Микропроцессорной системой (МПС) называется система цифровой обработки информации и управления, содержащая в своем составе, по крайней мере, один микропроцессор (МП), один или несколько модулей основной (ОЗУ и ПЗУ) и дополнительной памяти, устройства ввода и вывода, блоки сопряжения (контроллеры) с устройствами ввода и вывода, которые связаны друг с другом с помощью системной магистрали, состоящей, в общем случае, из магистралей (шин) адресов (МА, ША), магистралей (шин) данных (МД, ШД) и магистралей (шин) управления (МУ, ШУ).
Логическая структура МПС приведена на рис.1.1, где ОУ – объект управления, Д – датчики, ИМ – исполнительные механизмы, ИК – информационные контроллеры, БСД – блок сопряжения с датчиками, БСИК – блок сопряжения с информационными контроллерами, ОП – основная память, ДП – дополнительная память.
Рис. 1.1. Логическая структура МПС
ОЗУ МПС обеспечивает чтение и запись информации и реализуется как энергозависимая память, содержимое которой стирается при выключении МПС. ПЗУ обеспечивает только чтение информации и реализуется в виде энергонезависимой памяти. Контроллеры представляют собой устройства сопряжения аппаратуры ввода-вывода с системной магистралью и реализуют определенный интерфейс. Магистраль обеспечивает коммуникацию аппаратных средств МПС и представляет собой набор проводников и усилителей сигналов.
В зависимости от областей применения МПС подразделяются на специализированные и универсальные, встроенные и автономные.
Основой любой МПС является микроЭВМ - вычислительная или управляющая система, выполненная на основе МП, в состав которой, как правило, входят: постоянная (программируемая) память программ (ПЗУ), память данных (ОЗУ), генератор тактовых импульсов и информационный контроллер, построенные на основе БИС или СБИС.
По способу реализации микроЭВМ подразделяются на однокристальные, одноплатные и многоплатные. В одноплатных микроЭВМ МП выполняется в виде кристалла БИС (СБИС), на котором кроме самого МП могут располагаться и другие компоненты микроЭВМ (ПЗУ, ОЗУ, контроллеры и т.п.).
По назначению микроЭВМ разделяются на универсальные и специализированные (проблемно-ориентированные).
По организации структуры различают одно- и многомагистральные микроЭВМ (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Общая структура ЭВМ: а – одномагистральная;
Б – многомагистральная
В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются данные, адреса и управляющие сигналы. В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали, что позволяет осуществить одновременную передачу по нескольким (или всем) магистралям и тем самым увеличить быстродействие системы.
Центральной частью МПС является микропроцессор - обрабатывающее устройство, выполненное с использованием технологии БИС (часто на одном кристалле) и обладающее способностью выполнять под программным управлением обработку информации (включая ввод-вывод), принятие решений, арифметические и логические операции.
МП характеризуется очень большим числом параметров и качеств, поскольку он, с одной стороны, является функционально сложным программно-управлемым цифровым процессором, т.е. устройством ЭВМ, а с другой стороны – интегральной схемой с высокой степенью интеграции элементов, т.е. электронным прибором.
МП классифицируются по следующим признакам.
По числу БИС в микропроцессорном комплекте - однокристальные и многокристальные МП. Однокристальные МП получаются при реализации всех аппаратурных средств процессора в виде одной БИС или СБИС. Для получения многокристального МП необходимо произвести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС.
По назначению различают универсальные и специализированные МП. По виду обрабатывающих входных сигналов МП делят на цифровые и аналоговые. По характеру временной организации работы - синхронные и асинхронные.
Кроме этого МП, как правило, классифицируются: по технологии изготовления (p-МОП, п-МОП, к-МОП, И2Л и т.д); по числу шин; по разрядности; по способу управления (схемное, микропрограммное); по числу аккумуляторов, уровней прерывания и программных счетчиков; по типу и емкости стека; по числу и длине команд и по видам адресации.
