Презентация Основные понятия микропроцессорной техники кандидат технических наук

Рис.1 Учебный курс Введение в цифровую электронику Лекция 4 Основные понятия микропроцессорной техники кандидат технических наук, доцент Новиков Юрий Витальевич

Рис.2 Микропроцессорная система

Рис.3 Особенности микропроцессорных систем Гибкая логика работы — меняется в зависимости от задачи; Универсальность — может решать очень много задач; Простота проектирования аппаратуры — единообразие схемотехнических решений; Простота отладки — единообразие системы связей и протоколов обмена; Аппаратурная избыточность, особенно для простых задач; Ниже быстродействие, чем у устройств с жёсткой логикой; Необходимость разработки и отладки программного обеспечения.

Рис.4 Основные термины Процессор — обработчик и вычислитель, выполняющий все операции над кодами и сигналами; Программа — набор управляющих кодов (команд), определяющих логику работы системы; Команда — управляющий код, указывающий процессору, что ему надо делать в данный момент; Шина (магистраль, канал) — линии связи, объединяющие устройства микропроцессорной системы; Интерфейс (сопряжение) — соглашение об обмене информацией, а также технические средства для реализации этого обмена.

Рис.5 Информационные потоки в микропроцессорной системе

Рис.6 Структура простейшего микропроцессора

Рис.7 Структура микропроцессорной системы

Рис.8 Устройства микропроцессорной системы Процессор — обработчик, выполняет пересылку и обработку информации (арифметическую, логическую) в соответствии с программой; управляет выборкой команд; Память — оперативная (RAM) и постоянная (ROM) — хранит данные и программы. Оперативная — для временного хранения данных и программ, постоянная — для постоянного хранения, главное — для программы начального запуска при включении питания. Устройства ввода/вывода (УВВ, I/O — Input/Output) — для обеспечения связи микропроцессорной системы с внешними устройствами и с пользователем (внешние интерфейсы и пользовательский интерфейс). Они же помогают процессору в пересылке данных и в реагировании на внешние события.

Рис.9 Шины микропроцессорной системы Шина адреса (Address Bus) — для пересылки кода адреса (индивидуального номера устройства, участвующего в обмене в данный момент). Шина данных (Data Bus) — для пересылки данных между устройствами. Двунаправленная шина, состоит из нескольких байтов (1, 2, 4, 8); Шина управления (Control Bus) — для пересылки отдельных управляющих сигналов: тактовых, стробирующих, подтверждающих, инициирующих и т. д. ; Шина питания (Power Bus) — для подведения к устройствам напряжений питания (положительных, отрицательных, общего провода).

Рис.10 Фазы цикла обмена Адресная фаза: процессор (задатчик, Master) выставляет адрес УВВ (или ячейки памяти), к которому хочет обратиться (исполнитель, Slave); Фаза данных: Цикл записи: процессор выставляет данные, предназначенные для записи, и выдаёт строб записи. Исполнитель принимает данные от процессора. Цикл чтения: процессор выдаёт строб чтения. Исполнитель выставляет данные для передачи процессору. Процессор принимает данные от исполнителя. Фаза подтверждения (не обязательна): исполнитель выдаёт процессору сигнал подтверждения выполнения операции

Рис.11 Циклы обмена в микропроцессорной системе Программные циклы обмена Чтение (ввод, выборка) команды из памяти (оперативной или постоянной); Чтение (ввод) данных из памяти; Запись (вывод) данных в память; Приём (чтение, ввод) данных из устройства ввода/вывода; Передача (запись, вывод) данных в устройство ввода/вывода; Циклы обмена по прерываниям (Interrupts); Циклы обмена по прямому доступу к памяти (ПДП, DMA – Direct Memory Access); Циклы обмена при захвате шины.

Рис.12 Программный обмен информацией

Рис.13 Методы реакции на внешнее событие С помощью периодического программного контроля факта наступления события (метод опроса флага или Polling). Самая быстрая реакция, но процессор не может заниматься ничем другим; С помощью прерывания, то есть насильственного перевода процессора с выполнения текущей программы на выполнение экстренно необходимой программы ─ программы обработки прерывания. Более медленная реакция, обмен — со скоростью процессора С помощью прямого доступа к памяти (ПДП), то есть без участия процессора при его отключении от системной магистрали. Медленная реакция, обмен — со скоростью контроллера ПДП (быстрее, чем процессор).

Рис.14 Обслуживание прерывания

Рис.15 Обслуживание прямого доступа к памяти (ПДП)

Рис.16 Информационные потоки в режиме ПДП

Рис.17 Одношинная (принстонская) архитектура

Рис.18 Двухшинная (гарвардская) архитектура

Рис.19 Сравнение архитектур Одношинная (принстонская) архитектура — проще, меньше требований к процессору, более гибкое перераспределение памяти между программами и данными (память обычно большая), но медленнее (тратится время на чтение команд). Сложные универсальные системы. Двухшинная (гарвардская) архитектура — сложнее, больше требований к процессору(одновременное обслуживание двух потоков), нельзя перераспределять память (память обычно небольшая), но быстрее (команды читаются одновременно с пересылкой данных). Простые однокристальные системы — специализированные.

Рис.20 Типы микропроцессорных систем Микроконтроллеры — наиболее простой тип микропроцессорных систем, в которых все или большинство узлов системы выполнены в виде одной микросхемы. Узко специализированы, закрыты, шина недоступна. Контроллеры — управляющие микропроцессорные системы, выполненные в виде отдельных модулей. Класс задач. Микрокомпьютеры — более мощные микропроцессорные системы с развитыми средствами сопряжения с внешними устройствами. Гибко настраиваемые. Шина доступна. Компьютеры (в том числе и персональные компьютеры) — самые мощные и наиболее универсальные микропроцессорные системы. Универсальные, дорогие, избыточные.