Міністерство освіти Російської Федерації
Державна освітня установа вищої професійної освіти
Таганрозький державний радіотехнічний університет
В.Ф. Гузик, А. Н. Гармаш, Г.Н. Евтеев
Мікропроцесорні системи
Навчальний посібник
Таганрог 2003
УДК 681.3 (07.07)
Гузик В.Ф., Гармаш А.Н., Евтеев Г.М. Мікропроцесорні системи: Навчальнийпосібник. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. 71 с.
є узагальненням досвіду викладання кафедри обчислювальної технікикурсу «Мікропроцесорні системи» студентам спеціальності 220100
«Обчислювальні машини, комплекси, системи і мережі», що навчаються задистанційної технології.
Викладаються: архітектура мiкроЕОМ та мікропроцесорних систем,організація і особливості проектування мікропроцес-бур'янистих систем наоснові однокристальних мікроЕОМ, розглядаються архітектурамультімікропроцессорних і транспьютерних систем, засоби розробки іналагодження мікропроцесорних систем.
Призначено для студентів спеціальності 220100 «Обчислювальнімашини, комплекси, системи та мережі »заочної форми навчання. Може бутикорисно студентам усіх форм навчання за фахом «Обчислювальнімашини, комплекси, системи і мережі », а також студентам усіх спеціальностейнапряму «Інформатика і обчислювальна техніка».
Друкується за рішенням редакційно-видавничої ради Таганрозькогодержавного радіотехнічного університету.
Рецензенти:
Конструкторське бюро морської електроніки «Вектор», А.Н. Долгов, канд.техн. наук, директор.
ТФ ВАТ "НДІ системотехніки", А.И. Гречишников, канд. техн. наук,директор.
© Таганрозький державний радіотехнічний університет, 2003
Зміст стор
Список скорочень 4
ВСТУП 6
1. ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ГАЛУЗІ ВИКОРИСТАННЯ ТА ОСОБЛИВОСТІ РОБОТИ
Мікропроцесорні засоби 8
Вправи 23
Контрольні питання 24
2. АРХІТЕКТУРА мiкроЕОМ та мікропроцесорних систем 24
Контрольні питання 29
3. Етапи проектування мікропроцесорних систем 30
Контрольні питання 35
4. ОРГАНІЗАЦІЯ ТА ОСОБЛИВОСТІ ПРОЕКТУВАННЯ МПС НА ОСНОВІ Однокристальний
МікроЕОМ 35
4.1. Загальні принципи організації однокристальних мікроЕОМ 35
4.2. Особливості проектування МПC на основі однокристальних мiкроЕОМ та контролерів. 40
4.3. Огляд перспективних проектів Державної адміністрації залізничного транспорту на основі однокристальних комплектів
БІС 44
Контрольні питання 51
5. МУЛЬТІМІКРОПРОЦЕССОРНИЕ СИСТЕМИ 51
5.1. Огляд розвитку ММПС і їх архітектури 51
5.2. Основні перспективні проекти високопродуктивних ММПС 59
Контрольні питання 65
6. ТРАНСПЬЮТЕРНИЕ СИСТЕМИ 65
Контрольні питання 69
7. ЗАСОБИ розробку і налагодження МПС 70
7.1. Автономна і комплексна налагодження МПС 70
7.2. Засоби налагодження МПС 72
Контрольні питання 78
Бібліографічний список 79
Список скорочень
АЛП - арифметико-логічний пристрій
АЦП - аналого-цифровий перетворювач
БА - буфер адреси
БД - буфер даних
ВІС - велика інтегральна схема
БПР - бенчмарковская програма
ШПФ - швидке перетворення Фур'є < p> БР - буферний регістр
ВЗП - зовнішній запам'ятовуючий пристрій
ВСЭ - внутрісхемний емулятор
ЗУ - запам'ятовуючий пристрій
ЗУПВ - запам'ятовуючий пристрій з довільною вибіркою
І2Л - інжекційні логіка (технологія виготовлення ВІС)
ІС - інтегральна схема
ККД - канал прямого доступу
КСНК - комп'ютер зі скороченим набором команд
ЛА - логічний аналізатор
МА - магістраль адреси
МД - магістраль даних
МК - мікрокоманд
МКМД - Багато потоків Команд - Багато потоків Даних
МКОД - Багато потоків Команд - Один потік Даних
МОП - метал - оксид - провідник (технологія виготовлення БІС )
ММПС - мультімікропроцессорная система
МП - мікропроцесор
МПК - мікропроцесорний комплект
МПС - мікропроцесорна система
МУ - магістраль управління
ОКОД - Один потік Команд - Один потік Даних
ОКМД - Один потік Команд - Багато потоків Даних
ПДП - прямий доступ до пам'яті
ПЗ - програмне забезпечення
ППЗУ - програмований ПЗП
ПС - програмний лічильник
РК - регістр команд
РР - регістр результату
РОН - регістр загального призначення
НВІС - надвелика інтегральна схема
