Состав и архитектура микропроцессорных систем

Состав и архитектура микропроцессорных систем Микропроцессор (МП) - это программно управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, реализованное на одной или нескольких больших интегральных схемах БИС; другими словами, МП – это стандартное универсальное устройство, позволяющее реализовать приём, обработку и передачу цифровой информации. Микропроцессорная система (МПС) – это совокупность взаимосвязанных устройств, включающая один или несколько (МП), память (ЗУ), устройство вводавывода и ряд других устройств, предназначенных для выполнения некоторых чётко определённых функций. Микроконтроллер (МКО) – устройство, выполняющее функции логического анализа (сложные последовательности логических операции) и управления; реализуемое на одной или нескольких БИС. МКО – это микропроцессорное устройство, в котором за счёт сокращения функций по выполнению арифметических операций можно уменьшить его аппаратную сложность и развить функции логического управления. Структура микропроцессорной автоматической системы МПАС МП включает арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ) и блок регистров (БРГ), в который входят регистры: аккумулятор, адреса, флаговые, состояния, программный счётчик, общего назначения, стековые и т.д. МПС включает помимо МП (одного или нескольких), оперативное и постоянное ЗУ (ОЗУ и ПЗУ), устройства ввода-вывода (УВВ), ряд других устройств. Взаимодействие частей МПАС осуществляется посредством шин: адресной (ША), данных (ШД), и управления (ШУ), связывающих в единую систему компоненты МПС, а также шин измерения, контроля и управления, которые совместно с соответствующими устройствами связи с объектом (процессом) обеспечивают непосредственное взаимодействие МПС с управляемым объектом или процессом МПС могут быть конструктивно подготовлены для работы с человекомоператором, т.е. иметь каркас, панель управления и другие необходимые компоненты – в этом случае её называют микро-ЭВМ. МПС могут предназначаться для агрегатирования, т.е. для работы в конструктивно и функционально едином комплексе аппаратуры. В последнем случае речь идёт о реализации распределённых средств управления обработки информации в рамках МПАС. Распределённость здесь означает, прежде всего, расчленение (декомпозицию) общего алгоритма управления на ряд параллельных или последовательно реализуемых алгоритмов, не связанных насколько это возможно друг с другом во времени, и, кроме того, оптимальное пространственное распределение процессов управления и обработки информации путём встраивания средств МТ непосредственно в датчики, регулирующие исполнительные и другие устройства. Проектирование сложной технической системы предполагает расчленение её на некоторые функционально законченные подсистемы. При этом важно иметь общее представление о структуре, как системы в целом, так и отдельных её подсистем. В случае использования в системе МП средств немаловажно установить взаимосвязь структуры с соответствующим алгоритмическим обеспечением. В сложных системах, например в системе управления промышленного робота, в качестве подсистем принято выделять иерархические уровни управления . На примере робототехнической системы рассмотрим разделение общей задачи управления действиями робота на несколько самостоятельных подзадач или уровней управления. В общем случае принято выделять три иерархических уровня управления: исполнительный, тактический и стратегический. На нижнем (исполнительном) уровне осуществляется управление приводами подвижных звеньев исполнительного механизма робота. При этом основная задача управления заключается в расчёте и выдачи на системы управления приводами таких сигналов, которые обеспечивают качественное исполнение законов движения по отдельным степеням подвижности робота. На втором (тактическом) уровне вычисляются законы согласованного движения звеньев исполнительного механизма робота, обеспечивающие целенаправленное перемещение его рабочего органа по некоторой траектории, задаваемой вышестоящим уровнем управления. На третьем (стратегическом) уровне планируется траектория движения рабочего органа ПР (промышленного робота), соответствующая выполнению роботом предписываемой ему технологической операции. Все МП можно разделить на два типа:  однокристальные МП с фиксированной фиксированной системой команд;  многокристальные МП с изменяемой микропрограммным управлением разрядностью разрядностью слова и слова и Структура однокристальных мп Первые 16-разрядные МП i8086 фирма Intel выпустила в 1978 году. Эти МП сами по себе уже представляют в основном исторический интерес. Однако их структура и принципы организации легли в основу развития современных 16, 32–разрядных процессоров. МП семейства i086/88 соответствует широко распространенная отечественная серия К1810. На рис.18.2 показана схема 16–разрядного МП серии К1810ВМ86, в котором имеются автономное устройство сопряжения с шиной (УСШ), организующее опережающую выборку команд из памяти и формирующее очередь выбранных байт последовательности команд, и операционное устройство (ОУ), извлекающее команды из очереди и реализующее предписанные командами операции в 16разрядном АЛУ. В состав УСШ входят 6–байтная очередь команд, счётчик команд, четыре сегментных регистра и сумматор. В состав ОУ входят блок регистров общего назначения, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и регистр признаков F. Устройство управления МП осуществляет управление УСШ, ОУ и, кроме того, периферийным оборудованием системы, обеспечивая обмен данными с использованием механизмов квитирования, прерывания и прямого доступа к памяти.