книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

кумулятор также заносится результат реализованной операции для подго­ товки выполнения последующих действий.

Специальные регистры, счетчик команд (Сч. К) и указатель стека (Указ. Ст.) предназначены для обеспечения выполнения команд в задан­ ной программой последовательности. Регистр команды (Рг.К) содержит текущее командное слово, которое декодируется дешифратором команд (Деш. К). Выходной сигнал дешифратора поступает в блок управления, осуществляющий порядок выполнения операций, а также распределение во времени всех команд и потоков данных под воздействием синхронизи­ рующих сигналов. К АЛУ подключен специальный регистр признаков (Рг.Пр.) или Flags, фиксирующий особенности результата последней вы­ полненной операции (положительный, отрицательный, переполнение и т.д.) и, следовательно, характеризующий состояние МП в каждый момент выполнения программы. Его содержимое используют внутри программы для переходов по заданным признакам и условиям.

Обмен данными между регистрами АЛУ и передачу управляющих сигналов осуществляют по быстродействующей, внутренней магистрали, в которой выделяют шины данных (Data Bus), адресов (Address Bus) и управления (Control Bus). Аналогичные внешние шины связаны с внутрен­ ними через буферные устройства, согласующие режимы работы и уровни сигналов.

Структура современного высокопроизводительного микропроцессо­ ра гораздо сложнее рассмотренной и, как правило, строится с использова­ нием «суперскалярной» архитектуры, которая содержит более одного вы­ числительного блока. Микропроцессорный чип включает высокопроизво­ дительный блок вычислений с плавающей запятой, аппаратную поддержку многопроцессорного режима работы, сверхоперативные ЗУ (кэш-память), программируемые таймеры, устройства управления производительностью, средства обнаружения ошибок и функциональной избыточности, систему интеллектуального управления потреблением электроэнергии и другие устройства.

Микропроцессор по существу является программно-управляемой интегральной микросхемой, предназначенной для обработки цифровых данных. Организация управления выполнением функций осуществляется с помощью последовательности команд (программы). Для эффективной ра­ боты микропроцессорной системы обработки данных МП следует допол­ нить запоминающими устройствами для хранения данных и команд, а так­ же системой ввода-вывода информации.

Вычислительные мощности и производительность системы на базе МП во многом зависят от объема памяти, количества адресуемых уст­ ройств, подключаемых к внешним выводам МП, и скорости обмена дан­ ными между МП и внешними устройствами. На оба параметра влияют структура и свойства МП, а также организация внешнего интерфейса.

Проблема обеспечения взаимодействия МП с большим количестве vj внешних устройств при наличии ограничений на число выводов корпуса является одной из основных трудностей при проектировании любых сис­ тем на основе МП. В качестве примера приведем распределение ресурса внешних связей простого восьмиразрядного микропроцессора в DIPкорпусе (dial-Ain-Aline package) с 40 выводами (рисЛ 1.3).

Рис. 11.3. Назначение выводов корпуса МП

Данные и команды передаются по шине данных (Do, , D7). Ад­ ресная шина содержит 16 линий (выводов), обеспечивающих выбор 216 = 65536 внешних устройств (ячеек ЗУ, портов ввода-вывода). При­ мерно шесть выводов отведено для подключения линий электропитания, выхода синхронизирующих импульсов (си сг), начальной установки и сброса (Reset). В результате для целей управления (запись/чтение, запрос прерывания, состояние МП и т.д.) можно использовать примерно десять выводов.

Ограниченность линий внешнего интерфейса МП оказывает влияние на параметры микропроцессорных систем. Например, при необходимости передачи 16-разрядного слова по 8-разрядной шине данных требуется ор­ ганизовать два цикла, что приводит к аппаратным затратам (наличие муль­ типлексора и устройства управления им) и снижению производительности (увеличение времени передачи).

Постоянно увеличивающиеся требования к повышению разрядности, количества подключаемых устройств и быстродействия микропроцессоров привели к росту числа внешних выводов, изменению конструкций их кор

пусов. Например, широко используемый корпус типа PGA (Pin Grid Array) с матричным расположением выводов выпускают с 296 контактами и более.

