Микропроцессорные системы

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ Старший преподаватель каф. КС Попова Надежда Владимировна Литература • Микропроцессоры: Учебное пособие для втузов. В 3 кн. Под ред. Преснухина Л.Н. –Минск: Высшая школа, 2006. • Токхайм Р. Микропроцессоры.М. : Энергоатомиздат, 2001 • Микропроцессоры семейства i8080A/8085: Системы программирования и отладки. Под ред. Меснякова В.А. –М.: Энергоатомиздат, 2006. • Погребинский М.П. Микропроцессорные системы управления электротехническими установками. – М.: МЭИ, 2003. Основные понятия • Микропроцессор (МП) - это функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС). • МП выполняет над информационными данными арифметические и логические операции и осуществляет программное управление вычислительным процессом. Основные понятия • Микропроцессорный комплект интегральных микросхем – совокупность микропроцессорных и других интегральных микросхем, совместимых по архитектуре, конструктивному исполнению и электрическим параметрам обеспечивающих возможность совместного применения. Основные понятия • Архитектура МП – функциональные возможности аппаратурных электронных средств МП, используемые для представления данных, машинных операций, описания алгоритмов и процессов вычислений. • Магистраль – совокупность соединительных линий и схем, обеспечивающих требуемые параметры передаваемых по линиям электрических сигналов, по которым информация передается от источника информации к приемнику. Основные понятия • Микропроцессорной системой (МПсистемой) обычно называют специализированную информационную или управляющую систему, построенную на основе микропроцессорных средств. Основные понятия • Интерфейс – совокупность правил, устанавливающих единые принципы взаимодействия устройств в микропроцессорной системе. • В состав интерфейса входят аппаратурные средства соединения устройств (разъемы и связи), номенклатура и характер связей, программные средства, описывающие характер сигналов интерфейса, и их временную диаграмму, а также описание электрических параметров сигналов. Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем • Современное устройство релейной защиты и автоматики (РЗА) представляет собой управляющую микропроцессорную систему, предназначенную для получения и обработки информации о состоянии электроэнергетических объектов, и выдачи управляющих и информационных сигналов для прекращения аварийных и аномальных режимов в электроэнергетических системах (ЭЭС). Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем • В качестве входной информации используются следующие составляющие: • аналоговые сигналы, характеризующие контролируемые величины электроэнергетических систем (ЭЭС) токи ia , iв , iс , напряжения Uа , Uв , Uс , а также другие непрерывные аналоговые величины, пропорциональные характеристикам защищаемого объекта (температура, давление, освещенность и т.п.); Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем • входная двоичная дискретная информация, такая как сигналы от коммутационных аппаратов, других устройств релейной защиты автоматики (РЗА) и от обслуживающего персонала; • цифровая информация от других устройств РЗА, характеризующая как текущие значения измеряемых величин, так и логические сигналы, полученные посредством цифровых коммуникационных интерфейсов; Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем • управление уставками и параметрами устройств РЗА, осуществляемое обслуживающим персоналом или системами управления через коммуникационные интерфейсы. • Выходная информация микропроцессорных устройств РЗА может быть представлена следующим образом: • выходная дискретная двоичная информация; Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем • цифровая информация к другим устройствам; • сообщения различных видов о состоянии защищаемого объекта, в том числе сигналы для визуального наблюдения измеряемых аналоговых величин в нормальном и аварийных режимах;. Основные сведения о микропроцессорах и микропроцессорных системах • Основные преимущества микропроцессорных средств заключены в их универсальности, высокой производительности и технологичности. • архитектуру микропроцессоров можно разделить на несколько классов: • простые однокристальные 4- и 8-разрядные контроллеры невысокой производительности для применения в бытовых приборах и небольших подсистемах; Основные сведения о