Дисциплина: Цифровые устройства и микропроцессоры

 

Дисциплина: Цыфровые устройства и микропроцессоры

(ЦУ и МП)

 

Лекции: 28час; лаб.зан: 12час. Зачет. Для Р-05 курсовая работа.

 

Лекция 1

Общие принципы организации и работы микропроцессорной системы

1. Структура (архитектура) микропроцессорной системы (МПС). 2. Структура, архитектура однокристального восьмиразрядного микропроцессора…  

СОДЕРЖАНИЕ

 

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

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 ( ).

Принцип работа МП

Работу МП рассмотрим на примере выполнения команды арифметического сложения.   Команда на языке ассемблера (пользователя):

Система команд восьмиразрядного микропроцессора КР580ВМ80

(Int 8085 или Z80)

Учебные вопросы:

1. Структура команд и режимы адресации.

2. Система команд.

1. Структура команд и режимы адресации.

Команды по занимаемой памяти делятся на:

Однобайтные;

Двухбайтные;

В однобайтной команде хранится код операции и операнды. Например: MOV B,C; в регистр В записывается содержимое регистра С: (В)←(С), где В и С – операнды.

Из аккумулятора (А) вывести информацию на устройство вывода с адресом FB.

Квадратные скобки [..] – адрес ЯП или устройства вывода/ввода. Б1 Б2 MVI B 7Bh (В)←7Вh. В регистр В заносится 8-ми разрядная (однобайтная) константа… .

Команда чтения из памяти (ЗУ). В аккумулятор записывается информация, которая храниться в ячейке памяти, адрес которой указан во втором и третьем байтах.

Помни!!!!: Только в первом байте любой команды (одно, двух, трех байтной)

записан КОП (код операции).

Исходная программа на языке ассемблер состоит из последовательности команд, которые называют также ассемблерными строками. Запись строки осуществляется в соответствии с некоторыми формальными правилами (как синтаксис и орфография в русском и др. языках).

Строка (предложение) делятся на несколько полей, разделенных одним и более пробелами:

Ø поле метки;

Ø поле мнемоники кода операции;

Ø поле операнда;

Ø поле комментария.

Таким образом, строка (команда) имеет следующий формат:

[метка] <мнемоника КОП> [операнд] ; [комментарий]

Где […] – необязательный элемент конструкции (команды).

<…..> - обязательный элемент конструкции (команды).

Поле метки начинается с первой позиции строки и представляет мнемоническую запись адреса команды.

Поле мнемоники КОП начинается после первого пробела строки и заканчивается одним или более пробелами. Является обязательным в команде (конструкции строки).

Поле операнда определяет информацию, над которой производятся действия.

Поле комментария начинается после символа ; Присутствие поля комментария в команде необязательно. Комментарии не влияют на результат трансляции.

Режимы адресации в МП

В МП используются четыре режима адресации:

1) Прямая адресация – код адреса в команде является исполнительным адресом обращения к памяти или устройству ввода вывода. Примеры:

STA

8F

(A)←([8F79]) .

В аккумулятор заносятся данные из ЯП, адрес которой во 2-м и 3-м байтах команды.

Б1 Б2	IN
8B

(A)←([8B])

В аккумулятор заносятся данные из устройства ввода, адрес которого во 2-м байте команды.

2) Регистровая адресация – это адресация, при которой операнд содержится в одном из регистров МП.

MOV A,B (A)←(B)

Содержимое 8-ми разрядного регистра В пересылается по внутренней шине данных МП в аккумулятор (А).

3) Непосредственная адресация – это адресация, при которой операнд находится в самой команде.

Б1 Б2	ADI
7Eh

(A)←(A)+7Eh

Константа во 2-м байте команды (7Eh) складывается с содержимым аккумулятора и результат сложения записывается в аккумулятор.

4) Регистровая косвенная адресация – это адресация, при которой адрес ячейки памяти с операндом хранится в регистровой паре H-L.

5)

MOV A,M; (A)←([H-L])

В аккумулятор пересылается содержимое ячейки памяти, адрес которой храниться в регистровой паре H-L.

