Основные принципы построения микропроцессоров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Донецкой Народной Республики

Государственное профессиональное образовательное учреждение

Донецкий профессионально-педагогический колледж

Реферат

на тему: Основные принципы построения микропроцессоров

Содержание

1. Определения и особенности микропроцессора, микропроцессорной системы и микроконтроллера

2. Классификация микропроцессоров. Понятие о разрядности и системе команд

3. Понятие архитектуры вычислительной системы. Архитектура простейших вычислительных систем

1. Определения и особенности микропроцессора, микропроцессорной системы и микроконтроллера

Элементную базу цифровых устройств составляют интегральные схемы (ИС). Со времени их изобретения ИС постоянно совершенствуются и усложняются. Характеристикой сложности ИС является уровень интеграции, оцениваемый либо числом базовых логических элементов, либо числом транзисторов, которые размещены на кристалле.

По уровню интеграции ИС подразделяют: на МИС, СИС, БИС, СБИС (соответственно малые, средние, большие и сверхбольшие ИС).

Чтобы понять, что такое микропроцессор (МП) и как он работает, необходимо усвоить несколько понятий.

Автомат - устройство, выполняющее некий ограниченный набор функций самостоятельно по заданной программе.

Программа - набор команд, выполняемых автоматом.

Команда - задание на выполнение автоматом определенного действия. Память программ - устройство, которое хранит программу автомата.

Микропроцессором (МП) называют построенное на одной (реже на нескольких) БИС/СБИС программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки информации и управление им.

МП является основным устройством обработки информации в микропроцессорной системе (или микро-ЭВМ).

Микропроцессорная система (МПС) реализует выполнение заданной программы и содержит в своем составе микропроцессор, память, устройства ввода/вывода и интерфейсные схемы.

Микропроцессоры и МПС универсальны: при решении различных задач изменяется реализуемая программа, а их структура остается неизменной.

Микропроцессорным комплектом (МПК) называют совокупность БИС/СБИС, пригодных для совместного применения в составе МПС.

Микроконтроллеры (МК) - разновидность микропроцессорных систем, ориентированных на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами.

Микроконтроллер значительно проще универсальной микро-ЭВМ. Прежде всего, МК в сравнении с универсальной микро-ЭВМ характеризуются меньшим объемом и быстродействием памяти, менее разработанным составом внешних устройств. МК реализует менее сложные алгоритмы, и для размещения программ им требуются емкости памяти, гораздо меньшие, чем у микро-ЭВМ широкого назначения.

В большинстве случаев МК содержат RISC-процессоры. Микроконтроллеры, конечно же, менее универсальны по сравнению с микро-ЭВМ широкого назначения, но и выполняемые ими задачи строго ограничены. Поэтому аппаратных возможностей МК должно быть достаточно именно для выполнения возложенных на него задач.

Сегодня выпускаются 8-, 16- и 32-разрядные микроконтроллеры фирм Intel, Atmel, Motorola, Microchip, Zilog и др. Большую долю рынка составляют 8-разрядные микроконтроллеры AVR (фирмы Atmel), семейство 8051 (фирмы Intel) и микроконтроллеры семейства PIC (фирмы Microchip).

2. Классификация микропроцессоров. Понятие о разрядности и системе команд

Все существующие микропроцессоры можно классифицировать по ряду признаков. Рассмотрим наиболее распространенные.

По типу архитектуры, или принципу построения, различают:

МПС с принстонской архитектурой (архитектурой фон Неймана) и

МПС с гарвардской архитектурой.

Первые МПС строились по принстонской архитектуре, в которой память для команд и данных является общей. Достоинства этой архитектуры: простота, возможность оперативного перераспределения памяти между областями хранения команд и данных и др. Недостаток - последовательная во времени выборка из памяти команд и данных, передаваемых по одной и той же системной шине, что ограничивает производительность МПС.

В гарвардской архитектуре память разделена на память команд и память данных, причем каждая из них имеет собственную шину для общения с процессором. При этом во время передач данных для выполнения текущей команды можно производить выборку и расшифровку следующей, что повышает производительность МПС.

По типу системы команд микропроцессоры делятся на:

- CISC-процессоры;

- RISC-процессоры;

- VLIW-процессоры.

