально адресованой памяти. Он зависит от разрядности адресной шины и, тем самым, от максимально возможного количества адресов, которые генерируются процессором на адресной шине. Количество ячеек памяти не может превышать 2 n, где n — разрядность адресной шины. Иначе часть ячеек не будет использоваться, поскольку процессор не сможет адресоваться к ним. Процессор 8088, например, имел 20 адресных линий и, таким образом, адресовал память объемом 1 Мбайт (2 -20 = 1048576 байт = 1024 Кбайт). В ПК с процессором 80286 разрядность адресной шины была увеличена до 24 бит, а современные процессоры 80486, Pentium MMX и Pentium II имеют уже 32 - разрядную шину адреса, с помощью которой можно адресовать 4 Гбайт памяти. Существуют современные процессоры с еще большим адресным размером. 26

Шинная огранизация микропроцесорной системи n n Шина управления. Для успешной передачи данных не достаточно установить их на шине данных и установить адрес на шине адреса. Для того, чтобы данные были записаны (прочитаны) в регистре устройств, подключенных к шине, адреса которых указаны на шине адреса, необходим ряд служебных сигналов: запись/чтение, готовность к приему/передачи данных, подтверждение приема данных, аппаратного прерывания, управление и инициализации контролеров и др. Все эти сигналы передаются по шине управления. Самые большие отличия имеют сигналы ШУ различных МП, поэтому, проектируя МПС, надо внимательно смотреть техническую документацию на МП или справочники. 27

Сигналы шины управления n n n Перезапуска RESET, RD/WR записи/чтения, ALE Строб адреса READY готовность к приему/передаче данных, Запроса и подтверждения прерывания INT/INTA, Запроса и подтверждения прямого доступа в память HOLD/HLDA 28

Типовая МПС содержит n n микросхему программируемого периферийного интерфейса ППИ (PPI или IOP), к которой через три 8 -битовых независимых канала PA, PB и PC можно подключать периферийные устройства, например принтер, клавиатуру, 8 -ми сегментный дисплей или ЦАП и АЦП. Через ППИ может производиться обмен данными с другими МПС или ЭВМ. Ввод с клавиатуры и вывод на дисплей могут производиться специальными микросхемами. 29

Типовая МПС содержит n n Связь с удаленными устройствами или абонентами сетей может осуществляться с помощью универсального асинхронного последовательного приемо-передатчика УАПП-UART (программируемый связной интерфейс ПСИ-PCI или IOS). К выводам Rx. D - приемник и Tx. D - передатчик через линию связи подключаются передатчик и приемник другого абонента или устройства. Если связь производится через модем, то доступны любые сети. Для формирования точных, различных по частоте и длительности сигналов, в т. ч. и звукового диапазона используется программируемый интервальный таймер ПИТ-PIT, имеющий три независимых 16 -ти разрядных двоичных счетчика. Задержка, длительность или частота выходного сигнала каждого счетчика кратна 3. . 65535 периодам входного сигнала. 30

Типовая МПС содержит n n Если в системе используется режим прерывания выполнения основной программы внешними устройствами, требующими безотлагательного вмешательства микропроцессора, то применяется программируемый контроллер прерываний ПКП - PIC (устройство собирающее заявки на обслуживание от ВУ с нескольких входов). Подробно прерывания будут рассмотрены ниже. Быстрый обмен данными может производиться с помощью устройства прямого доступа к памяти ПДП (DMA). 31

Параллельный интерфейс n n Параллелельные порты предназначенны для обмена данными с внешними устройствами, при этом в качестве внешнего устройства может использоваться любой источник информации (кнопки, датчики, микросхемы приемников, синтезаторов частот, дополнительной памяти, исполнительные механизмы, двигатели, реле и даже другая МПС). В качестве примера параллельного порта мы изучаем БИС 8255, которая позволяет реализовать большинство известных протоколов обмена по параллельным каналам. Ее стр. Схема приведена на доске, а принцип программирования разберем на следующей лекции. 32

Структурные схемы интерфейсных БИС 33

Программируемый таймер n n n Программируемый таймер КР 580 ВИ 53 (аналог Intel i 8253) содержит три независимых счетчика. Каждый из трех счетчиков может быть запрограмирован на 6 режимов работы и систему исчисления (двоичную или десятичную). Таймер может работать как: делитель частоты; счетчик событий; цифровой одновибратор; 34

Программируемый таймер n n Режим 1 - ждущий мультивибратор с программноустанавливаемой продолжительностью сигнала. В этом режиме выход канала после загрузки числа в счетчик канала устанавливается в "0". Одновременно начинается счет, а по достижению конечного числа на выходе устанавливается уровень "1". Режим 2 - генератор тактовых сигналов. В этом режиме на выходе канала через число периодов тактовой частоты, записанное в счетчике канала, появляется уровень "0" продолжительностью в один период тактовой частоты. 35

Программируемый таймер n n n Режим 3 - генератор прямоугольных сигналов. В этом режиме на выходе канала будет уровень "1" на протяжении первой половины интервала времени, определяемого числом в счетчике, и уровень "0" на протяжении второй половины. Режим 4 - программный способ. После установки режима 4 на выходе канала появляется уровень "1". Когда число полностью загружено в счетчик канала и на управляющий вход представлен уровень "1", начинается счет, и достигши конечного числа на выходе появляется импульс уровня "0" продолжительностью в один период тактовой частоты. Режим 5 - схемотехничаски управляемый способ. Работа канала в этом случае аналогична работе в режиме 4 с тем лишь различием, что счетчик канала после загрузки начинает счет только по переднему фронту на управляющем входе. Кроме того, если во время счета на управляющем входе снова появится передний фронт сигнала, то счет будет начат сначала. 36

Вопросы для самоконтроля n n n n Перечислите фирмы, производящие МК и МК. Поясните, что такое CISC-архитектура. Перечислите БИС, входящие в состав МПК К 1810 ВМ 86 Что такое чипсет, что в него входит? Поясните назначение и структурную схему БИС программируемого таймера. Перечислите режимы работы таймера. Поясните структуру управляющего слова таймера Приведите пример программирования одного счетчика таймера. 37