Типова структура мікропроцесора. - раздел Философия, Конспект лекцій з дисципліни Електротехніка, електроніка та мікропроцесорна техніка Мікропроцесор (Мп) – Функціонально Закінчений Пристрій Обробки Інформа...
Мікропроцесор (МП) – функціонально закінчений пристрій обробки інформації, керований командами програми, які по черзі надходять із запам’ятовуючого пристрою МП-системи.
Конструктивно МП являє собою одну (однокристальний МП) або кілька (багатокристальний МП, багатокристальний секційний МП) великих або надвеликих інтегральних схем. Поява мікропроцесора стала можливою завдяки розвитку інтегральної електроніки, що дозволило перейти від схем малої і середньої міри інтеграції до великих і надвеликих інтегральних схем.
Докладно принципи роботи мікропроцесора на прикладі мікропроцесора КР580ІК80А розглядається в лабораторних роботах №№ 3–8.
Коротко розглянемо склад і призначення блоків мікропроцесора.
Типова структура мікропроцесора наведена на рис. 1. В загальному випадку можна виділити три основні блоки: арифметико-логічний пристрій,блок внутрішніх регістрів і пристрій керування. Для передачі даних між цими блоками використовується внутрішня шина даних. Внутрішня шина даних безпосередньо приєднана до шини даних МП-системи.
Рис. 1. Типова структурна схема мікропроцесора
Перелік функцій арифметико-логічного пристрою (АЛП)залежить від типу МП. Основу АЛП складає двійковий суматор, регістри для тимчасового зберігання операндів – буферні регістри, та логічні схеми для виконання логічних операцій. В більшості мікропроцесорів цей пристрій виконує за керуючими сигналами кілька найпростіших операцій: додавання, віднімання, збільшення на 1 (додатне збільшення – інкрементування і від’ємне – декрементування), зсув даних вліво і вправо, інверсію, логічне додавання (АБО), логічне множення (І), додавання за модулем 2.
Важлива складова частина МП – регістри. Деякі регістри мають спеціальне призначення, інші – багатоцільове. Останні називаються регістрами загального призначення (Ргзп) і можуть використовуватись в програмуванні. АЛП може здійснювати операції над вмістом Ргзп без виходу на зовнішні шини адрес і даних і ці операції здійснюються набагато швидше, ніж операції над даними, що зберігаються в пам’яті. Тому іноді регістри загального призначення називають надоперативною пам’яттю. Кількість Ргзп і можливість програмного доступу до них у різних МП відмінна.
АЛП безпосередньо зв’язаний з регістром ознак, у відповідних розрядах якого фіксуються ознаки результату виконаної операції (Z – ознака нульового результату, S – ознака знаку результату, С – ознака переповнення та ін.). За ознаками здійснюються програмні переходи при реалізації алгоритмів з розгалуженням.
Особливе місце серед регістрів займає регістр-акумулятор (РгА).Більшість арифметичних і логічних операцій здійснюється через використання АЛП і акумулятора. Будь-яка з таких операцій над словами даних (операндами) передбачає розміщення одного з них в РгА, а іншого в пам’яті або в одному з регістрів МП. Результат виконання операції розміщується в РгА, попередній вміст якого втрачається. Інший вид операцій – пересилання даних, наприклад між пристроєм введення-виведення (портом) і пам’яттю, між вічками пам’яті та інші – здійснюється в два етапи: спочатку виконується пересилання даних із вихідного пункту в акумулятор, а потім – із акумулятора в пункт призначення. МП може виконувати деякі дії над даними безпосередньо в акумуляторі. Наприклад, РгА можна очистити записом двійкових нулів в усі його розряди, встановити в одиничний стан записом в усі його розряди двійкових одиниць. Вміст акумулятора можна зсувати вліво або вправо, отримувати його інвертоване значення. Акумулятор є найбільш універсальним регістром МП: для виконання будь-якої операції над даними попередньо їх необхідно помістити в акумулятор. Дані надходять в РгА з внутрішньої шини даних МП. В свою чергуРгА може надсилати дані на цю шину.
