Микропроцессорная техника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Микропроцессорная техника

Введение

В начале 70-х годов успехи технологии в микроэлектронике привели к созданию новой элементной базы электроники - микроэлектронных больших интегральных схем (БИС) {модуль 1 глава 1.6.3}. По степени интеграции (количеству активных элементов: диодов и транзисторов) интегральные схемы (ИС) условно подразделяются на ИС малой степени интеграции - до 100 активных элементов, средней степени интеграции (СИС) - до 1000 активных элементов, БИС - свыше 1000 активных элементов, СБИС - свыше 10000 элементов. Выпуск новой БИС при современном уровне автоматизации проектирования - очень сложный и дорогой процесс из-за больших первоначальных затрат на разработку ее логической структуры и топологии, изготовления фотошаблонов и технологической подготовки производства. Это 0,5-1 год работы большого коллектива. Поэтому изготовление БИС экономически оправдано при их выпуске, исчисляемом десятками-сотнями тысяч штук в год. Выпускать специализированные БИС для каждого конкретного применения практически не реально. В результате поиска областей массового применения микросхем с высоким уровнем интеграции их разработчиками была предложена идея создания одной универсальной БИС или некоторого набора БИС, специализация которых для каждого конкретного случая применения достигается не схемно, а программно. Так появились стандартные универсальные элементы - микропроцессорные БИС со структурой, аналогичной структуре ЭВМ.

Микропроцессор -- это процессор, выполненный в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС). Приставка «микро» к слову «процессор» подчеркивает миниатюризацию процессора в результате высокой степени интеграции образующих его схем. Таким образом, микропроцессор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из одной или нескольких программно-управляемых БИС и выполняющий функции автоматической обработки цифровой информации. Его миниатюрные габаритные размеры и незначительная масса, малое потребление энергии открыли возможность введения микропроцессора непосредственно в электронную схему измерительного прибора, средств управления, и других устройств. Микропроцессор намного дешевле, более экономичен и надежен в работе, чем обычный процессор, построенный из набора интегральных схем малого и среднего уровней интеграции.

микропроцессор программа регистр реверсивный

Микропроцессорная техника применяется в измерительных приборах для измерения электрических и неэлектрических величин как с целью расширения функций приборов, придания им новых свойств, превращения их в системные комплексы, так и с целью улучшения характеристик отдельных узлов и прибора в целом

Микропроцессор включает в себя:

- арифметическо-логическое устройство (АЛУ), которое служит для выполнения арифметических и логических операций: арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление и т.д.). Логической операцией именуют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции И, ИЛИ, НЕ и т.д.).

- регистры общего назначения (РОН), которые используются для хранения информации -- сверхоперативного запоминающего устройства;

Регистры предназначены для хранения операндов в процессе выполнения операций и функциональных схем, необходимых для выполнения преобразования операндов при передаче их с одного регистра на другой. Количество и назначение РОН в МП зависят от его архитектуры.

- аккумулятор -- регистр, из которого берется одно из чисел, с которыми производятся арифметические или логические операции. В него помещается результат;

- счетчик адреса команд, в котором хранится адрес ячейки памяти, в которой записан код текущей команды;

- регистр флагов или условий в него помещаются сведения об особенностях результата выполнения арифметических или логических операций, например, нулевой результат, переполнение (перенос), четность и пр.;

- регистр адреса стека, в котором записан адрес последний занятой под стек ячейки памяти;

- блок управления шинами микропроцессорной системы, схемы формирующей сигналы на внешних шинах микропроцессора и, тем самым, управляющей микропроцессорной системой;

- блок дешифрирования кодов команд.

- Таймер -- счетчик -- предназначен для подсчета внутренних событий, для получения программно-управляемых временных задержек и для выполнения времязадающих функций МП.

- ОЗУ -- служит для приема, хранения и выдачи информации, используемой в процессе выполнения программы.

- ПЗУ -- служит для выдачи констант, необходимых при обработке данных в АЛУ.

- КЭШ память -- хранит внутри МП копии тех команд операндов и данных, к которым производились последние обращения МП. Если МП необходимо считать данные, имеющиеся в КЭШ, то она их представляет, и нет необходимости обращаться к внешней памяти. В КЭШ помещаются результаты вычислений.

- ША, ШД, ШУ (адреса, данных, управления) -- группы линий, по которым передается однотипная информация.