Микропроцессор одновременно следует рассматривать как микро­ схему и вычислительное устройство, что нашло отражение в характери­ стиках и системе параметров. Для удобства пользователя большое число паспортных параметров, характеризующих структуру микропроцессора, конструктивное исполнение и основные свойства, делят на группы.

Микропроцессор как вычислительную систему характеризует группа параметров, описывающая:

•архитектуру, т.е. состав входных устройств, принципы адресации, число и вид команд;

•способ управления;

•наличие и вид программного обеспечения;

•емкость адресуемой памяти тип адресации устройств;

•разрядность, т.е. длину обрабатываемого информационного слова;

•тип и число шин;

•быстродействие, характеризуемое временем выполнения простых ко­ манд (набора типовых команд, микрокоманд) или тактовой частотой;

•тип и размер корпуса, число и назначение выводов. Микропроцессор как интегральную схему характеризует группа парамет­ ров, описывающая:

•степень интеграции (число транзисторов на чипе, разрешающая способность);

•технологию изготовления (единичные и нулевые уровни напряже­ ний и токов, нагрузочная способность, среднее быстродействие).

Используется также группа эксплуатационных параметров, описывающая:

•питающее напряжение (номиналы, допуски);

•потребляемую энергию (вид, значения мощности или тока);

•условия эксплуатации (интервал рабочих температур, вибраций, влажности);

•надежность (время безотказной работы);

•стоимость.

Полная техническая документация содержит также схемы различных систем, использующих МП, состав команд, временные диаграммы работы.

11.3. Микропроцессорные системы

М и к р о п р о ц е с с о р н о й с и с т е м о й называют вычислитель­ ную структуру, предназначенную для реализации заданных алгоритмов обработки информации. В состав МПС входят совокупность микропроцес­ соров, сопрягающие функциональные устройства и линии связи между ними. При работе МПС взаимодействует с внешними источниками и приемниками информационных сигналов (объектами управления, датчиками сигналов,

средствами отображения и регистрации информации). Основным обрабат ы- вающим блоком системы является микропроцессор (или совокупность мик­ ропроцессоров); а состав и свойства средств аппаратной поддержки опреде­ ляются функциональным назначением системы и условиями ее работы.

Микропроцессорная система строится как агрегат, состоящий из на­ бора функциональных блоков (модулей), связанных посредством магист­ рали, т.е. совокупности линий связи (проводников), по которым произво­ дится обмен данными. Она может служить базой широкой номенклатуры обрабатывающих устройств - от универсальных микроЭВМ, предназна­ ченных для производства весьма широкого круга вычислительных работ с высокой производительностью, до управляющих микроконтроллеров, ко­ торые встраиваются в устройства контроля и автоматики. Магистрально­ модульная организация МПС обеспечивает гибкость системы, возмож­ ность ее модификации и наращивания.

Магистральный метод обмена данными позволяет существенно уменьшить число линий связи по сравнению с произвольной структурой соединения модулей вида «каждый с каждым», но приводит к параллель­ ному соединению входов и выходов функциональных блоков, присоеди ненных к одним и тем же линиям связи. Совместная работа множества разнохарактерных модулей обеспечивается совокупностью аппаратных средств и программного обеспечения взаимодействия, называемых и н т е р ф е й с о м с и с т е м ы . Производительность вычислительных и управляющих систем во многом зависит от организации интерфейса, осу ществляющего функции согласования информационных и управляющих сигналов по формату и их распределения во времени, синхронизации об­ мена информацией, дешифрации кодов команд и адресов.

Интерфейсные устройства (трехрежимные буферные формировате­ ли, регистры, порты и контроллеры обмена) представляют собой сложные устройства с программируемыми свойствами, решающие задачи совмест­ ного функционирования весьма различающихся по быстродействию мод\ - лей (микропроцессоров, ЗУ и внешних устройств). Выбор структуры, принципов обработки данных и конфигурации системы основывается на разрешении компромисса между требуемой производительностью и слож ностью построения и управления интерфейсом.

