WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 23 |
Федеральное агентство по образованию САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Приоритетный национальный проект «Образование» Инновационная образовательная программа Санкт-Петербургского государственного политехнического университета Бунтов В.Д., Макаров С.Б.

Микропроцессорные системы Часть II. Микропроцессоры Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство политехнического университета 2008 Федеральное агентство по образованию САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Приоритетный национальный проект «Образование» Инновационная образовательная программа Санкт-Петербургского государственного политехнического университета Бунтов В.Д., Макаров С.Б.

Микропроцессорные системы Часть II. Микропроцессоры Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство политехнического университета 2008 УДК 621.3..049; 621.395.5; 681.327(075.8) ББК 32.844-02: 32.973.26-02я73 Бунтов В.Д., Макаров С.Б. Микропроцессорные системы Часть II. Микропроцессоры. Учебное пособие. – СПб.: Изд-во политехнического университета, 2008. –199 с.

В предлагаемом учебном пособии рассмотрены вопросы, связанные с построением структурных и электрических схем различных цифровых устройств современных радиотехнических систем. Книга посвящена применению микропроцессоров в функциональных узлах радиотехнических устройств. Описаны различные методы проектирования, в том числе с использованием микропроцессоров. Излагаемый материал иллюстрируется электрическими схемами различных функциональных узлов радиотехнических устройств.

Учебное пособие составлено преподавателями кафедры “Радиоэлектронные средства защиты информации” Санкт-Петербургского государственного политехнического университета и предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 230100 – Информатика и вычислительная техника, 210300 – Радиотехника, 210400 – Телекоммуникации, а также соответствующим инженерным специальностям.

Работа выполнена в рамках реализации Инновационной образовательной программы Санкт-Петербургского государственного политехнического университета «Развитие политехнической системы подготовки кадров в инновационной среде науки и высокотехнологичных производств Северо-Западного региона России».

Печатается по решению редакционно-издательского совета СанктПетербургского государственного политехнического университета.

© Бунтов В.Д., Макаров С.Б., © Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Содержание Глава 1. Основные принципы построения микропроцессоров 1.1. Общие представления о микропроцессоре 1.2. Архитектура микропроцессоров 1.2.1. Структура микропроцессора с фиксированной разрядно- стью и аппаратной реализацией устройства управления 1.2.2. Структура микропроцессора с наращиваемой разрядно- стью и микропрограммным управлением 1.3. Интерфейс микропроцессорных систем 1.3.1. Магистрали 1.3.2. Порты и адаптеры 1.3.3. Прерывания и дисциплина обслуживания прерываний 1.3.4. Режим прямого доступа к памяти 1.3.5. Организация интерфейса с клавиатурой 1.4. Система команд и языки программирования микропроцессо- ров 1.4.1. Система команд 1.4.2. Языки программирования микропроцессоров Глава 2. Структура и характеристики универсальных микропроцес- соров 2.1. Шестнадцатиразрядные микропроцессоры 2.1.1. Микропроцессор К1810ВМ86 2.1.2. Математический сопроцессор К1810ВМ81 2.1.3. Сопроцессор ввода-вывода К1810ВМ89 2.1.4. Микропроцессор 80286 2.2. Тридцатидвухразрядные микропроцессоры 2.2.1. Микропроцессор 80386 2.2.2. Микропроцессор 80486 2.2.3. Микропроцессор Pentium 2.2.4. Микропроцессор Pentium П 2.2.5. Микропроцессор Pentium 4 2.3. Основные тенденции развития универсальных микропроцес- соров.