Один з найважливіших регістрів МП – це лічильник команд (Ргліч) (абопрограмний лічильник – РС). Програма роботи МП-системи – це послідовність команд, що зберігається в пам’яті. Для коректного її виконання команди програми повинні надходити до МП у визначеному порядку – по черзі. Лічильник команд забезпечує формування адреси чергової команди, що записана в пам’яті.
Перед виконанням програми лічильник команд завантажується адресою першої команди програми. Адреса першої команди з Ргліч надсилається через регістр адреси по адресній шині МП-системи до схем керування пам’яттю, в результаті чого читається вміст вічка пам’яті за вказаною адресою. Зчитана команда надсилається в спеціальний регістр МП, що називається регістром команд. Після видобування команди з пам’яті МП автоматично здійснює збільшення вмісту лічильника команд. Отже з цього моменту лічильник команд містить адресу наступної команди. Після виконання команди цикл, – читання чергової команди з пам’яті і збільшення вмісту Ргліч – повторюється.
Сформований вміст лічильника команд можна змінити, завантаживши лічильник іншим вмістом, за одною з команд особливої групи. Ця група команд здійснює переходи за деякою умовою або безумовно до виконання не наступної команди програми, а до команди, розташованої в іншій частині програми. Завантаження Ргліч адресою команди, до якої здійснюється перехід, дозволяє реалізувати алгоритми з розгалуженням. Як параметр умови переходу використовуються значення певного розряду регістра ознак (наприклад: перехід, якщо результат операції дорівнює нулю; перехід, якщо сталось переповнення та ін.).
Регістр адреси (Ргадр) містить адресу вічка пам’яті і має вихід безпосередньо на шину адрес МП-системи. При кожному звертанні до пам’яті МП-системи Ргадр вказує адресу вічка, вміст якого передбачається використати мікропроцесором, незалежно від того, чи то адреса команди або адреса даного. Оскільки Ргадр приєднаний до внутрішньої шини МП, він може завантажуватись від різних джерел. Під час видобування команди вРгадр копіюється вміст Ргліч. В інших випадках в Ргадрможе бути скопійований вміст одного з регістрів загального призначення або вічка пам’яті. Деякі команди надають можливість змінювати вміст Ргадршляхом виконання обчислень: нове значення вмісту цього регістра отримується через додавання або віднімання вмісту Ргліч з числом, що вказане в самій команді. Такий спосіб утворення адреси називається адресацією з використанням зміщення.
Вказівник стеку (верхівка стеку – SP) – це регістр, який зберігає адресу вічка, зайнятого останнім, в області стекової пам’яті. Під стековою пам’яттю розуміється область оперативної пам’яті, до якої звертання здійснюється за безадресним принципом, тобто здійснюється не за певною адресою, а за принципом: останній записаний елемент видобувається із пам’яті першим. В більшості випадків стекова пам’ять використовується для зберігання і відновлення вмісту програмно-доступних регістрів МП. Детально роботу стекової області пам’яті розглянуто в лабораторній роботі № 8.
