Бис микропроцессор что такое

Микропроцессорные бис/сбис и их применение в микропроцессорных системах

Главная > Документ

Микропроцессорные БИС/СБИС и их применение в микропроцессорных системах 1

§ 5.1. Микропроцессорные комплекты БИС/СБИС. Структура и функционирование микропроцессорной системы. Микроконтроллеры 1

§ 5.2. Управление памятью и внешними устройствами. Построение модуля памяти 5

§ 5.3. Микропроцессор серии 1821 (Intel 8085A) 9

Синхронизация и последовательность действий МП 14

§ 5.4. Схемы подключения памяти и внешних устройств к шинам микропроцессорной системы 25

Микропроцессорные БИС/СБИС и их применение в микропроцессорных системах

§ 5.1. Микропроцессорные комплекты БИС/СБИС. Структура и функционирование микропроцессорной системы. Микроконтроллеры

Микропроцессор — термин, по-видимому, самый модный в современной микроэлектронике и вычислительной технике. Необычайная популярность микропроцессоров объясняется тем, что их появление привело к внедрению вычислительной техники в самые разнообразные сферы жизни. Универ­сальность микропроцессоров ведет, к большой тиражности их производства и, следовательно, к снижению их стоимости, а это, в свою очередь, расши­ряет круг потребителей и способствует дальнейшему удешевлению микро­процессоров.

Микропроцессором (МП) называют построенное на одной или нескольких БИС/СБИС программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс об­работки информации и управление им.

Решаемая задача определяется реализуемой МП программой, структура микропроцессорной системы остается неизменной, что и определяет ее универсальность.

Микропроцессоры появились, когда уровень интеграции ИС достиг значе­ний, при которых необходимые для программной реализации алгоритмов блоки удалось разместить на одном или нескольких кристаллах. МП — цен­тральный процессорный элемент микропроцессорной системы (микро­ЭВМ), в которую также входят память и устройства ввода/вывода (внешние устройства).

Совокупность БИС/СБИС, пригодных для совместного применения в со­ставе микроЭВМ, называют микропроцессорным комплектом БИС/СБИС (МПК). Понятие МПК задает номенклатуру микросхем с точки зрения воз­можностей их совместного применения (совместимость по архитектуре, электрическим параметрам, конструктивным признакам и др.). В состав МПК могут входить микросхемы различных серий и схемотехнологических типов при условии их совместимости.

В микропроцессорной системе (МПС) организуется процесс выполнения за­данной программы, и самые разные задачи решаются путем выполнения последовательности команд, свойственных данному МП (входящих в его систему команд). Вычислительные, контрольно-измерительные или управ­ляющие системы, обрабатывающим элементом которых служит МП, отно­сятся к числу МПС.

Практически всегда структура МПС является магистрально-модульной. В та­кой структуре имеется группа магистралей (шин), к которым подключаются различные модули (блоки), обменивающиеся между собой информацией поочередно, в режиме разделения времени.

Термин «шины» относится к совокупности цепей (линий), число которых определяет разрядность шины.

Типична трехшинная структура МПС с шинами адресов ША, данных ШД и управления ШУ. Наряду с русскими терминами применяются английские АВ (Address Bus), DB (Data Bus) и СВ (Control Bus).

Рис. 5.1. Структура микропроцессорной системы

На рис. 5.1 показана структура микропроцессорной системы с МП, имею­щим мультиплексируемую шину адресов/данных (например, с МП К1821ВМ85А). Линии A 15-8 являются адресными, через них в систему пере­дается старший байт 16-разрядного адреса. В эту шину включен формирова­тель на постоянно открытом по входу разрешения EN буферном регистре ИР82, обеспечивающем работу шины на нагрузку, образуемую внешними цепями. Собственной нагрузочной способности у выводов МП, как прави­ло, не хватает. Линии AD 7-0 мультиплексируются. Вначале они передают младший байт адреса, признаком чего служит наличие сигнала ALE (Address Latch Enable), загружающего этот байт в регистр ИР82.

После передачи младшего байта адреса шина AD 7-0 отдается для передачи данных. Эти передачи двунаправлены, направление задается буфером дан­ных BD в зависимости от сигнала Т (Transit). При активном состоянии сиг­нала чтения RD (Read) данные передаются справа налево, при пассив­ном — в обратном направлении. К шине данных подключены информаци­онные выводы всех модулей МПС.

Выполняя программу, МП обрабатывает команду за командой. Команда за­дает выполняемую операцию и содержит сведения об участвующих в ней операндах. После приема команды происходит ее расшифровка и выполне­ние, в ходе которого МП получает необходимые данные из памяти или внешних устройств. Ячейки памяти и внешние устройства (порты) имеют номера, называемые адресами, которыми они обозначаются в программе.