- Шинный интерфейс -- выполняет функции согласования действий между внутренними устройствами МП и внешней системой, т.е. управляет потоками и форматами данных между МП и внешними устройствами.

Классификация

1. По числу БИС:

- Однокристальные. Весь микропроцессор размещен на одном кристалле в одной микросхеме (chip).

- Многокристальные(multi-chip). В этом случае различные блоки МП размещены на разных кристаллах. Тем самым можно повысить выход годных изделий, повышается тестируемость и ремонтопригодность МП.

2. По назначению:

- Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

- Среди, специализированных микропроцессоров, можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных и к определению их подобия. Конволюция дает возможность в реальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума.

3. По виду обрабатываемых сигналов:

- Цифровые - т.е. работающие с числовыми данными.

- Аналоговые- предназначены для обработки аналоговых сигналов и имеющие в качестве входных и выходных данных аналоговые сигналы. По сути, все современные аналоговые МП являются цифровыми сигнальными МП, имеющими на входе встроенные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а на выходе - встроенные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

4. По количеству выполняемых программ:

- Однопрограммные(однозадачные) - предназначены для выполнения только одной задачи. Таковыми являются все микроконтроллеры и часть специализированных МП. Их можно разделить еще на две группы:

ь Не загружаемые МП, единственная программа которых записана в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) МП. Так делается, например в микроконтроллерах.

ь Загружаемые МП, у которых основная программа может загружаться из внешних устройств через интерфейсы . Таким внешним устройством может быть и дисковод, и другой МП , и специальное ПЗУ .

- Много- или мультипрограммные микропроцессоры одновременно выполняют несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации. Здесь тоже есть две разновидности МП:

По типу параллелизма операндов:

- Скалярные МП, где операнды инструкций являются скалярами, т.е. один операнд - это одно число.

- Векторные МП, где операндом является вектор, т.е. набор чисел. Это, как правило, математические МП предназначенные для векторных или матричных операций.

- МП с набором инструкций типа SIMD (Single Instruction Multiple Data: одна инструкция - много данных). Конечно, можно было бы считать их векторными МП, но в инструкциях типа SIMD операнды представляют собой наборы чисел жестко фиксированного размера, которые размещаются в специальных регистрах, а в векторных МП, размер векторных операндов может быть различным.

Примечание. В настоящее время, практически все фирмы-изготовители универсальных МП, имеют в своих изделиях SIMD технологии, это: MMX (Intel), AltiVec (PowerPC), MDMX (MIPS), Max-2 (HP), VIS (SPARC), MVI (Alpha) и др. Причем, часто такие технологии называют SWAR (SIMD Within A Register - SIMD внутри регистра). Их присутствие обусловлено реализацией таких приложений, как: - Упаковка/распаковка звука, видео и изображений

- Протоколы передачи данных

- Шифрование

- Построение реалистических изображений в реальном времени

- Распознавание речи и образов

- Нейронные сети

По типу параллелизма работы МП:

- Суперскалярные МП - рассматривают последовательный код программы, ищут инструкции, которые можно выполнить параллельно и выполняют их в параллельно работающих функциональных устройствах.

- Мультискаляные МП - получают от компилятора программу уже разбитую на множество связанных друг с другом задач, которые МП исполняет на параллельных процессорных устройствах, соблюдая зависимости между задачами.

- VLIW МП - являются неким промежуточным звеном между суперскаляными и мультискалярными МП (но ближе к первым). Командное слово типа VLIW формируется компилятором и содержит не одну, а несколько инструкций, которые могут (и должны) выполняться одновременно.

5. По характеру временной организации работы:

- Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

- Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.

6. По объему набора инструкций:

- CISC- Complete Instruction Set Computer - процессоры с полным набором инструкций . С одной стороны широкие возможности программирования, но с другой стороны, система команд не простая, что усложняет обработку инструкций и препятствует увеличению частоты МП.

- RISC- Reduced Instruction Set Computer - процессоры с сокращенным набором инструкций . Простая система коротких инструкций позволяет быстро декодировать и выполнять их за минимальное время (в пределе за 1 такт).

Регистр

Регистр -- быстродействующие ячейки памяти, иногда представляется отдельным устройством, используемое для хранения n-разрядных двоичных данных и выполнения преобразований над ними.