Пристрій керування управляє роботою АЛП і внутрішніх регістрів в процесі виконання команди. Згідно з кодом операції, що знаходиться в команді, він формує внутрішні сигнали керування блоками мікропроцесора. Більшість пристроїв керування реалізовані за принципом мікропрограмного керування. Кожна команда, що входить до репертуару команд мікропроцесора, виконується не миттєво, а поступово такт за тактом в суворій послідовності, що визначається кодом команди і синхронізується в часі сигналами тактового генератора. За кожним тактом виконується певні елементарні дії, під час яких регістри МП змінюють свій вміст (наприклад, на початку виконання поточної команди здійснюється передача адреси слова з лічильника команд на шину адреси МП-системи). Тактність підтримується тактовими синхронізуючими імпульсами, які надходять до пристрою керування із зовнішнього генератора імпульсів тактової частоти. Послідовність певних дій, що виконуються за кожним тактом при виконанні певної команди, визначається мікропрограмою виконання команди. Мікропрограма складається з мікрокоманд. Виконання мікрокоманди призводить до утворення певного керуючого сигналу, який надходить до задіяного в цій мікрокоманді блоку МП або до шини керування МП-системи. Мікропрограми зберігаються в постійній пам’яті пристрою керування. Схеми пристрою керування (контролер мікрокоманд) формують за кодом операції команди, що знаходиться в регістрі команд МП, адресу першої мікрокоманди мікропрограми, що інтерпретує дану команду, формують адресу наступних мікрокоманд. Мікропрограми можуть утворювати лінійну послідовність мікрокоманд, безумовні і умовні переходи, звертання до мікропідпрограм. Як умови переходів можуть використовуватись певні стани регістрів МП або наявність (відсутність) сигналів, що надходять із інших пристроїв МП-системи по шині керування. Отже можна сказати, що мікропрограмний пристрій керування уявляє собою деякий процесор в мікропроцесорі, який реалізує певний алгоритм виконання команди.
Використання принципу мікропрограмного керування в багатокристальних секційних мікропроцесорах, в яких пристрій керування уявляє собою окрему ВІС, дозволяє тільки за рахунок гнучкої адаптації набору команд і алгоритмів їх виконання до класу задач, що розв’язуються, значно підвищити швидкодію мікропроцесора. Іноді тільки за рахунок мікропрограмування критичних у часі функцій або алгоритму дозволяє підвищити швидкодію у кілька разів в порівнянні з реалізацією алгоритму на командному рівні. Це використовується, наприклад, при створені спецпроцесорів для обробки сигналів (швидке перетворення Фур’є, цифрова фільтрація), процесорів систем передачі даних та інших застосувань.
Все темы данного раздела:
КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ
з дисципліни
Електротехніка, електроніка та мікропроцесорна техніка
Розрахунок.
Оскільки струм в опорі навантаження менший за струм стабілізації баретера, необхідно паралельно навантаженню включити опір R1, через який повинен протікати надлишковий струм І
Котушка індуктивності.
Будь–яка зміна струму і в колі з котушкою індуктивності викликає зміну магнітного потоку Ф, створеного цим струмом. Змінний магнітний потік пронизує всі витки котушки індуктивності і
Котушка індуктивності на змінному струмі
При проходженні змінного синусоїдального струму ЕРС самоіндукції повинна повністю урівноважувати прикладену напругу, тобто
Ємність
Основною технічною характеристикою конденсатора є його електроємність С (ще його номінальна (робоча напруга)). Ємність вимірюється в фарадах (Ф) або мікрофарадах (мкФ).
Ємність зале
Конденсатор на змінному струмі
При підключенні до конденсатора змінної синусоїдальної напруги u = Um sin wt в колі з конденсатором виникає струм
Символічний метод
Вже можна передбачити, що при розрахунках кіл змінного струму необхідно буде використовувати складні перетворення з величинами, до яких входять тригонометричні функції, або виконувати графічні дії
Розрахунок.
Скористаємось спрощеною схемою заміщення і визначимо опір цієї схеми.
Коефіцієнт трансформації k = U1 / U
Зміна вторинної напруги трансформатора
Величину вторинної напруги U2 навантаженого трансформатора іноді зручніше визначати не за розглянутою в прикладі методикою, а за готовою формулою.
Познач
Трифазні трансформатори
При трансформації трифазного струму використовують або три однофазних трансформатори, або трифазний трансформатор з спільним магнітопроводом для всіх трьох фаз. Останній спосіб застосовується в уст
Навантажувальна здатність трансформатора
Номінальні параметри трансформатора
Робота трансформатора супроводжується втратами енергії, що виділяється у вигляді тепла в обмотках і магнітопроводі. Втрати потужності в обмотках D
Q Принцип дії асинхронної машини.
q Магнітне поле, що обертається
q Режими роботи асинхронної машини
q Конструкція ротора
q Механічні характеристики асинхронного двигуна.
q Баланс активних потужн
Баланс активних потужностей асинхронного двигуна можна уявити таким рівнянням
Ре = DР1е + DРм + DР2е + Рмех
Багатополюсні генератори.
