Микропроцессорные устройства

Оглавление конспекта лекций по дисциплине "Микропроцессорные устройства"

 

 

1.    Архитектура микро – ЭВМ.
2.    Системы счисления.

2.1     Основные понятия.

2.2     Двоичная система  счисления.

2.3     Шестнадцатеричная  система счисления.

2.4     Двоичные числа  в дополнительном коде.

2.5     Арифметика в дополнительном  коде.

3.       Архитектура  микропроцессора.

4.       Программирование  микропроцессора.

4.1     Языки программирования.

4.2     Структура и типы  команд.

4.3     Способы адресации  данных.

4.3.1. Неявная адресация.

4.3.2. Регистровая адресация 

4.3.3. Непосредственная адресация.

4.3.4. Прямая адресация.

4.3.5. Косвенная адресация.

4. Команды передачи данных.

4.4.1. Команды общего назначения.

4.4.2. Команды  работы со стеком.

4.5.    Арифметические команды.

4.5.1. Команды двоичной арифметики.

4.5.2. Команды десятичной арифметики.

4.6.    Логические команды.

4.6.1. Команды манипуляции битами.

4.6.2. Команды сдвига.

4.7.    Команды передачи управления

4.8.    Команды работы с  подпрограммой.

4.9.    Прочие команды

5.       Функциональные  блоки МП.

5.1.    Арифметико–логическое  устройство.

5.1.1  Сумматоры.

5.1.2. Операции (функции) АЛУ.

5.2.    Устройство управления.

5.3.    Контроль и защита  информации.

6.       Интерфейс микро-ЭВМ. 

6.1.    Интерфейс 8-разрядного  микропроцессора.

6.2.    Компоненты для организации  системного интерфейса.

6.3.    Способы обмена  данными в микро-ЭВМ.

6.3.1. Общая программная модель  периферийного устройства.

6.3.2. Программно-управляемая передача  данных.

6.3.3. Передача данных с использованием  системы прерываний.

6.3.4. Организация прямого доступа  к памяти.

6.3.5. Параллельная передача данных.

6.3.6. Последовательная передача  данных.

 

 

 

Введение

 

Микропроцессор (МП) –  программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифрой информации и управления процессом этой обработки, выполненное в виде одной (или нескольких) интегральной схемы с высокой степенью интеграции электронных элементов (БИС).

Самые разнообразные задачи требуют  последовательного выполнения определённого набора логических и арифметических операций, или, как принято говорить сейчас, требуют выполнения алгоритма.

С попыток изобрести устройство, способное реализовать простейшие вычислительные алгоритмы, началась история вычислительной техники.

В 1623 году учёный В. Шикард создал машину, умеющую складывать и вычитать числа.

1671 год – Лейбниц создал устройство способное выполнять четыре основные арифметические операции – арифмометр.

1938 год – немецкий учёный  Цузе К. создаёт электромеханическую  машину, арифметическое устройство  которой было выполнено на  базе реле. Машина оперировала уже не десятичными, а двоичными числами.

1944 год – американец Г. Айкен  спроектировал вычислительную машину, которая также работала на реле. Однако она оперировала с данными в десятичной форме. Из-за большого веса механических частей эти машины были бесперспективны.

Нужно было искать новую, более технологичную элементную базу. И тогда вспомнили об изобретении Л. Фореста, который в 1906 году создал трёхэлектродную вакуумную лампу, названную триодом. В силу своих свойств она стала наиболее естественной заменой реле.

1946 год – в США была создана первая универсальная ЭВМ. Она содержала 18 тысяч ламп, весила 30 тонн, занимала площадь 200м² и потребляла огромную мощность. В этой ЭВМ всё ещё использовались десятичные операции и программирование осуществлялось путём коммутации разъемов и установки переключателей.

1951 год – создана первая ЭВМ  с двоичной арифметикой и оперативной памятью. После создания этой ЭВМ человечество осознало огромные возможности вычислительных машин. Данная отрасль начала развиваться быстро и динамично.  До середины 80-х годов процесс эволюции вычислительной техники принято делить на поколения.

1-е поколение (1945–1954гг) ЭВМ этого  поколения работали на ламповой  элементной базе, из-за чего поглощали огромное количество энергии и были ненадёжны.

