Mikroprotsesorni-pristroyi (1)

насичення). Опір ділянки “ емітер – колектор” змінюється від доль ома (відкритий) до десятків і сотень кілоом (замкнутий). У схемах із загальним емітером, транзистор закривається шляхом подачі на його базу сигналів відповідної полярності (негативної для n-р-n-транзисторів).

Найбільше застосування в сучасній обчислювальній техніці транзистори знаходять не як окремі дискретні елементи, а як частини інтегральних схем.

Розробка багатоемітерного транзистора створила основу для побудови елементів транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ) і розвитку технології інтегральних схем останніми роками.

Оскільки електричні схеми не застосовуються для вирішення логічних завдань в МП, а застосовуються інтегральні мікросхеми, то для зображення логічних елементів зручно користуватися умовними позначеннями, приведеними на рис. 1.6.

Рисунок 1.6 – Умовні позначення логічних схем

Використовуючи закони де Моргана, можна визначити еквівалентність деяких позначень вказаних на рис. 1.6. Якщо замкнути накоротко входи елементів І-НІ або АБО-НІ, то вони будуть виконувати функцію НІ. В [1] показано, що за допомогою елемента І-НІ можна реалізувати всі функції двох змінних. Логічні елементи входять до складу великих інтегральних схем і використовуються в арифметично-логічних пристроях, МП для виконання логічних операцій.

51

Контрольні питання і завдання

Варіанти завдань до даного розділу приведені в табл. 1.5.

Таблиця 1.5 – Варіанти даних для перекладу десяткових чисел в різні (2, 8, 16, 2–10) системи числення і виконання арифметичних і логічних операцій

уручну і програмним способом

Арифметичні основи

1.Які системи числення ви знаєте і на чому вони засновані ?

2.Переведіть числа, приведені в табл. 1.5 (вибравши один з варіантів) в 2-, 8- і 16-річну системи числення.

3.Складіть і відніміть в двійковій системі два числа, вибрані з табл. 1.5 і перевірте результат в десятковій системі.

4.Які одиниці інформації використовуються в МП і з чим це зв'язано?

5.Проведіть віднімання двох чисел в додатковому коді і перевірте результат в десятковій системі.

6.Виконайте множення і ділення двох чисел (табл. 1.5 №4) в двійковій системі і перевірте результат в десятковій системі.

7.Викладіть правило знаходження різниці з використанням доповнення і приведіть приклади для двох чисел (табл. 1.5).

8.Представте двійкові числа в 8- і 16-річних системах і поясніть, для чого використовується таке представлення двійкових чисел.

9.Що означають біт і байт в двійковій системі числення?

10.Викладіть правило перетворення дробових чисел з десяткової системи в двійкову форму і приведіть приклади.

11.Переведіть число 194210 в двійково-десяткову систему.

52

12.Переведіть число 1000 0011 0111 01012-10 з двійково-десяткової в десяткову систему числення.

13.Назвіть перевагу і особливості двійково-десяткової системи.

14.Перетворіть в двійковий еквівалент числа: 1А16, 2B16, 5F16 FF16, 298, 1238,

13428 .

15.Переведіть число 10100011 011101012 з двійкової в шістнадцятирічну систему числення.

16.Переведіть число 11111111 111111112 з двійкової в шістнадцятирічну систему числення.

Логічні основи

1.На яких принципах будуються логічні основи МП?

2.Назвіть операції алгебри логіки.

3.Назвіть основні логічні функції.

4.Приведіть таблиці істинності основних логічних функцій.

5.Назвіть залежності Булевої алгебри: постулати, теореми, закони, тотожності.

6.Назвіть і визначте значення всіх 16-ти функцій двох двійкових змінних.

7.Викладіть суть мінімізації складних логічних виразів і приведіть приклади.

8.Проведіть логічні операції АБО, НЕ, І, ВИКЛЮЧАЮЧЕ АБО з двома числами, приведеними в табл. 1.5 для одного з варіантів.

9.Провести мінімізацію функції х = АВС + АВС + АВС + АВС .

10.Побудуйте структурну схему з логічних елементів для виразу

х= ( АВС + АВС + АВС + АВС)( АΛВ) .

Фізичні основи

1.Назвіть основні логічні елементи і вкажіть на особливості їх фізичної реалізації.

2.Приведіть приклади реалізації логічних функцій в електричних схемах.

