Добавлен: 27.04.2024
Просмотров: 177
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
Микропроцессорные устройства систем управления
1. Общая характеристика микропроцессоров.
1.1. Структура микропроцессора и его реализация.
1.2. Классификация современных микропроцессоров и их характеристики.
1.3. Принципы управления микропроцессорами.
1.4. Структура и типы команд микропроцессора.
1.5. Способы адресации информации и прерывание работы в микропроцессоре.
Косвенная регистровая адресация.
1.6. Организация ввода и вывода данных в микропроцессоре.
1.7. Система команд микропроцессора.
2. Принципы организации и применения микропроцессорных систем.
2.1. Особенности организации структуры МП-системы.
2.2. Структура МП-системы с общей шиной.
2.4. Применение МП-системы в качестве контроллера и системы сбора данных.
3. Основы программирования микропроцессоров.
3.1. Языки программирования микропроцессоров.
3.2. Программирование на языке ассемблера.
3.3. Средства разработки и отладки прикладных программ.
Средства отладки и диагностирования
Аппаратно-программные средства:
4. Типовые микропроцессоры и их применение.
4.1. Структура и характеристика типовых МП.
4.3. Примеры написания программ.
5. Мультипроцессорные системы, транспьютеры.
5.1. Классификация систем параллельной обработки данных
Конвейерная и векторная обработка.
Многопроцессорные машины с SIMD-процессорами.
Многопроцессорные системы с общей памятью
5.2 Мультипроцессорная когерентность кэш-памяти.
5.3. Многопроцессорные системы с локальной памятью и многомашинные системы
Маскируемые прерывания отличаются от немаскируемых тем, что могут быть разрешены или запрещены программой путем включения в нее специальных команд разрешения или запрещения прерываний.
Вводом - выводом информации называют процесс передачи данных между МП и основной памятью (ОЗУ, ПЗУ), между МП и внешними устройствами, а также между основной памятью и внешними устройствами. Различают ввод - вывод программный, по прерываниям и прямым доступом к памяти.
Программный ввод - вывод инициируется программой работы МП. Данный процесс задается использованием в соответствующих местах программы специальных команд: IN port - ввод данных из порта ввода и OUT port - вывод данных в порт вывода. Портами обычно являются регистры для подключения внешних устройств. Эти команды выполняются немедленно, если внешние устройства имеют свойство постоянной готовности к приему или передаче данных. Такими устройствами могут быть, например, светодиодные индикаторы на выходе порта или набор кнопок на входе порта. Если внешнее устройство таким свойством не обладает, то при выполнении команды необходимо осуществлять проверку управляющего сигнала готовности устройства к передаче или приему данных. Если готовность устройства не подтверждается, то МП переходит в режим ожидания активного уровня сигнала готовности. Недостатком такой организации ввода - вывода являются большие временные затраты на ожидание готовности внешнего устройства. Однако такой способ ввода - вывода имеет преимущество, заключающееся в простой аппаратной реализации. Поэтому такая форма организации используется преимущественно для осуществления ввода или вывода данных с устройств постоянно готовых к обмену.
Ввод - вывод по прерываниям производится по инициативе внешних устройств и вводится при необходимости помимо выполнения основной программы организовать обработку информации от этих устройства по мере ее поступления. При этом МП должен прервать выполнение основной программы и перейти к подпрограмме обработки запроса прерывания. Такой переход осуществляется по мере готовности данных к передаче или приему по сигналу запроса прерывания, после получения которого МП переходит к операциям ввода - вывода. Сигнал запроса прерывания может поступить в любое время машинного цикла, но анализируется он в последнем такте последнего машинного цикла, т.е. после выполнения очередной команды. Это положение справедливо для всех типов МП. Для разрешения или запрета прерываний в ходе выполнения программы МП обладает специальными командами. С помощью таких команд программист может разрешить или запретить прерывание текущей программы в тех местах, где оно в силу каких-либо причин недопустимо.