Регистр представляет собой упорядоченный набор триггеров, обычно D-, число n которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинационное цифровое устройство, с помощью которого обеспечивается выполнение некоторых операций над словами.

Основой построения регистров являются: D-триггеры, RS-триггеры, JK-триггеры.

Классификация регистров

Регистры классифицируютсяпо следующим видам:

· накопительные (регистры памяти, хранения)

· сдвигающие или сдвиговые

В свою очередь сдвигающие регистры делятся:

· по способу ввода-вывода информации:

· параллельные: запись и считывание информации происходит одновременно на все входы и со всех выходов;

· последовательные: запись и считывание информации происходит в первый триггер, а та информация, которая была в этом триггере, перезаписывается в следующий -- то же самое происходит и с остальными триггерами

· комбинированные;

· по направлению передачи информации:

· однонаправленные;

· реверсивные

Типы регистров

1. С последовательным вводом и выводом информации

2. С параллельным вводом и выводом информации

3. С параллельным вводом и последовательным выводом. Например: SN74LS165J(N), SN74166J(N), SN74LS166J(N)

4. С последовательным вводом и параллельным выводом. Например: SN7416J(N), SN74LS164J(N), SN74LS322J(N), SN74LS673J(N)

Использование триггеров с защёлками с тремя состояниями на выходе, увеличенная (по сравнению со стандартными микросхемами серии) нагрузочная способность позволяют использовать (в микропроцессорных системах с магистральной организацией) регистры непосредственно на магистраль в качестве регистров, буферных регистров, регистров ввода-вывода, магистрального передатчика и т. д. без дополнительных схем интерфейса.

Помимо вышеописанных двоичных регистров, регистр может основываться и на иной системе счисления, например троичной или десятичной.

Параллельные регистры

В параллельных (статических) регистрах схемы разрядов не обмениваются данными между собой. Общими для разрядов обычно являются цепи тактирования, сброса/установки, разрешения выхода или приема, то есть цепи управления. Пример схемы статического регистра, построенного на триггерах типа D с прямыми динамическими входами, имеющего входы сброса и выходы с третьим состоянием, управляемые сигналом EZ.

Сдвигающие (последовательные) регистры

Последовательные (сдвигающие) регистры представляют собою цепочку разрядных схем, связанных цепями переноса. Основной режим работы -- сдвиг разрядов кода от одного триггера к другому на каждый импульс тактового сигнала. В однотактных регистрах со сдвигом на один разряд вправо слово сдвигается при поступлении тактового сигнала. Вход и выход последовательные.

Согласно требованиям синхронизации в сдвигающих регистрах, не имеющих логических элементов в межразрядных связях, нельзя применять одноступенчатые триггеры, управляемые уровнем, поскольку некоторые триггеры могут за время действия разрешающего уровня синхросигнала переключиться неоднократно, что недопустимо. Появление в межразрядных связях логических элементов, и тем более, логических схем неединичной глубины упрощает выполнение условий работоспособности регистров и расширяет спектр типов триггеров, пригодных для этих схем. Многотактные сдвигающие регистры управляются несколькими синхропоследовательностями. Из их числа наиболее известны двухтактные с основным и дополнительным регистрами, построенными на простых одноступенчатых триггерах, управляемых уровнем. По такту С1 содержимое основного регистра переписывается в дополнительный, а по такту С2 возвращается в основной, но уже в соседние разряды, что соответствует сдвигу слова. По затратам оборудования и быстродействию этот вариант близок к однотактному регистру с двухступенчатыми триггерами.

Регистром называется устройство, состоящее из нескольких триггеров и предназначенное для выполнения операций приёма, хранения и передачи информации. Наиболее распространены статические регистры. Каждому разряду слова, записанного в такой регистр, соответствует свой разряд регистра, выполненный на основе статического триггера. Разряды регистра нумеруются в порядке нумерации разрядов в слове. Из регистров слова обычно поступают на комбинационные логические схемы, где над ними производят логические операции. Результат операции, представляемый одним или несколькими словами, заносится в регистры результата.

Регистры делятся на параллельные, последовательные и параллельно-последовательные

Параллельный статический регистр представляет собой совокупность D-триггеров в соответствии с рисунком 3.52, имеющих общие сигналы управления и синхронизации и индивидуальные информационные входы для приёма разрядов записываемого в регистр слова. Каждый разряд регистра в общем случае может иметь несколько информационных входов соответственно числу источников информации, подключаемых к входу регистра. Процессы записи и считывания информации в параллельных регистрах обычно разделены во времени, что позволяет использовать в разрядах регистра простейшие триггерные схемы.