Типовая минимальная структура МПС содержит центральный про­ цессорный элемент (ЦПЭ), память (ПЗУ и ОЗУ), внешние устройства (ВУ)

сустройствами ввода и вывода (УВВ). Принятая конфигурация системы реализует объединенный интерфейс для ЗУ и УВВ, подключенных к об­ щей системной магистрали (рис. 11.4). В соответствии с приведенной структурой функционирование системы заключается в выполнении про­ цессором арифметических и логических действий над операндами, переда­ ваемыми из ЗУ или УВВ, а также в организации процесса обмена данными

спомощью управляющих сигналов.

Рис. 11.4. Основные модули микропроцессорной системы

Команды и данные передаются между модулями по системной маги­ страли, которая имеет сравнительно небольшое число линий связи, объе­ диненных в шины данных (ШД), адреса (ША), управления (ШУ). Ограниченность количества проводников в магистрали обусловлена конечным числом выводов корпуса микропроцессора (ЦПЭ).

«Узкий» интерфейс МП и необходимость обеспечения для каждого модуля возможности передачи и приема данных приводит к организации двунаправленной ШД, которая сопровождается усложнением схем управ­ ления обменом и снижением быстродействия. При обмене данными, как правило, используют их представление двоичным кодом, причем каждому разряду слова (числа) отведена индивидуальная линия связи. Для передачи многоразрядных чисел по шине небольшой разрядности применяют после­ довательную передачу по частям (например, по одному байту), что также ведет к усложнению аппаратуры (введению дополнительных мультиплек­ соров, регистров хранения и управляющей логики) и уменьшению быстро­ действия.

Для согласования темпа работы модулей, обеспечения режимов по­ следовательной передачи и приема данных по частям, объединения (муль­ типлексирования) шин и других режимов функционирования магистраль системы подключена к внутренней магистрали МП через программно управляемое буферное устройство обмена.

Физический обмен данными в форме двоичных кодов слов между различными модулями по магистрали осуществляется последовательно во времени при выборе (селекции) устройства в соответствии с его однознач­ ным идентификатором, т.е. кодом адреса объекта. Одновременно в обмене данными (передаче или приеме) участвуют только два устройства - актив­ ное (ведущее, или инициатор обмена) и пассивное (ведомое, или ответчик). При этом возможны различные режимы выбора и организации взаимодей­ ствия объектов:

1) программный обмен по инициативе ЦПЭ с устройствами, посто­ янно готовыми к обмену (ПЗУ) или ожидающими обмена (ВУ);

2) по инициативе ВУ с прерыванием работы ЦПЭ и запоминанием его состояния на момент прерывания;

3) прямой доступ ВУ к ЗУ без участия ЦПЭ.

Адреса выбираемых для обмена объектов входят в состав кода ко манды и передаются по шине адреса. Упорядоченное множество Na =2' кодов адресов, однозначно связанное с числом линий п адресной шин:>г называют а д р е с н ы м п р о с т р а н с т в о м МПС. С точки зрения адре сации порты УВВ можно рассматривать как ячейки ЗУ и адресное пре странство интерпретировать как максимально возможное количество пре граммно-доступных элементов. Распределение адресного пространства производится при проектировании системы, и в дальнейшем принадлеж ность модуля к определенному классу (ОЗУ, ПЗУ, УВВ) может идентиф1 цировать только микропроцессор.

Ограниченность пропускной способности интерфейса (небольшою числа линий магистрали) приводит к достаточно малому количеству ис точников и приемников информации (ВУ), взаимодействующих с МПС. 11а практике применяют организационные и аппаратные способы и средства повышения эффективности системы адресации, базирующиеся на свойст­ вах адресуемых объектов. Для увеличения числа подключаемых «медлен­ ных» УВВ используют разновидности магистральной организации с m ц- ключением нескольких портов УВВ к одному контроллеру. В ряде случаев производят разделение систем обращений к ЗУ и УВВ с добавлением сиг­ нала идентификации по шине управления. Для построения рациональной системы адресации ячеек ЗУ широко используют методы последователь­ ной передачи адреса по частям (например, при страничной организации ОЗУ), а также различные принципы передачи кода адреса: а) прямой; 6) регистровый; в) страничный; г) индексный.