Помни: Скобки (….) обозначают содержимое ячейки памяти или регистра РОН и аккумулятора. Скобки […] адрес ячейки памяти или устройства ввода/вывода.

Й учебный вопрос

Система команд

Рассмотрим систему команд на языке ассемблера.

Ассемблер - это программа, которая переводит последовательность команд с языка пользователя (ассемблера) в машинный код (код микропроцессора).

Система команд включает в себя следующие группы команд:

Команды пересылки данных.

Команды арифметических операций.

Команды логических операций.

Команды управления (безусловные и условные переходы).

Команды ввода и вывода данных.

Другие (вспомогательные) команды.

1. Команды пересылки данных 1.1 регистровая пересылка

R – все регистры (B, C, D, E, H, L) и аккумулятор (A)

Пример команды на языке ассемблер:

MVI B, 8Dh ; (B)←8Dh

В регистр В пересылается константа 8Dh.

1.3 загрузка константы в пару регистров

Б1 Б2 Б3	LXI rr
младший разряд, const
старший разряд, const

(rr)←< Б₃>< Б₂>

Rr – регистровая пара (B-C, D-E, H-L; PSW-аккумулятор и регистр признаков).

Помни!!!: Если в коде операции команды (КОП) присутствует символ Х – команда «работает» с регистровой парой. Если в коде операции команды (КОП) присутствует символ I – команда «работает»… Например:

Пересылка из запоминающего устройства в аккумулятор.

1.6 загрузка памяти ЯП ЗУ прямая Б1 Б2 Б3 STA младший разряд адрес ячейки памяти ЗУ старший … ([<Б3>< Б2>])←(A)

Арифметические и логические операции. Инкрементные и декрементные команды

2.1. Сложение содержимого аккумулятора с регистром r , где r регистры A, B, C, D, E, H, L.

Б1

ADD r

(A)←(A)+ (r), Z, S, P, AС, СY регистра признаков.

Помни!!!: В командах арифметических и логических операций, а также инкрементных и декрементных командах формируются значения регистра признаков.

В этой команде изменяются признаки S, Z, P, AС, СY.

ADD A ; (A)←(A)+(A) Разновидность команды: Сложение содержимого аккумулятора с содержимым ЯП (косвенная адресация): Б1 ADD M

В этой команде изменяются признаки S, Z и др.

(A)←(A)- ([H-L]), S, Z и др. Б1 Б2 SUI 8-разрядная константа (A)←(A)-(< Б2>) , S, Z и др. 2.3. Декрементные команды (аналогично вычитающему двоичному счетчику) Б1 DCR r

S, Z и др.

Б1

DCR M

([H-L])←([H-L])- , S, Z и др.

Б1

DCX rr

(rr)←(rr)-1 , S, Z и др.

Rr – регистровая пара (B-C, D-E, H-L).

DCX B; (B-C)←(B-C)-1 Помни: Символ «Х» в команде означает работу с регистровой парой. 2.4. Инкрементные команды (аналогично суммирующему двоичному счетчику).

ANI FF ; В аккумуляторе остается содержимое аккумулятора.

(A)←(A)^([H-L]) 3.2. Логическое сложение Б1 Б2 ORI константа … (A)←(A)V(<Б2>)

Сложение по модулю два константы с аккумулятором

(A)←(A)(r) Например: XRA A ; (A)←(A)(A) В аккумулятор записывается ноль.

Команды управления (безусловный и условные переходы)

(Счетчик команд РС)←(< Б3>< Б2>) Пример: JMP 8105h ; (Счетчик команд РС)←8105h 4.2. Команды условных переходов (JM, JNM, JZ, JNZ)

Команды ввода и вывода данных.

Ввод и вывод данных организуется двумя способами:

1) Ввод и вывод данных только через аккумулятор. Данный способ обычно используется в восьмиразрядных системах. Он прост в технической реализации МП. В изучаемом нами МП применяется данный способ обмена.

