Часть II: Микропроцессорные системы

Литература:

Основнаялитература

1. Амосов В.В. Схемотехника и средства проектирования цифровых устройств. – СПб: БХВ-Петербург, 2007г.

2. Яковлев Л.А., Тимченко В.И. «Вычислительная техника»: Методические указания к лабораторным работам СПбГУТ, 2006г.

Дополнительная литература

1. Микушин А., Сажнев А., Сединин В. Цифровые устройства и микропроцессоры. — СПб.: БХВ-Петербург, 2010 г. — 832 с.

2. Методические указания по курсовому проектированию по дисциплинам цифровой, вычислительной и микропроцессорной техники. СПбГУТ, 1997г.

3. Цифровая и вычислительная техника. Под ред. Евреинова Э.В М.,. р\св, 1991г.

 

Лекция №1: Общие принципы организации и работы микропроцессорной системы

Учебные вопросы:

1. Структура (архитектура) микропроцессорной системы (МПС).

2. Структура, архитектура однокристального восьмиразрядного микропроцессора (МП) КР580ВМ80.

 

1-й учебный вопрос

Структура (архитектура) микропроцессорной системы (МПС)

 

Определение МПС: комплекс аппаратных и программных средств, которые выполняют определённый набор арифметических и логических операций, таких как: сложение, умножение, сравнение, запись, чтение и другие.

К МПС относят компьютеры, микроконтроллеры и другие цифровые устройства, которые включают программное обеспечение.

 

Описание операции, которую должна выполнять МПС, называется командой.

Каждая команда кодируется условным обозначением, которое называется кодом операции (КОП).

 

Исходные данные, которые обрабатываются в МПС, называются операндами.

 

Пример:

Команда на языке ассемблер MOVB,C; комментарий (B) ß(C)

Команда в машинном коде 01000001b - 41 h

MOVB,C – команда.

MOV – код операции в мнемонической форме.

B, C – операнды.

 

Совокупность операций (команд), выполняемых в данной МПС, называется системой команд. В 8-ми разрядном МП свыше сотни команд, в 32-х разрядном МП (персональный компьютер) около1000 команд.

· Структура и принцип функционирования МПС

Любая МПС включает следующие устройства:

 

1. Центральный микропроцессор (ЦМП). Он занимается обработкой информации

2. Запоминающее устройство (ЗУ), которое состоит из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянно запоминающего устройства (ПЗУ). ОЗУ – энергетически зависящие устройство, т.е. хранит информацию, только пока к нему подается питание. В ПЗУ информация может храниться постоянно.

3. Устройства ввода, вывода. К ним относятся: клавиатура, мышка, винчестер, дисплей и т.д.

 

Все устройства соединены между собой шинами, а именно:

· шина адреса (ША),

· шина данных (ШД),

· шина управления (ШУ).

В совокупности перечисленные шины образуют системную магистраль.

 

Принцип работы МПС состоит в выполнении заранее разработанной программы, которая определяет последовательность выполнения команд (операций).

 

Выполнение программы осуществляется последовательным считыванием с ЗУ команды, её дешифрированием и выполнением.

 

Выполнение команды осуществляется в 2 этапа:

1. Считывание и дешифрирование команды: ЦМП выставляет на шину адреса (ША) адрес очередной выполняемой команды. Этот адрес по ША поступает в ЗУ. Кроме того, в ЗУ по шине управления (ШУ) подается сигнал чтения содержимого ячейки памяти (ЯП). Содержимое ЯП с кодом команды (операции) по шине данных (ШД) поступает в ЦМП.

В ЦМП содержимое ЯП дешифрирования формируются сигналы для выполнения команды

2. По результатам дешифрирования МП осуществляется выполнение команды.

По окончании выполнения команды на ША выставляется адрес очередной команды и далее выполняется очередная команда.

