Основные понятия микропроцессорной техники

Учебный курс Введение в цифровую электронику Лекция 4 Основны е понятия микропроцессорной техники кандидат технических наук, доцент Новиков Юрий Витальевич Микропроцессорная система 2 Особенности микропроцессорных систем  Гибкая логика работы — меняется в зависимости от задачи;  Универсальность — может решать очень много задач;  Простота проектирования аппаратуры — единообразие схемотехнических решений;  Простота отладки — единообразие системы связей и протоколов обмена;  Аппаратурная избыточность, особенно для простых задач;  Ниже быстродействие, чем у устройств с жёсткой логикой;  Необходимость разработки и отладки программного обеспечения. 3 Основные термины  Процессор — обработчик и вычислитель, выполняющий все операции над кодами и сигналами;  Программа — набор управляющих кодов (команд), определяющих логику работы системы;  Команда — управляющий код, указывающий процессору, что ему надо делать в данный момент;  Шина (магистраль, канал) — линии связи, объединяющие устройства микропроцессорной системы;  Интерфейс (сопряжение) — соглашение об обмене информацией, а также технические средства для реализации этого обмена. 4 Информационные потоки в микропроцессорной системе 5 Структура простейшего микропроцессора 6 Структура микропроцессорной системы 7 Устройства микропроцессорной системы  Процессор — обработчик, выполняет пересылку и обработку информации (арифметическую, логическую) в соответствии с программой; управляет выборкой команд;  Память — оперативная (RAM) и постоянная (ROM) — хранит данные и программы. Оперативная — для временного хранения данных и программ, постоянная — для постоянного хранения, главное — для программы начального запуска при включении питания.  Устройства ввода/вы вода (УВВ, I/O — Input/Output) — для обеспечения связи микропроцессорной системы с внешними устройствами и с пользователем (внешние интерфейсы и пользовательский интерфейс). Они же помогают процессору в пересылке данных и в реагировании на внешние события. 8 Шины микропроцессорной системы  Шина адреса (Address Bus) — для пересылки кода адреса (индивидуального номера устройства, участвующего в обмене в данный момент).  Шина данны х (Data Bus) — для пересылки данных между устройствами. Двунаправленная шина, состоит из нескольких байтов (1, 2, 4, 8);  Шина управления (Control Bus) — для пересылки отдельных управляющих сигналов: тактовых, стробирующих, подтверждающих, инициирующих и т.д.;  Шина питания (Power Bus) — для подведения к устройствам напряжений питания (положительных, отрицательных, общего провода). 9 Фазы цикла обмена  Адресная фаза: процессор (задатчик, Master) выставляет адрес УВВ (или ячейки памяти), к которому хочет обратиться (исполнитель, Slave);  Фаза данны х:  Цикл записи: процессор выставляет данные, предназначенные для записи, и выдаёт строб записи. Исполнитель принимает данные от процессора.  Цикл чтения: процессор выдаёт строб чтения. Исполнитель выставляет данные для передачи процессору. Процессор принимает данные от исполнителя.  Фаза подтверждения (не обязательна): исполнитель выдаёт процессору сигнал подтверждения выполнения операции 10 Циклы обмена в микропроцессорной системе  Программные циклы обмена  Чтение (ввод, выборка) команды из памяти (оперативной или постоянной);  Чтение (ввод) данных из памяти;  Запись (вывод) данных в память;  Приём (чтение, ввод) данных из устройства ввода/вывода;  Передача (запись, вывод) данных в устройство ввода/вывода;  Циклы обмена по прерываниям (Interrupts);  Циклы обмена по прямому доступу к памяти (ПДП, DMA – Direct Memory Access);  Циклы обмена при захвате шины. 11 Программный обмен информацией 12 Методы реакции на внешнее событие  С помощью периодического программного контроля факта наступления события (метод опроса флага или Polling). Самая быстрая реакция, но процессор не может заниматься ничем другим;  С помощью прерывания, то есть насильственного перевода процессора с выполнения текущей программы на выполнение экстренно необходимой программы ─ программы обработки прерывания. Более медленная реакция, обмен — со скоростью процессора  С помощью прямого доступа к памяти (ПДП), то есть без участия процессора при его отключении от системной магистрали. Медленная реакция, обмен — со скоростью контроллера ПДП (быстрее, чем процессор). 13 Обслуживание прерывания 14 Обслуживание прямого доступа к памяти (ПДП) 15 Информационные потоки в режиме ПДП 16 Одношинная (принстонская) архитектура 17 Двухшинная (гарвардская) архитектура 18 Сравнение архитектур  Одношинная (принстонская) архитектура — проще, меньше требований к процессору, более гибкое перераспределение памяти между программами и данными (память обычно большая), но медленнее (тратится время на чтение команд). Сложные универсальные системы.  Двухшинная (гарвардская) архитектура — сложнее, больше требований к процессору(одновременное обслуживание двух потоков), нельзя перераспределять память (память обычно небольшая), но быстрее (команды читаются одновременно с пересылкой данных). Простые однокристальные системы — специализированные. 19 Типы микропроцессорных систем  Микроконтроллеры — наиболее простой тип микропроцессорных систем, в которых все или большинство узлов системы выполнены в виде одной микросхемы. Узко специализированы, закрыты, шина недоступна.  Контроллеры — управляющие микропроцессорные системы, выполненные в виде отдельных модулей. Класс задач.  Микрокомпью теры — более мощные микропроцессорные системы с развитыми средствами сопряжения с внешними устройствами. Гибко настраиваемые. Шина доступна.  Компью теры (в том числе и персональные компьютеры) — самые мощные и наиболее универсальные микропроцессорные системы. Универсальные, дорогие, избыточные. 20