По однонаправленной адресной шине МП посылает адреса, определяя объ­ект, с которым будет обмен, по шине данных (двунаправленной) обменивается данными с модулями (блоками) системы, по шине управления идет об­мен управляющей информацией.

ПЗУ (ROM) хранит фиксированные программы и данные, оно является энергонезависимым и при выключении питания информацию не теряет.

ОЗУ (RAM) хранит оперативные данные (изменяемые программы, промежу­точные, результаты вычислений и др.), является энергозависимым и теряет информацию при выключении питания. Для приведения-системы в работо­способное состояние после включения питания ОЗУ следует загрузить необ­ходимой информацией.

Устройства ввода-вывода (УВВ) или внешние устройства (ВУ) — техниче­ские средства для передачи данных извне в МП или память либо из МП или памяти во внешнюю среду. Для подключения ВУ необходимо привести их сигналы, форматы слов, скорость передачи и т. п. к стандартному виду, вос­принимаемому данным МП. Это выполняется специальными блоками, на­зываемыми адаптерами (интерфейсными блоками ввода-вывода). Напом­ним, что интерфейсом называют совокупность аппаратных и программных средств, унифицирующих процессы обмена между модулями системы.

На схеме (рис. 5.1) модули системы показаны укрупненно. Кроме обозначен­ных блоков, в состав систем входят обычно и более сложные, чем адаптеры, блоки управления внешними устройствами — контроллеры. К их числу отно­сятся, прежде всего, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти. Имеются также контроллеры клавиатуры, дисплея, дисковой памяти и т. д.

Контроллеры прерываний обеспечивают обмен с внешними устройствами в режиме прерывания (временной остановки) выполняемой программы для обслуживания запроса от внешнего устройства.

Контроллеры прямого доступа к памяти обслуживают режим прямой связи между внешними устройствами и памятью без участия МП. При управлении обменом со стороны МП пересылка данных между внешними устройствами и памятью происходит в два этапа — сначала данные принимаются микро­процессором, а затем выдаются им на приемник данных. В режиме прямого доступа к памяти МП отключается от шин системы и передает управление ими контроллеру прямого доступа, а передачи данных осуществляются в один этап — непосредственно от источника к приемнику.

В состав МПС часто входят также программируемые таймеры, формирую­щие различные сигналы (интервалы, последовательности импульсов и т. д.) для проведения операций, связанных со временем.

Микроконтроллеры (МК) — разновидность микропроцессорных систем (микроЭВМ), ориентированная на реализацию алгоритмов управления тех­ническими устройствами и технологическими процессами. В сравнении с универсальными микроЭВМ микроконтроллеры проще, и уже около 25 лет тому назад оказалось возможным разместить практически всю схемотехнику МК на одном кристалле, что и дало начало их развитию. Вторым названием МК стало название «однокристальная микроЭВМ». Разработка МК означала появление БИС такой функциональной законченности, которая позволяет решать в полном объеме задачи определенного класса.

Что отличает МК от микроЭВМ универсального назначения? Прежде всего, это малый объем памяти и менее разнообразный состав внешних устройств. В состав универсальной микроЭВМ входят модули памяти большого объема и высокого быстродействия, имеется сложная иерархия ЗУ, поскольку многие задачи (автоматизированное проектирование, компьютерная графи­ка, мультимедийные приложения и др.) без этого решить невозможно. Для МК ситуация иная, они реализуют заранее известные несложные алгорит­мы, и для размещения программ им требуются емкости памяти, на несколь­ко порядков меньшие, чем у микроЭВМ широкого назначения. Набор внешних устройств также существенно сужается, а сами они значительно проще. В результате модули микроЭВМ конструктивно самостоятельны, а МК выполняется на одном кристалле, хотя в его составе имеются модули того же функционального назначения.

Сопоставляя микропроцессор (т. е. центральный процессорный элемент системы) и МК (т. е. микросхему простой системы в целом) с точки зрения коммерческих потребностей, можно четко видеть преобладание МК. Число пользователей МК в несколько раз превышает число пользователей отдель­ных микросхем МП. Применение МК поддерживается такими областями массового производства, как бытовая аппаратура, станкостроение, автомо­бильная промышленность и т. д.