В общем случае в состав МП входят (рис. 1.3): арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок прерываний (БП), дешифратор команд и схема управления (ДСК и СУ), регистр команд (РК), буферы адреса и данных (БА, БД), регистры общего назначения (РОН), индексный регистр (ИР), стек (С), его указатель (УС), программный счетчик (ПС), регистр-аккумулятор (А), регистр признаков (РП), схема инкремент-декремент (ИД), блок прерываний (БП).
Конкретные МП, как правило, не содержат всех узлов и блоков, показанных на рис. 1.3. В этих случаях соответствующие функции могут выполняться программно, а в качестве некоторых специальных регистров
Рис. 1.3. Логическая структура МП
могут использоваться РОН или ячейки памяти. В ряде микропроцессорных комплектов отдельные функциональные узлы и блоки выполняются автономно в виде БИС или схем средней степени интеграции.
При проектировании МПС следует учитывать, что их производительность и функциональные возможности напрямую зависят от организации внутренних шин МП - их число существенно влияет на структуру и характеристики МПС в целом.
При определении оптимального числа шин следует учитывать, что уменьшение числа шин приводит к уменьшению быстродействия МП и сопровождается введением дополнительных буферных регистров, увеличивает площадь на кристалле, отводимую под функциональные элементы, и тем самым увеличивает функциональные возможности МП и МПС.
В трехшинном МП при определенной внутренней организации РОН возможно выполнение операций за один такт, включая выборку операндов из РОН и запись результата в один из регистров. Достоинства: высокое быстродействие и отсутствие буферных регистров, недостаток - большая площадь шин на кристалле.
Двухшинная организация при меньшей площади шин требует введения одного-двух буферных регистров и операции выполняются за два такта.
Организация МП на основе одной шины позволяет максимально усложнить архитектуру МП, однако требует введения двух-трех буферных регистров и трех тактов для выполнения операций.
При использовании магистральной организации МПС возникает сложность в подключении выходов нескольких элементов к одной шине (к одному проводнику общей шины). Известны три следующих способа решения этой задачи.
Логическое объединение (рис. 1.4, а) - выполняется с помощью схемы ИЛИ, на входы которой поступают сигналы от разных источников информации, предварительно проклапанированные сигналами управления на входах схем И.
Рис. 1.4. Способы подключения устройств к общей шине
Объединение с помощью схем с открытым коллектором (рис. 1.4, б) характеризуется электрическим соединением выходов нескольких логических элементов. Часто этот способ называют «монтажным ИЛИ» или «монтажным И».
Объединение с использованием схем с тремя состояниями (рис. 1.4, в) отличается именно таким характером нагрузки. В отличие от обычных ключевых схем здесь возможен третий режим, при котором оба транзистора одного каскада (VT1 и VT2 или VT3 и VT4) закрыты. В этом случае со стороны выхода каскад обладает высоким сопротивлением и практически не влияет на состояние общей шины. Если в состоянии высокого сопротивления будут находиться оба каскада, то общая шина может использоваться произвольно любыми внешними по отношению к МП устройствами. Этот способ широко используется при организации прямого доступа к памяти и при построении мультипроцессорных систем.
Кроме широко известных устройств внешней (ЗУ команд и ЗУ данных) и внутренней (РОН) памятей, для которых характерен адресный принцип общения, в МП МПС обычно предусматривается возможность работы с так называемой магазинной памятью (стеком), при обращении к которой не требуется указание адреса. Возможная организация магазинной памяти представлена на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Организация стека
Выборка одной из ячеек матрицы памяти осуществляется через дешифратор адреса (ДСА) по адресу, находящемуся на реверсивном счетчике адреса, называемом указателем стека (УС). Начальное значение адреса поступает в УС на вход А. В процессе работы состояние УС при каждой записи уменьшается, а при каждом чтении увеличивается на единицу. Управление режимами записи и чтения выполняет местный блок управления (МБУ).
При записи входное слово Х поступает на регистр слов (PC) и записывается в матрицу памяти по адресу, который в данный момент был установлен в УС. С небольшой задержкой после записи информации содержимое УС уменьшается на единицу, подготавливаясь к следующей записи, так что УС постоянно указывает на пустую ячейку.