Процессоры CISC (Complex Instruction Set Computer) имеют так называемую сложную систему команд, т. е. большой набор разноформатных команд при использовании многих способов адресации. Архитектура CISC присуща классическим процессорам.

Процессоры RISC (Reduced Instruction Set Computer) имеют сокращенную систему команд.

Особенность процессоров VLIW (Very Long Instruction Word) заключается в использовании очень длинных команд (16 и более байт).

По назначению:

универсальные, предназначены для выполнения функций управления и вычисления;

специализированные, выполняют только узкоспециализированные функции вычисления или управления (вычисление сложных алгебраических функций или управление конкретным устройством - станком, автомобилем и т. д.). микропроцессор вычислительная система разрядность

По виду обрабатываемой информации:

цифровые, работают с бинарными (2-уровневыми) сигналами, обозначающими логический нуль и единицу. Обычно имеет смысл ссылка на тип цифрового сигнала: ТТЛ, ЭСЛ или КМОП-уровень;

аналоговые, работают с аналоговыми (непрерывными) уровнями сигналов. В случае аналогового сигнала имеют смысл предельные значения входного напряжения или тока.

По разрядности данных:

фиксированные, в случае фиксированной разрядности указывается конкретное значение длины информации (бит, байт, слово и т. д.);

переменные, в случае переменной разрядности указывается значение кванта, на который возможно наращивание разрядности (2, 4 или 8 бит).

По тактовой частоте:

статические, имеют нижний предел тактовой частоты равный нулю, т. е. при отсутствии тактовой частоты МП перейдет в состояние «Ожидание», а по ее появлении продолжит свою работу;

динамические, имеют нижний предел тактовой частоты не равный 0, т. е. при снижении частоты синхронизации ниже придельного уровня МП перестает нормально функционировать.

По виду синхронизации:

синхронные;

асинхронные.

Предлагаемая ниже классификация во многом повторяет предыдущую.

По компоновке:

однокристальные;

многокристальные;

многокристальные секционные.

По числу управляющих магистралей:

совмещенные;

раздельные.

По системе команд:

фиксированная;

переменная.

Разрядность микропроцессора

Под разрядностью микропроцессора следует понимать величину его разрядной сетки, определяемой соотношением разрядности шины данных и адреса. Строго говоря, не существует точного определения разрядности, но, как правило, под разрядностью понимают ширину поля данных. В литературе можно зачастую встретить так называемые 8-, 16-, 32х64 или 8/16разрядные процессоры. Так, МП Intel 8080 (I8080) имеет 8-разрядную шину данных и 16-разрядную шину адреса, но по типу обрабатываемых данных относится к 8-разрядному процессору. МП Intel 80386 (I80386) принято называть 32-разрядным процессором, так как он имеет 32-разрядные раздельные шины адреса и данных.

Команда и система команд микропроцессора

Под командой следует понимать задание на выполнение микропроцессором определенного действия. Система команд МП - это набор функций, определенных для микропроцессора. Наиболее существенными для ознакомления с особенностями системы команд являются три признака: длина команды, функциональный признак и способ адресации.

По длине (или по величине занимаемых байтов) команды подразделяют на однобайтовые, двухбайтовые, трехбайтовые и т. д. При этом первый байт (или слово - в более мощных процессорах) всегда отводится под код команды, а последующие содержат либо данные, либо адрес, по которому они хранятся в памяти.

По функциональным признакам, т. е. по виду выполняемых действий, команды подразделяют на следующие группы: группа команд пересылки, группа арифметических команд, группа логических команд, группа команд переходов, группа команд управления и работы со стеком, группа команд ввода/вывода, группа команд управления процессором, группа специализированных команд.

По способу адресации (т. е. по виду обращения к памяти или внутренним устройствам МП) различают следующие виды команд: регистровая адресация (команды обращения к внутренним регистрам МП), команды непосредственного обращения к памяти, команды косвенного обращения (команды, в которых адрес ячейки памяти указан не явно, а через указатель, хранящийся во внутреннем регистре процессора или в ячейке памяти).