Глава 3. Структура и характеристики специализированных микро- процессоров 3.1. Микроконтроллеры 3.1.1. Восьмиразрядные микроконтроллеры 3.1.2. Шестнадцати и тридцатидвухразрядные микроконтролле- ры 3.2. Цифровые сигнальные процессоры 3.2.1. Цифровые сигнальные процессоры TMS320Cxx, …., TMS320C3.2.2 Цифровые сигнальные процессоры ADSP21xx, ADSP210xx, ADSP-TS3.2.3 Цифровые сигнальные процессоры DSP56xxx, DSP9600x, MSC8101, MSC3.2.4. Комбинированные высокопроизводительные микропро- цессоры Литература Глава 1. Основные принципы построения микропроцессоров 1.1 Общие представления о микропроцессоре Появление в начале 70-х годов XX века больших интегральных схем (БИС) поставило новые задачи перед разработчиками цифровых устройств.

С одной стороны, экономика производства требовала большого объёма выпуска БИС при ограниченной их номенклатуре (числе типов), ибо только при этом их производство могло быть рентабельным. С повышением степени интеграции разработка микросхем усложнялась и, чтобы избежать ошибок, требовала автоматизированного проектирования. Процесс изготовления микросхем стал более длительным, занимающим иногда несколько суток, т.к. требовалась эпитаксия, легирование и прочее для многих слоёв полупроводника. Для этого необходимо было применение сложного и дорогостоящего оборудования (лазеров, электронной и рентгеновской литографии, ионной имплантации и т.д.). С другой стороны, каждый тип БИС, представлял собой «жёсткую» неизменяемую структуру, состоящую из сотен и тысяч логических элементов. Такая БИС могла выполнять только одну определённую функцию или весьма ограниченный их набор, т.е. БИС проектировались узкоспециализированными. Поэтому число типов БИС, требуемых для реализации разнообразных цифровых устройств возрастало, а требуемый объём выпуска каждого из типов БИС оказывался небольшим.

Решение этих задач было достигнуто путем разработки БИС, функции которых задаются путём подачи на интегральную схему внешних электрических сигналов, изменяющихся по определённой программе. Такие программируемые (настраиваемые) БИС являются основой построения микропроцессоров. Качественным отличием микропроцессоров (МП) от других типов микросхем является возможность их функциональной перестройки с помощью изменения внешней программы.



Микропроцессор является программно-управляемым устройством, осуществляющим процесс обработки цифровых данных и управление им, реализованным на одной или нескольких БИС [13].

Сущность применения микропроцессоров заключается в том, что они заменяют цифровые ИС малой и средней степени интеграции и придают устройствам, в которых они используются, свойства «интеллектуальности».

Устройства и системы, построенные на основе микропроцессоров, имеют два основных преимущества перед устройствами, реализованными аппаратным способом:

• обладают более высокой функциональной гибкостью, т.к. их перестройка для решения новой задачи требует только смены программы без изменений схемы (аппаратной части);

• требуют меньшего количества элементов, чем эквивалентные устройства с обычными логическими схемами.

Указанные преимущества проиллюстрируем следующим примером.

Пример 1. Рассмотреть реализацию алгоритма вычисления уравнения вида:

Y = (A X + B) X + C. (1.1) Это уравнение может быть вычислено с помощью следующих шагов:

A X = M;

M + B = N;

M X = K;

K + C = Y, где A, B, C, X – исходные переменные, M, N, K, Y – переменные, присвоенные результатам выполнения соответствующих операций.

Структурная схема устройства, реализующая записанный выше алгоритм аппаратным способом, очевидно, состоит из двух перемножителей и двух сумматоров.

Программный способ заключается в описании алгоритма в форме, воспринимаемой вычислительным средством. Программа состоит из отдельных команд. Каждая команда предписывает определённое действие микропроцессору и указывает над какими переменными это действие производится. При реализации алгоритма (1.1) программным способом необходимы соответствующие операционные блоки – перемножитель, сумматор, а также дополнительное оборудование – запоминающие устройства для хранения чисел.

