Компоненты микропроцессорной системы

Микропроцессорная система (аппаратная часть)

Главной частью ЭВМ является микропроцессорная система. Микропроцессорной системой мы будем называть информационную или управляющую систему, построенную на базе микропроцессора. Напомним, что микропроцессорной системой называется устройство, по программе производящее обработку поступающей на него информацию и управляющее процессом этой обработки, выполненное в виде микросхемы (интегральной схемы) (микросхемой называется электронное устройство, имеющее малые габариты, выполняющее определенную функцию и заключенное в единый герметизирующий корпус). Первый микропроцессор появился в 1971г. в морском ведомстве США.

Упрощенная типичная структура микропроцессорной системы дана ниже.

В микропроцессорную систему, кроме микропроцессора (МП), входят ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, УВВ – устройство ввода-вывода информации.

Постоянное запоминающее устройство служит для хранения информации, не меняющейся во время работы. Оперативное запоминающее устройство служит для хранения информации, меняющейся во время работы оператором.

МП, ПЗУ, ОЗУ и УВВ связаны между собой шинами: шиной адреса (ША), шиной данных (ШД) и шиной управления (ШУ). По шине данных передается информация (в виде импульсов в двоичной системе), подлежащая обработке и полученная в результате обработки. Сигналы, поступающие по шине адреса, передают в закодированном виде адреса ячеек памяти в ПЗУ и ОЗУ, откудо необходимо извлечь информацию (данные).

По шине управления передаются импульсы, управляющие соответствующими компонентами микропроцессорной системы.

Шины состоят из линий. Линии в большинстве случаев – это электрические проводники.

На рисунке не показаны интерфейсы, компоненты микропроцессорной системы, обеспечивающие правильное взаимодействие основных компонентов: МП, ПЗУ, ОЗУ (УВВ можно считать интерфейсом для внешней связи).

Синхронизация

Синхронизация работы устройства – это точное временное согласование работы всех частей устройства для обеспечения выполнения заданных операций, что осуществляется с помощью специального генератора. В качестве тактового генератора обычно используется генератор, работающий в автоколебательном режиме и генерирующий импульсы стабильной частоты, которые называются синхроимпульсами или тактовыми импульсами. Два уровня импульсов соответствуют значениям переменных ,,1” и ,,0”.

Выполнение операций в МП синхронизируется тактовыми сигналами, которые вырабатываются внешним по отношению к МП или встроенным в МП генератором. У современных ЭВМ эта частота может исчислятся в Гбайтах и часто является объектом рекламы.

Машинный такт – интервал времени, в течение которого выполняется элементарная часть операции, т.е. время, которое требуется для передачи информации от одного регистрового узла к другому.

Машинный цикл – интервал времени, в течение которого выполняется операция в целом. Машинный цикл содержит от одного до нескольких тактов.

Командный цикл – интервал времени, в течение которого выполняется команда. Он содержит от одного до нескольких машинных циклов.

Компоненты микропроцессорной системы

Микропроцессор

Устройство и принцип работы микропроцессора рассмотрим на примере микропроцессора типа КР580ИК80. Это однокристальный восьмиразрядный микропроцессор. Он представляет собой аналог микропроцессора 8080 фирмы Intel, до сих властвующей на рынке микропроцессоров. Выполнен на n-МОП структуре.

Архитектура этого микропроцессора – архитектура Неймановского типа, которая и в настоящее время используется для управляющих микропроцессоров, наиболее нас интересующих. Многие функции этого микропроцессора сохранены в других, более современных управляющих микропроцессорах. В то же время он прост, по сравнению с современными микропроцессорами информационных ЭВМ, и удобен для изучения свойств микропроцессора (кстати, на его базе разработаны микропроцессоры современных микропроцессорных контроллеров для управления технологическими процессами, в том числе на ТЭС и АЭС).

Упрощенная структура микропроцессора типа К580ИК80 имеет следующий вид.

Важнейшим узлом микропроцессора является АЛУ – арифметико-логическое устройство. В нем производится математическая обработка данных, в него поступающих, которые затем передаются в другие узлы микропроцессора.