 

 

Й учебный вопрос

Структура (архитектура) однокристального восьмиразрядного микропроцессора МП580ВМ80

Определение МП – программно-управляемое устройство, реализуемое на одном или нескольких чипах, которое осуществляет процесс цифровой обработки информации и управление им.

Структура МП

 

МП состоит из трех блоков:

1. Блок обработки информации ().

2. Блок управления ().

3. Блок хранения информации ().

 

Блок обработки информации включает восьмиразрядный регистр – аккумулятор, предназначенный для хранения одного из операндов команды и результата операции (выполнения команды).

MOVB,C; (B)←(C)

АЛУ – арифметическое логическое устройство, которое выполняет необходимые арифметические и логические действия над операндами и результат записывает в аккумулятор.

Восьмиразрядный регистр признаков (регистр флагов) необходим для хранения признаков выполнения действий в АЛУ.

 

7 6 5 4 3 2 1 0

S	Z		AC		P		CY

 

S – признак отрицательного результата (S=1).

Z – признак нулевого результата (Z=1).

0 – не используется.

AC – признак переноса между полубайтами (АС=1).

Р – признак четного числа единиц в байте результата, т.е. в аккумуляторе (Р=1).

СY – признак переноса старшего разряда результата (СY=1).

 

Блок управления включает восьмиразрядный регистр команд, предназначенный для хранения КОП-а.

Дешифратор команд дешифрирует КОП и выдает управляющие сигналы на устройство управления.

Устройство управления осуществляет управление процессом выполнения команд.

 

Блок хранения информации включает шесть восьмиразрядных регистров (регистры общего назначения – РОН) – В, С, D, E, H, L. Они предназначены для временного хранения информации в МП (в КЭШ памяти).

Регистры РОН могут использоваться как по отдельности (восьмиразрядные), так и парами (шестнадцатиразрядные).

Только такие пары регистров могут быть В-С, D-E, H-L.

Указатель стека (SP) – шестнадцатиразрядный регистр, предназначенный для хранения адреса стековой памяти.

Стековая память – выделенная память ОЗУ, в которой реализуется принцип: «первый записал, последний прочитал».

Счетчик команд – шестнадцатиразрядный регистр, предназначенный для хранения адреса выполняемой команды.

Принцип работа МП

 

Работу МП рассмотрим на примере выполнения команды арифметического сложения.

 

Команда на языке ассемблера (пользователя):

ADDB; (А)←(А)+(В)

 

Комнда в машинном коде (микропроцессора):

 

Команды программы предварительно записаны в ЗУ (ОЗУ или ПЗУ).

Все команды в МП выполняются в два этапа:

1) выборка (чтение из ЗУ) и дешифрование команды;

2) выполнение команды.

На первом этапе выполнения команды адрес выполняемой команды, записанной в счетчике команд (PC), под воздействием сигнала управления выставляется на 16-ти разрядную шину адреса (ША) и по ША поступает в ЗУ. В ЗУ ячейка памяти (ЯП) с указанным адресом под воздействием сигналов управления инициализируется на чтение. Содержимое ЯП по шине данных (ШД) поступает в регистр команд и далее на дешифратор команд. Содержимое регистра команд (КОП) хранится в течение выполнения команд. В результате дешифрования команды формируется управляющие сигналы для устройства управления.выполнения команды

На втором этапе осуществляется выполнение команды по микротактам под воздействием сигналов управления. В нашем примере ADDB: содержимое регистра В (РОН) по внутренней шине данных МП поступает в АЛУ, где суммируется с содержимым аккумулятора в АЛУ, т.е. арифметическое сложение содержимого регистров А+В. Результат сложения записывается в аккумулятор. Кроме того, в регистр признаков заносятся признаки выполняемой операции (Z=1, если 0-й результат; S=1, если отрицательное значение результата операции записывается в А_к). После выполнения арифметической операции (в нашем примере) в счетчике команд (PC) будет записан адрес очередной выполняемой команды.

Лекция 2