Файл: Конспект лекций (дополительный обновленный).doc

12.2. Принципы организации микропроцессорных систем.

Микропроцессор, взятый отдельно, не может выполнять каких-либо полезных функций. Для реальной пользы микропроцессор должен использоваться совместно с памятью и устройствами ввода-вывода, подключаемыми через специальные регистры, называемые портами. Такое объединение микропроцессора с памятью и портами ввода-вывода позволет получитьмикропроцессорную систему. Рассмотрим организацию микропроцессорных систем с позиций программного управления, типовых структур, режимов ввода-вывода.

12.2.1. Принцип программного управления.

Работа микропроцессорной системы, как и любого цифрового устройства, заключается в обработке исходных данных по заданному алгоритму. Под алгоритмомработы цифрового устройства понимается набор последовательно выполняемых действий по обработке исходных данных с целью получения требуемого результата. В микропроцессорной системе алгоритм реализуется при выполнении программы, хранимой в памяти в виде последовательности команд. Программа работы встроенной в какое-либо устройство специализированной микропроцессорной системы хранится в ПЗУ. ПЗУ – это энергонезависимая память. Информация в ПЗУ сохраняется независимо от того, включен или выключен источник питания. Промежуточные данные в микропроцессорной системе хранятся во внутренних регистрах микропроцессора, а также в ОЗУ. Данные в ОЗУ могут как записываться, так и считываться. При снятии питающего напряжения данные в ОЗУ теряются. В случае использования микропроцессорной системы в качестве универсальной, ОЗУ используется и для хранения программ. В этом случае обычно используется ПЗУ с малым объемом, куда записывается небольшаяпрограмма-загрузчик, под управлением которой в начале работы в ОЗУ с какого-либо внешнего устройства загружается рабочая программа.

Выполнение любой команды начинается с чтения микропроцессором из запоминающего устройства кода этой команды, называемого кодом операции. Далее этот код должен быть дешифрирован микропроцессором и по результатам дешифрации определяются дальнейшие его действия по выполнению этой команды. Если команда имеетоперанд, т.е. значение, над которым команда выполняет действие, то в команде должно быть определено местонахождение этого операнда. Он может находиться в памяти, считываться из порта ввода или выводиться в порт вывода. После окончания выполнения текущей команды микропроцессор переходит к выполнению очередной команды, т.е. обращается к ячейке памяти, где хранится код следующей команды.

Каждая команда требует для своей реализации выполнения определенной последовательности элементарных преобразований, которые называются микрооперациями и реализуются микрокомандами. К ним относятся пересылки информации между частями системы, логические поразрядные операции, сдвиги информации и другие. Каждая микрооперация выполняется в течение одного такта сигнала синхронизации. Количество типовых микрокоманд у микропроцессора обычно небольшое. Но, комбинируя микрокоманды в определенные последовательности, можно получить систему команд любого уровня сложности и развитости.Система команд– это полный перечень команд, которые может выполнять микропроцессор. Дешифрацию кода команды, разбивку команды на микрокоманды и формирование управляющих сигналов, под действием которых команда отрабатывается, выполняет устройство управления микропроцессора. Существуют микропроцессоры, в которых устройство управления представляет собой схему жесткой логики, и микропроцессоры, в которых устройство управления представляет собой программируемую схему. У первых система команд фиксированная, у вторых – изменяемая.

Время, необходимое для считывания команды из памяти и ее выполнения, называется циклом команды. Цикл команды реализуется обычно за несколько машинных циклов (от одного до пяти). Машинныйцикл -это промежуток времени, затрачиваемый микропроцессором на одно обращение к какому-либо периферийному модулю (ОЗУ, ПЗУ, порту ввода или вывода). В микропроцессорах используются обычно следующие базовые типы машинных циклов:

• выборка команды (прием кода операции и его дешифрация);

• считывание из памяти;

• запись в память;

• ввод из порта ввода;

• вывод в порт вывода;

• прерывание;

• останов.

Каждый машинный цикл состоит из микрокоманд и выполняется за определенное количество тактов сигналов синхронизации. Действия в каждом из тактов индивидуальны для конкретного микропроцессора, но можно выделить общие типовые действия для многих их типов (в порядке очередности их выполнения):

• вывод на шину адреса кода адреса вызываемого порта или ячейки памяти, а на шину управления сигналов их активизации;

• анализ ответных управляющих сигналов, выставление на шину данных передаваемой информации или чтение получаемой;

• расшифровка команды и выполнение внутренних операций.

12.2.2. Структурная организация микропроцессорной системы.

Существуют три типовых структур микропроцессорных систем: магистральная, радиальная и радиально-магистральная. Каждая из этих структур обладает своими преимуществами и недостатками. Использование той или иной структуры определяется задачей, решаемой микропроцессорной системой.

Магистральная структураили, как ее еще называют,структура с общей шинойпредполагает подключение всех составляющих микропроцессорной системы к микропроцессору по одной группе шин. Подобная структура представлена нарис.12.1.Шиныпредставляют собой набор соединительных проводников-линий, объединяющих одноименные выводы всех периферийных модулей. По каждой линии может быть передано значение одного разряда двоичного кода в виде уровней напряжения, соответствующих логическому нулю или логической единицы. Периферийными модулями в рассматриваемой структуре являются запоминающие устройства (ОЗУ и ПЗУ), а также регистры портов ввода-вывода для подключения внешних устройств (клавиатуры, индикатора, таймера, АЦП, ЦАП, различных датчиков и исполнительных механизмов).