микропроцессорах и микропроцессорных системах • быстродействующие секционные комплекты микропроцессорных БИС для создания систем произвольной разрядности, адаптируемых к алгоритмам обработки данных на микропрограммном уровне; • мощные однокристальные 16-и 32- и 64разрядные микропроцессоры; Основные сведения о микропроцессорах и микропроцессорных системах • процессоры цифровой обработки сигналов, подключаемые к стандартным интерфейсам микропроцессорных систем для обработки арифметических алгоритмов, таких как быстрое преобразование Фурье; • аналоговые процессоры — устройства, включающие АЦП, ЦАП, устройства цифровой обработки и представляющиеся пользователю как системы с аналоговым входом и аналоговым выходом. Основные характеристики и типы МП • Однокристальные МП с фиксированной разрядностью слова, с фиксированной системой команд и управляющим устройством со «схемной логикой». • Выполняются с использованием различных МОП технологий микроэлектроники позволяющие размещать на одном кристалле большое число элементарных схем. Основные характеристики и типы МП • Многокристальные (секционные) микропрограммируемые МП с изменяемой разрядностью слова и фиксированным набором микроопераций. • Многокристальный биполярный МП основан на конструктивном принципе функционально-разрядного слоя (несколько одинаковых кристаллов) объединяемых микропрограммным блоком. Строение МП • КР580ВМ80А — 8-разрядный микропроцессор, полный аналог микропроцессора Intel i8080А (1974 г.). Процессор содержит 4500 транзисторов штатная тактовая частота КР580ВМ80А — до 2,5 МГц, средняя производительность оценивается на уровне 200..500 тыс. оп/c на частоте 2 МГц ,простых операций типа "регистр - регистр" при длительности цикла 250 нс.. Микропроцессор конструктивно помещен в пластиковый корпус с 40 выводами Состав МПК КР580 В состав базового комплекта серии КР580 входят: 1. КР580ВМ80А – однокристальный 8-разрядный МП; 2. КР580ВВ51А – программируемый последовательный интерфейс; 3. КР580ВВ55А программируемый параллельный интерфейс; 4. КР580ВИ53 – программируемый таймер; 5. КР580ВТ57 – программируемый контроллер ПДП; 6. КР580ВИ59 – программируемый контроллер прерываний; Состав МПК КР580 7 КР580ВВ79 – программируемый контроллер клавиатуры и дисплея 8 КР580ВГ75 – программируемый контроллер ЭЛТ; 9 КР580ГФ24 – генератор тактовых импульсов; 10 КР580ВК28/38 – системный генератор тактовых импульсов; 11 КР580ВА86/87 – шинный формирователь. 12 КР580ИР82/83 – буферный регистр /с инверсией. Состав МПК КР580 • Для формирования управляющих сигналов и буферирования данных в микропроцессорных системах на базе микропроцессора КР580ВМ80А применяются микросхемы КР580ВК28 и КР580ВК38. • Для повышения нагрузочной способности и обмена данных между микропроцессором и системной шиной применяют двунаправленные шинные формирователи КР580ВА86 и КР580ВА87. Состав МПК КР580 • Для связи микропроцессора с системной шиной применяют адресные регистры с повышенной нагрузочной способностью КР580ИР82 и КР580ИР83. • Для синхронизации работы микропроцессорной системы используется микросхема генератора тактовых сигналов КР580ГФ24. Состав МПК КР580 • Микросхема КР580ВВ55А – программируемое устройство вводавывода параллельной информации, применяется в качестве элемента вводавывода общего назначения, сопрягающего различные типы периферийных устройств с магистралью данных систем обработки информации. Структурная схема микропроцессорной системы на основе микропроцессорного комплекта К580 Структура, организация микро ЭВМ • Микропроцессор является основным компонентом любого микрокомпьютера или микро-ЭВМ. • В основу построения микро-ЭВМ положено три принципа: • Модульность — в языках программирования — принцип, согласно которому логически связанные между собой подпрограммы, переменные и т. д. группируются в отдельные файлы (модули). Структура, организация микро ЭВМ • Магистральность – это способ соединения между различными модулями компьютера, когда входные и выходные устройства модулей соединяются одними и теми же проводами, совокупность которых называется шиной. • Микропрограммируемость – это способ реализации принципа программного управления. Структура, организация микро ЭВМ • Современные ЭВМ могут иметь различную архитектуру, но обязательно содержат в своей структуре следующие элементы: • Арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции. • Устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программ. • Запоминающее устройство (память) для хранения программ и данных. • Внешние устройства для ввода–вывода информации (ВУ). Принципы фон Неймана • Принцип программного управления обеспечивает автоматизацию процессов вычислений на ЭВМ. • Согласно этому принципу программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Принципы фон Неймана • Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что храниться в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. • Иногда этот принцип называют «принцип хранимой команды» Принципы фон Неймана • Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Это позволяет обращаться к произвольной ячейке (адресу) без просмотра предыдущих. Структура типового МП Интерфейс МП Шина адреса мп Шина данных Шина управления Схема синхронизации и начальной установки ПЗУ Интерфейс памяти ОЗУ ППА Параллельное УВВ ….. ПСА Последовательное УВВ Интерфейс периферийного оборудования Структура типового МП • • Шина данных (Data Bus) 8-ми разрядная, т.к. разрядность микропроцессора КР580ВМ80А равна 8-ми (D0-D7). (D0 – младший разряд, D7 – старший разряд, всего 8 разрядов). Предназначена для передачи данных от микропроцессора к периферийным устройствам, а также в обратном направлении (двунаправленная). Структура типового МП • Шина адреса (Address Bus), 16-ти разрядная (А0-А15), служит для определения адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому устройству (кроме процессора), каждой ячейке памяти в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес. Структура типового МП • • Шина управления (Control Bus), постоянной размерности не имеет, состоит из отдельных управляющих сигналов. Каждый из этих сигналов во время обмена информацией имеет свою функцию. Некоторые сигналы служат для стробирования передаваемых или принимаемых данных , для подтверждения приема, сброса данных, или для сброса всех устройств в исходное состояние Структура типового МП • ОЗУ хранит информацию только при наличии напряжения питания. ОЗУ-это простейший регистр построенный на D – триггерах. • ПЗУ- предназначено для долговременного хранения информации, её нельзя оперативно менять. В ПЗУ информация записывается один раз либо в процессе производства, либо непосредственно перед применением, при помощи специальных программаторов. Структура типового МП • Соединение всего многообразия внешних устройств с шинами МК осуществляется с помощью интерфейсов, которые следует понимать как унифицированное средство объединения различных устройств в единую систему. • ППА –программируемый параллельный адаптер КР580ВВ55. • ПСА – программируемый связной адаптер КР580ВВ51. Структура типового МП • Обмен данными с внешними устройствами осуществляется через порты ввода/вывода. • Для микропроцессора Intel 8080 общее число портов ввода/вывода может составлять 256. • В качестве внешних устройств используются клавиатура, дисплей, принтеры, датчики и т.п. • Микропроцессор Intel 8080A ориентирован на работу с памятью, имеющую байтовую организацию (8 бит). Это значит, что микропроцессор считывает информацию побайтно. • Программа и данные хранятся в памяти в ячейках длиной 1 байт (8 бит); каждая ячейка имеет адрес длиной 2 байта (16 бит). Всего процессор может напрямую обращаться к 64К памяти. Схема подключения выводов микропроцессора КР580ВМ80А и их назначения. Выводы синхронизации: • F1, F2 – выводы двух неперекрывающихся последовательностей синхроимпульсов; • SYNC – выход синхронизации, сигнал определяет начало каждого машинного цикла команды; • RESET – вход сигнала начальной установки процессора. После прекращения действия сигнала программный счетчик устанавливается в нулевое состояние и процессор начинает работать с нулевого адреса. Выводы управления ожиданием: • READY – готово внешнее устройство (READY = 1) или не готово (READY = 0). Синхронизирует обмен информации с внешними устройствами. • WAIT – указывает, что процессор находится в состоянии ожидания (WAIT = 1). Выводы управления памятью: • WR – управление записью в память или во внешние устройства; низкий уровень указывает, что процессор выдал данные на магистраль данных D7-D0. Выводы управления магистралью данных: • DBIN – указывает, что магистраль данных (D7-D0) находится в режиме приема. Используется для управления чтением данных из памяти или внешнего устройства. Выводы управления