Структурная схема, реализующая алгоритм по программному способу, приведена на рис.1.1. На пересечениях вертикальных и горизонтальных шин находятся управляемые ключевые элементы, например, транзисторы, которые соединяют шины в точке пересечения. Каждый ключевой элемент имеет свой номер. Программа реализации алгоритма представляет собой совокупность команд, выполняемых последовательно во времени:

1-я команда – выбрать из запоминающего устройства (ЗУ) данных с указанными номерами числа A и X, перемножить эти числа, результат M занести в элемент памяти запоминающего устройства с указанным номером;

2-я команда – выбрать из элементов памяти ЗУ данных с указанными номерами числа M и B, сложить их и результат N занести в ЗУ данных;

3-я команда – выбрать числа N и X, перемножить их, результат K занести в элементы памяти ЗУ данных с указанными номерами;

4-я команда – выбрать числа K и C, сложить их, результат Y занести в ЗУ данных;

5-я команда – вывести результат Y.

Каждая команда записывается кодом, состоящим из кода операции (КОП), адресов А1, А2 чисел, над которыми выполняется операция, адреса А3, куда надо занести результат.

Код операции определяется условным номером, которым обозначена та или иная операция, например: сложение – 01, умножение – 02, вывод результата – 03 и т.д. Номер элемента памяти ЗУ данных называется адресом числа, которое записано в него или будет записано. Если принять следующее распределение чисел по ЗУ данных: A – 1, B –2, C – 3, X – 4, M – 5, N – 6, K – 1 и Y – 8, то программа реализации алгоритма может быть представлена таблицей 1.1.

.

АЛУ Генератор 1 тактовых Перемноимпульсов житель 9....

Устройство Сумматор 25 управления Счетчик команд Регистр адреса 4 ЗУ 1 2 3 4 5 6 7 данных ЗУ команд К внешним устройствам Рис. 1.1 Схема, иллюстрирующая программный способ вычисления уравнения (1.1) Таблица 1.Номер Код команды Номер ключевого команды КОП А1 А2 Аэлемента 1 02 1 4 5 1, 12, 2 01 5 2 6 21, 26, 3 02 6 4 1 6, 12, 4 01 1 3 8 23, 21, 5 03 8 0 0 При реализации программного способа реализации алгоритма необходимо иметь совокупность операционных блоков, называемую арифметикологическим устройством (АЛУ), запоминающее устройство для хранения исходных чисел и результатов вычислений. Для управления процессом выполнения вычислений в состав устройства, наряду с АЛУ и запоминающим устройством, должно входить устройство управления (УУ). Для хранения команд используется ЗУ команд. Согласованность работы указанных функциональных узлов обеспечивается генератором тактовых импульсов (ГТИ).

В устройстве, схема которого представлена на рис.1.1, в ЗУ команд предварительно заносится программа вычислений, а в ЗУ данных– исходные данные, т.е. числа, над которыми должны быть выполнены определённые программой операции. Из ЗУ команд по сигналу устройства управления выбирается первая команда, дешифруется в УУ и превращается в систему сигналов, управляющих состоянием ключевых элементов (см.

табл.1.1). Арифметико-логическое устройство выполняет над выбранными из ЗУ данных числами операцию, предписываемую сигналами устройства управления. Результат на выходе АЛУ записывается в элементы памяти ЗУ данных по адресу, указанному в команде. По окончании выполнения команды из ЗУ команд выбирается следующая команда по новому адресу, который формируется счётчиком команд путем прибавления единицы к предыдущему адресу.





Устройство управления учитывает результат выполненных вычислений по каждой команде по признакам результата: нулевой, единичный, переполнение и т.д. Признаки, представляемые нулем или единицей, передаются в устройство управления.

Программный способ реализации алгоритмов имеет по сравнению с аппаратным два основных преимущества: во-первых, с усложнением алгоритма объём оборудования увеличивается незначительно, главным образом за счёт объема запоминающих устройств; во-вторых, путём изменения программы можно с помощью одного устройства решать различные задачи.

В самом общем виде структуру ЭВМ можно представить состоящей из 4-х блоков (рис.1.2). Совокупность арифметико-логического устройства и устройства управления, осуществляющих процесс вычислений и управления им, реализованная средствами интегральной технологии в одной или нескольких БИС, называется микропроцессором [8]. Программный способ реализации алгоритмов устройств и систем имеет следующие особенности:

• однотипные операции выполняются арифметико-логическим устройством в разное время;

• распределение переменных по входам и выходам блоков изменяется в процессе реализации алгоритма;

• порядок выполнения операций определяется программой.