Втеперішній час на теплових електростанціях застосовуються головним чином двополюсні турбогенератори із швидкістю обертання n = 3000 об./хв. При двополюсному роторі один пов
Статичні і динамічні характеристики схем включення.
Вольт-амперні характеристики транзисторів розділяють на статичні і динамічні.
Статичні характеристики є графічним відображенням залежностей між струмами і напругами на
Хрест-характеристика транзистора
Для практичного використання вольт-амперних характеристик транзистора в аналізі і розрахунку зручно використовувати суміщену хрест-характеристику, на якій в однаковому масштабі у відповідних квадра
Підсилювачі.
Пристрої, призначені для підсилення електричних сигналів мають назву підсилювачі.
Процес підсилення є один з випадків процесу керування енергією і, в принципі полягає в то
Характеристики підсилювачів
· Викривлення, що виникають у підсилювачі внаслідок неоднакового підсилення сигналів різної частоти називаютьчастотними викривленнями.Вони виникають за рахунок реактивних елементів
Характеристики підсилювачів
· Викривлення, що виникають у підсилювачі внаслідок неоднакового підсилення сигналів різної частоти називаютьчастотними викривленнями.Вони виникають за рахунок реактивних елементів
Електронний генератор синусоїдальних електричних коливань
Самозбуджуємий генератор (автогенератор) синусоїдальних коливань уявляє собою резонансний підсилювач з додатним зворотним зв’язком без стороннього джерела вхідного сигналу.
Вступ до модуля “Мікропроцесорна техніка”.
Цей розділ принципово відрізняється від попередніх. Якщо в розділі “Основи електротехніки” розглядалась робота електротехнічних пристроїв з точки зору електроенергетики, а в розділ
Уявлення про інтегральні схеми
Інтегральна схема (ІС) – це мікроелектронний виріб, що виконує певну функцію по перетворенню і обробці сигналів і має високу щільність електрично з’єднаних мікромініатюрних радіоелектронних елемент
Уявлення про мікропроцесорні засоби
Розвиток технології і схемотехніки мікроелектронних схем призвів до створення великих інтегральних схем (ВІС), що являють собою універсальні за призначенням, функціонально закінчені пристрої і по с
Типова структура мікропроцесорного пристрою
На рисунку представлена спрощена типова структура мікропроцесорного пристрою (або системи), призначеного для обробки даних або керування деяким процесом. Приблизно таку ж структуру мають мікро-ЕОМ
Системи числення
Система числення – сукупність прийомів і правил зображення чисел цифровими знаками. Системи числення діляться на непозиційні і позиційні.
Непозиційні системи ч
Таблиця 1. Таблиця відповідності чисел в різних системах числення
Основа
10-кова
2-кова
8-кова
16-кова
Числа
Загальні відомості про уявлення інформації в МП-системах
Інформація в МП-системах являє собою дані, що підлягають обробці, і програми обробки цих даних. Як вже відмічалося, використовується цифровий спосіб представлення інформації, тобто і команди програ
Додаткова інформація
Арифметичні операції над двійковими числами відрізняються простотою і легкістю технічного виконання. Приклади:
Додавання :
0 + 0 = 0
0 + 1 = 1
1 + 0 = 1
Кодування чисел в МП-системах
Вихідні дані, а також проміжні результати в МП-системах можуть бути додатними і від’ємними. Для зображення знаку числа в розрядній сітці перед старшим цифровим розрядом вводиться додатковий знакови
Елементи алгебри логіки
Для математичного опису роботи МП-пристроїв, синтезу і аналізу схем широко використовується алгебра логіки (алгебра висловлювань, булева алгебра [Джордж Буль – англійський м
Логічні операції
Операція «НЕ» (інверсія, логічне заперечення, NOT). Нехай є деяке висловлювання А. Заперечення цього висловлювання позначається`
Ugrave; 1= 1
Правило логічного множення справедливе не тільки для двох співмножників, але і для будь-якої їх кількості, тобто A Ù B Ù
Uacute; 1= 1
Правило логічного додавання справедливе не тільки для двох доданків, але і для будь-якої їх кількості, тобто A Ú B Ú
Схемна реалізація логічних функцій на прикладі функцій “НЕ”, “І”, “АБО”, 3І–НЕ”, “3АБО–НЕ” та ін.