3.Викладіть особливості реалізації логічних функцій за допомогою напівпровідникових елементів і інтегральних схем.

53

4.Назвіть існуючі технології виконання інтегральних схем і їх особливості.

5.Приведіть умовні позначення логічних схем І, АБО, НЕ, АБО-НЕ, І-НЕ і вкажіть, в яких пристроях МП вони використовуються.

6.Складіть структурну схему для логічного виразу і проведіть її

мінімізацію: х = ( АВС + АВС + АВС + АВС)VАВС .

7.Викладіть особливості великих і надвеликих інтегральних схем, і вкажіть їх перевагу перед інтегральними схемами.

8.Викладіть суть транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ), яка використовується в інтегральних мікросхемах.

9.Приведіть особливості логіки ТТЛШ.

10.Назвіть фізичні характеристики логічних елементів.

11.Поясніть суть перешкодостійкості, швидкодії і здатності навантаження, ВІС і НВІС, і вкажіть шляхи їх підвищення.

12.Вкажіть чинники, що впливають на перешкодостійкість ВІС і вкажіть способи захисту ВІС від перешкод.

13.Приведіть чинники, що впливають на здатність навантаження ВІС і приведіть приклади та способи її підвищення.

14.Назвіть основні характеристики, по яких здійснюється вибір ВІС і приведіть практичні приклади їх вибору для різних умов.

15.Вкажіть чинники, що впливають на швидкодію ВІС, і приведіть приклади для різних технологій їх виготовлення.

16.Викладіть особливості нанотехнологій і характеристики надвеликих інтегральних схем, одержаних на їх основі.

17.Які логічні елементи і для чого використовуються в арифметикологічному пристрої МП?

18.В яких пристроях МП використовуються логічні елементи?

19.За допомогою якого логічного елементу можна реалізувати всі логічні функції двох змінних?

54

2. АРХІТЕКТУРА МІКРОПРОЦЕСОРІВ

Під архітектурою мікропроцесора мають на увазі складові частини мікропроцесора, а також їх взаємне з'єднання і взаємодію між ними. Архітектура включає: 1) структурну схему самого МП; 2) програмну модель МП (опис функцій регістрів); 3) інформацію про організацію пам'яті (місткість пам'яті і способи її адресації); 4) опис організації процедур вводу-виводу і управління; 5) опис системи команд і ін.

Існують два основних типи архітектури – фоннейманівська і гарвардська. Фоннейманівську архітектуру запропонував в 1945 р. американський математик Джо фон Нейман. Особливістю цієї архітектури є те, що програма і дані знаходяться в загальній пам'яті, доступ до яких здійснюється по одній шині даних і команд. Прикладом такої архітектури є класичний мікропроцесор КР580 (I 8080). Гарвардська архітектура вперше реалізована в 1944 р. в релейній обчислювальній машині Гарвардського університету (США). Особливістю цієї архітектури є те, що пам'ять даних і пам'ять програм розділені і мають окремі шину даних і шину команд, що дозволяє збільшити швидкодію МП системи за рахунок можливості одночасного звернення по цих двох шинах до пам'яті програм і пам'яті даних. Прикладом такої архітектури є мікроконтролер К1816ВЕ51 і всі представники сімейства МК51 та інші сучасні МК.

2.1. Типова структура мікропроцесора

Розглянемо особливості організації процесу обробки інформації в цифрових пристроях (цифрових автоматах).

Завдання створення цифрового автомата, що виконує певні дії над двійковими сигналами, полягає у виборі елементів і способі їх з'єднання, що забезпечує задане функціональне перетворення. Ці завдання вирішують за допомогою математичної логіки або алгебри логіки.

55

Пристрої, що формують функції алгебри логіки, називають логічними, або цифровими і класифікують за різними відмітними ознаками.

По схемному рішенню і характеру зв'язку між вхідними і вихідними змінними з урахуванням їх зміни по тактах роботи, розрізняють два типи цифрових пристроїв – комбінаційні і цифрові.

У комбінаційних цифрових пристроях сукупність сигналів на виходах в кожен конкретний момент часу повністю визначається вхідними сигналами, що діють у цей момент на його входах. Алгоритм функціонування комбінаційних пристроїв може бути представлений у вигляді таблиці відповідності, що містить значення вихідних сигналів для всіх можливих комбінацій значень вхідних сигналів.