Взаимодействие микропроцессора с одним из адресуемых модулей памяти и внешних устройств осуществляется через интерфейс в режиме программного обмена данными или обслуживания системы прерывания основной программы. В зависимости от типа операции (передача или при­ ем данных, обращение к УВВ по его инициативе, прямое взаимодействие УВВ и ЗУ) интерфейс МПС, представляющий собой совокупность аппа­ ратных средств (линий связи, соединителей, электронных схем сопряже­ ния), алгоритмов управления, программ и протоколов, осуществляет де­ шифрацию адреса объекта, выработку сигналов запроса и прием подтвер­ ждения исполнения, преобразование формата данных, синхронизацию об­ мена, распределение сигналов по линиям, их электрическое согласование и другие действия. Реализация указанных операций в основном осуществ­ ляется с помощью разнообразных интерфейсных схем, от простых трсхстабильных буферных регистров до программируемых контроллеров. Применение дополнительных устройств сопряжения обусловлено сложно­ стью выполняемых функций при ограничениях на число контактов МП и, соответственно, используемых линий связи.

Тип используемых аппаратных средств интерфейса и их программ­ ного обеспечения зависит от вида взаимодействующих устройств и режи­ мов обмена информацией. Стандартные универсальные устройства с ши­ роким диапазоном программно-управляемых функций целесообразно ис­ пользовать для систем с относительно невысокой производительностью, а для связи с быстродействующими модулями оправдано применение инди­ видуальных устройств с жесткой логикой управления.

Широко распространено подключение внешних устройств (ВУЬ ВУ2) с помощью специальных несложных схем сопряжения, называемых п о р т а м и (Порт1, Порт2). В минимальной конфигурации порт содержит устройства приема-передачи цифровых данных: многоканальные шинные усилители (У), дешифраторы (ДШ) и буферные регистры (Рг), которые с помощью унифицированного разъема осуществляют подключение внеш­ них устройств (рис. 1 1 .5,а).

Рис. 11.5. Структура порта (а) и схема канала буферного усилителя (б)

Функционирование порта состоит в приеме дешифратором кода, ус­ тановленного на адресной шине и выдаче в зависимости от результата сиг­ налов управления на шинный усилитель, режим работы которого зависит от сигналов на управляющих входах Х м Y его каскадов (рис. 11.5,6). При сочетании X - 1 и У= 1 происходит передача данных с входа А на выход В, а при Х= 0 и Y ~ О - в противоположном направлении. Если установлены управляющие сигналы Х= 0 и Y= 1, то вход и выход разомкнуты. Уровень выходной мощности шинного усилителя обеспечивает передачу данных внешним устройствам.

Приведенная простейшая схема порта может быть использована только для параллельной передачи данных внешнему устройству, рабо­ тающему в одном темпе с магистралью. Во всех других режимах порт должен обладать памятью, обеспечивающей согласование скоростей пере­ дачи и приема данных. Для связи с пространственно удаленными объекта­ ми, подключаемыми с помощью двухпроводных линий связи, применяют­ ся последовательные порты, в составе которых имеются преобразователи параллельного кода в последовательный и наоборот.

В общем случае при обмене информацией ЦПЭ с ВУ выполняют­ ся операции по определению состояний процессора и внешнего устрой­ ства, запрос и получение разрешения на передачу контроля правильно­

сти кода адреса и др. Для реализации сложных алгоритмов взаимодейст­ вия применяются универсальные микропроцессорные схемы, называемые п р о г р а м м и р у е м ы м и п е р и ф е р и й н ы м и к о н т р о л л е р а м и (Peripheral Interface Controller), или построенные на базе ПЛИС специали­ зированные устройства управления.