Прямой доступ к памяти (ПДП). Тогда обмен информации между устройствами ввода, вывода и запоминающего устройства может осуществляться напрямую, минуя аккумулятор. Все персональные компьютеры и многие микроконтроллеры используют этот принцип. Он сложен в технической реализации, но обеспечивает большую пропускную способность.

5.1. Команда ввода данных

Б1 Б2	IN
Адрес устройства ввода

(А)←([< Б₂>])

Пример команды:

IN INPORT1; (A)←([INPORT1]), где INPORT1символический адрес порта ввода.

5.2. Команда вывода данных

Б1 Б2	OUT
Адрес устройства вывода

([<Б₂>])←(A)

OUT OUTPORT2 ; ([OUTPORT2])←(A)

Другие команды

6.1 Команды работы со стеком (стековой памятью).

Стековая память – область ОЗУ, предназначенная для временного хранения данных, в том числе и адресов возврата в основную программу при обращении к подпрограмме.

Обмен со стековой памятью осуществляется только парами регистров (В-С, D-E, H-L, PSW).

Для организации стековой памяти необходимо определить начальный адрес (вершину стека).

Для задания вершины стека используются два варианта команд: 1-ый вариант: Б1 Б2 Б3 LXI младший … (SР)←(< Б3>< Б2>)

SP – шестнадцатиразрядный указатель стека, т.е. в указателе стека

(SP)←(H-L) Запись содержимого регистровой пары в стековую память: Команда записи регистровой пары в стековую память PUSH rr

Сложные программы, как правило, включают в себя подпрограммы, т.е. создается алгоритм основной программы и в основной программе используются команды обращения к подпрограмме.

 

Синтаксис команды обращения к подпрограмме

([SP-2]) ←(CPH)возвр. (SP)←(SP)-2 ; измен. адр. вершины стека. (CP)←([< Б3>< Б2>]).

Команда возврата из подпрограммы

(CPH) ← ([ SP+2]) возврата в основную программу) (SP)←(SP)+2, (изменяется адрес вершины стека ) В счетчик команд PC записывается содержимое стековой памяти по адресу ([SP+1]) и ([SP+2]), т.е. адрес возврата в…

МП прекращает выполнение программы и ждет указаний.

Пустая команда

Б1

NOP

Эта команда используется для резервирования ячеек при написании программы. МП никаких действий не выполняет, но осуществляет первый этап (чтение и дешифрование). Кроме того, команда может применяться при написании программы временной задержки (для изучаемого симулятора AVSIM85 время выполнения 1-ого этапа команды четыре секунды).

Работа с имитатором (симулятором) процессора Intel I8085.

Построение программы.

1) Разработка алгоритма программы и ее написание на языке ассемблер. Набор программы осуществляется только!!! в Блокноте или с использованием… Примечание: В редакторе Word или Word Pad программу не набирать, а только в… 2) Трансляция программы – перевод программы с языка ассемблера в код микропроцессора. В результате появляется файл с…

Отладка программы.

Программа состоит из предложений. Каждое предложение имеет следующую структуру: [метка] <мнемоника команды> [операнды]; [комментарии] [] – не обязательное включение содержимого скобок в предложение

Программа начинается с комментария, в котором записывается автор программы, название программы, какие микропроцессоры, микроконтроллеры и тактовая частота используются. Далее следуют директивы к транслятору.

В директивах записываются символические имена портов ввода и вывода, констант, команд присоединения и других команд.

Include – директива и после нее записываются имена файлов с расширением .asm.

Тело программы включает строки предложений, рассмотренные ранее.

Трансляция программы.

Для трансляции программы необходимо командной в строке, например, FAR или Total Commander, записать:

avmac85 <имя исходного файла.asm> si allpublic

Помни уголки < > не использовать при написании команды.

В результате формируются объектный файл и листинг:

<имя исходного файла>.obj

< имя исходного файла >.prn

Для проверки программы на наличие в ней ошибок необходимо раскрыть файл с расширением .prn , и в нем будет показано, в какой строке находится ошибка. Исправлять ошибки только в файле с расширением .asm.

Компоновка программы.