Первые МК выпущены фирмой Intel в 1976 г. (восьмиразрядный МК 8048). В настоящее время многими поставщиками выпускаются 8-, 16- и 32-разрядные МК с емкостью памяти программ до десятков Кбайт, небольши­ми ОЗУ данных и набором таких интерфейсных и периферийных схем, как параллельные и последовательные порты ввода/вывода, таймеры, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, широтно-импульсные мо­дуляторы и др. Среди ыпускаемых МК широко известно семейство вось­миразрядных контроллеров MCS-51/151/251 и 16-разрядных MCS-96/196/296 (фирмы Intel). Очень многие производители выпускают аналоги этих семейств или совместимые с ними МК. В отечественной номенклатуре это К1816ВЕ51, К1830ВЕ51 (восьмиразрядные МК). В последнее время фирма Intel сосредоточила усилия на разработке сложных микропроцессо­ров для компьютеров и уступила сектор рынка простых МК другим фирмам, в частности, фирме Atmel, которая выпускает популярное семейство МК серии АТ89 с Флэш-памятью программ, являющееся функциональным ана­логом семейства восьмиразрядных МК фирмы Intel.

Небезынтересно, что, несмотря на появление новых 16- и 32-разрядных МК, наибольший успех на рынке остается за 8-разрядными. Сейчас около половины рынка МК (приблизительно б млрд долларов) остается за этими МК, что означает их лидирование с большим отрывом относительно пред­ставителей других семейств.

В структуре МК семейства АТ89С (рис. 5.2) используются раздельные блоки программной памяти типа Флэш и ОЗУ данных (Гарвардская архитектура). Диапазоны емкостей памяти, как и частот генератора тактовых импульсов ГТИ, приведенные на рис. 5.2, характеризуют параметры представителей семейства от младшего до старшего. При необходимости возможно подключение внешних БИС ПЗУ, ОЗУ для расширения пространства памяти. Средства ввода/вывода представлены 4 параллельными портами (32 линии) и линиями TxD (выход передатчика) и RxD (вход приемника) для последо­вательного ввода/вывода. В состав МК входят 2—3 таймера-счетчика (16-разрядных), которые дают системные метки времени и отрабатывают интер­валы. Для сокращения ширины физического интерфейса функции линий параллельных портов совмещены, и в разных режимах имеют разное назна­чение. Система прерываний с 5 источниками запросов радиального типа (см. § 5.3) обслуживает 2 внешних запроса, 2 запроса от таймеров и 1 от по­следовательного порта. При частоте ГТИ 12 МГц большинство команд вы­полняется за 1 мкс, некоторые команды — за 2 мкс.

Рис. 5.2. Структура микроконтроллера АТ89С

В последующих параграфах этой главы и в следующей главе, несмотря на коммерческое преобладание МК над МП, рассмотрены микропроцессор и набор интерфейсных схем (адаптеров, контроллеров), входящих в микропроцессорную систему. При этом интерфейсные схемы соответствуют не только отдельным кристаллам или областям кристаллов большой сложно­сти, но и мегафункциям (макрофункциям) библиотек функциональных бло­ков современных СБИС программируемой логики. Такое решение принято, поскольку указанный комплект микросхем, рассчитанный на построение МПС широкого назначения, полнее иллюстрирует как работу блоков, так и особенности решения задач управления памятью и внешними устройствами, организации системы прерываний, реализации прямого доступа к памяти и т. д. В МК перечисленные и другие задачи решаются в ограниченной степе­ни и более простыми средствами, поэтому знание универсальных микро­схем, рассчитанных на построение МПС, позволяет легко осваивать и мик­роконтроллерную технику.

Подробные сведения о современных микроконтроллерах приведены в спра­вочнике [7].

§ 5.2. Управление памятью и внешними устройствами. Построение модуля памяти

Память состоит из ячеек, каждой из которых присваивается свой адрес. Со­вокупность адресов, которые могут быть сформированы процессором, обра­зует адресное пространство МПС. Адреса памяти могут занимать все адрес­ное пространство (АП) или его часть, а сама память независимо от ее тех­нической реализации может быть условно представлена набором регистров (ячеек), число которых М, а разрядность — N (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Условное представление памяти

Свои адреса имеют и внешние устройства (ВУ). Процессор при обмене дан­ными всегда должен выбрать только одну из ячеек памяти или одно ВУ. Та­кой выбор осуществляется схемами декодирования адреса.

При управлении памятью и ВУ процессор должен вначале сформировать нужный адрес, который затем декодируется.

В МПС применяют несколько способов формирования адресов.

При прямой адресации код адреса содержится в команде, подлежащей вы­полнению. Прямая адресация удобна, но удлиняет команды (увеличивает их разрядности), т. к. при значительных емкостях памяти разрядности адресов достаточно велики. В случае прямой регистровой адресации, когда операнд находится в одном из внутренних регистров процессора, адрес является ма­лоразрядным, поскольку число таких регистров мало. В этом случае прямая адресация проявляет все свои достоинства.