прерыванием: • INT – запрос прерывания внешним устройством, запрашивающих обмен с процессором в режиме прерывания. • INTE – выход сигнала разрешения прерывания (INTE = 1), указывающего на то, что процессор готов к обмену в режиме прерывания; (INTE = 1 – если готов, INTE = 0 – если не готов). Выводы управления захватом магистралей в режиме ПДП: • HLD – вход запроса захвата магистралей D7-D0 и магистрали адреса А15-А0 внешними устройствами. Процессор переходит в режим ЗАХВАТ и отключает магистрали D7-D0 и А15-А0 (переходит в высокоимпедансное состояние). • HLDA – выход подтверждения захвата. Указывает, что процессор находится в состоянии ЗАХВАТ. Магистрали данных и адреса при этом отключены от выводов. Командный цикл микропроцессора • Выполнение команд в МП осуществляется в строго определенной последовательности обусловленной рядом факторов, в том числе используемыми синхросигналами . В основе работы МП лежит командный цикл - действия по выбору из памяти и выполнению одной команды. В зависимости от типа и формата команды, способов адресации и числа операндов командный цикл может включать в себя различное число обращений к памяти и ВУ и следовательно - иметь различную длительность. • Для реализации команды i8080 может потребоваться от 1 до 5 обращений к памяти (ВУ). Хотя обращения к ЗУ/ВУ располагаются в разных частях КЦ, выполняются они по единым правилам, соответствующим интерфейсу МПС и реализованы на общем оборудовании управляющего автомата. • Действия МПС по передаче в/из МП одного байта данных/команды называются машинным циклом. Машинные циклы и их идентификация • Командный цикл представляет собой последовательность машинных циклов (МЦ), причем КЦ i8080 может содержать от 1 до 5 МЦ. • МЦ – время требуемое для извлечения одного байта информации из памяти (ОЗУ, ПЗУ) или выполнения однобайтовой команды. • МЦ может состоять из нескольких машинных тактов. • Машинный такт (Т) – это период синхросигналов. Его длительность может быть установлена в некоторых пределах. В МП КР580 длительность может быть установлена произвольно в диапазоне 0,5…2 мкс (при тактовой частоте 2 МГц) • МЦ микропроцессора i8080 предусматривает возможность обмена как в синхронном, так и в асинхронном режиме. • Если в составе МПС использованы только "быстрые" устройства, т.е. такие, которые могут работать с тактовой частотой МП, то передача информации в МЦ осуществляется в синхронном режиме. • При работе с "медленными" устройствами, быстродействие которых не позволяет переключаться с частотой тактового генератора МП, необходимо "растянуть" во времени МЦ, реализовав асинхронный принцип обмена. При реализации одного МЦ процессор может: • • • • • • • • принять из памяти байт команды; принять из памяти байт данных; принять из УВв байт данных; принять из стека байт данных; принять вектор прерывания; выдать в память байт данных; выдать в стек байт данных; выдать на УВыв байт данных. Принципы программирования микропроцессоров. • Все языки программирования условно можно разделить на три уровня: • машинный код; • автокод (язык ассемблера); • языки высокого уровня (процедурные языки - BASIC, FORTRAN, PASCAL, C, MODULA-2, ADA; и языки искусственного интеллекта - LISP, PROLOG, SMALLTALK, OCCAM). Ассемблерная мнемоника • Язык ассемблера - это символическое представление машинного языка. Все процессы в машине на самом низком, аппаратном уровне приводятся в действие только командами (инструкциями) машинного языка. Ассемблерная мнемоника • Программа на ассемблере представляет собой совокупность блоков памяти, называемых сегментами памяти. Программа может состоять из одного или нескольких таких блоков-сегментов. Каждый сегмент содержит совокупность предложений языка, каждое из которых занимает отдельную строку кода программы. Структурная схема микропроцессора КР580ВМ80А (i8080А) • Микропроцессор КР580ВМ80А реализован на основе общей внутренней магистрали данных и включает в себя следующие функциональные узлы: блок регистров с адресной логикой; блок АЛУ; двунаправленную буферизованную магистраль данных; блок управления и синхронизации. Блок регистров • Содержит шесть 16-ти битовых регистров, образующих статическую память с произвольным доступом (регистр – пространство из восьми бит, схема или устройство хранения информации). • Три из них могут использоваться как шесть отдельных 8-ми разрядных программнодоступных