Микропроцессор и микропроцессорная система

Микропроцессор (МП) – это микросхема, устройство цифровой обработки данных, основной компонент микропроцессорной системы (МПС). МПС состоит из трех функциональных подсистем, связанных магистралью, или системной шиной, (рис. 7.30):

центральный процессор (МП, CPU) обеспечивает преобразование данных и  общее управление МПС, выполнение команд и синхронизацию работы модулей;

подсистема основной памяти (М – memory)   обеспечивает хранение исполняемых программ и обрабатываемых данных;

подсистема ввода–вывода (I/O – input–output) обеспечивает ввод данных, вывод результатов, а также реакцию МПС на запросы от периферийных  устройств (ПУ).

Рис. 7.30

В однокристальных микроконтроллерах часто применяется гарвардскаяархитектура микропроцессорной системы. В МПС гарвардского типав системе должна быть отдельная память для данных и отдельная память для команд, которые могут иметь различную структуру и разрядность. Следовательно, взаимодействие процессора с каждым из двух типов памяти должно происходить по своей шине ипо своему отдельному протоколу (рис. 7.31).

Рис. 7.31

Рассмотрим взаимодействие между модулями, входящими в МПС фон – Неймановского типа. В МПС используют магистральный принцип связи, при котором модули обмениваются информацией по единой шине данных. Количество линий в шине данных (DB) N обычно соответствует разрядности МПС (количеству бит в слове данных). Шина адреса (AB) применяется для указания направления передачи данных — по ней передаётся адрес ячейки памяти или блока ввода-вывода, которые получают или передают информацию в данный момент. Шина управления (CB) служит для передачи сигналов, синхронизирующих всю работу МПС.

Работа МПС и сигналы шины

Существует три основных типа обмена между модулями, которые различаются инициатором обмена, временной привязкой к исполнению основной программы и устройством, управляющим шиной (рис. 33):

1. программный обмен по инициативе МП,

2. обмен по прерыванию,

3. внепроцессорный обмен между памятью и внешним устройством.

Программный обмен является основным в любой МПС. Все операции (циклы) обмена информацией в данном случае инициируются только процессором, все они выполняются строго в порядке, предписанном исполняемой программой.

Процессор читает (выбирает) из памяти коды команд и исполняет их, читая данные из памяти или из устройстваввода/вывода, обрабатывая их, записывая данные в память или передавая их в устройство ввода/вывода. Все сигналы на магистрали в данном случае контролируются процессором.

Обмен по прерываниям используется тогда, когда необходима быстрая реакция микропроцессорнойсистемы  на приход внешнего сигнала. Процессор прерывает основную (фоновую) программу при поступлении в случайный момент времени сигнала (запроса – IRQ) от внешнего устройства, определяет источник прерывания  и выполняет обработку прерывания (исполняет подпрограмму, предназначенную для обслуживания именно этого события). Закончив обработку прерывания, МП продолжает исполнение к прерванной программы с той точки, где его прервали. Если одновременно прерывание запрашивают несколько устройств, то только одному МП посылает сигнал разрешения INTA.

Кроме сигналов запроса прерывания, здесь также все сигналы на магистрали выставляются МП, то есть он, полностью контролирует магистраль.

Прямой доступ к памяти (DMA) используется для быстрой пересылки массива информации из устройства ввода/вывода в память или из памяти в устройство ввода/вывода. Процессор в обмене не участвует, а контроль над системной магистралью осуществляет дополнительное устройство (контроллер DMA).

Аналогично запросу на прерывание внешнее устройство подает процессору сигнал HOLD – запрос  режима  DMA. В ответ на это МП заканчивает выполнение текущей команды, отключается от всех шин и посылает сигнал BUSEN запросившему устройству, что можно начинать работу в режиме DMA. Когда пересылка информации будет закончена, процессор вновь возвращается к прерванной программе, продолжая ее с той точки, где его прервали.

Рис. 7.32

Каждая команда МП состоит из одного или более типовых циклов обращения (пересылок) к системной магистрали.  За один машинный цикл между CPU, памятью и подсистемой I/O передается одно слово, или байт. Существует несколько типовых машинных циклов:  чтение памяти, запись в память, чтение порта I/O, запись в порт I/O,. цикл обслуживания прерывания, цикл DMA и т.д.

В свою очередь каждый машинный цикл (МЦ) состоит из нескольких машинный тактов (T1, T2, и т.д.), и каждый сигнал управления привязан к определенному такту.

На рис. 7.33 приведены диаграммы, иллюстрирующие работу МПС при различных режимах обмена.

В) Асинхронный

A) Синхронный 3-х шинный

Б) Синхронный 2-х шинный

Рис. 7.33

Для обеспечения типовых МЦ в состав шины управления должен входить минимальный набор сигналов:

сигналы чтения и записи в память – RD и WR,

сигналы чтения и записи в порт – IOR и IOW,

сигналы системы прерывания – IRQ, INTA,

сигналы прямого доступа к памяти – HOLD, HLDA,

сигналы для асинхронного обмена и сброса –.READY и RST.