3. Понятие архитектуры вычислительной системы. Архитектура простейших микропроцессорных систем

Архитектура процессора или вычислительной системы - это совокупность ключевых решений по следующим направлениям:

- выбор структурных элементов процессора (АЛУ, блоков регистровой памяти, контроллера прерываний, блока синхронизации и др.) и их интерфейсов для связи между собой и с внешними устройствами;

- поведение каждого из этих структурных элементов, специфицированное в кооперациях с другими элементами (то есть описание функционирования элемента с учетом взаимодействия с ним других элементов);

- составление из этих элементов все более крупных подсистем;

- единый архитектурный стиль, направляющий и определяющий всю организацию процессора (его элементов, их интерфейсов и взаимодействия).

Архитектура процессора влияет на следующие характеристики: стоимость использования; надежность функционирования; реактивность-быстродействие-производительность; простота применения (проектирования систем на его основе);

Микропроцессорная система (микро-ЭВМ) построена на магистрально-модульном принципе. В такой структуре имеется группа магистралей (шин), к которым подключаются различные модули (блоки), обменивающиеся между собой информацией по одним и тем же шинам поочередно.

Рис. 1 - Структура простейшей микропроцессорной системы

Данная структура сильно упрощена, поскольку МПС (микро-ЭВМ) в своем составе содержит такие устройства, как шинные формирователи, параллельные и последовательные адаптеры, контроллер прерываний, контроллер прямого доступа к памяти, таймеры, схемы тактирования и начальной установки и т. д.

Шина представляет собой набор электрических проводников, объединенных функционально и часто физически. Шины объединяют все функциональные блоки микроЭВМ и обеспечивают обмен данными.

В составе типичной микроЭВМ выделяют три типа шин: AB (Address Bus) - шина адреса; DB (Data Bus) - шина данных; CB (Control Bus) - шина управления.

Шина адреса (AB) предназначена для однозначного определения элемента микроЭВМ (например, ячейки памяти или устройства ввода/вывода) и является однонаправленной. Шина данных (DB) служит для обмена данными между элементами микро-ЭВМ (двунаправленная). Данные по этой шине могут передаваться от микропроцессора к какому-нибудь устройству МПС либо пересылаться в МП от какого-то устройства, доступ к которому обеспечивают сигналы адресной шины. Естественно, что в каждый момент времени данные могут передаваться лишь в одном направлении, определяемом режимом работы микропроцессора. К основным режимам работы следует отнести:

1) запись данных в память машины;

2) чтение данных из памяти машины;

3) пересылку данных в устройство ввода/вывода;

4) чтение данных с устройства ввода/вывода;

5) выполнение операций с содержимым внутренних регистров микропроцессора. При реализации последнего режима внешние по отношению к МП шины МПС не используются, т. е. все действия происходят внутри МП. Реализация первых четырех режимов оказывает определяющее влияние на работу шины данных.

Шина управления (CB) предназначена для согласования работы элементов МПС (микро-ЭВМ). В структуре трехмагистральной МПС (микро-ЭВМ) (рис.1) приведены 4 сигнала шины управления:

MEMR (Memory Read) - сигнал чтения из памяти;

MEMW (Memory Write) - сигнал записи в память;

IOR (Input/Output Read) - сигнал чтения из внешнего устройства;

IOW (Input/Output Write) - сигнал записи во внешнее устройство. Это далеко не весь список управляющих сигналов в МПС.

Работа по реализации любой программы МПС, построенной по типу архитектуры с тремя шинами, состоит в выполнении следующих действий для каждой команды программы:

1. Микропроцессор формирует адрес, по которому хранится код операции команды, переводя в соответствующее состояние шину адреса.

2. Код операции считывается из памяти по сформированному адресу и пересылается в микропроцессор.

3. Микропроцессор дешифрирует (идентифицирует) команду.

4. Микропроцессор настраивается на выполнение одного из перечисленных выше пяти основных режимов в соответствии с результатами дешифрирования считанного из памяти кода команды. Перечисленные выше пять режимов являются основными, но не единственно возможными.

Память микроЭВМ представляет собой совокупность регистров (ячеек), предназначенных для хранения информации в двоичной форме. Память имеет две классические разновидности: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

Порты ввода/вывода играют роль посредника между микро-ЭВМ и внешними устройствами

Размещено на Allbest.ru