При косвенной адресации в команде явно или неявно указывается регистр про­цессора, содержащий адрес операнда. Команда сохраняет компактность, но для ее выполнения требуется предварительная настройка — загрузка адреса в регистр (регистр косвенного адреса). Косвенная адресация удобна при обра­ботке списков, когда настройка производится однократно, а очередной адрес получается модификацией предыдущего (изменением его на единицу).

При непосредственной адресации в команде содержится сам операнд.

Помимо перечисленных имеются и более сложные способы адресации:

индексная, относительная и др., однако в простейших МП они не исполь­зуются.

Возможность использования различных видов адресации сокращает объем и время выполнения программ.

С помощью того или иного способа адресации формируется физический адресный код, поступающий на шину адреса для выбора ячейки памяти или ВУ, с которыми взаимодействует процессор.

Адресация может быть абсолютной или неабсолютной. При абсолютной ад­ресации обратиться к ячейке памяти или ВУ можно только по одному-единственному адресу. При неабсолютной адресации для ячейки памяти или ВУ можно выделить некоторую зону адресов. Число таких зон, естественно, будет меньше, чем число отдельных адресов, поэтому для указания зоны потребуется меньшая разрядность адреса. Иными словами, абсолютная ад­ресация требует полного декодирования адреса, а неабсолютная — частич­ного, что упрощает схемы декодирования. Возможность использования не­абсолютной адресации связана с наличием в АП «лишнего» пространства. Частным случаем неабсолютной адресации ВУ является так называемая ли­нейная селекция (линейный выбор), подробнее рассмотренная ниже.

В простых МПС часто адресный код рассматривается как состоящий из двух частей. Одна часть указывает на страницу, в которой расположен искомый объект адресации, другая является адресом этого объекта на данной страни­це. Страницей является та или иная часть АП (какая именно — зависит от организации микросхем, из которых строится модуль памяти).

С точки зрения использования АП памятью и ВУ различают концепции ин­терфейса с общей шиной и раздельной шиной.

В рамках первой концепции для адресов памяти и ВУ выделяются части общего АП. К ВУ, обращение происходит так же, как и к ячейкам памяти, т. е. с помощью тех же команд и той же шины. Недостатком этой концеп­ции является сужение АП для памяти, поскольку часть АП занимается внешними устройствами. Достоинство состоит в том, что над данными, по­лучаемыми от ВУ, можно производить все те операции, которые имеются в системе команд процессора для данных, находящихся в ячейках памяти. Та­ких операций много и это способствует улучшению параметров программ и упрощению программирования. Концепцию «с общей шиной» называют также вводом/выводом, отображенным на память.

В концепции «с раздельной шиной» ячейки памяти и ВУ имеют свои АП. При этом требуется наличие управляющих сигналов, определяющих, с каким ти­пом объектов ведется обмен. Например, вводится сигнал IO/M, указываю­щий, адресуется память, или ВУ. При этом память может использовать все АП. Для обмена с ВУ обычно имеются только операции ввода IN port и выво­да OUT port, и теряется возможность применять к данным от ВУ широкий набор команд, имеющихся для работы с данными, хранимыми в памяти.

АП используется блоками ОЗУ, ПЗУ и ВУ, к которым обращается процес­сор. Распределение АП между указанными претендентами производится проектировщиком системы, имеющим известную свободу действий, хотя у конкретных процессоров могут быть особенности, заставляющие отдавать определенную область АП для адресации определенных объектов.

Для краткости записей адреса в АП обычно выражают в шестнадцатиричной системе счисления, для оценки емкостей АП используется часто единица измерений К = 2 10 = 1024 или М = 2 20 = 1048576.

Источник

Понятие микропроцессорного комплекта БИС. Классификация микропроцессоров и их основные характеристики

Процессоры современных ЭВМ имеют сложную функциональную структуру, содержат большое количество электронных элементов и множество разветвленных связей. Реализовать процессор в одной БИС довольно сложно из-за физических ограничений интегральной технологии (число элементов на кристалле, количество внешних выводов, мощность рассеивания и т.д.). Для того чтобы обойти эти ограничения был использован следующий подход: структура процессора разбивается на функционально законченные блоки, такие как операционный, управляющий, интерфейсный, которые и реализуются в виде отдельных БИС. Функциональная законченность БИС означает, что она выполняет заранее определенные функции и может работать автономно, а для построения процессора не требуется организации большого количества новых связей. На рисунке 1.1 условно показано разбиение структуры процессора при создании трехкристального микропроцессора.