Розглянемо схеми деяких логічних елементів на основі ІС, що виконують найпростіші логічні операції.
Тригерний пристрій та його схемна реалізація.
Тригер – електронний пристрій, за допомогою якого можна запам’ятовувати, зберігати і зчитувати двійкову інформацію. Він має два стійких стани рівноваги: один із стійких станів прий
Типи тригерів за способом функціонування.
Тригер може бути оснащений лічильним входом. При надходженні сигналу на цей вхід тригер змінює будь-який свій ст
Синхронний однотактний RS–тригер.
На рисункунаведена схема і умовне позначення синхронного однотактного RS–тригера, виконаного на елементах І–НЕ. Елементи 1 і 2 утворюють схему вхідної логіки RS–тригера, поб
Синхронний двотактний RS–тригер.
Двотактний RS–тригер на елементах І–НЕ:
а) – схема двотактного RS–тригера; б) – умовне графічне позначення.
Т–тригер.
Це тригер з лічильним входом (однорозрядний лічильник). Він може бути побудований з використанням двотактного синхронного RS–тригера. Т–тригер реалізує функцію виду
D–тригер.
D–тригер на основі двотактного RS–тригера:
а) – функціональна схема; б) – умовне графічне позначення.
JK–тригер.
Розповсюдженим типом тригера в системах інтегральних логічних елементів є універсальний двотактний JK–тригер а) – схемна реалізація; б) – умовне позначення:
Регістр як вузол МП-системи. Призначення та класифікація.
При виконанні різних арифметичних і логічних операцій і взагалі при обробці інформації виникає необхідність в зберіганні коду числа на протязі деякого часу. Іноді необхідно зсунути цей код вправо а
Регістри прийому і передачі інформації.
На схемах, що наводяться далі, будуть показані лише ті кола, про які безпосередньо йде мова. Якщо, наприклад, говориться, що регістр містить код слова, то існують кола, по яких цей код занос
Приклади схемної реалізації зсуваючого регістру
Зсуваючі регістри призначені для виконання операції зсуву коду слова, тобто для переміщення цифр слова в напрямку від старших до молодших розрядів (зсув вправо) або від молодших до
Реалізація порозрядних операцій в регістрах.
Звичайно, операція видачі коду з регістра об’єднується з операцією прийому цього коду на інший регістр. В процесі передачі інформації з регістра на регістр можлива змістовна переробкакодів слів. В
Виконання порозрядних операцій «логічне додавання», «логічне множення».
На рис. 1 наведена схема для реалізації виконання операцій порозрядного додавання і множення.
В Рг1 записаний код числа x1, x
Виконання порозрядної операції «складання за mod 2».
Схема регістра, в якому виконується операція порозрядного додавання за mod 2 наведена на рис. 2. Нехай в регістр
Лічильник як вузол МП-системи. Призначення та класифікація
Лічильник уявляє собою пристрій, призначений для підрахунку числа сигналів, які надходять на його вхід, і фіксації цього числа у вигляді коду, що зберігається в тригерах. Кільк
Лічильник з безпосередніми зв’язками з послідовним переносом.
В цих лічильниках кожний наступний тригер (і+1) – го розряду запускається від інформаційних виходів (Q i ,
Лічильник з паралельним переносом.
Для прискорення спрацьовування лічильники виконують з паралельним переносом. На рис. 2 зображена схема чотирьохрозрядного лічильника на JK–тригерах з паралельним переносом. Як схеми І
Реверсивний лічильник з послідовним переносом.
В реверсивному лічильнику передбачена спеціальна перемикаюча схема для переключення лічильника або в режим додавання, або в режим віднімання.