Для компоновки программы пользователю необходимо создать командный файл компоновки. После создания командного файла компоновки в командной строке набрать команду:

avlink @<имя файла>.lnk

В результате компоновки формируется файл с расширением .hex.

Подготовка файлов выходных данных.

Для ввода данных (имитация ввода данных) формируется файл исходный данных. Для организации файла создать файл с именем indat.ad. Для создания файла используют следующее сочетание клавиш – Shift+F4. Значения входных данных записываются в десятичной системе. Цифры разделяются либо пробелом, либо переводом строки. Для перевода десятичной системы счисления в шестнадцатеричную в командной строке записывают команду:

Iotran db indat.dat indat.ad

 

Лекция 6

 

Особенности построения программ двоичных счетчиков

Учебные вопросы:

1. Двоичные счетчики с заданными начальным и конечным значениями счета.

Построение счетчиков на двух регистрах.

Построение программы с управляющими сигналами.

Разработка программы счетчика табличным методом.

1. Двоичные счетчики с заданными начальным и конечным значениями счета.

Постановка задачи: разработать вычитающий четырехразрядный двоичный счетчик с параметрами:

Q_нач.=5, Q_кон.=8

M – разрядность счетчика

С_max=

Примечание: в аккумуляторе восемь разрядов. В четырехразрядном счетчике используются только четыре младших разряда, следовательно, необходимо отсечь старшие разряды. Для этого используется команда ANI 0Fh.

Алгоритм программы

Фрагмент программы:

Begin:

MVI C,Qn ; C=Qn Бл.1

M2: MOV A,C ; A=C Бл.2

OUT outport2 ; вывод Qi

DCX C ; C=C-1 Бл.3

MOV A,C

ANI 0Fh Бл.4

MOV C,A

CPI Qk ; (A-Qk) в этой команде только меняются признаки S, Z, P

JZ Begin

JMP M2

END

В рассмотренной программе C_max=,

где m=8, следовательно, С_max не более 255 .

На практике применяются счетчики с С_max> 255. Тогда могут применяться счетчики на двух регистрах.

Построение счетчиков на двух регистрах.

МП обладает программной возможностью формирования признака нулевого результата только для одного регистра, а не для регистровой пары. Поэтому пользователю (разработчику программ) необходимо формировать признак нулевого результата на программном уровне.

Алгоритм программы

Нарисовать

Фрагмент из программы.

Delay:

LXI B,DEL ; константа пересылается в регистровую пару В-С

M3: NOP ; пустая команда для увеличения времени цикла

NOP

DCX B ; (B-C)=(B-C)-1

MOV A,C

ORA B ; (A)←(A)V(B)

JNZ M3

JMP Mi ; метка основной программы

END

Построение программы с управляющими сигналами

Примечание: Эти сигналы используются в программной реализации проектируемого устройства в курсовой и лабораторной работе. Управляющий сигнал обеспечивает сброс счетчика в начальное состояние, если…

Рассмотрим последовательность применения управляющих сигналов.

Разработка программы счетчика табличным методом.

Сущность метода построения счетчика: в памяти МПС на программном уровне формируется таблица (одномерная), в которой по адресу, соответствующему текущему состоянию, записано число (в памяти), которое соответствует следующему состоянию счетчика.

Пример: разработать счетчик табличным методом с произвольным порядком смены состояний.

Пусть счетчик имеет начальное состояние Q0 = 4

4 →0 →14→12 →8

NAT какой-нибудь адрес.

NAT +

Фрагмент программы:

MOV A,C ;(А)← (C)

OUT OUTPORT ;вывод значений счетчика

LXI H,NAT ;загружаем данные таблицы

MVI B,0 ;обнуляем регистр В

DAD B ;(H-L) ← (H-L)+(B-C)

MOV A,M ;(A) ←([H-L])

MOV C,A ;(C) ←(A)

JMP M1

NAT: db 0Еh,0h,0h,0h,0h,0h,0h,0h,4h,0h,0h,0h,8h

Include stack.asm

End

Лекция 7

Алгоритм программы (основной)

Формирователя сигналов сложной формы

    2.5 2.4 2.3 …

Алгоритма временной задержки (Блок 3)