При чтении МБУ сначала вырабатывает сигнал, увеличивающий содержимое УС на единицу, а затем - сигнал чтения информации из матрицы памяти. В результате на выходных цепях стека появится слово Х, которое было записано последним. Принцип работы стека может быть сформулирован как «последним записан – первым прочитан» (Last In First OUT - LIFO). Ввиду отсутствия в коде команд записи (чтения) адресного поля уменьшается разрядность этих команд и время их выполнения.
В МПС используются два вида стека: встроенный и автономный. Встроенный стек полностью размещается на кристалле МП. Емкость (глубина) стека здесь не может быть большой (обычно 16-32 слова). При организации автономного стека в качестве матрицы памяти используется внешнее по отношению к МП ОЗУ, а на кристалле располагается лишь УС с разрядностью, равной разрядности шины адреса; глубина стека может быть равна адресуемой емкости памяти (обычно 64 К). Для компенсации снижения быстродействия в некоторых МП с автономным стеком реализованы аппаратная запись и восстановление при прерываниях содержимого ПС, аккумулятора и регистра состояния.
Работа МПС сопровождается интенсивным обменом информацией между МП, ЗУ, УВВ. Эффективность решения задач МПС в значительной степени определяется организацией этого обмена и структурой связи между МП, памятью и УВВ. Для организации обмена между указанными устройствами вводится понятие интерфейса – это система шин, вспомогательной аппаратуры и алгоритмов, реализованных на этой аппаратуре. В функции интерфейса входят: дешифрация адреса устройств, синхронизация обмена информацией, согласование форматов слов, дешифрация кода команды, связанной с обращением к памяти или УВВ, электрическое согласование сигналов.
Сложность задач, возлагаемых на интерфейс, а также недостаточная мощность буферных схем, входящих в состав БИС МП, привели к распределению средств интерфейса между различными устройствами:
- устройством управления памятью и вводом-выводом, входящим в состав МП;
- непосредственно интерфейсным устройством, являющимся промежуточным звеном между МП, памятью и УВВ;
- специализированными устройствами управления (контроллерами) УВВ.
Различают следующие способы организации связи между МП и УВВ в МПС: программный обмен данными по командам условного перехода; обмен данными по сигналам прерывания; обмен данными в канале прямого доступа в память; подключение устройств ввода-вывода к МП.
При программном обмене данными по командам условного перехода МП программным путем должен определить, готово ли периферийное устройство к выполнению операций ввода-вывода до того, как начнется программная передача данных. Внешнее устройство должно иметь аппаратурные средства для выработки информации о внутреннем состоянии статусной информации. МП считывает эту информацию, передает ее во внутренний регистр-аккумулятор, анализирует и на основе результата анализа принимает решение о готовности устройства (рис.1.6).
МП может находиться в режиме программного ожидания (готовности) внешнего устройства, выполняя команды блоков 1 и 2. После обнаружения состояния готовности МП передает данные по командам блоку 3, а затем приступает к работе по продолжению основной программы.
Рис. 1.6. Алгоритм программного обмена
На рис. 1.7 приведен пример обмена данными по командам условного перехода. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) при передаче данных имеет трехуровневые выходные каскады, передача данных с которых осуществляется по сигналу “Разрешение выдачи” (РВ). По сигналу “Начало преобразования” (НП) АЦП начинает преобразования мгновенной амплитуды входного аналогового сигнала в восьмиразрядный код. По окончанию преобразования выдается управляющий сигнал “Конец преобразования” (КП).
Сигналы НП, КП и РВ считываются МП из байтового выходного регистра данных. Сигналы Д7 – Д0 имеют правильное значение, если соблюдена последовательность выдачи управляющих сигналов НП, КП и РВ согласно временной диаграмме. Сигнал с дешифратора адреса ДСА
Рис. 1.7. Схема подключения АЦП к МП при программном вводе данных
вместе с сигналом операции МП Чт/Зп по сигналу импульса синхронизации С определяет генерацию необходимого управляющего сигнала. По сигналам АНП =АРВ = 1 осуществляется запуск АЦП; по сигналам АРВ = АКП = 1 – считывание и ввод в МП значения сигнала КП. Этот сигнал через трехуровневый каскад вводится в МП по шине Д7. Поэтому команда “Условный переход по знаку результата” определит либо окончание преобразования (КП=1), либо необходимость перехода к новому циклу анализа (КП=0). При сигнале КП=1 командой “Прочитать данные по адресу АРВ” осуществляется ввод информации с АЦП в МП.