Это арифметические и логические операции. АЛУ производит арифметические или логические операции над восьмизначными числами в зависимости от числа (,,1”, ,,0”) поступающего на его управляющий вход.

Арифметические операции (сложение, вычитание, умножение и деление) в АЛУ (арифметико – логическим устройством –важнейшей частью микропроцессора) производится с помощью сумматора (см) и регистра сдвига (последовательного регистра-см).

Поясним на примере операцию «умножение». Принцип работы АЛУ в этом случае будет понятен из следующего. Вспомним умножение «в столбик» двух чисел 6 и 5 (в десятичной системе). В двоичной системе:

--(перевод двоичной системы в десятичную) Таким образом, алгоритм операции: подвигать первый множитель влево на число знаков, соответствующее второму сомножителю регистром сдвига; полученные результаты сложить с помощью сумматора.

Логические операции совершаются с помощью логических элементов (см).

Результаты арифметических и логических операций, произведенные в АЛУ, заносятся в аккумулятор (А), выполненный на регистрах (см) – ячейках памяти. По результатам выполнения операций АЛУ заносит в регистр флагов (F) коды, используемые для управления ходом текущей программы.

Блок регистров микропроцессора (РОН) содержит шесть 8-разрядных регистров общего назначения, обозначаемых символами B, C, D, E, H, L. В зависимости от выполняемых команд они могут использоваться либо как отдельные 8-разрядные регистры, либо как 16-разрядные регистры, состоящие из пар 8-разрядных (ВС, DE, HL). В блок регистров входят два 16-разрядных регистра: указатель стека (SP) и счетчик команд (программный счетчик) (РС).

«Стек» (от англ. – трость) служит для хранения адресов ячеек в ОЗУ, предназначенных для осуществления введения стандартной программы (режим прерывания основной программы).

Счетчик команд содержит адрес выполняемой команды, его содержание автоматически изменяется по завершении отработки текущей команды.

В регистре адреса формируется код адреса ячейки памяти, выводящийся на шину адреса (ША).

Устройство управления и синхронизации служит для управления процессом выполнения программы; сигналы от него выводятся на шину управления (ШУ).

Электрические выводы микропроцессора КР580ИК80:

К микросхеме микропроцессора подключаются следующие шины.

· Восьмиразрядная шина данных, по которой в микропроцессор и из микропроцессора идет информация (данные) в виде 8-разряднога двоичного кода, реализованного как импульсы больше ( ,,1”) или меньше (,,0”) заданных уровней, следующих с большой частотой.

· Шестиразрядная шина адреса, по которой из микропроцессора передаются восьмиразрядные коды адресов ячеек памяти и их характеристика в двоичном коде.

· Шина управления; по линиям этой шины идут коды:

1)От «ГТ» на «выбор кристаллов», т.е. на «оживление» с помощью элементов с тремя состояниями тех или иных компонентов микропроцессорной системы;

2)От «МП»- управление интерфейсами.

3)От «ВD» - управление УВВ, ОЗУ: принимать информацию (write – писать), передавать информацию (read – читать).

4)От других выводов, обеспечивающих работу МП на прерывание, «захват шин» при работе на внешние устройства и пр.

· Имеются выводы С₁, С₂, С, обеспечивающие синхронизацию работы микропроцессорной системы.

· Электропитание микропроцессора подключено к клеммам +5В, -5В, +12В относительно клеммы «земля», как, впрочем, и остальные выводы.

Постоянное запоминающее устройство

Напомним, что постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) предназначено для хранения программ или данных, которые не должны меняться во время работы. Выключение электропитания или сбой ЭВМ не меняет содержимое памяти ПЗУ.

В ПЗУ хранится информация, обеспечивающая работу микропроцессорной системы, константы и др.В ПЗУ микропроцессорных контроллеров (управителей, контролёрах) хранятся алгоритмы – специальные программы, созлающие в контроллерах т.н. виртуальные схемы реальных,материальных устройств, например, регуляторов,которые (виртуальные схемы), тем не менее, работают так, как будто внутри контроллера находится материальное устроцство. На самом деле внутри котроллера ничего материального, кроме деталей микропроцессорной системы, ничего нет! А виртуальная схема создаётся программным путём.