 

 

 

3.5

3.4

3.3

3.2

3.1

 

 

Программа формирователя сигналов сложной формы

OUTPORT equ 2 K equ 9 DEL equ 2h

NOP

NOP

NOP

JNZ M5

POP B

JMP M4

NAT:

db 99h,0CBh,0E4h,0E4h,0CBh,0FDh,0E4h,0CBh,80h

include stack.asm

End

Лекция 8

Способы организации ввода/вывода данных в микропроцессор. Интерфейс – совокупность унифицированных технических и программных средств,… Интерфейс ввода/вывода данных предназначен для следующих задач:

Параллельный периферийный адаптер КР580ВВ55

ППА – программируемый адаптер, т.е. его настройка осуществляется на программном уровне. Структура ППА:

Организация прерывания работы микропроцессоров

Классификация прерываний в микропроцессоре

При обмене данными с большим числом асинхронно работающих внешних частот используются прерывания работы МП

Физически организация прерываний в МП осуществляется путем передачи сигналов на отдельные выводы.

Сигналы запроса от внешнего устройства поступают в микропроцессорную систему в произвольный момент времени (асинхронно).

Организация работы системы прерывания:

1) При поступлении сигнального запроса (если он разрешен) МП заканчивает выполнение текущей команды и приступает к выполнению запроса. При этом промежуточные данные работы МП до поступления запроса временно записываются в стековую память.

2) МП приступает к выполнению запроса на прерывание. Как правило, запрос на прерывание выполняется МП путем обращения к подпрограмме. При выполнении запроса на прерывание остальные запросы на прерывания, принимаемые в это время, заносятся в очередь.

3) после удовлетворения запроса и обработки прерывания (обращение к подпрограмме) зафиксированные ранее параметры стековой памяти возвращаются в регистры. МП проверяет, нет ли на очереди прерываний и если их нет, то продолжается выполнение основной программы.

Классификация запросов прерывания:

· немаскируемые запросы прерывания

· немаскируемые запросы прерывания.

Немаскируемые запросы реализуются аппаратно, т е не управляются на программном уровне пользователя, а заложены при изготовлении. Эти прерывания имеют высший приоритет и выполняются в первую очередь. К ним относятся перегрев МП, спящий режим.

Маскируемые запросы управляются командами программы и обеспечивают возможность гибкого управления внешними устройствами.

Для определения адреса подпрограммы обработки прерываний при поступлении запроса формируется так называемый вектор прерывания.

 

Вектор прерывания – область запоминающего устройства. Как правило, в начале в ячейки памяти запоминающего устройства заносятся команды, обращения к подпрограммам.

Организация прерываний в МП КР 580ВМ80 (симулятор Avsim85)

Структура выполняемых прерываний может быть представлена в виде следующего регистра RIM.  

Лекция 9

Интерфейс МП КР58ВМ80

Интерфейс однокристального восьмиразрядного микропроцессора не обеспечивает непосредственного соединения с системной магистралью. Все действия в микропроцессоре синхронизированы (т.е. о сигнале нужно знать, в… 1) командный цикл (время выполнения всей команды)

Структура системного микроконтроллера.

В начале каждого машинного цикла на шину данных микропроцессора (ШД) выдается байт состояния – SW. Действует он в течение длительности машинного…   Примечание: Количество типов микроопераций для данного МП равно десяти.

Шинный формирователь и буферный регистр.

 

Служат для обеспечения соединения МП с системной магистралью (ШД) и системным микроконтроллером.

А) Двунаправленный формирователь. Шинный формирователь обладает тристабильным состоянием: * передача (прием «1») , * передача (прием «0»), * импеданстное – высокоомное состояние.

Структура шинного формирователя:

 

 

Б) Буферный регистр – однонаправленный регистр для передачи адресной информации

 

Структура буферного регистра:

Лекция 10

Перспектива развития микропроцессорной техники

Современные микроконтроллеры (МК).

Определение и классификация микроконтроллеров.