Таким образом, переход к режиму прерывания осуществляется, когда внешнее устройство готово к приему или передаче данных. Отсюда очевидно преимущество ввода - вывода по прерыванию. Оно заключается в высоком быстродействии и оперативности обслуживания внешнего устройства, запросившего прерывание. Однако это достигается за счет использования дополнительных аппаратных средств. Для этих целей микропроцессорные комплекты обычно дополняются специальными микросхемами - контроллерами прерываний, осуществляющими реализацию указанного режима ввода - вывода.
Ввод - вывод с прямым доступом к памяти (ПДП) используется в случаях, когда необходим обмен между основной памятью и внешними устройствами большими массивами данных. Как правило, ввод и вывод данных в МП реализуется через аккумулятор. Таким образом, для передачи данных из внешнего устройства или внешней памяти в основную память осуществляется с помощью следующей последовательности команд для каждого элемента массива данных: сперва данные заносятся из внешнего устройства или внешней памяти в аккумулятор, затем из аккумулятора в основную память. Т.е. данные пересылаются через МП. Это значительно снижает производительность системы. Чтобы избавиться от этого недостатка прибегают к режиму ПДП. Суть его заключается в следующем: буферные регистры данных и адреса МП переводятся в высокоимпедансное состояние, благодаря чему МП оказывается отключенным от шины данных и шины адреса. Отключение МП позволяет внешнему устройству самостоятельно обмениваться данными с памятью, для чего устройство должно само устанавливать на шине адреса адрес требуемой ячейки памяти, а также формировать соответствующие управляющие сигналы. Для этих целей микропроцессорные комплекты комплектуются специальными микросхемами, называемыми контроллерами прямого доступа к памяти. Отсюда следует недостаток режима ПДП - для его реализации требуется использование дополнительных аппаратных средств.
Поскольку МП воспринимает только двоичную форму информации, то команды должны быть представлены в виде двоичных кодов. Такая форма представления команд называется машинным языком или машинным кодом. Для человека машинные коды из нулей и единиц неудобны, поскольку их трудно запомнить и отождествить с фактическим назначением команды
, а в самих машинных кодах легко перепутать 0 и 1. Для более краткой записи двоичных чисел используются также восьмеричная и шестнадцатеричная формы представления информации. Однако и в этом случае остается нерешенной основная проблема: что означает каждая команда, выраженная в подобной форме. По этой причине при описании команд используются условные обозначения в виде мнемонических названий. Мнемоническое название (мнемоника) команды представляет собой сокращение от английских слов, описывающих операцию, выполняемую командой. Мнемонический код команды позволяет легче запомнить ее функцию и значительно упрощает написание программ. Например, команда возврата из подпрограммы по которой хранящийся в стеке адрес пересылается обратно в счетчик команд имеет обозначение RET (от return – вернуться).
Каждый МП характеризуется своей системой команд. Система команд - это полный перечень тех операций, которые способен производить МП. Управляемый этими командами МП выполняет очень простые действия, такие, как элементарные арифметические и логические операции, операции пересылки данных, сравнения двух величин и другие. Однако, составив программу из последовательности таких команд, можно запрограммировать выполнение алгоритма любой сложности. Обычно все команды в системе команд объединяются в группы по функциональному назначению. Например, выделяют команды пересылки кодов, команды логических и арифметических действий, команды передачи управления и ряд команд других групп.
Условное обозначение команды помимо мнемоники может также включать названия регистров r и регистровых пар rp. Воспользуемся для примера гипотетическими, т.е. не привязанными к конкретному типу МП названиями регистров - аккумулятором А и регистрами общего назначения В и С. Регистровые пары, если их использование предусмотрено типом МП, даются как правило первыми буквами их обозначения. Так вместо регистровой пары BC в обозначениях команд будет записан символ В. Например, команда пересылки данных из регистра С в аккумулятор имеет обозначение MOV А, С (от move – переслать). Команда загрузки в стек содержимого регистровой пары ВС имеет обозначение PUSH B (от push – проталкивать).