Обработка информации в МПС заключается в выполнении микро­ процессором вычислительных операций при интенсивном обмене данными через интерфейс между модулями под воздействием сигналов управления в соответствии с программой. В процессе работы ЦПЭ принимает команды из ЗУ, расшифровывает их, производит предписанные математические операции, выполняет операции ввода новых данных от внешних устройств и вывода информации в другие устройства.

Узлы системы работают в конкретной последовательности. Начало выполнения программы связано с обращением к ПЗУ. Первое считанное слово всегда является кодом команды; оно настраивает МП на выполнение определенной операции над данными и указывает, откуда они должны быть получены. Если данные хранятся в ПЗУ, ОЗУ или регистрах МП, то следующими операциями МП считывает их, производит над ними необхо­ димые действия и определяет место хранения результата. Если команда предписывает использование данных одного из ВУ, то соответствующий контроллер обмена УВВ получает информацию о режиме работы (прием или передача) и задает начало обмена, устанавливая контакт с магистралью данных.

Координацию работы всех устройств в МПС осуществляет система управления, объединяющая множество устройств и линий связи для выра­ ботки последовательности сигналов управления и контроля. Для анализа процессов управления (выполнения программы) в МПС выделяют опера­ ционный (ОБ) и управляющий (УБ) блоки, объединенные прямыми и об­ ратными связями для передачи сигналов (рис. 1 1 .6).

Рис. II.6. Схема управления

Операционный блок включает модули, осуществляющие обработку данных, и устройства, информирующие о состоянии указанных модулей. Примером простейшего ОБ может служить АЛУ с регистрами памяти для операндов и регистром состояния (flags), характеризующим результаты выполняемых АЛУ действий. Процесс функционирования ОБ состоит из последовательности элементарных действий (операций), производимых под воздействием управляющих сигналов по заданной программе с учетом

осведомительных сигналов, описывающих состояние узлов блока на каж­ дом интервале управления.

Задатчиком временных интервалов служит генератор тактовых им­ пульсов (ГТИ), вырабатывающий двухфазную последовательность им­ пульсов с высокой стабильностью частоты (рис. 1 1 .7,а).

Рис. 11.7. Импульсы ГТИ (а), формирование сигнала запуска (б) и схема запуска (в)

Генератор ГТИ начинает вырабатывать импульсы практически сразу после включения электропитания. Запуск МП осуществляется по сигналу

начальной установки t/3an = ( / \ задержанного на время *3(рисЛ 1 .7,6), необ­ ходимое для установления номинального значения напряжения питания +5В. Задержку можно получить, например, с помощью RC цепи (рисЛ 1.7,в), подключенной к входу триггера Шмитта (Тг), на выходе ко­ торого формируется единичный сигнал, дающий разрешение на запись в программный счетчик адреса первой команды программы.

Дальнейший процесс функционирования операционного блока со­ стоит из последовательности элементарных действий, которые произво­ дятся отдельными устройствами под управлением сигналов, вырабатывае­ мых блоком управления. Например, для осуществления операции сложе­ ния двух операндов простейшее операционное устройство (АЛУ с обслу­ живающими регистрами) должно произвести: формирование адреса оче­ редной команды, вызов команды из ОЗУ, пересылку команды в регистр команд, дешифрацию кода операции, пересылку в ОЗУ адреса операнда, выборку операнда и засылку его в регистры хранения АЛУ, выполнение суммирования, пересылку результата в ОЗУ.

Отдельные акты обработки данных, называемые м и к р о о п е р а ­ ц и я м и , осуществляются в темпе, который задается с помощью синхро­ импульсов ГТИ. Совокупность микроопераций, производимых устройст­ вами за один такт синхронизации, называют м и к р о к о м а н д о й (МК). Анализ управления сложной микропроцессорной системой на уровне мик­ рокоманд представляет весьма трудоемкую задачу.

Типовые операции, такие как обмен данными между модулями, вы­ полнение арифметических и логических действий, пуск, останов и др., представляют собой совокупности микроопераций, производимых в клас­ сическом варианте МПС последовательно за время Гк. В команде можно выделить фазы выборки и исполнения (рис. 1 1 .8).