ТТЛШ - транзисторних-транзисторна логіка з діодами Шотки < p> (технологія виготовлення ВІС)
УВВ - пристрій вводу-виводу
УУ - пристрій управління
ЦАП - Цифроаналоговий перетворювач
ЦГЗ - цифрова обробка сигналів
ЦП - центральний процесор
ЦПУ - центральний процесорний пристрій
ЭЛС - еммітерно-зв'язана логіка (технологія виготовлення ВІС) < p> ЕМП - емулятор мікропроцесора
ВСТУП
Поява та бурхливий розвиток мікропроцесорів (МП), мiкроЕОМ і систем наїх основі стало можливим завдяки значним досягненняммікроелектронної технології виготовлення засобів Вт Успіхинапівпровідникової електроніки призвели до появи великих і надвеликихінтегральних схем (ВІС і НВІС) з щільністю розміщення компонентів віддесятків до сотень тисяч транзисторів на кристалі. Використання цих схемдозволяє значно підвищити ефективність цифрових систем: збільшити їхпродуктивність і надійність, зменшити габарити, масу, яка споживаєтьсяпотужність і вартість. Так, за два останні десятиліття швидкість роботи ЕОМзросла на 6-7 порядків, обсяг оперативної пам'яті збільшився на 5-6порядків.
Ще більш динамічним є розвиток мікропроцесорних систем. Першепокоління мікропроцесорних комплектів БІС являло набір модулів зжорсткою структурою, орієнтованих на застосування в конкретних системах звеликим обсягом випуску. Наступні комплекти завдяки використаннюпринципів мікропрограммірованія знайшли широкі області застосування черезщо з'явилася, проблемної орієнтації. Високими темпами розвиваєтьсяінтегральна технологія. Ступінь інтеграції БІС подвоюється щорічно,вартість вентиля - елементарного функціонального елемента БІС --зменшується кожні 10 років у 103 - 104 разів, вартість виконанняелементарної функції щорічно знижується в 2 рази.
МП, мiкроЕОМ та системи на їх основі мають два напрямки застосування:
- традиційне для засобів Вт;
- нетрадиційне (замість пристроїв з жорсткою структурою), в якому допояви МП використання коштів Вт і не передбачалося.
Говорячи про місце і роль МП і мікроЕОМ в ієрархії засобів Вт, необхідномати на увазі обидва ці напрямки.
Значні успіхи в мікропроцесорної техніки призвели до появи тарозвитку на рубежі 70-80-х років ХХ століття дуже перспективних імають більшу швидкодію в порівнянні з традиційними ЕОМмультімікропроцессорних систем (ММПС), які досить значно вплинулина розвиток сучасної науки і техніки.
Завдяки надвисокої продуктивності ММПС стало можливимдосягнення великих успіхів у вирішенні таких важливих наукових і технічнихзавдань, як нейрокомпьютінг та робототехніка, стенографія та теорія полів,радіо-і гідролокації, розпізнавання образів, геофізика, цифрова обробкасигналів і багато інших.
З іншого боку, розвиток мікропроцесорних засобів впливає надосягнення в галузі теорії проектування обчислювальної техніки:з'являються все більш перспективні архітектури МПС та їх компонентів (RISK
- Процесори, трансп'ютерів, сигнальні процесори і т.п.).
Неоціненне значення сучасні МПС мають в теорії і практиціпроектування локальних і глобальних обчислювальних мереж, розширюючи тимсамим області ефективного застосування сучасних засобів Вт
Безліч областей застосування МП і мікроЕОМ дозволяє класифікувати
Державною адміністрацією залізничного транспорту на системному рівні таким чином:
- вбудовані системи контролю та управління;
- локальні системи накопичення та обробки інформації;
- розподілені системи управління складними об'єктами;
- розподілені високопродуктивні системи паралельнихобчислень.
Виходячи з цього, в даний час визначилися наступні пріоритетніобласті застосування адміністрацією залізничного транспорту України:
- системи управління;
- контрольно-вимірювальна апаратура;
- техніка зв'язку;
- побутова і торговельна апаратура;
- транспорт;
- військова техніка;
- обчислювальні машини, системи, комплекси та мережі.
Перспективність застосування МПС в різних системах управлінняобумовлена, в першу чергу, такими достоїнствами МП, як малі габарити,низька споживана потужність, можливість підключення великої кількостіпроцесорів до каналів управління, простота програмної настройки іперебудови.