Для составления программы вычислений используется микропрограммирование, где различают:

• микрооперацию – элементарное действие, для выполнения которого нужно подать один импульс в микропроцессор;

• микрокоманду – набор микроопераций, который одновременно выполняется в микропроцессоре;

• микропрограмму – список последовательно во времени реализуемых микрокоманд, представляющий собой алгоритм работы микропроцессора;

• команду – одну или несколько последовательно выполняемых микропрограмм.

В процессе выполнения программы происходит обмен информацией между микропроцессором, запоминающими устройствами данных и команд и устройствами ввода-вывода (УВВ). Эффективность решения задачи в значительной степени определяется организацией этого обмена и структурой связи между микропроцессором, запоминающими устройствами и устройствами ввода-вывода.

Микропроцессор Запоминающие Устройство Арифметикоустройства управления логическое устройство Устройства ввода-вывода Рис. 1.2. Обобщенная структура ЭВМ Организацию обмена между микропроцессором, запоминающими устройствами и УВВ осуществляет интерфейс. В функции интерфейса входят: дешифрация адреса устройств; синхронизация обмена информацией; согласование форматов слов; дешифрация кода команды, связанной с обращением к запоминающему устройству или УВВ; электрическое согласование сигналов, передаваемых по шинам и некоторые другие операции.

Микропроцессор Регистр адреса Счетчик команд Регистр Регистр признаков результата ЗУ данных УУ АЛУ Регистр Регистр числа 1 числа Код Адреса операции операндов Регистр команды ЗУ команд ГТИ Рис. 1.3 Обобщенная структура микропроцессора В отличие от универсальных ЭВМ, т.е. предназначенных для решения весьма широкого класса задач, существуют микроЭВМ, которые разрабатываются как специализированные вычислительные устройства для конкретных условий работы. Архитектура, подбор компонентов и программ ное обеспечение микроЭВМ создаётся для решения небольшого числа конкретных задач на данном микропроцессоре наиболее целесообразным способом.

Микропроцессор в общем случае (рис.1.3) состоит из трех основных функциональных узлов: арифметико-логического устройства, устройства управления и блока регистров [8]. Блок регистров включает в себя регистры общего назначения (РОН), регистры адреса и команды, регистры для кратковременного хранения чисел, участвующих в операции, а также для хранения результатов вычислений. Числа и команды представляются двоичным кодом, поэтому все показанные на рис.1.3 соединения являются многоразрядными шинами. В общем случае информация по шинам подаётся в виде слов. Отдельные слова могут передаваться по одной линии последовательно во времени. В микропроцессоре шины являются средствами для передачи адресов, данных и управляющих сигналов.

Микропроцессор в общем случае (рис.1.3) состоит из трех основных функциональных узлов: арифметико-логического устройства, устройства управления и блока регистров [8]. Блок регистров включает в себя регистры общего назначения (РОН), регистры адреса и команды, регистры для кратковременного хранения чисел, участвующих в операции, а также для хранения результатов вычислений. Числа и команды представляются двоичным кодом, поэтому все показанные на рис.1.3 соединения являются многоразрядными шинами. В общем случае информация по шинам подаётся в виде слов. Отдельные слова могут передаваться по одной линии последовательно во времени. В микропроцессоре шины являются средствами для передачи адресов, данных и управляющих сигналов.

Появление недорогих и надёжных микропроцессоров открыло возможность широкого применения их в сферах, где ранее средства вычислительной техники не применялись. Микропроцессоры оказывают сейчас влияние не только на традиционные области вычислительной техники, но и на такие важнейшие отрасли промышленности, как приборостроительная, радиотехническая, электротехническая, электронная, где создаются средства связи, системы управления, бытовая радиоэлектронная аппаратура [8].

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 23 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.