Рис.12.1. Структурная схема микропроцессорной системы с общей шиной.

По роду передаваемой информации все шины разделены на три группы, образующие шину данных, шину адреса и шину управления. Характерной особенностью шины данных является ее двунаправленность, обеспечиваемая буферными регистрами, под которой понимается возможность передачи данных в разные моменты времени в различных направлениях, например, сначала от микропроцессора к периферийному модулю, а затем в обратном направлении. Ещё одна особенность этих буферных регистров заключается в том, что они являютсятрехстабильными, т.е. выходы этих регистров могут принимать третье пассивное, высокоимпедансное состояние, благодаря чему регистр оказывается отключенным от шины данных. Каждый периферийный модуль микропроцессорной системы имеет вход для приема сигналаCS(выбор кристалла). В процессе работы с помощью этого сигнала "активизируется" только один из периферийных модулей. Выходы буферных регистров остальных модулей остаются в высокоимпедансном состоянии.

Поскольку микропроцессор должен обмениваться данными с определенными ячейками памяти запоминающих устройств или с определенными портами, то для возможности обращаться (адресоваться) к ним, каждая ячейка памяти и каждый порт ввода или вывода имеют свои индивидуальные номера - адреса. При обмене данными микропроцессор устанавливает двоичный код, соответствующий адресу порта или ячейки памяти на шине адреса. Шина адреса является однонаправленной, т.е. адреса передаются только от микропроцессора. Рассматриваемая микропроцессорная система содержит два модуля памяти: модуль ОЗУ и модуль ПЗУ. В общем случае в системе может содержаться несколько модулей (микросхем) ОЗУ и ПЗУ, каждый из которых имеет вход для приема сигналаCS. Во всех случаях, когда в системе имеется более одного модуля памяти, часть кода адреса ячейки памяти должна указывать, к какому модулю памяти производиться обращение. Эта часть называется кодом выбора модуля. Оставшаяся часть кода адреса выбирает ячейку памяти внутри модуля и называется адресом ячейки внутри модуля. Дешифрация кода выбора модуля производится с помощьюдешифратора выбора модуля памяти, который вырабатывает соответствующий сигналCS. Дешифрация адреса ячейки осуществляется внутренним дешифратором модуля памяти. Входы этого дешифратора (адресные шины модуля памяти) подключаются к соответствующим линиям шины адреса. В рассматриваемой системе содержится один порт ввода и один порт вывода. В общем случае портов ввода-вывода может быть гораздо больше. Поскольку каждый порт представляет собой один регистр, то дешифрация номеров портов осуществляется только внешним дешифратором, формирующим сигналCSвыбора портов.

Дополнительным условием «активизации» любого периферийного модуля является наличие соответствующего сигнала на шине управления. По линиям шины управления от микропроцессора к периферийным модулям поступают сигналы, определяющие выбор группы модулей (порты или модули памяти), а также направление обмена данными. Такими сигналами являются: сигнал чтения из модулей запоминающих устройств RDM(readmemory); сигнал записи в модули запоминающих устройствWRM(writememory), сигнал чтения из порта вводаRDIO(readinput/output), сигнал записи в порт выводаWRIO(writeinput/output). Например, при записи числа в ячейку памяти ОЗУ микропроцессор устанавливает на шине адреса адрес этой ячейки памяти, на шине данных – двоичный код записываемого числа, и выдает на линию шины управления сигналWRM. При этом с шины данных число записывается в адресуемую ячейку памяти ОЗУ. При чтении данных из какого-либо порта ввода микропроцессор устанавливает на шине адреса адрес этого порта и выдает на соответствующую линию шины управления сигналRDIO. При этом адресуемый порт ввода передает информацию со своего входа на шину данных, откуда она считывается микропроцессором.

Часто процесс ввода-вывода с (из) внешних устройств организуют в режиме прерывания. Этот режим характеризуется тем, что инициатива ввода-вывода информации при нем принадлежит внешнему устройству. Для инициализации режима ввода-вывода по прерыванию и передачи в микропроцессор номера устройства, запрашивающего прерывание, служит контроллер прерывания. Более подробно назначение и описание контроллера прерывания будет рассмотрено в этом параграфе позже.

На изображенной на рис.12.1схеме шина данных разделена системным контроллером на локальную и системную. Системная шина данных связывает все периферийные модули между собой и с микропроцессором. Локальная шина данных связывает системный контроллер с микропроцессором. Системный контроллер является вспомогательным элементом микропроцессорной системы и его функции индивидуальны для разных микропроцессорных комплектов микросхем. Обычно системный контроллер используется для расширения функций шины управления, добавляя в нее управляющие сигналы, отсутствующие в выводах микропроцессора. Подключение его в схему микропроцессорной системы также индивидуально для каждого микропроцессорного комплекта. В приведенной на рисунке схеме системный контроллер формирует часть сигналов шины управления из служебных слов, передаваемых по шине данных в моменты времени, когда шина данных не используется для обмена информацией с периферийными модулями. Также системный контроллер в данном случае выполняет функцию шинного формирователя. Микропроцессор, системный контроллер и ряд вспомогательных узлов (тактовый генератор, шинные формирователи и прочие) образуют так называемыйпроцессорный модуль.