Для организации обмена данными по сигналам прерывания от внешних устройств в МП должны быть предусмотрены специальные аппаратурные средства анализа состояния внешних устройств. Если они обнаруживают готовность к обмену какого-либо внешнего устройства, то сигнализируют об этом блоку управления МП, который завершает текущую операцию, передает на хранение в память всю информацию внутренних регистров данных и управления и переходит к подпрограмме обслуживания прерывания. Основная часть этой подпрограммы – команды передачи данных между МП и конкретным внешним устройством. В конце нее имеются программы восстановления состояния МП, которое существовало к началу прерывания.
Если необходимо осуществить обмен между внешним устройством и памятью, то нет необходимости пересылать данные через МП, так как в противном случае затраты времени МП будут очень большими. Можно ввести в МПС контроллер прямого доступа в память, который берет на себя управление передачей. Построение канала ПДП является альтернативой программному обмену, поэтому и в данном случае справедливы общие закономерности балансировки программно-аппаратурных средств. Средства канала ПДП могут быть подключены параллельно процессору (рис.1.8, а), с передачей функции арбитража ОЗУ.
Рис. 1.8. Схема подключения КПД к ОЗУ в МПС
Однако при этом усложняются схемы управления ОЗУ, появляется второй информационный канал, состоящий из информационных МД и МА и управляющих сигналов МУ. Поэтому в МПС решается задача разделения единого информационного канала между МП и КПД в память посредством использования свойств трехуровневого состояния информационных подмагистралей. МП во время передачи информации по КПД переводит выходные схемы управления всех магистралей в высокоомное состояние и изолируется от остальной части системы, что аналогично обрыву его информационного канала (рис. 1.8, б).
Способы подключения внешних устройств к МП определяются возможностями его корпуса, аппаратурно-программных средств, количеством и особенностями устройств ввода-вывода. Запрос на простое прерывание привлекает внимание МП к внешней системе и требует анализа ее состояния.
Если несколько устройств ввода-вывода (УВВ) подключены к своим индивидуальным аппаратурным ресурсам (радиальный интерфейс) (см. рис.1.9, а), то внутри МП необходимо иметь мультиплексор для последовательного опроса всех УВВ. В случае подключения многих УВВ к одному уровню прерывания при простом прерывании требуется обзор всех причин прерывания и выделения активного УВВ.
Последовательное расположение подпрограмм анализа причин прерываний УВВ в программе может считаться приоритетным, если не задан другой алгоритм. Следовательно, первое активное устройство, обнаруженное программой прерывания, получает ресурс на обслуживание. Аппаратурно этот алгоритм реализуется в “цепочечной” схеме подключения УВВ (рис.1.9, б).
Рис.1.9. Схемы подключения УВВ к МП МПС
Векторное прерывание возникает в том случае, когда УВВ, выставившее запрос на прерывание, посылает после выполнения запроса адрес ячейки, где расположена программа прерывания данного УВВ (рис.1.9, в).
Многоуровневые групповые системы (рис.1.9, г) прерывания требуют наличия в МП несколько входов и могут быть векторными, приоритетными или обзорными.
Принципиальные отличия в организации структуры микропроцессора МПС от организации структуры процессора классической ЭВМ (наличие нескольких внутренних шин, РОН, стека и т.п.) приводят к особенностям функционирования МП при организации процессов обработки информации и управления этими процессами.
Процесс обработки информации осуществляется в МПС с помощью его центрального устройства - микропроцессора, типовая структура которого в самом общем случае состоит из АЛУ (см. рис. 1.10, а), набора регистров общего назначения (РОН), буферного регистра (БР) и регистра сдвига (Рсдв).