При описании системы команд операнд может иметь условное обозначение data, адрес порта - условное обозначение
port, а адрес ячейки памяти или адрес перехода - условное обозначение addr. Например, команда записи в регистр С операнда, содержащегося во втором слове команды имеет обозначение MVI C, data (от move immediate - передать непосредственно). Команда записи в аккумулятор данных из порта, адрес которого содержится во втором слове команды, имеет обозначение IN port (от input – ввести). Команда безусловного перехода, по которой адрес, содержащийся в команде записывается в счетчик команд, имеет обозначение JMP addr (от jump - перейти). При использовании команд в программе вместо обозначений data, port и addr будут подставлены конкретные числовые операнды и адреса.
Руководства по эксплуатации микропроцессоров, выпускаемых промышленностью, содержат описания соответствующих наборов команд с указанием команд в мнемонической форме и с указанием кодов операций, выполняемых командой в числовой форме. Потребность в такой документации возникает только тогда, когда составляют программу для работы микропроцессора, которым располагает разработчик.
1.6. Организация ввода и вывода данных в микропроцессоре.
Вводом - выводом информации называют процесс передачи данных между МП и основной памятью (ОЗУ, ПЗУ), между МП и внешними устройствами, а также между основной памятью и внешними устройствами. Различают ввод - вывод программный, по прерываниям и прямым доступом к памяти.
Программный ввод - вывод инициируется программой работы МП. Данный процесс задается использованием в соответствующих местах программы специальных команд: IN port - ввод данных из порта ввода и OUT port - вывод данных в порт вывода. Портами обычно являются регистры для подключения внешних устройств. Эти команды выполняются немедленно, если внешние устройства имеют свойство постоянной готовности к приему или передаче данных. Такими устройствами могут быть, например, светодиодные индикаторы на выходе порта или набор кнопок на входе порта. Если внешнее устройство таким свойством не обладает, то при выполнении команды необходимо осуществлять проверку управляющего сигнала готовности устройства к передаче или приему данных. Если готовность устройства не подтверждается, то МП переходит в режим ожидания активного уровня сигнала готовности. Недостатком такой организации ввода - вывода являются большие временные затраты на ожидание готовности внешнего устройства. Однако такой способ ввода - вывода имеет преимущество, заключающееся в простой аппаратной реализации. Поэтому такая форма организации используется преимущественно для осуществления ввода или вывода данных с устройств постоянно готовых к обмену.
Ввод - вывод по прерываниям производится по инициативе внешних устройств и вводится при необходимости помимо выполнения основной программы организовать обработку информации от этих устройства по мере ее поступления. При этом МП должен прервать выполнение основной программы и перейти к подпрограмме обработки запроса прерывания. Такой переход осуществляется по мере готовности данных к передаче или приему по сигналу запроса прерывания, после получения которого МП переходит к операциям ввода - вывода. Сигнал запроса прерывания может поступить в любое время машинного цикла, но анализируется он в последнем такте последнего машинного цикла, т.е. после выполнения очередной команды. Это положение справедливо для всех типов МП. Для разрешения или запрета прерываний в ходе выполнения программы МП обладает специальными командами. С помощью таких команд программист может разрешить или запретить прерывание текущей программы в тех местах, где оно в силу каких-либо причин недопустимо.
Таким образом, переход к режиму прерывания осуществляется, когда внешнее устройство готово к приему или передаче данных. Отсюда очевидно преимущество ввода - вывода по прерыванию. Оно заключается в высоком быстродействии и оперативности обслуживания внешнего устройства, запросившего прерывание. Однако это достигается за счет использования дополнительных аппаратных средств. Для этих целей микропроцессорные комплекты обычно дополняются специальными микросхемами - контроллерами прерываний, осуществляющими реализацию указанного режима ввода - вывода.