Микроконтроллер – самостоятельная микропроцессорная система, которая содержит центральный микропроцессор (ЦМП), вспомогательные схемы (буферные регистры, контроллер) и устройства ввода/вывода, размещенные в общем корпусе (одном чипе).

Это определение справедливо для восьмиразрядных микроконтроллеров, но недостаточно для шестнадцатиразрядного и тридцатидвухразрядного микроконтроллеров (МК), так как эти МК содержат больше одного чипа (программаторы, дисплеи и т.д.).

 

МК классифицируются:

• По архитектуре

а) Принстонская архитектура (или фон Неймоновская).

Например, МК КР 580ВМ80, Z80.

В данном МК программы, память данных и стековая память хранятся в общем запоминающем устройстве (общая адресация памяти), и данные поступают в МП через одну шину данных.

Преимущества архитектуры: простота технической реализации, гибкость выполнения некоторых программных процедур.

б) Гарвардская архитектура.В ней хранение программ, данных и стека осуществляется в отдельных блоках запоминающего устройства и данные поступают по отдельным шинам.

Эта архитектура сложна в технической реализации. Преимущества архитектуры: меньшее количество тактов на выполнение команды (процессор точно знает, в каком блоке какая информация). Пример такой архитектуры: микроконтроллеры фирмы “Atmel”.

 

• По функциональному назначению

а) встраиваемые восьмиразрядные микроконтроллеры.

б) шестнадцатиразрядные и тридцатидвухразрядные микроконтроллеры.

в) цифровые сигнальные микроконтроллеры (DSP). Их предназначение: для построения цифровых фильтров, вокодеров.

Архитектура и принцип работы микроконтроллеров.

Чтобы ввести в действие МК нужно на «Ассемблере» или «С» разработать программу, отладить с помощью отладчика (например, Studio 4.528) и записать с…   Основное назначение МК: обеспечить гибкое управление объектами с учетом сложившейся ситуации или режимов работы.

Память микроконтроллера

· Память программ (Flash-память). Предназначена для хранения управляющей программы. Выполнена по Flash – технологии, то есть энергонезависимая… Запись информации в память программ осуществляется при помощи специальных…  

Лекция 11

Особенности разработки и отладки программ для микроконтроллеров AVR

 

Так как микроконтроллеры AVR появились на рынке недавно, для них пока нет большого количества средств разработки. Несмотря на это фирма Atmel уверена в том, что для AVR уже есть полный набор таких средств, и некоторые производители уже начали выпускать программные и аппаратные средства, доступные для пользователя.

Рассмотрим некоторые средства разработки программ для AVR-МК.

Ассемблер

Наиболее эффективные программы получаются при использовании языка ассемблер. Строго ассемблером называется программа, которая является транслятором.… Языки ассемблера являются машинно-ориентированными языками и, следовательно,… При программировании на ассемблере доступны все ресурсы системы и конкретного процессора (регистры, стек, память и…

Формат программ на ассемблере

Программа на ассемблере представляет собой текстовый файл, который состоит из мнемоник – символьных обозначений команд микроконтроллера, меток и… Любая строка может начинаться с метки – строки из символов и (или) цифр,… Метки используются для обозначения текущей строки некоторым именем для дальнейшего использования в командах условного…

Лекция 12-13

Система команд микроконтроллеров AVR

Транслятор ассемблера позволяет использовать в тексте программы мнемоники (обозначения команд микроконтроллера), полностью совпадающие с их… Множество команд микроконтроллеров AVR семейства Classic можно представить… · Команды пересылки данных;

Директивы транслятора ассемблера

Транслятор ассемблера поддерживает достаточно много директив. Директивы не транслируются в программу для микроконтроллера. Они используются для… Ниже приведен перечень директив транслятора ассемблера: .BYTE – резервирует место (или несколько мест) размером 1 байт для переменной.

Лекция

Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС)

Определения и история разработки ПЛИС.

1) Программируемые логические блоки – наборы сотен, тысяч, миллионов логических элементов (например, базовые логические элементы и их сочетания,… 2) Программируемые логические схемные соединения – таблицы истинности (для… История развития ПЛИС:

Развернуть

Открыть в широком формате