Дешифратори. Класифікація.
Дешифратором називається комбінаційна схема, яка має n входів і до 2n виходів, і, яка перетворює n
Шифратори і перетворювачі кодів
Шифратори і перетворювачі кодів – це комбінаційні схеми, призначені для перетворення числової інформації з однієї двійкової форми в іншу.
Розглянемо побудову методом синте
Мультиплексори
Мультиплексор – це комутатор інформаційних сигналів, що забезпечує передачу інформації, яка надходить по одній, вибраній з кількох, вхідній лінії зв’язку, на одну вихідну лінію. Вхідна лінія
Суматор як вузол МП-системи. Призначення та класифікація.
Суматор – електронний вузол, що виконує операцію сумування цифрових кодів двох чисел. Сумування полягає в порозрядному додаванні значень цих чисел і додаванні в кожному розряді одиниц
Однорозрядний комбінаційний суматор.
Це логічна схема, яка забезпечує отримання сигналів суми та переносу при одночасній подачі кодів слів-дод
Однорозрядний накопичуючий суматор.
Це логічна схема, в якій вхідні сигнали хі, уі, рі-1 надходять на вхід почергово і накопичую
Багаторозрядні суматори
В залежності від того, як передаються коди доданків, можуть бути два способи додавання, а відповідно два типу су
Запам’ятовуючі пристрої мікропроцесорних систем
Запам’ятовуючі пристрої (ЗП) – це найважливіша складова частина будь-якої мікропроцесорної системи.
За функціональним призначенням всі ЗП можна поділити на такі
Оперативні запам’ятовуючі пристрої
За принципом зберігання інформації напівпровідникові ОЗП поділяються на динамічні і статичні.
Динамічні ЗП побудовані на основі запам’ятовуючого ел
Постійні запам’ятовуючі пристрої
Постійні запам’ятовуючі пристрої (ПЗП) в МП-системах використовуються для зберігання програм та іншої незмінюваної інформації. Важлива перевага ПЗП в порівнянні з ОЗП – зберігання інф
Основні сигнали процесора.
При використанні конкретного МП необхідно ясно уявляти динаміку його роботи, тобто на яких шинах, в залежності від яких керуючих сигналів і коли МП буде видавати ту чи іншу інформацію. Це в подальш
Особливості побудови МП-систем
МП-система – це сукупність взаємодіючих ВІС МП–набору, яка організована в систему з мікропроцесором (вузол обробки інформації) (див. лекцію 18). До складу типової структури МП–системи входять мікро
Мікропроцесорні засоби в системах керування
Мікропроцесорні засоби все частіше використовуються в системах керування, в тому числі і системах, що працюють в реальному часі. МП-системою реального часун
Принцип перетворення напруги в цифровий код.
Принцип перетворення напруги в цифровий код полягає в наступному. Нехай датчик вимірює значення деякого параметра, який змінюється довільно, і видає напругу пропорційну вимірюваній
Перетворювачі напруги в код.
Схеми перетворювача напруги в код ступінчастого типу наведена на рис. 2-а. На вхід схеми подається напруга Uвх, яка за допомогою часово-імпульсного перетворювача
Перетворювачі кута повороту в код.
Широке розповсюдження отримали перетворювачі кутових переміщень в код, що уявляють собою кодуючий диск, який закріплений на валу вимірювального механізму.
Диск розбивається на концентричні
Цифрово-аналогові перетворювачі.
Двійкові коди в аналогові еквіваленти перетворюються різними способами, але всі вони основані на додаванні аналогових складових, пропорційних деяким двійковим приростам (елементам) вихідного двійко
Перетворювач коду в напругу.
Приклад схеми перетворювача двійкового коду в напругу представлений на рис. 5.
Рис. 5. Схема
Перетворювач коду в кут повороту.
Перетворювачі коду в кут повороту часто називають цифровими слідкуючими системами. Одна з можливих схем цифрової слідкуючої системи наведена на рис. 6.
Новости и инфо для студентов