Обмен информацией в микропроцессорной системе

Учебный курс Введение в цифровую электронику Лекция 5 Обмен информацией в микропроцессорной системе кандидат технических наук, доцент Новиков Юрий Витальевич Схема включения процессора 2 Методы ускорения работы процессора  Повышение тактовой частоты — совершенствование технологии;  Уменьшение времени выполнения одной команды;  Оптимизация системы команд — уменьшение количества команд и добавление сложных команд (например, мультимедийных);  Распараллеливание выполнения команд: два и более арифметическо-логических устройств (АЛУ);  Распараллеливание процессов выборки команд и их выполнения:  Конвейер команд (быстрая FIFO- память);  Кэш-память. 3 Назначение регистров процессора  Регистры данны х — временное хранение кодов данных.  Регистры адресны е — коды адресов в памяти для работы с массивами информации. Могут работать как реверсивные счётчики с параллельной записью информации. Постинкремент и предекремент.  Регистры универсальны е — могут хранить как адрес, так и данные.  Регистр состояния процессора (PSW) — флаги состояния.  Регистр-счётчик команд — хранит адрес текущей команды, параллельная запись и постинкремент.  Регистр-указатель стека — хранит адрес в специальной зоне памяти — стеке. Постинкремент и предекремент. 4 Методы ускорения работы памяти  Уменьшение внутренних временных задержек в памяти — совершенствование технологии;  Использование статической оперативной памяти вместо динамической — только в небольших микропроцессорных системах (дороже) ;  Добавление небольшой быстрой статической памяти к большой медленной динамической — кэш-память;  Использование копии содержимого постоянной памяти в оперативной памяти;  Оптимизация структуры модулей памяти и способов обмена с модулями памяти. 5 Особые области памяти микропроцессорной системы  Память программы начального запуска (ROM) — содержит программу, которая выполняется при включении питания или при подаче сигнала сброса;  Память для стека или стек — используется для временного хранения данных в режиме LIFO. Необходима при обслуживании прерываний и при работе подпрограмм.  Память с таблицей векторов преры ваний — содержит список начальных адресов программ обработки прерываний.  Память устройств ввода/вы вода (УВВ) — даёт возможность процессору общаться с внутренней памятью УВВ как со своей собственной. 6 Принцип работы стека 7 Механизм обработки прерывания 8 Адресные пространства памяти и устройств ввода/вывода  Общее (разделённое) адресное пространство памяти и УВВ — часть адресов отводится под память, часть под УВВ. Общие стробы обмена. Процессор может обращаться к памяти и УВВ совершенно одинаково, используя те же команды — удобно. Но уменьшается адресное пространство памяти, сложнее ПДП (медленнее).  Отдельные адресные пространства для памяти и УВВ. Разные стробы обмена для УВВ и для памяти. Специальные команды обмена с УВВ (ввод и вывод), отличные от команд обмена с памятью. Не уменьшается адресное пространство памяти, проще организовать ПДП (быстрее). 9 Мультиплексирование шин адреса и данных  Достоинство мультиплексирования — уменьшение количества линий магистрали;  Недостаток мультиплексирования — снижение скорости обмена по магистрали;  Возможно частичное мультиплексирование (часть данных — по отдельной шине, часть — по шине адреса/данных) 10 Синхронный и асинхронный обмен  Строб записи — определяет момент проведения операции записи. Говорит исполнителю, что он может принять данные от задатчика (процессора).  Строб чтения — определяет момент проведения операции чтения. Говорит исполнителю, что он может выдать свои данные для задатчика (процессора). 11 Сравнение синхронного и асинхронного режима  Синхронны й режим — более простой (не требует сигнала подтверждения), но не даёт гарантии того, что исполнитель успеет завершить операцию к концу цикла. Циклы обмена всегда одинаковой длительности.  Асинхронны й режим — более сложный (требует сигнал подтверждения), но даёт гарантию того, что исполнитель успел завершить операцию к концу цикла. Циклы обмена разной длительности в зависимости от быстродействия исполнителя.  Скорость обмена — при синхронном режиме постоянна, определяется задатчиком. При асинхронном режиме может быть быстрее или медленнее. 12 Распространение сигналов по шинам  Задержка распространения и разброс задержек;  Разброс фронтов на разных линиях шины;  Отражения сигналов от концов линий, искажения фронтов. 13 Цикл чтения из устройства ввода/вывода на магистрали ISA 14 Цикл записи в устройство ввода/вывода на магистрали ISA 15 Цикл чтения из памяти на магистрали ISA 16 Цикл записи в память на магистрали ISA 17 Цикл ПДП на магистрали ISA 18 Структура устройства ввода/вывода 19 Основные типы устройств ввода/вывода  Устройства интерфейса пользователя (ввод — клавиатура, мышь, джойстик; вывод — дисплей, индикаторы);  Звуковые устройства (ввод — микрофон, линейный вход; вывод — динамик, линейный выход);  Устройства долговременного хранения информации (диски) — в простейших системах отсутствуют;  Таймерные устройства — могут не иметь выхода наружу, но необходимы для контроля времени (часы, интервалы);  Контроллеры связных интерфейсов — USB, локальная сеть, Wi-Fi — для связи с удалёнными внешними устройствами и другими микропроцессорными системами. 20 Структура модуля памяти 21 Методы повышения скорости обмена по магистрали  Уменьшение длины линий магистрали — снижение задержек распространения;  Улучшение фронтов сигналов магистрали — согласование, увеличение токов, снижение паразитных емкостей и т.д.;  Оптимизация протоколов обмена;  Оптимизация количества линий и мультиплексирования;  Применение блочных режимов обмена (на одну адресную фазу — несколько передач данных);  Использование нескольких магистралей для обмена с разными устройствами: УВВ, память, видеоконтроллер и т.д. 22