Представленная структура обладает очень широкими возможностями: содержимое любого РОН может быть передано на БР и на Рсдв, а стандартное четырехразрядное АЛУ (рис. 1.10, б) может выполнить 16 логических и 32 арифметических операции над содержимым обоих регистров; результат может быть записан в любой из РОН.
Рис. 1.10. Типовая структура МП
При подаче соответствующих управляющих сигналов в этой системе, например, возможны:
- передача данных из одного РОН в другой (транзитом через БР и АЛУ);
- увеличение или уменьшение на единицу содержимого любого из РОН путем изменения в АЛУ выбранного из РОН значения на единицу и засылки полученного результата в тот же регистр;
- сдвиг содержимого любого РОН путем передачи любого выбранного из РОН числа в Рсдв, сдвига этого числа и записи через АЛУ в тот же РОН.
Очевидно, что для выполнения этих и других операций очень важно распределение подаваемых управляющих сигналов во времени. Например, для передачи данных из одного РОН в другой требуется два такта: 1 такт: адресация РОН, выборка содержимого РОН, прием выбранного слова в БР; 2 такт: адресация РОН, запись в РОН информации через АЛУ. Из этого примера видно, что при определенной последовательности управляющих сигналов будет выполняться определенная операция над данными, хранимыми в РОН. При этом необходимо выполнять два требования (см. рис. 1.11): обеспечение анализа логических условий и ветвление процесса; сохранение сигнала арифметического переноса из АЛУ (триггер Т1) и выходного бита Рсдв (триггер Т2) , т.к. они могут понадобиться при выполнении следующей операции.
С этими изменениями становятся возможными операции над словами с разрядностью, большей, чем разрядность АЛУ, РОН и вспомогательных регистров.
Рис. 1.11. Структура обрабатывающей части МПС
Наиболее полно организацию процесса обработки информации в МПС отображает структурная схема МП, приведенная на рис. 1.12. Для упрощения структуры МП и организации его работы признаки условий обычно хранятся на специально выделенном регистре - регистре признаков, разрядность которого не превышает разрядности внутренних шин МП.
Рис. 1.12. Структурная схема МП
В состав МП, помимо ранее рассмотренных устройств, введены регистр результата (РР), мультиплексоры M1 - M4, цепи анализа значений логических условий и необходимые управляющие входы.
Рассмотрим назначение введенных мультиплексоров и соответствующих управляющих сигналов, с помощью которых организован процесс обработки информации в МПС.
Мультиплексор M1 - мультиплексор цепи переноса: в зависимости от назначения управляющего сигнала У6 (0 или 1) к входу переноса АЛУ подключается или внешний вход, или выход триггера переноса T1.
Мультиплексор M2 - мультиплексор цепи сдвига, подключающий к входу триггера сдвига T2 в зависимости от значения сигнала У14 выход старшего или младшего разряда регистра Рсдв.
Мультиплексор M3 - мультиплексор цепи сдвига, подключающий к входам старшего или младшего разрядов регистра Рсдв один их четырех выходов в зависимости от комбинации значений сигналов У15 и У16 : выход М2 (У15 =У16 =0), выход триггера Т2 (У15 = 0, У16 =1), логическую единицу (У15 =1, У16 = 0), логический нуль (У15, У16 =1,). Первая комбинация соответствует организации циклического сдвига, оставшиеся отличаются тем, что при сдвиге содержимого Рсдв влево или вправо в освобождающийся заряд записывается, соответственно, содержимое триггера T2, логическая единица или нуль.
Мультиплексор M4 - мультиплексор анализа условий, подключающий к выходу P в зависимости от комбинаций сигналов У8 и У9: выход старшего разряда регистра PP; выход схемы ИЛИ-НЕ, единичное значение на котором будет только при нулевом содержимом регистра PP; логическую единицу.
Устройство управления МПС должно выполнять две основные функции: управление выполнением операций и выборку команд программы в нужной последовательности, их дешифрацию и обработку. Существуют два подхода к организации управления выполнением операций.