Впровадження МПС в контрольно-вимірювальну апаратуру дозволяє підвищититочність вимірів, надійність, розширити функціональні можливостіприладів і забезпечує виконання наступних функцій: калібрування, корекціяі температурна компенсація, контроль і управління вимірювальнимкомплексом, прийняття рішень та обробка даних, діагностиканесправностей, індикація, іспити і перевірка приладів.
Впровадження МПС в системи зв'язку обумовлене все більшою витісненняманалогових методів цифровими і призвело до їх широкого використання вмультиплексорах, перетворювачах кодів, пристрої контролю помилок,блоках управління передавальної і приймальної апаратури.
Все ширше використовуються МПС в таких пристроях, як контрольно -розрахункові термінали торгових центрів, автоматизовані електронні ваги,термінали і касові апарати для банків і т.п. Застосування МП і МПС впобутової техніки також відкриває широкі можливості останньої з точкизору підвищення надійності, ефективності та різноманітності застосувань.
Частка застосування Державною адміністрацією залізничного транспорту в різних галузях військової техніки зростає зкожним роком (від навігаційних систем літальних апаратів до управліннярухом транспортних роботів.
Якщо визначити всі безліч застосувань МПС в процентному відношенні, тоце буде виглядати наступним чином: інформаційно-вимірювальна техніка
(16%, управління виробництвом (18%, авіація і космос (15%, системизв'язку (14%, обчислювальна техніка (20%, військова техніка (9%, побутоватехніка (3%, медицина (3%, транспорт (2%, інші області (7%.
1. ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ГАЛУЗІ ВИКОРИСТАННЯ ТА ОСОБЛИВОСТІ РОБОТИ
Мікропроцесорні засоби
мікропроцесорної системою (МПС) називається система цифрової обробкиінформації та управління, що містить у своєму складі, принаймні, одинмікропроцесор (МП), один або декілька модулів основної (ОЗУ і ПЗУ) ідодаткової пам'яті, пристрої введення та виведення, блоки сполучення
(контролери) із пристроями вводу/виводу, які пов'язані один з однимза допомогою системної магістралі, що складається, в загальному випадку, з магістралей
(шин) адрес (МА, ША), магістралей (шин) даних (МД, ШД) і магістралей
(шин) управління (МУ, ШУ).
Логічна структура МПС наведена на рис.1.1, де ОУ - об'єктуправління, Д - датчики, ІМ - виконавчі механізми, ІК - інформаційніконтролери, БСД - блок сполучення з датчиками, БСІК - блок сполучення зінформаційними контролерами, ОП - основна пам'ять, ДП - додатковапам'ять.
Рис. 1.1. Логічна структура МПС
ОЗУ МПС забезпечує читання і запис інформації і реалізується якенергозалежна пам'ять, вміст якої стирається при виключенні МПС.
ПЗУ забезпечує лише читання інформації і реалізується у виглядінезалежній пам'яті. Контролери являють собою пристроїсполучення апаратури введення-виведення з системною магістраллю і реалізуютьпевний інтерфейс. Магістраль забезпечує комунікацію апаратнихкоштів Державною адміністрацією залізничного транспорту і являє собою набір провідників і підсилювачів сигналів.
Залежно від галузі застосування Державною адміністрацією залізничного транспорту підрозділяються наспеціалізовані та універсальні, вбудовані та автономні.
Основою будь-якої МПС є мікроЕОМ (обчислювальна або управляючасистема, виконана на основі МП, до складу якої, як правило, входять:постійна (програмується) пам'ять програм (ПЗУ), пам'ять даних (ОЗУ),генератор тактових імпульсів і інформаційний контролер, побудовані наоснові ВІС або НВІС.
За способом реалізації мікроЕОМ підрозділяються на однокристальних,одноплатні і многоплатние. У одноплатні мікроЕОМ МП виконується у виглядікристала БІС (НВІС), на якому крім самого МП можуть розташовуватися іінші компоненти мікроЕОМ (ПЗП, ОЗП, контролери і т.п.).
За призначенням мікроЕОМ поділяються на універсальні іспеціалізовані (проблемно-орієнтовані).
По організації структури розрізняють одно-і многомагістральние мікроЕОМ
(рис. 1.2).
Рис. 1.2. Загальна структура ЕОМ: а - одномагістральная; б - многомагістральная
У одномагістральних мікроЕОМ всі пристрої мають однаковий інтерфейсі підключені до єдиної інформаційної магістралі, по якій передаютьсядані, адреси і керуючі сигнали. У многомагістральних мікроЕОМпристрою групами підключаються до своєї інформаційної магістралі, щодозволяє здійснити одночасну передачу по декількох (або усім)магістралях і тим самим збільшити швидкодію системи.
Центральною частиною МПС є мікропроцесор (обробляєпристрій, виконаний з використанням технології БІС (часто на одномукристалі) і що володіє здатністю виконувати під програмним управліннямобробку інформації (включаючи введення-виведення), прийняття рішень,арифметичні та логічні операції.
МП характеризується дуже великим числом параметрів і якостей,оскільки він, з одного боку, є функціонально складним програмно -управляємою цифровим процесором, тобто пристроєм ЕОМ, а з іншого боку
- Інтегральною схемою з високим ступенем інтеграції елементів, тобтоелектронним приладом.
МП класифікуються за такими ознаками.
За кількістю БІС в мікропроцесорні комплекти (однокристальних ібагатокристальні МП. Однокристальний МП виходять при реалізації всіхапаратурних коштів процесора у вигляді однієї ВІС або НВІС. Для отриманнябагатокристальні МП необхідно провести розбивку його логічноїструктури на функціонально закінчені частини і реалізувати їх у вигляді ВІС.
За призначенням розрізняють універсальні і спеціалізовані МП. Заувазі обробних вхідних сигналів МП ділять на цифрові і аналогові. Захарактеру тимчасової організації роботи (синхронні і асинхронні.
Крім цього МП, як правило, класифікуються: за технологієювиготовлення (p-МОН, п-МОН, до-МОН, І2Л і т.д); за кількістю шин; порозрядності; за способом управління (схемне, мікропрограмного); за кількістюакумуляторів, рівнів переривання і програмних лічильників; за типом іємності стека; за кількістю і довжині команд і за видами адресації.
У загальному випадку до складу МП входять (рис. 1.3): арифметико-логічнепристрій (АЛУ), блок переривань (БП), дешифратор команд і схемауправління (ДСК і СУ), регістр команд (РК), буфери адреси і даних (БА,
БД), регістри загального призначення (РОН), індексний регістр (ІР), стек (С),його покажчик (УС), програмний лічильник (ПС), регістр-акумулятор (А),регістр ознак (РП), схема інкремент-декремент (ВД), блок переривань
(БП).
Конкретні МП, як правило, не містять всіх вузлів і блоків,показаних на рис. 1.3. У цих випадках відповідні функції можутьвиконуватися програмно, а в якості деяких спеціальних регістрів
Рис. 1.3. Логічна структура МП
можуть використовуватися РОН або комірки пам'яті. У ряді мікропроцесорнихкомплектів окремі функціональні вузли і блоки виконуються автономно ввигляді ВІС або схем середнього ступеня інтеграції.
При проектуванні МПС слід враховувати, що їх продуктивність іфункціональні можливості безпосередньо залежать від організації внутрішніх шин
МП (яке суттєво впливає на структуру і характеристики адміністрацією залізничного транспорту України в цілому.
При визначенні оптимального числа шин слід враховувати, щозменшення числа шин призводить до зменшення швидкодії МП ісупроводжується введенням додаткових буферних регістрів, збільшуєплощу на кристалі, що відводяться під функціональні елементи, і тим самимзбільшує функціональні можливості МП і МПС.
У трехшінном МП за певної внутрішньої організації РОН можливовиконання операцій за один такт, включаючи вибірку операндів з РОН і записрезультату в один з регістрів. Переваги: висока швидкодія івідсутність буферних регістрів, недолік (велика площа шин накристалі.
Двухшінная організація при меншій площі шин вимагає введення одного -двох буфернихрегістрів і операції виконуються за два такту.
Організація МП на основі однієї шини дозволяє максимально ускладнитиархітектуру МП, однак вимагає введення двох-трьох буферних регістрів і трьохтактів для виконання операцій.
При використанні магістральної організації МПС виникає складність упідключенні виходів кількох елементів до однієї шині (до одного провідникузагальної шини). Відомі три наступні способи вирішення цієї задачі.
Логічне об'єднання (рис. 1.4, а) (виконується за допомогою схеми
АБО, на входи якої надходять сигнали від різних джерел інформації,попередньо проклапанірованние сигналами управління на входах схем І.
Рис. 1.4. Способи підключення пристроїв до загальної шині
Об'єднання за допомогою схем з відкритим колектором (рис. 1.4, б)характеризується електричним з'єднанням виходів декількох логічнихелементів. Часто цей спосіб називають «монтажним АБО» або «монтажним І».
Об'єднання з використанням схем з трьома станами (рис. 1.4, в)відрізняється саме таким характером навантаження. На відміну від звичайних ключовихсхем тут можливий третій режим, при якому обидва транзистора одногокаскаду (VT1 і VT2 або VT3 і VT4) закриті. У цьому випадку з боку виходукаскад володіє високим опором і практично не впливає настан загальної шини. Якщо у стані високого опору будутьперебувати обидва каскаду, то загальна шина може використовуватися довільнобудь-якими зовнішніми по відношенню до МП пристроями. Цей спосіб широковикористовується при організації прямого доступу до пам'яті і при побудовімультипроцесорних систем.
Крім широко відомих пристроїв зовнішньої (ЗУ команд і ЗУ даних) івнутрішньої (РОН) пам'ятей, для яких характерний адресний принцип спілкування,в МП МПС зазвичай передбачається можливість роботи з так званоїмагазинної пам'яттю (стеком), при зверненні до якої не потрібна вказівкаадреси. Можлива організація магазинної пам'яті представлена на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Організація стека
Вибірка одній з комірок матриці пам'яті здійснюється через дешифраторадреси (ДСА) за адресою, що знаходиться на реверсивному лічильнику адреси,званому покажчиком стека (УС). Початкове значення адреси надходить в УСна вхід А. У процесі роботи стан УС при кожного запису зменшується, апри кожному читанні збільшується на одиницю. Керування режимами запису йчитання виконує місцевий блок управління (МБУ).
При записі вхідна слово Х надходить на регістр слів (PC) ізаписується в матрицю пам'яті за адресою, яку в даний момент буввстановлений в УС. З невеликою затримкою після запису інформації вміст
УС зменшується на одиницю, готуючись до наступного запису, так що УСпостійно вказує на порожню комірку.
При читанні МБУ спочатку виробляє сигнал, який збільшує вміст
УС на одиницю, а потім (сигнал читання інформації з матриці пам'яті. Урезультаті на вихідних ланцюгах стека з'явиться слово Х, яке було записаноостаннім. Принцип роботи стека може бути сформульовано як «останнімзаписаний - перший прочитаний »(Last In First OUT (LIFO). Зважаючи на відсутність вкоді команд запису (читання) адресного поля зменшується розрядність цихкоманд і час їх виконання.
У МПС використовуються два види стека: вбудований і автономний. Вбудованийстек повністю розміщується на кристалі МП. Ємність (глибина) стека тутне може бути великий (зазвичай 16-32 слова). При організації автономногостека як матрицю пам'яті використовується зовнішнє по відношенню до МП ОЗУ,а на кристалі розташовується лише УС з розрядністю, рівної розрядностішини адреси; глибина стека може дорівнювати адресується ємності пам'яті
(зазвичай 64 К). Для компенсації зниження швидкодії в деяких МП ізавтономним стеком реалізовані апаратна запис та відновлення припереривання вмісту ПС, акумулятора і регістра стану.
Робота МПС супроводжується інтенсивним обміном інформацією між МП,
ЗУ, УВВ. Ефективність вирішення завдань Державної адміністрації залізничного транспорту в значній мірівизначається організацією цього обміну і структурою зв'язку між МП, пам'яттюі УВВ. Для організації обміну між зазначеними пристроями вводитьсяпоняття інтерфейсу - це система шин, допоміжної апаратури іалгоритмів, реалізованих на цій апаратурі. У функції інтерфейсу входять:дешифрування адреси пристроїв, синхронізація обміну інформацією, узгодженняформатів слів, дешифрування коду команди, пов'язаної зі зверненням до пам'яті або
УВВ, електричне узгодження сигналів.
Складність завдань, що покладаються на інтерфейс, а також недостатняпотужність буферних схем, що входять до складу БІС МП, призвели до розподілукоштів інтерфейсу між різними пристроями:
- пристроєм управління пам'яттю і введенням-виводом, що входять до складу
МП;
- безпосередньо інтерфейсним пристроєм, що є проміжнимланкою між МП, пам'яттю і УВВ;
- спеціалізованими пристроями управління (контролерами) УВВ.
Розрізняють такі способи організації зв'язку між МП і УВВ в МПС:програмний обмін даними по командах умовного переходу; обмін даними посигналів переривання; обмін даними в каналі прямого доступу в пам'ять;підключення пристроїв вводу-виводу до МП.
При програмному обміні даними по командах умовного переходу МПпрограмним шляхом має визначити, чи готове периферійний пристрій довиконання операцій вводу-виводу до того, як почнеться програмна передачаданих. Зовнішнє пристрій повинен мати апаратурні кошти для виробленняінформації про внутрішній стан статусної інформації. МП зчитує цюінформацію, передає її у внутрішній регістр-акумулятор, аналізує і наоснові аналізу результату приймає рішення про готовність пристрою
(ріс.1.6).
МП може знаходитися в режимі програмного очікування (готовності)зовнішнього пристрою, виконуючи команди блоків 1 і 2. Після виявленнястану готовності МП передає дані по командах блоку 3, а потімприступає до роботи з продовження основної програми.
Рис. 1.6. Алгоритм програмного обміну
На рис. 1.7 наведено приклад обміну даними по командах умовногопереходу. АЦП (АЦП) при передачі даних маєтрирівневі вихідні каскади, передача даних з яких здійснюється засигналу "Дозвіл видачі" (РВ). По сигналу "Початок перетворення" (НП)
АЦП починає перетворення миттєвої амплітуди вхідного аналоговогосигналу в восьмизарядний код. По закінченню перетворення видаєтьсякеруючий сигнал "Кінець перетворення" (КП).
Сигнали НП, КП і РМ зчитуються МП з байтового вихідного регістраданих. Сигнали Д7 - Д0 мають правильне значення, якщо дотриманапослідовність видачі керуючих сигналів НП, КП і РМ згіднотимчасової діаграмі. Сигнал з дешифратора адреси ДСА
Рис. 1.7. Схема підключення АЦП до МП за програмного введенні даних
разом з сигналом операції МП чт/Зх по сигналу імпульсу синхронізації Звизначає генерацію необхідного керуючого сигналу. За сигналами АНП
= АРВ = 1 здійснюється запуск АЦП; за сигналами АРВ = АКП = 1 - читанняі введення в МП значення сигналу КП. Цей сигнал через трирівневий каскадвводиться в МП по шині Д7. Тому команда "Умовний перехід по знакурезультату "визначить або закінчення перетворення (КП = 1), абонеобхідність переходу до нового циклу аналізу (КП = 0). При сигналі КП = 1командою "Прочитати за адресою АРВ" здійснюється введення інформації з
АЦП в МП.
Для організації обміну даними за сигналами переривання від зовнішніхпристроїв в МП повинні бути передбачені спеціальні апаратурні коштианалізу стану зовнішніх пристроїв. Якщо вони виявляють готовність дообміну будь-якого зовнішнього пристрою, то сигналізують про це блокууправління МП, який завершує поточну операцію, передає на зберігання впам'ять всю інформацію внутрішніх регістрів даних і управління і переходитьдо підпрограмі обслуговування переривання. Основна частина цієї підпрограми --команди передачі даних між МП і конкретним зовнішнім пристроєм. Наприкінцінеї є програми відновлення стану МП, яке існувало допочаток переривання.
Якщо необхідно здійснити обмін між зовнішнім пристроєм і пам'яттю,то немає необхідності пересилати дані через МП, тому що в противному випадкувитрати часу МП будуть дуже великими. Можна ввести в МПС контролерпрямого доступу в пам'ять, який бере на себе управління передачею.
Побудова каналу ПДП є альтернативою програмному обміну, тому йв даному випадку справедливі загальні закономірності балансування програмно -апаратурних коштів. Засоби каналу ПДП можуть бути підключені паралельнопроцесору (ріс.1.8, а), з передачею функції арбітражу ОЗУ.
Рис. 1.8. Схема підключення ККД до ОЗУ в МПС
Однак при цьому ускладнюються схеми управління ОЗУ, з'являється другаінформаційний канал, що складається з інформаційних МД і МА і керуючихсигналів МУ. Тому в МПС вирішується завдання поділу єдиногоінформаційного каналу між МП і ККД в пам'ять за допомогою використаннявластивостей трирівневого стану інформаційних подмагістралей. МП під часпередачі інформації з ККД переводить вихідні схеми управління всіхмагістралей в високоомній стан і ізолюється від іншої частинисистеми, що аналогічно обриву його інформаційного каналу (мал. 1.8, б).
Способи підключення зовнішніх пристроїв до МП визначаються можливостямийого корпусу, апаратурно-програмних засобів, кількістю і особливостямипристроїв введення-виведення. Запит на просте переривання привертає увагу МПдо зовнішньої системі і вимагає аналізу її стану.
Якщо кілька пристроїв вводу-виводу (УВВ) підключені до своїхіндивідуальним апаратурним ресурсів (радіальний інтерфейс) (див. ріс.1.9,а), то всередині МП необхідно мати мультиплексор для послідовногоопитування всіх УВВ. У випадку підключення багатьох УВВ до одного рівня перериванняпри простому перериванні потрібно огляд всіх причин переривання і виділенняактивного УВВ.
Послідовне розташування підпрограм аналізу причин переривань
УВВ в програмі може вважатися пріоритетним, якщо не задано іншийалгоритм. Отже, перший активну пристрій, виявленепрограмою переривання, отримує ресурс на обслуговування. Апаратурно цейалгоритм реалізується в "цепочечной" схемі підключення УВВ (ріс.1.9, б).
Ріс.1.9. Схеми підключення УВВ до МП МПС
Векторне переривання виникає в тому випадку, коли УВВ, що виставилазапит на переривання, посилає після виконання запиту адресу комірки, дерозташована програма переривання даного УВВ (ріс.1.9, в).
Багаторівневі групові системи (ріс.1.9, г) переривання вимагаютьнаявності в МП кілька входів і можуть бути векторними, пріоритетними абооглядовими.
Принципові відмінності в організації структури мікропроцесора шляхів сполучення СРСР відорганізації структури процесора класичної ЕОМ (наявність декількохвнутрішніх шин, РОН, стека і т.п.) призводять до особливостей функціонування
МП при організації процесів обробки інформації та управління цимипроцесами.
Процес обробки інформації здійснюється в МПС за допомогою йогоцентрального пристрою (мікропроцесора, типова структура якого всамому загальному випадку складається з АЛП (див. рис. 1.10, а), набору регістрівзагального призначення (РОН), буферного регістра (БР) і регістра зсуву (Рсдв).
Представлена структура володіє дуже широкими можливостями:вміст будь-якого РОН може бути передано на БР і на Рсдв, а стандартнечотирирозрядний АЛУ (рис. 1.10, б) може виконати 16 логічних і 32арифметичних операції над вмістом обох регістрів; результат можебути записаний у будь-який з РОН.
Рис. 1.10. Типова структура МП
При подачі відповідних керуючих сигналів в цій системі,наприклад, можливі:
- передача даних з одного РОН в іншій (транзитом через БР і АЛП);
- збільшення або зменшення на одиницю вмісту будь-якого з РОН шляхомзміни в АЛП вибраного з РОН значення на одиницю і заслати отриманогорезультату в той же регістр;
- зрушення вмісту будь-якого РОН шляхом передачі будь-якого вибраного з РОНчисла в Рсдв, зсуву цього числа і запису через АЛУ в той же РОН.
Очевидно, що для виконання цих та інших операцій дуже важливорозподіл подаються керуючих сигналів у часі. Наприклад, дляпередачі даних з одного РОН в іншій потрібно два такти: 1 такт:адресація РОН, вибірка вмісту РОН, прийом обраного слова в БР; 2такт: адресація РОН, запис в РОН інформації через АЛП. З цього прикладувидно, що при певній послідовності керуючих сигналів будевиконуватися певна операція над даними, збереженими в РОН. При цьомунеобхідно виконувати дві вимоги (див. рис. 1.11): забезпечення аналізулогічних умов і розгалуження процесу; збереження сигналу арифметичногоперенесення з АЛП (тригер Т1) і вихідного біта Рсдв (тригер Т2), тому що вониможуть знадобитися при виконанні наступної операції.
З цими змінами стають можливими операції над словами зрозрядністю, більшою, ніж розрядність АЛП, РОН і допоміжнихрегістрів.
Рис. 1.11. Структура обробної частини МПС
Найбільш повно організацію процесу обробки інформації в МПСвідображає структурну схему МП, наведена на рис. 1.12. Для спрощенняструктури МП та організації його роботи ознаки умов зазвичай зберігаються наспеціально виділеному регістрі (регістрі ознак, розрядність якогоне перевищує розрядності внутрішніх шин МП.
Рис. 1.12. Структурна схема МП
До складу МП, крім раніше розглянутих пристроїв, введені регістррезультату (РР), мультиплексори M1 (M4, ланцюги аналізу значень логічнихумов і необхідні керуючі входи.
Розглянемо призначення введених мультиплексорів і відповіднихкеруючих сигналів, за допомогою яких організовано процес обробкиінформації у МПС.
Мультиплексор M1 (мультиплексор ланцюга перенесення: в залежності відпризначення керуючого сигналу У6 (0 або 1) до входу перенесення АЛУпідключається або зовнішній вхід, або вихід тригера перенесення T1.
Мультиплексор M2 (мультиплексор ланцюга зсуву, що підключається до входутригера зсуву T2 в залежності від значення сигналу У14 вихід старшого абомолодшого розряду регістра Рсдв.
Мультиплексор M3 (мультиплексор ланцюга зсуву, що підключається до входівстаршого чи молодшого розрядів регістра Рсдв один з чотирьох виходів узалежно від комбінації значень сигналів У15 і У16: вихід М2 (У15 = У16
= 0), вихід тригера Т2 (У15 = 0, У16 = 1), логічну одиницю (У15 = 1, У16 =
0), логічний нуль (У15, У16 = 1,). Перша комбінація відповідаєорганізації циклічного зсуву, що залишилися, відрізняються тим, що при зсувівмісту Рсдв вліво або вправо в звільняються заряд записується,відповідно, вміст тригера T2, логічна одиниця чи нуль.
Мультиплексор M4 (мультиплексор аналізу умов, що підключається довиходу P в залежності від комбінацій сигналів У8 і У9: вихід старшогорозряду регістра PP; вихід схеми АБО-НЕ, одиничне значення на якомубуде тільки при нульовому вміст регістра PP; логічну одиницю.
Пристрій управління Державної адміністрації залізничного транспорту має виконувати дві основні функції:управління виконанням операцій і вибірку команд програми в потрібнійпослідовності, їх дешифрування і обробку. Існують два підходи доорганізації управління виконанням операцій.
Перший полягає в тому, що n керуючих входів МП об'єднуються вокрему n-розрядну шину, на яку для виконання передачі та (або)обробки інформації на кожному кроці алгоритму необхідно подавати n -розрядний вектор (мікрокоманд). Цей спосіб дозволяє легко реалізуватибудь-який алгоритм, але оскільки на кожному кроці тільки деяка частина сигналівмає одиничне значення, а більшість - нульове, то використовується лишенезначна частина всіх n розрядів. Проаналізувавши архітектуру іпризначення Державної адміністрації залізничного транспорту, можна виділити групи сигналів, які ніколиодночасно не виробляються, і використовувати в кожній групі дляформування сигналів дешифратори. Такий спосіб організаціїуправління називається мікропрограмного. Структурна схема МП змікропрограмного пристроєм керування виконанням операцій наведена нарис. 1.13, а.
а б
Рис. 1.13. Структура пристроїв управління МП
У керуючого ЗУ для кожної операції зберігається набір мікрокоманд (МК),званих прошивки, послідовна вибірка і виконання якихзабезпечує в обробній частині МП перетворення інформації,відповіднимиїї коду операції. За кодом операції з ЗУ вибирається перший МКпрошивки виконання цієї операції і поступає на дешифратормікрокоманд ДСМК і схему управління їх виконанням. Дешифратор МКрозшифровує код операційної частини МК і виробляє керуючісигнали, що надходять в обробну частина МП. Схема управліннявиконанням МК за кодом адресної частини МК і ознаками умов формуєадреса наступної МК, який подається на ЗУ. Таким чином будуть обрані івиконані всі МК прошивки, що забезпечує виконання потрібноїоперації.
Другий підхід полягає в тому, що всі керуючі входи зводяться водин керуючий блок, який розшифровує що приходить команду і вВідповідно до неї виробляє необхідну послідовність сигналів
(див. рис. 1.13, б). Такий спосіб організації управління отримав назвусхемного або "жорсткого" управління. «Жорсткість» і складність структури цьоготипу управління є його недоліком, високу швидкодію (головнимперевагою. Таким чином, МП повинен забезпечувати вибірку команд, їхдешифрування, виконання необхідних операцій у відповідності до зміступолів команди і передачу коду операції в пристрій керування. Длявиконання цих функцій МП має (рис. 1.14): програмний лічильник (ПС),регістр команди (РК), схеми видачі адрес, операндів та вмісту ПС наадресну шину МП, схему отримання даних і команд з зовнішньої шини даних на РК;дешифратор команд ДСК.
Рис. 1.14. Структура МП
Адреса підлягає виконанню команди зберігається в ПС, з виходу якоговін надходить через буфер адреси (БА) на адресні входи зовнішнього ЗУ команд.
Обрана по сигналу Уi команда надходить через буфер даних (БД) на РК.
Код команди розшифровується дешифратор команд (ДСК), який передаєкод операції в УУ. Остання виробляє необхідну послідовністькеруючих сигналів Уi, що забезпечують виконання потрібної операції в МП.
Якщо в процесі виконання операції потрібно звернення до РОН, то ДСКвиставляє адреса регістра на адресних входах РОН ((див. рис.
1.12).
Вправи
1. Доповніть структуру МП на ріс.1.12 схемами для введення і виведенняінформації, використовуючи як УВВ регістри. Необхідно передбачитивідповідні комбінаційні схеми.
2. Стосовно для МП, представленого на ріс.1.12, описатипотактовое виконання наступних команд: 1) запис вмісту регістра Р1,що входить до складу РОН, в іншій РОН - Р2; 2) складання вмістурегістрів Р1 і Р2 РОН з занесенням результату в Р2.
Контрольні питання
1. Як можна виконати складання двох восьмирозрядних чисел начотирирозрядний МП?
2. Вкажіть основні переваги і недоліки мікропрограмного ісхемного (жорсткого) пристрою управління МПС.
3. Коли доцільно використовувати одношінную і трехшіннуюорганізацію МП в МПС?
4. Чому значення окремих ознак зводять в один регістр?
5. Чим відрізняється мікроЕОМ від МПС?
6. Перерахуйте переваги, що забезпечуються введенням-виводом даних уканалі прямого доступу до пам'яті.