Память в ЭВМ может быть выполнена на магнитных или оптических носителях, или «зашита» в микросхемы. Такое ПЗУ представляет для нас особый интерес, т.к. применяется в микропроцессорных системах для управления технологическими процессами, в т.ч. и на ТЭС, и других энергообъектах.

ПЗУ в виде микросхем не имеют движущихся систем, поэтому обладают повышенной надежностью. По своему принципу действия – оно комбинационная логическая схема. Оно не боится толчков, магнитных полей.

По способу программирования такие ПЗУ делятся на 3 типа: программируемые изготовителем (ПЗУМ), программируемые пользователем (ППЗУ), перепрограммируемые (РПЗУ). Последние, в отличие от первых двух, позволяют осуществить многократную запись информации с помощью программатора и применения для стирания старой записи ультрафиолетовых лучей. Объём памяти у перечисленных видов ПЗУ не бопее Мбайт. - В последнее время появились перепрограммируемые ПЗУ, названные флеш – памятью. Они представляют микросхему со сложной полупроводниковой структурой и отличаются большим объёмом памяти. - ФЛЕШ – ПАМЯТЬбыла изобретена японским инженером компании ТОШИБА Фудзио Масуокой в 1984 году. Название придумал коллега Фудзио по процессу стирания в флеш – памяти, напоминающий вспышку лампы – вспышки, по – английски «флеш». В 1988 году фирма ИНТЕЛ выпустила первый коммерческий флеш – чип - Принцип работы полупроводниковой технологии флеш – памяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области (кармане) полупроводниковой структуры. Существуют NOR и NAND флеш – приборы. Они различаются соединением ячеек в массив и алгоритмами чтения – записи.

Конструкция NOR использует двумерную классическую матрицу из пересикающихся проводников, напересечении которых установлено по одной ячейки. В такой конструкции облегчён доступ к ячейкам памяти, но её объём получается меньше, чем в NAND.

Конструкция NAND –трёхмерная матрица. Она даёт больший объём памяти, чем в NOR, но алгоритм доступа к ячейкам для чтения и записи значительно усложняется.

NOR используется как непосредственная память в устройствах микропроцессорной техники - десятки Мбайт , NAND –для хранения больших объёмов информации – единицы Гбайт.Типовое значение количества перепрограммирований около 100 тысяч раз. В 2011 г. в фирме INTEL разработана первая в мире NAND флеш – память по технологии 20 им объёмом 128 Гбайт, массовые поставки в 2012 г. ПРЕИМУЩЕСТВА. 1. Портативность 2.Широкий диапазон темлератур. 3. Высокая плотность записи, чем у CD или DVD. 4.Отсутствие подвижных частей. 5. Не подвергается воздействию царапин и пыли. НЕДОСТАТКИ. 1. Ограниченное число циклов запись – стирание. 2. Ограниченный срок хранения данных ( 5лет, макс. 10). 3. Чувсвительны к электростатическому разряду и к радиации.

На рисунке представлена схематическая структура 4-разрядного ПЗУ, программируемого изготовителем электрическим способом. Она представляет собой двумерную матрицу – четыре на четыре пересекающихся между собой линий (электрические проводники), соединенных в местах пересечения встречно включенными полупроводниковыми диодами. Одни 4 линии – адресные входы, другие – выходы данных. При программировании электрическим способом диоды пробиваются и тем обеспечивают соединение в нужных местах между адресными линиями и линиями данных.

В качестве примера приведем обозначение микросхемы ПЗУ типа ПЗУМ (ПЗУ, программируемое изготовителем).

Эта микросхема ПЗУ имеет 8-разрядный адресных вход (А), к которому от микропроцессора (МП) по шине адреса (ША) подходят импульсы кодового сигнала, свидетельствующие о номере ячейки памяти, из которой извлекается нужная информация.