Рисунок 1.1. Функциональное разбиение процессора

Операционный процессор (ОП) служит для обработки данных, управляющий процессор (УП) выполняет функции выборки, декодирования и вычисления адресов операндов, а также генерирует последовательность микрокоманд.

Автономность работы и большое быстродействие БИС УП позволяет выбирать команды из памяти с большей скоростью, чем скорость их исполнения БИС ОП. При этом в УП образуется очередь еще не исполненных команд, а также заранее подготавливаются те данные, которые потребуются ОП в следующих циклах работы. Такая опережающая выборка команд экономит время ОП на ожидание операндов, необходимых для выполнения команд программ. Выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются каждой частью микропроцессора автономно, и поэтому может быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС МП, т.е. конвейерный поточный режим исполнения последовательности команд программы (выполнение последовательности с небольшим временным сдвигом). Такой режим работы значительно повышает производительность микропроцессора. Интерфейсный процессор (ИП) позволяет подключить память и периферийные средства к микропроцессору; по существу, является сложным контроллером для устройств ввода/вывода информации и служит для управления обменом информации между процессором и периферийными устройствами и памятью ЭВМ. БИС ИП выполняет также функции канала прямого доступа к памяти.

Совокупность функционально и конструктивно законченных частей процессора, выполненных в виде отдельных ИС, образуют микропроцессорный комплект БИС (МПК).

Все многообразие выпускаемых микропроцессоров можно классифицировать по следующим признакам:

1) по числу БИС в микропроцессорном комплекте различают однокристальный и многокристальные МПК. Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратурных средств процессора в виде одной БИС или СБИС. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде отдельных БИС (СБИС);

2) по назначению различают универсальные и специализированные МП. Универсальные могут быть использованы в различных видах вычислительной техники и цифровой автоматики. Среди специализированных МП можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, МП для обработки данных и другие;

3) по разрядности данных, обрабатываемых микросхемой все МПК можно разделить на 2-разрядные (серия 589), 4-разрядные (серии 582, 1804 и другие), 8-разрядные (серии 580, 1816, 1830 и другие), 16-разрядные (серии 581, 1810, 1811 и другие), 32-разрядные (I80386 ), 64-разрядные (Pentium);

4) по виду обрабатываемой информации МП могут быть разделены на цифровые и аналоговые. В цифровых микропроцессорах прием, обработка и выдача информации ведется в цифровой форме. В аналоговых МП информация на вход поступает в аналоговой форме, а затем преобразуется в цифровую форму и в таком виде обрабатывается микропроцессором. Результаты обработки преобразуются в аналоговую форму и поступают в таком виде на выход (пример, серия 1813);

5) по виду временной организации работы МПК делятся на синхронные и асинхронные. В синхронных МП начало, и конец выполнения операции задаются устройством управления. Время выполнения команды в этом случае не зависит от вида и величины операндов. В асинхронных микропроцессорах начало выполнения каждой следующей команды определяется по сигналу фактического выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорные системы в состав асинхронно работающих БИС вводят специальные цепи, формирующие сигналы запроса на получение следующей команды. При этом роль естественного распределителя работы принимает на себя память, которая в соответствии с установленными правилами обслуживает запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными;

6) по количеству выполняемых программ различают одно и многопрограммные МП. В однопрограммных МП выполняется только одна программа. Переход к выполнению следующей программы происходит после завершения текущей программы. В много или мультипрограммных МП одновременно выполняется несколько программ. Организация мультипрограммной работы МП управляющих систем позволяет осуществить управление большим числом управляемых объектов.

Как и любые другие, функционально-сложные изделия МП характеризуются параметрами функционирования, основными из которых являются:

— разрядность шины данных;

— разрядность шины адреса;

— коэффициент функциональной мощности команды для выполнения операции формата регистр-регистр, который определяется минимальным числом команд, необходимых для реализации указанной операции (коэффициент функциональной мощности для выполнения операций формата регистр-память, умножение и другие).

С другой стороны МП – это интегральная схема, которая характеризуется параметрами, имеющими размерность напряжения, тока, время, сопротивления и т.д. К основным техническим характеристикам МП относятся:

— уровень входных и выходных напряжений;

— токи потребления (статические и динамические);

— токи нагрузки по выходам при высоком и низком уровнях напряжения;

— токи утечки на выходах с тремя состояниями;

— времена задержки распространения сигнала от входов до выходов;

— времена установления и удержания сигналов;

— период тактовой частоты;

— временные параметры тактовых сигналов (длительности низких и высоких уровней);

Источник