Шесть однобайтных регистров очереди команд образуют регистр команды МП, из которого ОУ последовательно извлекает очередную команду побайтно.дресуемая область памяти составляет 1Мбайт, и, следовательно, формат адреса равен 20бит. МП манипулирует логическими адресами, содержащими 16–разрядный сегментный (базовый) адрес и 16–разрядное внутрисегментное смещение. Логические адреса преобразуются МП в физические (исполнительные) адреса в соответствии с рис.. Всё адресуемое пространство разбивается на сегменты ёмкостью 64 Кбайт каждый. Начальный адрес каждого сегмента (20бит) имеет в четырех младших разрядах нули – ХХХХ016, т.е. сегменты могут начинаться на границе блоков по 16байт. Механизм адресации памяти Два смежных байта образуют двухбайтное слово, причём старший байт хранится в ячейке с большим адресом. Слово может начинаться по чётному или нечётному адресу. В первом случае слово передаётся за один цикл шины, во втором – за два цикла. Следовательно, слова необходимо размещать по чётным адресам памяти данных. Сегментный адрес (начальный адрес сегмента) хранится в 16–разрядном сегментном регистре, а обращение к байту или слову внутри сегмента осуществляется с использованием 16–разрядного смещения, формируемого в ОУ. Если содержимое сегментного регистра равно нулю, то исполнительный адрес равен смещению. Организация адресного пространства памяти Адресуемое пространство ввода-вывода (ВВ) состоит из 65536 портов ВВ. Порты ВВ адресуются аналогично ячейкам памяти, но сегментные регистры при этом не используются. Все порты ВВ адресуются косвенно (адрес содержится в регистре, определяемом командой). Исполнительный адрес портов ВВ имеет формат 20 бит, но старшие четыре разряда всегда равны нулю. Большинство команд МП оперируют только 16–разрядными смещениями, а сегментные адреса находятся в одном из четырёх 16–разрядных регистров. Каждый сегментный регистр задаёт конкретный сегмент, что находит отражение в их названиях: CS – код (программа), DS – данные, SS – стек, ES – экстракод (дополнительная информация). Содержимое сегментных регистров автоматически суммируется со смещением, передаваемым из ОУ, и таким образом участвует в формировании исполнительного адреса (рис.18.4). Основное назначение сегментных регистров – динамическое перемещение программ в памяти, которое необходимо в мультипрограммной среде. Для динамического перемещения достаточно модифицировать содержимое сегментных регистров При разработке МП1810 стремились сохранить программную совместимость с 8– разрядным МП (К580). В состав блока регистров общего назначения (РОН) входят четыре 16–разрядных регистра АХ, ВХ, СХ и DX, допускающих независимую адресацию старших (Н) и младших (L) половин. Все регистры блока РОН на общих основаниях участвуют в выполнении арифметических и логических операций. В системе команд МП имеется множество команд, которые специализируют некоторые РОН:     регистр АХ выполняет функции аккумулятора, с ним связаны операции умножения, деления, преобразования и десятичной коррекции. Он участвует во всех операциях ввода/вывода (ВВ) в качестве или источника или приёмника информации; регистр ВХ используется как источник базового адреса; регистр СХ используется в качестве счётчика в командах сдвигов и зацикливания, а также при операциях с цепочками байт; регистр DX неявным образом адресуется в командах умножения и деления и, кроме того, содержит адрес порта ВВ при косвенно-регистровой адресации. Четыре 16–разрядных указательных индексных регистра (SP, BP, SI, DI) предназначены для хранения внутрисегментных смещений, обеспечивая косвенную адресацию и динамичные вычисления исполнительных адресов. Формат 16–разрядного регистра признаков F Его младший байт FL полностью соответствует регистру признаков МП К580; CF – перенос, PF – чет/нечет (в байте), AF – межтетрадный перенос (в байте), ZF – нуль, SF – знак. Кроме перечисленных признаков, которые фиксируют особенности результата последней арифметической или логической операции в МП К1810, имеется признак переполнения OF. В дополнение к этому в регистре признаков F фиксируются некоторые признаки предназначенные для управления вычислительным процессом с МП: признак направления DF, признак прерывания IF и признак прослеживания TF (трассировка).