Универсальные микропроцессоры и МПК (Презентация)

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

Краткая история МП фирмы Intel 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), ориен- тированного 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

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

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

Фирмы, выпускающие МП 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, 680xx и др. Мы будем изучать процессоры в основном с Cisc-архитектурой.

Фирмы, выпускающие МП Мощным конкурентом фирмы Intel на рынке универсальных МП является фирма Motorola, при этом она выпускает также универсальные и специализированные микроконтроллеры. Фирмой Motorola был выпущен 8- битовый микропроцессор 6800, аналогичный первым МП 8080 и Z80. Позднее фирма Motorola выпустила микропроцессор (1980), который имеет 16- разрядную шину данных, но может обрабатывать 32- битовые данные и адресовать память до 4 Гбайт. Его преемниками стали микропроцессоры 68010, и 68030, которые продолжительное время составляют основную конкуренцию микропроцессорам, совместимым с х86. Эти МП используются в дорогих корпоративных компьютерах и занимают 10% рынка ПК.

Фирмы, выпускающие МК На рынке универсальных МК фирм Іntеl и Motorola также являются соперниками, хотя выпуском МК занимается намного больше фирм и постоянного лидера нет. К середине 90-х годов отечественные разработчики были практически незнакомы с какими-нибудь контролерами, кроме Intel-совместимых. Последние хорошо освещены в учебной литературе для вузов и в технических журналах. Новинками были контролеры Philips с х51-м ядром или шедевр от Intel - семейство MCS-251. Развитие поставки качественно изменило ситуацию на рынке микроконтролеров.

Фирмы, выпускающие МК Появились и цифровые сигнальные процессоры (DSP), и Pic- контролеры, и др. Поэтому количество Intel- совместимых изделий (с ядром х51) в новых устройствах начала сокращаться, а альтернативных продуктов - резко возростать. В задачах цифрового регулирования, в цифровых системах связи сигнальные процессоры на порядок превзошли по производительности традиционные контролеры и вытеснили их.

Микропроцессор 8086 К наиболее важным аппаратурным особенностям шестнадцатиразрядного микропроцессора 8086 (К1810ВМ86) относятся: Развитая регистровая структура; (8 Регистроы общего назначения – РОНов, 4 сегментных регистра и др.) принцип выполнения команды с одновременной выборкой следующей, что повышало пропускную способность системной магистрали (хорошо); распределенное микропрограммное устройство управления; мультиплексированная шина адреса-данных (плохо!);

Микропроцессор 8086

Структурная схема 8086 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).байты регистров

Регистр флагов 8086 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 D3) в младший бит старшей тетрады (бит D4). 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.

Состав МП комплектов 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).

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.

Аналогия МПС с системной платой ПК 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. В современных ПК вместо МП комплекта используется понятие чипсет. Это одна или несколько микросхем, разработанных для "обвязки" конкретного МП.

Аналогия МПС с системной платой ПК 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.

Структура и шинная огранизация микропроцессорной системи 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.

Упрощенная структурная схема МП системы ША ШД ШУ

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

Шинная огранизация микропроцесорной системи 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, 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.

Шинная огранизация микропроцесорной системи 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.

Шинная огранизация микропроцесорной системи 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 2n, 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 = байт = 1024Кбайт). В ПК с процессором разрядность адресной шины была увеличена до 24 бит, а современные процессоры 80486, Pentium, 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.

Шинная огранизация микропроцесорной системи 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.

Сигналы шины управления 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

Типовая МПС содержит 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.ЦАП и АЦП Ввод с клавиатуры и вывод на дисплей могут производиться специальными микросхемами.

Типовая МПС содержит 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 RxD - приемник и TxD - 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 периодам входного сигнала.

Типовая МПС содержит 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).прямого доступа к памяти ПДП

Параллельный интерфейс 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.

Структурные схемы интерфейсных БИС

Программируемый таймер Программируемый таймер КР580ВИ53 (аналог Intel i8253) 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;

Программируемый таймер Режим 1 - ждущий мультивибратор с программно- устанавливаемой 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.

Программируемый таймер 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.

Вопросы для самоконтроля Перечислите фирмы, производящие МК и МК. Поясните, что такое CISC-архитектура. Перечислите БИС, входящие в состав МПК К1810ВМ86 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.

Вопросы на сдачу ЛБ 1 Алгоритмы Алгоритм программы задержки из 3 циклов. Алгоритм программы затирания экрана Алгоритм программы заполнения массива нарастающим кодом Алгоритм программы ввода из 3 портов в 3 строки. Алгоритм программы ввода из 20 портов в столбик (в два столбика). Аппаратная часть Приведите структурную схему МП устройства на базе 16-разрядного МП. Какие блоки являются обязательными? Сравните назначение и структурные схемы БИС параллельного интерфейса (ППИ) и последовательного интерфейса. Поясните, как они подключаются к шинам МП системы. Поясните назначение и структурную схему БИС программируемого таймера. как он подключается к шинам МП системы.. Приведите структурную схему МП 8086, поясните принципы совместной работы устройства сопряжения с шиной и операционного устройства. Перечислите регистры МП 8086, поясните их специализацию. Поясните назначение сигналов шины управления МП Система команд и программирование Перечислите группы команд МП Приведите примеры использования команд из разных групп. Перечислите виды адресации МП Приведите примеры использования команд с различными видами адресации.(3-4 вида по указанию преподавателя) Приведите пример программы ввода массива из ППИ и укажите использованные группы команд. Приведите пример программы циклического опроса 20 портов и укажите использованные группы команд. Приведите пример программирования одной из 3 интерфейсных БИС (таймера, параллельного или последовательного портов).