регистров B, C, D, E, H, L общего назначения для хранения операндов или как три 16-ти разрядных программно-доступных пары BC, DE, HL для хранения адресов или двухбайтовых операндов. • При выполнении арифметических и логических операций с регистровой адресацией в регистрах хранятся 8-ми разрядные операнды, которые передаются в АЛУ для участия в операции. Второй операнд и результат операции хранятся в блоке АЛУ. • Содержимое каждого из регистров можно переслать в блок АЛУ или в память через 8ми битовые мультиплексоры (МП) и внутреннюю магистраль данных. Регистр-счетчик (РС) • Используется в качестве программного счетчика и хранит адрес текущей команды программы. • Его содержимое автоматически увеличивается после выборки каждого байта команды схемой адресной логики. • Загрузка и выдача содержимого РС осуществляется через мультиплексоры и внутреннюю магистраль данных. Указатель стека (SP) • SP хранит адрес ячейки стековой области памяти, к которой было сделано последнее обращение. • Содержимое SP уменьшается на 1 перед каждым занесением слова в стек или увеличивается на 1 после каждого извлечения из стека. Пара регистров W и Z • Это 8-разрядные регистры. Они недоступны программисту. Используются для запоминания двухбайтовых и трёхбайтовых команд перехода, передаваемых с внутренней магистрали данных в счётчик команд. Адресная логика • предназначена для хранения, программного изменения и выдачи на магистраль А15-А0 адресов данных и команду. • Она содержит буферный регистр адреса (БРА), логическую схему инкремента-декремента (СИД) и адресный буфер. • Буферный регистр адреса принимает и хранит адрес с любого 16-ти разрядного регистра. Его выход связан со входами СИД и БРА. Инкремент-декремент • С помощью схемы инкремента-декремента (СИД) можно содержимое БРА передать с изменением на +1 или –1, или без изменения через 16-ти разрядный мультиплексор на вход любой пары регистров BC, DE, HL, SP или PC. Блок АЛУ. • Предназначен для выполнения арифметических и логических операций над числами в параллельном 8-ми разрядном двоичном коде. • Информация обрабатывается в АЛУ с использованием регистра временного хранения (ВР), аккумулятора временного хранения (ВА), аккумулятора (А) и регистра признаков F. Блок АЛУ. • При выполнении бинарных операций один из операндов пересылается из аккумулятора в регистр ВА; второй – поступает из памяти или блока регистров через внутреннюю магистраль данных в регистр ВР, а затем передается в АЛУ через кодопреобразователь в прямом или обратном коде в зависимости от выполняемой операции. • Результат операции передается через внутреннюю магистраль в аккумулятор или регистр общего назначения, а признаки результата записываются в регистр признаков F. Регистр флагов F • 8 разрядный регистр, содержащий информацию о текущем состоянии микропроцессора. • Имеет пять однобитовых флагов состояния, которые индицируют результаты выполнения арифметических и логических операций. В зависимости от состояния этих флагов некоторые машинные команды могут изменять последовательность выполнения команд в программе. D7 S D6 Z D5 - D4 AC D3 - D2 P D1 1 D0 CY Двунаправленная магистраль данных • Служит для организации связи микропроцессора с другими микросхемами, входящими в состав микро-ЭВМ. • Она включает в себя внутреннюю магистраль данных, буфер данных (БД) и соединена с выводами магистрали данных D7-D0 микропроцессора. • Буфер данных – 8-ми разрядный двунаправленный с тремя состояниями – предназначен для развязки внутренней и внешней магистрали данных. Он состоит из буферного регистра данных и формирователей. Двунаправленная магистраль данных • В режиме вывода информация с внутренней магистрали загружается в буферный регистр, а затем передается на внешнюю магистраль данных через формирователи. • При вводе данные из внешней магистрали через формирователи непосредственно передаются на внутреннюю магистраль. Буферный регистр данных при этом отключается. Он отключается также при выполнении операций, не связанных с передачей информации процессором. Блок управления и синхронизации • Предназначен для приема команд, синхронизирующих и управляющих внешних сигналов, а также для формирования внутренних сигналов микроопераций и внешних синхронизирующих и управляющих сигналов. • Он содержит регистр команд (РК), дешифратор команд (ДшК), схемы формирования машинных циклов и другие устройства.