Ввод - вывод с прямым доступом к памяти (ПДП) используется в случаях, когда необходим обмен между основной памятью и внешними устройствами большими массивами данных. Как правило, ввод и вывод данных в МП реализуется через аккумулятор. Таким образом, для передачи данных из внешнего устройства или внешней памяти в основную память осуществляется с помощью следующей последовательности команд для каждого элемента массива данных: сперва данные заносятся из внешнего устройства или внешней памяти в аккумулятор, затем из аккумулятора в основную память. Т.е. данные пересылаются через МП. Это значительно снижает производительность системы. Чтобы избавиться от этого недостатка прибегают к режиму ПДП. Суть его заключается в следующем: буферные регистры данных и адреса МП переводятся в высокоимпедансное состояние, благодаря чему МП оказывается отключенным от шины данных и шины адреса. Отключение МП позволяет внешнему устройству самостоятельно обмениваться данными с памятью, для чего устройство должно само устанавливать на шине адреса адрес требуемой ячейки памяти, а также формировать соответствующие управляющие сигналы. Для этих целей микропроцессорные комплекты комплектуются специальными микросхемами, называемыми контроллерами прямого доступа к памяти. Отсюда следует недостаток режима ПДП - для его реализации требуется использование дополнительных аппаратных средств.
1.7. Система команд микропроцессора.
Поскольку МП воспринимает только двоичную форму информации, то команды должны быть представлены в виде двоичных кодов. Такая форма представления команд называется машинным языком или машинным кодом. Для человека машинные коды из нулей и единиц неудобны, поскольку их трудно запомнить и отождествить с фактическим назначением команды
, а в самих машинных кодах легко перепутать 0 и 1. Для более краткой записи двоичных чисел используются также восьмеричная и шестнадцатеричная формы представления информации. Однако и в этом случае остается нерешенной основная проблема: что означает каждая команда, выраженная в подобной форме. По этой причине при описании команд используются условные обозначения в виде мнемонических названий. Мнемоническое название (мнемоника) команды представляет собой сокращение от английских слов, описывающих операцию, выполняемую командой. Мнемонический код команды позволяет легче запомнить ее функцию и значительно упрощает написание программ. Например, команда возврата из подпрограммы по которой хранящийся в стеке адрес пересылается обратно в счетчик команд имеет обозначение RET (от return – вернуться).
Каждый МП характеризуется своей системой команд. Система команд - это полный перечень тех операций, которые способен производить МП. Управляемый этими командами МП выполняет очень простые действия, такие, как элементарные арифметические и логические операции, операции пересылки данных, сравнения двух величин и другие. Однако, составив программу из последовательности таких команд, можно запрограммировать выполнение алгоритма любой сложности. Обычно все команды в системе команд объединяются в группы по функциональному назначению. Например, выделяют команды пересылки кодов, команды логических и арифметических действий, команды передачи управления и ряд команд других групп.
Условное обозначение команды помимо мнемоники может также включать названия регистров r и регистровых пар rp. Воспользуемся для примера гипотетическими, т.е. не привязанными к конкретному типу МП названиями регистров - аккумулятором А и регистрами общего назначения В и С. Регистровые пары, если их использование предусмотрено типом МП, даются как правило первыми буквами их обозначения. Так вместо регистровой пары BC в обозначениях команд будет записан символ В. Например, команда пересылки данных из регистра С в аккумулятор имеет обозначение MOV А, С (от move – переслать). Команда загрузки в стек содержимого регистровой пары ВС имеет обозначение PUSH B (от push – проталкивать).
При описании системы команд операнд может иметь условное обозначение data, адрес порта - условное обозначение
port, а адрес ячейки памяти или адрес перехода - условное обозначение addr. Например, команда записи в регистр С операнда, содержащегося во втором слове команды имеет обозначение MVI C, data (от move immediate - передать непосредственно). Команда записи в аккумулятор данных из порта, адрес которого содержится во втором слове команды, имеет обозначение IN port (от input – ввести). Команда безусловного перехода, по которой адрес, содержащийся в команде записывается в счетчик команд, имеет обозначение JMP addr (от jump - перейти). При использовании команд в программе вместо обозначений data, port и addr будут подставлены конкретные числовые операнды и адреса.
Руководства по эксплуатации микропроцессоров, выпускаемых промышленностью, содержат описания соответствующих наборов команд с указанием команд в мнемонической форме и с указанием кодов операций, выполняемых командой в числовой форме. Потребность в такой документации возникает только тогда, когда составляют программу для работы микропроцессора, которым располагает разработчик.