2-е поколение (1955-1964гг) Смену поколений определило появление новой элементной базы: вместо лампы стали применять транзисторы. Тогда в архитектуре ЭВМ появились аппаратные средства для выполнения операций с плавающей точкой. Были разработаны команды для вызовов подпрограмм. Появились языки высокого уровня – Algol, Fortran, Cobol.

3-е поколение (1965-1970гг) Переход  от транзисторов к интегральным  микросхемам. Это повысило производительность ЭВМ и снизило их габариты и стоимость. ЭВМ стали активно использоваться для управления различными технологическими процессами в системах сбора и обработки информации. Увеличение мощности ЭВМ сделало возможным одновременное выполнение нескольких программ на одной ЭВМ. Для координации одновременно выполняемых действий создаются первые операционные системы. Разрабатываются пакеты прикладных программ для различных областей деятельности человека.

4-е поколение (1970-1984гг) Переход  на новую элементную базу: интегральные схемы сменили большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС). На этом этапе развития ЭВМ появляются первые микропроцессоры.

В общем случае под процессором понимают функциональный блок ЭВМ, предназначенный для логической и арифметической обработки информации.

По аппаратной реализации процессоры можно разделить  на микропроцессоры, полностью интегрирующие все функции процессора и процессоры с малой и средней интеграцией. Конструктивно это выражается в том, что микропроцессоры реализуют все функции процессора на одном кристалле, а процессоры других типов реализуют их путём соединения большого количества микросхем.

Первый МП i4004 был создан фирмой INTEL на рубеже 70-х годов. Он представлял собой 4-разрядное параллельное вычислительное устройство. Фирма INTEL продолжила интенсивные разработки и один из её проектов привёл к успеху, предопределившему будущий путь развития вычислительной техники. В 1972 году был создан 8-ми разрядный МП i8008. На базе этого МП появляются первые персональные ЭВМ. В 1976 году фирма INTEL выпустила 16-ти разрядный микропроцессор i8086. Он имел разрядность регистров в 16 бит и системной шины адреса в 20 бит. За счёт этого мог адресовать до 1 Мбайт оперативной памяти. В 1982 году был создан i80286. Этот МП представлял улучшенный вариант i8086. Он поддерживал уже несколько режимов работы: реальный, когда формирование адреса производилось по правилам i8086, и защищённый, который аппаратно реализовывал многозадачность и управление виртуальной памятью.  i80286 имел также большую разрядность шины адреса – 24 разряда против 20 у i8086, и поэтому он мог адресовать до 16 Мбайт оперативной памяти. Первые компьютеры на базе этого МП появились в 1984 году. На этом 4-е поколение развития ЭВМ завершилось.

5-е поколение ЭВМ началось в 1985 году, когда фирма INTEL представила первый 32 разрядный МП i80386. Этот МП поддерживал новый режим работы – режим виртуального i8086.  i80386 был первым МП в котором использовалась параллельная обработка данных. Одновременно осуществлялись: доступ к памяти и устройствам ввода-вывода, размещение команд в очереди для выполнения, их декодирование, преобразование линейного адреса в физический.

Вскоре после  МП i386 появился i486. В его архитектуре получили дальнейшее развитие идеи параллельной обработки. Устройство декодирования и исполнения команд было организованно в виде пятиступенчатого конвейера, на котором в различной стадии исполнения могло находиться до 5 команд.

С 1993 года стали  выпускаться МП Intel Pentium. Эти МП продолжают развитие идей параллельной обработки. В устройство декодирования и исполнения команд бал добавлен второй конвейер. Теперь два конвейера вместе могли исполнять две инструкции за такт. Процессор стал более интеллектуальным. В него была добавлена возможность предсказания ветвлений, в связи, с чем значительно возросла эффективность исполнения нелинейных алгоритмов.

В 1970 году Маршиан  Эдвард Хофф  из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ – первый МП Intel-4004, который в 1971 году был выпущен в продажу.

Схема прибора  насчитывала 2300 транзисторов. Тактовая частота 750 кГц. МП обрабатывал 4-х разрядные  данные. В систему команд входило  всего 46 инструкций. Этот МП не имел операций логической обработки данных. Модуль i4004 не имел возможности останова и обработки прерываний. Шина адреса ША была мультиплексирована с шиной данных ШД. 12 разрядный адрес передавался по 4-е разряда.