Цифрові пристрої послідовного типу істотно відрізняються від комбінаційних, перш за все, наявністю пам'яті. Їх вхідні сигнали є функцією не тільки вхідних сигналів, але і внутрішнього стану, в якому пристрій знаходився до надходження вхідних сигналів.

На основі цифрового пристрою послідовного типу може бути спроектовано пристрій, який залежно від послідовності вхідних сигналів виконуватиме один з багатьох алгоритмів. Ці вхідні сигнали можуть розміщуватися і послідовно витягуватися із зовнішнього блоку регістрів, названого керуючою пам'яттю. Деякі вихідні сигнали можуть використовуватися для синхронізації надходження вхідних сигналів з пам'яті, що управляє, і для їх адресації. Такий пристрій може бути названий пристроєм з програмованою логікою, або програмованим пристроєм. До таких пристроїв відноситься і мікропроцесор.

Архітектура мікропроцесора є логічна організація, що визначає можливості апаратної або програмної реалізації функцій, необхідних для побудови мікроЕОМ.

Мікропроцесори визначаються наступними характеристиками:

розрядність адреси і даних, тип корпусу, кількість джерел живлення, потужність розсіяння, температурний діапазон, можливість розширення

56

розрядності, час циклу виконання команд (мікрокоманд), рівні сигналів, перешкодостійкість, здатність навантаження, об'єднання сигналів на виходах, надійність і т.ін.

По числу ВІС в комплекті (МПК) розрізняють однокристальні, багатокристальні, багатокристальні секційні мікропроцесори [8].

Однокристальні мікропроцесори утворюються при реалізації всіх апаратних засобів процесора в одній ВІС. У міру збільшення ступеня інтеграції елементів в кристалі і числа виведень корпусу, параметри однокристальних мікропроцесорів поліпшуються. Проте можливості однокристальних мікропроцесорів обмежені апаратурними ресурсами кристала і корпусу. Тому поширеніші багатокристальні і багатокристальні секційні мікропроцесори.

Багатокристальні мікропроцесори виходять при розбитті його логічної структури на функціонально закінчені частини, які реалізують у вигляді ВІС. Функціональна закінченість ВІС багатокристального мікропроцесора означає, що його частини виконують наперед певні функції і можуть працювати автономно, а для побудови розвиненого процесора не вимагається організації великої кількості нових зв'язків і яких-небудь інших інтегральних схем (ІС).

Одним з можливих варіантів розбиття структури процесора є створення трьохкристального мікропроцесора, що містить ВІС операційного процесора, процесора, що управляє, і інтерфейсного процесора. Операційний процесор (ОП) служить для обробки даних, процесор, що управляє (УП), виконує функції вибірки, декодування і обчислення адрес операндів, а також генерує послідовності мікрокоманд. Автономність роботи і велика швидкодія ВІС дозволяють вибирати команди з пам'яті з більшою швидкістю, ніж ВІС ОП. При цьому в УП утворюється черга ще не виконаних команд, наперед готуються ті дані, які будуть потрібні ОП в наступних циклах роботи. Така випереджаюча вибірка команд економить час ОП на очікування операндів, необхідних для виконання команд програм. Інтерфейсний процесор (ІП) дозволяє підключити пам'ять і периферійні засоби до мікропроцесора. Велика інтегральна схема ІП виконує також функції каналу прямого доступу до пам'яті.

57

Вибрані з пам'яті команди розпізнаються і виконуються кожною частиною мікропроцесора автономно, і тому може бути забезпечений режим одночасної роботи всіх ВІС МП, тобто конвейєрний потоковий режим виконання послідовності команд програми (виконання послідовності з невеликим зміщенням у часі). Такий режим роботи значно підвищує продуктивність мікропроцесора.

Багатокристальні секційні мікропроцесори виходять у тому випадку,

коли у вигляді ВІС реалізуються частини (секції) логічної структури процесора. Мікропроцесорна секція – це ВІС, призначена для обробки декількох розрядів даних або виконання певних керуючих операцій. Секційність ВІС МП визначає можливість «нарощування» розрядності оброблюваних даних або ускладнення пристроїв управління мікропроцесором при «паралельному» включенні більшого числа ВІС. Багатокристальні секційні мікропроцесори мають

мікропроцесори. Універсальні мікропроцесори можна застосовувати для вирішення різноманітних завдань. Їх ефективна продуктивність мало залежить від проблемної специфіки вирішуваних задач. Спеціалізація МП, тобто його проблемна орієнтація на прискорене виконання певних функцій, дозволяє різко збільшити ефективну продуктивність при вирішенні тільки певних задач. Серед спеціалізованих мікропроцесорів можна виділити: мікроконтролери, орієнтовані на виконання складних послідовностей логічних операцій; математичні МП, призначені для підвищення продуктивності при виконанні арифметичних операцій за рахунок, наприклад, матричних методів їх виконання; МП для обробки даних в різних областях застосування і т.д. За допомогою спеціалізованих МП можна ефективно вирішувати складні задачі паралельної обробки даних.