Эта информация через 8-разрядный выход Q по шине данных в виде 8-разрядного двоичного кода, реализуемого с помощью импульсов (,,1”) или их отсутствия (,,0”) по шине данных (ШД) поступает в микропроцессор (МП).

Вход «CS» - «выбор кристалла». Через него с помощью импульсов от микропроцессора, подаваемых на вход «ОЕ» элемента с тремя состояниями, производится «оживление» ПЗУ, т.е. оно может работать. Описанная структура ПЗУ применена в микропроцессорной ситеме МИКРОЛАБ. Это микросхема КР556РТ с ёмкостью памяти 0,512 Кбайт

Оперативное запоминающее устройство

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено для хранения в ЭВМ изменяющейся (оперативной) информации, например, изменяющиеся параметры, промежуточные результаты расчета, модифицированные части программы и т.п.

Как и в ПЗУ носителями информации могут быть магнитные носители (например, дискеты), оптические носители (например, CD-компакт-диски) и микросхемы, имеющие преимущества, описанные в ПЗУ.

По способу хранения информации ОЗУ в микросхемах (за исключением флеш – конструкций) делятся на статические и динамические.

В статическом ОЗУ для записи одного бита информации используется отдельный триггер, и эта информация сохраняется, пока обеспечивается питание. ОЗУ этого типа трудно сделать большой емкости, т.к. для хранения 1 бита требуется 1 триггер. (В контроллере КРОСС применено статическое ОЗУ ёмкостью 256 Кбайт).

В динамическом ОЗУ запись ,,1” в соответствующий элемент памяти производится зарядом конденсатора, выполненного по интегральной технологии. Конденсаторы могут быть очень малы, поэтому емкость ОЗУ этого типа может быть очень велика. Однако эти конденсаторы через несколько миллисекунд разряжаются, поэтому требуется их периодическая подзарядка (регенерация). Для реализации регистрации требуется дополнительное оборудование. ( В контроллере КРОСС применено динамическое ОЗУ ёмкостью 15 Мбайт, флеш – 1Мбайт.)

ОЗУ в «микролабе», который мы будем изучать, а так же в регулирующем микропроцессорном контроллере типа Р-130, который мы будем изучать на 5 курсе, используется ОЗУ статического типа, как более простое, не требующее дополнительного оборудования, а потому более надежное. В «микролабе» используется ОЗУ на микросхемах К565РУ2(1Кбит).

Обозначение этой микросхемы дано ниже:

Микросхема К565РУ2 имеет 1-разрядный вход (Д) и выход (Д₀). Для получения 8-разрядного кода, необходимо при использовании 8-разрядного микропроцессора (МП) (например, К580ИК80) приходится брать 8 таких одноразрядных микросхем. На выход «Д» по шине данных (ШД) передается от МП информация, загружаемая в ячейки памяти. Из выхода «Д₀» данные, извлекаемые из ячейки памяти, по шине данных передаются в микропроцессор.

Адрес ячейки, из которой следует извлечь или загрузить информацию, указываются на 8-разрядных адресных входах (А). Адрес передается от микропроцессора в виде 8-разрядного двоичного кода по шине адреса (ША).

Сигнал на входе WR (,,1” или ,,0”) определяет, как будет работать ОЗУ: или на выдачу данных из ячейки памяти (микропроцессор «читает» - read - R), или на получение данных от микропроцессора ячейкой памяти (микропроцессор «пишет» - write - W).

Клемма «СS» - «выбор кристалла», «оживляет» микросхему, аналогично такой же клемме в ПЗУ.

Внутренние интерфейсы микропроцессорной системы

Внутренними интерфейсами в микропроцессорной системе называют программно-аппаратные устройства, обеспечивающие правильную работу основных компонентов микропроцессорной системы – микропроцессора и устройств памяти.

Мы рассмотрим следующие интерфейсы: шинные формирователи (ШФ), многорежимный буферный регистр (МБР), программируемый параллельный интерфейс (ППИ).

Шинные формирователи

Шинными формирователями называются программно-аппаратные цифровые устройства, служащие для обеспечения правильного направления передачи сигналов информации по шинам микропроцессорной системы. Они выполняют роль как бы «регулировщиков движения» передаваемой информации.