Первый заключается в том, что n управляющих входов МП объединяются в отдельную n-разрядную шину, на которую для выполнения передачи и (или) обработки информации на каждом шаге алгоритма необходимо подавать n-разрядный вектор (микрокоманду). Этот способ позволяет легко реализовать любой алгоритм, но поскольку на каждом шаге только некоторая часть сигналов имеет единичное значение, а большинство - нулевое, то используется лишь незначительная часть всех n разрядов. Проанализировав архитектуру и назначение МПС, можно выделить группы сигналов, которые никогда одновременно не вырабатываются, и использовать в каждой группе для формирования управляющих сигналов дешифраторы. Такой способ организации управления называется микропрограммным. Структурная схема МП с микропрограммным устройством управления выполнением операций приведена на рис. 1.13, а.
а б
Рис. 1.13. Структура устройств управления МП
В управляющем ЗУ для каждой операции хранится набор микрокоманд (МК), называемых микропрограммой, последовательная выборка и выполнение которых обеспечивает в обрабатывающей части МП преобразование информации, соответствующее коду операции. По коду операции из ЗУ выбирается первая МК микропрограммы выполнения этой операции и поступает на дешифратор микрокоманд ДСМК и схему управления их выполнением. Дешифратор МК расшифровывает код операционной части МК и вырабатывает управляющие сигналы, поступающие в обрабатывающую часть МП. Схема управления выполнением МК по коду адресной части МК и признакам условий формирует адрес следующей МК, который подается на ЗУ. Таким образом будут выбраны и выполнены все МК микропрограммы, что обеспечивает выполнение нужной операции.
Второй подход заключается в том, что все управляющие входы сводятся в один управляющий блок, который расшифровывает приходящую команду и в соответствии с ней вырабатывает необходимую последовательность сигналов (см. рис. 1.13, б). Такой способ организации управления получил название схемного или “жесткого” управления. «Жесткость» и сложность структуры этого типа управления являются его недостатком, высокое быстродействие - главным преимуществом. Таким образом, МП должен обеспечивать выборку команд, их дешифрацию, выполнение требуемых операций в соответствии с содержанием полей команды и передачу кода операции в устройство управления. Для выполнения этих функций МП имеет (рис. 1.14): программный счетчик (ПС), регистр команды (РК), схемы выдачи адресов, операндов и содержимого ПС на адресную шину МП, схему приема данных и команд с внешней шины данных на РК; дешифратор команд ДСК.
Рис. 1.14. Структура МП
Адрес подлежащей выполнению команды хранится в ПС, с выхода которого он поступает через буфер адреса (БА) на адресные входы внешнего ЗУ команд. Выбранная по сигналу Уi команда поступает через буфер данных (БД) на РК. Код команды расшифровывается дешифратором команд (ДСК), который передает код операции в УУ. Последнее вырабатывает требуемую последовательность управляющих сигналов Уi, обеспечивающих выполнение нужной операции в МП. Если в процессе выполнения операции требуется обращение к РОН, то ДСК выставляет адрес регистра на адресных входах РОН 
- 
(см. рис. 1.12).
Упражнения
1. Дополните структуру МП на рис.1.12 схемами для ввода и вывода информации, используя в качестве УВВ регистры. Необходимо предусмотреть соответствующие комбинационные схемы.
2. Применительно для МП, представленного на рис.1.12, описать потактовое выполнение следующих команд: 1) запись содержимого регистра Р1, входящего в состав РОН, в другой РОН – Р2; 2) сложение содержимого регистров Р1 и Р2 РОН с занесением результата в Р2.
Контрольные вопросы
1. Как можно выполнить сложение двух восьмиразрядных чисел на четырехразрядном МП?
2. Укажите основные преимущества и недостатки микропрограммного и схемного (жесткого) устройства управления МПС.
3. Когда целесообразно использовать одношинную и трехшинную организацию МП в МПС?
4. Почему значения отдельных признаков сводят в один регистр?
5. Чем отличается микроЭВМ от МПС?
6. Перечислите преимущества, обеспечиваемые вводом-выводом данных в канале прямого доступа в память.
7. Какое расширение возможностей МПС можно получить с помощью дополнительных проблемно-ориентированных процессоров?
8. Какие возможности открывают МП для реализации параллельных вычислительных процессов?
Дата: 2019-05-29, просмотров: 261.