По вигляду оброблюваних вхідних сигналів розрізняють цифрові і аналогові мікропроцесори. Самі мікропроцесори – це цифрові пристрої, проте

58

вони можуть мати вбудовані аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі. Вхідні аналогові сигнали передаються в МП після перетворення в цифрову форму, обробляються, і після зворотного перетворення в аналогову форму, поступають на вихід. З погляду архітектури такі мікропроцесори є аналогові функціональні перетворювачі сигналів і називаються аналоговими мікропроцесорами. Вони можуть виконувати функції будь-якої аналогової схеми. Застосування аналогового мікропроцесора значно підвищує точність обробки аналогових сигналів, а їх відтворення розширює функціональні можливості за рахунок програмного налагодження цифрової частини мікропроцесора на різні алгоритми обробки сигналів.

Звичайно до складу однокристальних аналогових МП входять декілька каналів аналого-цифрового і цифро-аналогового перетворювачів. У аналоговому мікропроцесорі розрядність оброблюваних даних досягає 24 біт і більше, велике значення приділяється збільшенню швидкості виконання арифметичних операцій.

По характеру тимчасової організації роботи розрізняють синхронні і асинхронні мікропроцесори. Синхронні мікропроцесори – це мікропроцесори, в

яких початок і кінець виконання операцій задаються пристроєм управління (час виконання операцій в цьому випадку не залежить від виду виконуваних команд і величин операндів). Асинхронні мікропроцесори дозволяють початок кожної наступної операції визначити по сигналу фактичного закінчення виконання попередньої операції. Для ефективнішого використання кожного пристрою мікропроцесорної системи, до складу асихронно працюючих пристроїв, вводять електронні ланцюги, що забезпечують автономне функціонування пристроїв. Закінчивши роботу над якою-небудь операцією, пристрій виробляє сигнал запиту, що означає його готовність до виконання наступної операції. При цьому функції природного розподільника робіт приймає на себе пам'ять, яка, відповідно до наперед встановленого пріоритету, виконує запити решти пристроїв по забезпеченню їх командною інформацією і даними.

59

По кількості виконуваних програм розрізняють одно- і багатопрограмні мікропроцесори.

У однопрограмних мікропроцесорах виконується тільки одна програма.

Перехід до виконання іншої програми відбувається після завершення поточної програми.

У багато- або мультипрограмних мікропроцесорах одночасно виконуються декілька (звичайно декілька десятків) програм. Організація мультипрограмної роботи мікропроцесорних керуючих систем дозволяє здійснювати контроль за станом і управляти великим числом джерел або приймачів інформації.

Типова структура мікропроцесора приведена на рис. 2.1. [5]. Мікропроцесор складається з трьох основних блоків: арифметико-логічного пристрою (АЛП), блоку внутрішніх регістрів і пристрою управління. Для передачі даних між цими блоками використовується внутрішня шина даних.

Арифметико-логічний пристрій виконує одну з головних функцій мікропроцесора – обробку даних. Перелік функцій АЛП залежить від типу мікропроцесора. Деякі АЛП здатні виконувати безліч різних операцій, у інших набір операцій обмежений. Функції АЛП визначають архітектуру мікропроцесора в цілому. У більшості мікропроцесорів АЛП виконує наступні операції: складання, віднімання, І, АБО, виключаюче АБО, інверсію, зсув вправо, зсув вліво, прирости позитивні і негативні.

Важлива складова частина мікропроцесора – регістр. Кожен регістр мікропроцесора можна використовувати для тимчасового зберігання одного слова даних.

Деякі регістри мають спеціальне призначення, інші – багатоцільове.

Останні називаються регістрами загального призначення (РЗН) і можуть використовуватися програмістом на його розсуд.

Кількість і призначення регістрів в мікропроцесорі залежать від його архітектури.

60