Ниже дается обозначение микросхемы 4-разрядного шинного формирователя ( формирователя К589АП16).

Этот шинный формирователь имеет 3 порта: А, В и С (морская терминология, т.к. первые микропроцессорные системы создавались в военно-морском ведомстве США). Порты служат для поступления и выхода сигналов информации, которые надо направлять на ту или иную шину данных.

При сигнале от микропроцессора на клемму УВ (управляющий вход), равном ,,1” сигналы поступают из порта «В» в порт «С»; при УВ=0 – из порта «А» в порт «В».

Клемма «ВК» - «выбор кристалла». При сигнале на эту клемму, равном ,,1”, микросхема «оживляется» при помощи элемента с тремя состояниями, подобно микросхемам ПЗУ и ОЗУ (вместо англ. CS аббревиатура русских слов – «выбор кристалла» - ВК).

Многорежимный буферный регистр (МБР)

Многорежимным буферным регистром называется программно-аппаратное цифровое устройство, интерфейс, помогающий микропроцессору и служащий в микропроцессорной системе для запоминания информации из микропроцессора. Информация от МП закладывается в МБР заранее, о том что должен сделать МБР в нужный момент времени по сигналу от МП.

Ниже дается обозначение микросхемы КР580ИР12, используемой в качестве МБР в микропроцессорной системе «микролаб».

По сигналам от микропроцессора (МП) клеммы на ВК1 и ВК2 МБР «оживает» и его регистры заполняются данными о программе его действий, поступающим по шине данных (ШД) с клеммы «Д» микропроцессора на клемму данных «Д» МБР.

По сигналу от МП на клемму «С» МБР, поступающие по шине управления (ШУ) данные, заложенные в регистре МБР, передаются на его выход «Q». При этом в «микролабе» по 4-й клемме выхода Q поступает сигнал на ОЗУ, определяющий, заносятся ли (write - WR) данные в ячейки памяти ОЗУ или извлекаются из них (read - RD); по 6-й клемме выхода Q передается сигнал на УВВ, определяющий, поступает ли информация от микропроцессорной системы на внешние устройства, или идет от них; по 7-й клемме поступает сигнал на «оживление» УВВ.

На клемму «R» МБР поступает сигнал на сброс в ноль – очищение регистров МБР перед выполнением следующего такта программы.

Программируемый параллельный интерфейс (ППИ)

Программируемым параллельным интерфейсом называется программно-аппаратное цифровое устройство, способное по заданной программе передавать информацию в виде многоразрядного кода в том или ином направлении (от микропроцессорной системы на внешние устройства, например, на дисплей, или, наоборот, от внешних устройств, например, клавиатуры, в микропроцессорную систему).

В микропроцессорной системе ППИ обычно применяются в качестве устройства ввода-вывода (УВВ), т.е. для передачи информации к внешним устройствам или наоборот, т.е. это не чисто внутренний интерфейс.

Рассмотрим применение ППИ в качестве УВВ в микропроцессорной системе «микролаб» (на микросхеме КР580ИК55).

В этом ППИ имеется 3 порта: РА, РВ и РС для ввода-вывода 8-разрядных данных к внешним устройствам или от них. Адреса портов указываются на адресных клеммах А₀ и А₁ и передаются через шину адреса (ША).

Данные для поступления на внешние устройства или полученные от внешних устройств в виде 8-мизначного кода попадают одновременно по шине данных (ШД) с клемм или на клеммы «Д». Направление перемещения информации (в микропроцессорную систему или из нее) программируется с помощью сигналов от многорежимного буферного регистра (МБР) через логические элементы Л₁ или Л₂ на клеммы WR (от англ. write - писать) или RD (от англ. read - читать) когда необходима передача информации на или от внешних устройств.

Клемма CS – «выбор кристалла», служит для «оживления» ППИ, аналогично в ПЗУ или в ОЗУ.

На клемму R подается сигнал для сброса запрограммированных действий в ноль перед выполнением очередного пункта программы работы микропроцессорной системы.

Поиск по сайту: