Transcript Розділ 1: Філософія мікропроцесорної техніки Тема 1.1. Основні поняття про мікропроцесорні системи. Електронна система - в даному випадку це будь-який електронний вузол, блок,

Розділ 1: Філософія мікропроцесорної техніки
Тема 1.1. Основні поняття про мікропроцесорні системи.
Електронна система - в даному випадку це будь-який електронний
вузол, блок, прилад або комплекс, що проводить обробку інформації.
Задача - це набір функцій, виконання яких вимагаються від електронної
системи.
Швидкодія - це показник швидкості виконання електронною системою її
функцій.
Гнучкість - це здатність системи підстроюватися під різні задачі (або
здатність МП системи переналагоджуватися на виконання іншої
задачі).
Надмірність - це показник ступеня відповідності можливостей системи
вирішуваною даною системою задачі.
Інтерфейс - угода про обмін інформацією, правила обміну інформацією,
мається на увазі електрична, логічна і конструктивна сумісність
пристроїв, що беруть участь в обміні.
Розділ 1: Філософія мікропроцесорної техніки
Тема 1.1. Основні поняття про мікропроцесорні системи.
Мікропроцесорна система може розглядатися як окремий випадок
електронної системи, призначеної для обробки вхідних сигналів і
видачі вихідних сигналів (мал. 1.1).
Аналогові
сигнали
Аналогові
сигнали
Цифрові
сигнали
Цифрові
сигнали
Цифрові
коди
Цифрові
коди
Мал. 1.1. Електронна система
Розділ 1: Філософія мікропроцесорної техніки
Тема 1.1. Основні поняття про мікропроцесорні системи.
Аналогов
і сигнали
Аналогов
і сигнали
Цифрові
сигнали
Цифрові
сигнали
Цифрові
коди
Цифрові
коди
Управляюча
інформація
(програма)
Мал. 1.2. Програмована (вона ж універсальна) електронна система
Розділ 1: Філософія мікропроцесорної техніки
Тема 1.2. Що таке мікропроцесор?
Тобто мікропроцесорна система здатна зробити все, але працює вона
не дуже швидко, адже всі інформаційні потоки доводиться пропускати
через один-єдиний вузол - мікропроцесор (мал. 1.3). В традиційній
цифровій системі можна легко організувати паралельну обробку всіх
потоків іінформації, правда, ціною ускладнення схеми.
Вхідні
коди
Процесор
Вхідні
коди
Управляюча
інформація
(програма)
Мал. 1.2.1. Інформаційні потоки в мікропроцесорній системі.
Розділ 1: Філософія мікропроцесорної техніки
Тема 1.2. Що таке мікропроцесор?
Для виконання команд в структуру процесора входять внутрішні
регістри, арифметико-логічний пристрій (АЛП, ALU - Arithmetic Logic Unit),
мультиплексори, буфери, регістри і інші вузли. Тобто процесор є досить
складним цифровим пристроєм (мал. 1.4).
Мікропроцесор
Арифметично-логічний
пристрій (АЛП)
Регістри
Логіка
управління
Регістр признаків
Схема
управління
вибіркою
команд
Схема
управління
перериваннями
Схема
управління
ПДП
Мал. 1.4. Приклад структури найпростішого процесора.
Розділ 1: Філософія мікропроцесорної техніки
Тема 1.3. Шинна структура зв'язків
При класичній структурі зв'язків (мал. 1.5) всі сигнали і коди між
пристроями передаються по окремих лініях зв'язку. Кожний пристрій,
що входить в систему, передає свої сигнали і коди незалежно від інших
пристроїв. При цьому в системі виходить дуже багато ліній зв'язку і
різних протоколів обміну інформацією.
Пристрій 1
Пристрій 2
Пристрій 3
Пристрій 4
Мал. 1.5. Класична структура зв'язків.
Розділ 1: Філософія мікропроцесорної техніки
Тема 1.3. Шинна структура зв'язків
При шинній структурі зв'язків (мал. 1.6) всі сигнали між пристроями
передаються по одних і тих же лініях зв'язку, але в різний час (це називається
мультиплексованою передачею). Причому передача по всіх лініях зв'язку
може здійснюватися в обох напрямах (так звана двонаправлена передача). В
результаті кількість ліній зв'язку істотно скорочується, а правила обміну
(протоколи) спрощуються. Група ліній зв'язку, по яких передаються сигнали
або коди якраз і називається шиною (англ. bus).
Пристрій 1
Пристрій 2
Пристрій 3
Мал. 1.6. Шинна структура зв'язків.
Пристрій 4
Розділ 1: Філософія мікропроцесорної техніки
Тема 1.3. Шинна структура зв'язків
Вих.
Вих.
Вих.
Вх.
Мал. 1.8. Мультиплексована лінія.
Вх. Вих.
Вх. Вих.
Вих.
Мал. 1.9. Двонаправлена лінія.
Вх.
Розділ 1: Філософія мікропроцесорної техніки
Тема 1.3. Шинна структура зв'язків
Вхідні
сигнали
Пам’ять
Пристрої
вводу/
виводу
Вихідні
сигнали
Процесор
Шина
живлення
Шина даних
Шина адреси
Шина
управління
Системна шина
(магістраль)
Мал. 1.10. Структура мікропроцесорної системи.
Розділ 1: Філософія мікропроцесорної техніки
Тема 1.4. Режими роботи мікропроцесорної системи
Процесор читає (вибирає)
з пам'яті коди команд і
виконує їх, читаючи дані з
пам'яті або з пристрою
вводу/виводу, обробляючи
їх, записуючи дані в
пам'ять або передаючи їх в
пристрій вводу/виводу.
Шлях процесора за
програмою може бути
лінійним, циклічним, може
містити переходи
(стрибки), але він завжди
безперервний і повністю
знаходиться під контролем
процесора (мал. 1.11).
Виконання
команд
Послідовно
Цикл
Програма
Стрибок
Мал. 1.11. Програмний обмін інформацією.
Розділ 1: Філософія мікропроцесорної техніки
Тема 1.4. Режими роботи мікропроцесорної системи
Основна програма
Виконання
команд
Програма обробки
переривання
Запит
переривання
Виконання
команд
Мал. 1.12. Обслуговування переривання.
Розділ 1: Філософія мікропроцесорної техніки
Тема 1.4. Режими роботи мікропроцесорної системи
Прямий доступ до
пам'яті (ПДП, DMA) - це
обмін по системній
Виконання команд
шині йде без участі
процесора. Операція
ПДП зводиться до
пересилки інформації з
Запит ПДП
пристрою вводу/виводу
в пам'ять або ж з
Точка зупинки
Програма
пам'яті в пристрій
на час ПДП
вводу/виводу. Коли
пересилка інформації
Продовження
буде закінчена,
виконання
процесор знов
команд
повертається до
перерваної програми,
продовжуючи її з того
місця, де його
перервали (мал. 1.13).
Мал. 1.13. Обслуговування ПДП.
Розділ 1: Філософія мікропроцесорної техніки
Тема 1.4. Режими роботи мікропроцесорної системи
В деяких випадках потрібне введення в систему додаткового пристрою
(контролера ПДП), який здійснюватиме повноцінний обмін по системній
магістралі без жодної участі процесора. Контролер ПДП може вважатися
спеціалізованим процесором, який відрізняється тим, що сам не бере
участь в обміні, не приймає в себе інформацію і не видає її (мал. 1.14).
Процесор
Контролер
ПДП
Пам'ять
Пристрій
вводу/виводу
Системна магістраль
Мал. 1.14. Інформаційні потоки в режимі ПДП.
Розділ 1: Філософія мікропроцесорної техніки
Тема 1.5. Архітектура мікропроцесорних систем
Дотепер ми розглядали тільки один тип архітектури мікропроцесорних
систем - архітектуру із загальною, єдиною шиною для даних і команд
(одношинну, або прінстонську, фон-неймановську архітектуру). Відповідно,
у складі системи в цьому випадку присутня одна загальна пам'ять, як для
даних, так і для команд (мал. 1.15).
Пам’ять
Процесор
Дані
Команди
Пристрій
вводу/виводу
Спільна шина даних і команд
Мал. 1.15. Архітектура із загальною шиною даних і команд.
Розділ 1: Філософія мікропроцесорної техніки
Тема 1.5. Архітектура мікропроцесорних систем
Також існує альтернативний тип архітектури мікропроцесорної системи це архітектура з роздільними шинами даних і команд (двохшинна, або
гарвардська, архітектура). Ця архітектура припускає наявність в системі
окремої пам'яті для даних і окремої пам'яті для команд (мал. 1.16). Обмін
процесора з кожним з двох типів пам'яті відбувається по своїй шині.
Шина команд
Пам’ять команд
Процесор
Пам’ять даних
Пристрій
вводу/виводу
Шина даних
Мал. 1.16. Архітектура з роздільними шинами даних і команд.
Розділ 1: Філософія мікропроцесорної техніки
Тема 1.6. Типи мікропроцесорних систем
Діапазон використання мікропроцесорної техніки зараз дуже широкий, вимоги
до мікропроцесорних систем пред'являються самі різні. Тому сформувалося
декілька типів мікропроцесорних систем, що розрізняються потужністю,
універсальністю, швидкодією і структурними відмінностями. Основні типи
наступні:
мікроконтролери - найпростіший тип мікропроцесорних систем, в яких вся
або більшість вузлів системи виконані у вигляді однієї мікросхеми;
контролери - управляючі мікропроцесорні системи, виконані у вигляді
окремих модулів;
мікрокомп'ютери - більш потужні мікропроцесорні системи з розвиненими
засобами сполучення із зовнішніми пристроями.
комп'ютери (у тому числі персональні) - найпотужніші і найуніверсальніші
мікропроцесорні системи.
Мікроконтролери є універсальними пристроями, які практично завжди
використовуються не самі по собі, а у складі складніших пристроїв, у тому
числі і контролерів.
Контроллери, як правило, створюються для вирішення якоїсь окремої задачі
або групи близьких задач.
Мікрокомп'ютери відрізняються від контролерів відкритішою структурою, вони
допускають підключення до системної шини декількох додаткових пристроїв.