Рисунок 3.52 - Структурная схема параллельного регистра

Параллельные регистры могут строиться как по асинхронному, так и по синхронному принципу. В последнем случае тактирующие импульсы стробируют управляющие сигналы. Это позволяет повысить помехоустойчивость устройства, устраняя влияние ложных импульсов, возникающих в процессе формирования управляющих сигналов. Параллельные регистры предназначены для записи и хранения чисел в двоичном параллельном коде.

Последовательный регистр характеризуется последовательной записью слова, начиная с младшего или старшего разряда. Структурная схема последовательного регистра для сдвига от младшего разряда к старшему имеет вид в соответствии с рисунком 3.53.

Последовательные регистры обеспечивают последовательную запись кода двоичного числа. Для этого на информационные входы регистра последовательно подаются значения двоичных разрядов числа. Сдвигающие импульсы передают записанную информацию от разряда к разряду.

Рисунок 3.53 - Структурная схема регистра сдвига

Рассмотрим в качестве примера порядок записи числа 001. Запись числа производится согласно временным диаграммам, приведенными в соответствии с рисунком 3.54. При подаче напряжения высокого уровня на вход D триггера 1, он подготовлен к срабатыванию, и после первого тактового импульса Т он перейдёт в состояние логической единицы.

Рисунок 3.54 - К пояснению принципа работы регистра сдвига

Перед вторым тактовым импульсом на вход D триггера 1 подаётся напряжение низкого уровня, а на вход D триггера 2 -напряжение высокого уровня. После второго тактового импульса состояние триггеров станет 010. Третий тактовый импульс обеспечит перемещение логической единицы в триггер 3. Триггеры 1 и 2 будут в состоянии логического ноля. Запись числа закончена.

Поскольку каждый тактовый импульс сдвигает код числа в регистре на один разряд, то для записи N-разрядного кода требуется N тактовых импульсов

Сдвигающий регистр может использоваться как преобразователь параллельного кода в последовательный. В этом случае триггеры в исходном состоянии устанавливаются в положение, соответствующее параллельному коду. Последовательным выводом числа из регистра получают последовательный код. Обратное преобразование возможно путём снятия параллельного кода с выходов триггеров после ввода в регистр последовательного кода.

Если сдвиг осуществляется, как в сторону старших разрядов, так и в сторону младших, такие регистры называются реверсивными. Для включения режимов сдвига влево или вправо служат дополнительные логические схемы.

Параллельно-последовательный регистр имеет входы и выходы, как для параллельной, так и последовательной формы приёма и передачи слова. На основе таких регистров осуществляются операции преобразования последовательного кода в параллельный и наоборот.

На практике широкое распространение получили универсальные регистры, позволяющие реализовать все типы регистров. Универсальные регистры выпускаются в виде серийных микросхем и входят в состав практически всех серий ЦИМС. Возможности таких регистров можно рассмотреть на примере четырехразрядного универсального регистра К555ИР11, УГО которого имеет вид в соответствии с рисунком 3.55.

Рисунок 3.55 - УГО универсального регистра

Регистр К155ИР11 может выполнять целый ряд функций, поскольку снабжен несколькими входами выбора режимов: S0,S1,DR,DL. Если на входы выбора S0 и S1 поданы напряжения низкого уровня, код регистра сохраняется и задерживается. При напряжениях высокого уровня на этих входах регистра данные от параллельных входов D0-D3 будут загружены в регистр и появятся на выходах Q0-Q3 в момент последующего положительного перепада тактового импульса.

При напряжении низкого уровня на входе S1 и высокого на S0 код поступающий на вход последовательных данных DR сдвигается по регистру вправо (от Q0 к Q3). При обратном соотношении уровней на входах S1 и S0 код принимается последовательным входом DL и затем при каждом положитель- ном перепаде тактовых импульсов сдвигается влево, т.е. от Q3 к Q0.

Поскольку режимы хранения, загрузки и сдвига синхронные, следует фиксировать момент вводных команд управления режимами. Если на вход R подается напряжение низкого уровня, происходит сброс данных и на входах Q0-Q3 появляются напряжения низкого уровня.

Размещено на Allbest.ru