1972 год МП i8008 – первый 8-ми разрядный прибор. Его производительность по сравнению с предшествующим  МП возросла в 2,3 раза.

1974 год создан МП i8080. Кристалл содержал 6000 транзисторов. Тактовая частота 2 МГц. Были разделены ША и ШД. Использовалась многоуровневая система прерываний по вектору. В i8080 появился механизм прямого доступа к памяти.

1978 год –  МП 8086, первый 16-ти разрядный МП.

1982 год –  МП 80286.

1985 год –  МП 80386. Этот МП насчитывал уже  275000 транзисторов, число которых, по сравнению с первым i4004 увеличилось более чем в 100 раз. Это был 32-х разрядный многозадачный процессор с возможностью одновременного выполнения нескольких программ.

1989 год –  МП 80486.

1993 год –  МП Pentium.

1995 год – Pentium Pro.

1997 год - Pentium II.

1999 год - Pentium III.

 

                                          1. Архитектура микро-ЭВМ.

ЭВМ – комплекс технических средств, объединенных общим управлением  и предназначенных для автоматического выполнения преобразований цифровых кодов в соответствии с заданным алгоритмом.

Алгоритм – совокупность точных предписаний (команд), выполнения которых ЭВМ приводит к решению поставленной задачи, путём преобразования исходных цифровых кодов в цифровые коды результата. Здесь рассматривается простая гипотетическая машина, обладающая типичными чертами многих микро-ЭВМ.

ЭВМ в общем виде является электронной  системой сбора, хранения, накопления, переработки и выдачи цифровой информации.

Основными свойствами ЭВМ являются программное управление, алгоритмическая универсальность, высокие точность и скорость вычисления.

Структура ЭВМ – абстрактная  модель, устанавливающая состав, порядок  и принципы взаимодействия основных функциональных частей ЭВМ без учёта  их реализации.

Функциональная часть ЭВМ –  составная часть ЭВМ, имеющая  определённое функциональное назначение.

Микро-ЭВМ – это вычислительная машина, имеющая разрядность в один или два байта, малые габариты и низкую стоимость.

Разрядность – количество разрядов в цифровых кодах, обрабатываемых в данной машине.

Байт (byte) – наименьшая адресуемая единица информации, состоящая из восьми двоичных разрядов называемых битами.

Бит (binary digit) – двоичная цифра 0 или 1, или двоичный разряд.

Типовая архитектура микро-ЭВМ (назовём  её базовой) содержит пять основных элементов:

1. устройства ввода;
2. устройство управления;
3. устройство арифметических действий (оба входят в состав микропроцессора);
4. память;
5. устройства вывода.

Такая структура функциональных элементов  называется архитектурой ЭВМ. Она изображена на рисунке 1.

Несмотря на успехи, достигнутые  в области технологии, существенных изменений в базовой структуре и принципах работы ЭВМ не произошло.

Архитектура ЭВМ – размещение соединённых  между собой элементов, отражающее структуру связей, что влияют на основные характеристики ЭВМ.

 Основными частями МП являются АЛУ, устройство управления и регистры.

Под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление  машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных.

Архитектура отображает те аспекты ЭВМ, которые являются видимыми для пользователя: систему команд, режимы адресации, форматы и длину данных, набор регистров ЭВМ.

Физически реализованные в виде соответствующей аппаратуры функциональные блоки ЭВМ называются аппаратными средствами.

Другая структурная схема микро-ЭВМ  показана на рисунке ниже.

    

Архитектура микро-ЭВМ представляет собой модель микро-ЭВМ с точки  зрения программиста.

Модель в процессе проектирования преобразуется в структуру микро-ЭВМ, определяющую состав, назначение и взаимные связи необходимых аппаратурных компонентов, реализующих архитектуру.

Необходимость выполнения сложных функций управления привела  к созданию микроконтроллеров – управляющих устройств, выполненных на одном или нескольких кристаллах. Микроконтроллеры выполняют функции логического анализа и управления. Поэтому за счёт исключения арифметических операций можно уменьшить их аппаратурную сложность или развить функции логического управления.