Лекция № 14
Тема: «Понятие о микропроцессорных системах (МПС) и микроконтроллерах»
Текст лекции по дисциплине: «Цифровые устройства и
микропроцессоры»
КАЛИНИНГРАД
Г
Содержание
Введение.
Учебные вопросы (основная часть):
1. Принципы построения МПС
2. Принципы организации микроконтроллеров.
Заключение
Литература:
Основная литература
Л1. Нарышкин А.К. «Цифровые устройств и микропроцессоры»: учеб. пособие для студ. Высш. Учебн. Заведений/ А. К. Нарышкин, 2 – е изд. — Издательский центр «Академия», 2008г. с. 296 — 303
Дополнительная литература
Л5 Угрюмов Е.П.. Цифровая схемотехника. Уч. пособие для вузов – СПб.: БХВ-Петербург, 2004. с.249-260
Л9 Б.А.Калабеков «Цифровые устройства и микропроцессорные системы», М.: «Горячая линия — телеком», 2000 г. с..227-233, 290-303
Учебно-материальное обеспечение:
1. Полилюкс
2. Слайды
Текст лекции
Введение
Микропроцессор функционирует как составная часть сложной системы — микропроцессорной системы (Микро-ЭВМ). Их принципы построения однотипные. Рассмотрим эти принципы и структуру МПС.
1. Принципы построения МПС
Принципы организации ЭВМ
Рассмотрим предварительно принципы организации и построения микро-ЭВМ. Напомним, что микро?ЭВМ — это устройство обработки данных, содержащее один или несколько МП, БИС постоянной и оперативной памяти, БИС управления вводом и выводом информации и некоторые другие схемы. В такой конфигурации микро?ЭВМ применяют как встраиваемые контролеры.
Микро?ЭВМ служит для автоматического управления процессом решения задачи.
Данная задача решается за счёт соблюдения следующих принципов организации микро?ЭВМ.
1. Принцип программного управления. Является основной особенностью микро-ЭВМ. Впервые этот принцип был сформулирован в XIX веке английским математиком Августой Адой Лавлейс.
Согласно этому принципу алгоритм решения задачи, записанный на машинном языке в виде программы, реализуется автоматически последовательно во времени на каждом интервале под воздействием одной команды. Другими словами, суть принципа программного управления заключается в том, что процесс решения задачи, то есть получения результата на основании обработки данных в соответствии с заданным алгоритмом, осуществляется за счет автоматического выполнения команд введенной в память программы.
Для принципа программного управления характерно наличие команд условной и безусловной передачи управления, что позволяет автоматически определять направление дальнейших вычислений при реализации разветвляющихся и циклических алгоритмов, решать сложные логические задачи.
2. Принцип хранимой в памяти программы. Согласно этому принципу:
1)команды, как и операнды, задаются цифровыми кодами фиксированной разрядности;
2) команды и операнды хранятся в общей памяти с линейно-адресной организацией и задаются своими адресами. Это позволяет заменять исходные данные, не изменяя при этом программу. Кроме того, необходимость изменения одной или нескольких команд не приводит к необходимости изменения всей программы.
Структура (модель) вычислительной машины, реализующей эти принципы, получила название фоннеймановской. Благодаря ее изящной простоте и большой гибкости при управлении вычислительным процессом с самых первых шагов электронной вычислительной техники и по сей день она доминирует при построении различных ЭВМ.
Однако в настоящее время разработчики ЭВМ, стремясь существенного повышения их производительности, в ряде случаев отходят от модели фон Неймана. Приведем пример. В фоннеймановской машине с общей памятью для данных и команд имеется всего одна шина (магистраль) для передачи из памяти в другие устройства команд и данных, что ведет к снижению скорости работы ЭВМ.
Возможно построение машины с отдельными памятями и шинами для хранения и передачи команд и данных, допускающей параллельное во времени извлечение их из памяти и передачу по шинам. Такая структура получила название гарвардской, так как впервые была реализована в 1944 г. в Гарвардском университете США в ранней релейной машине, предшествовавшей появлению электронных вычислительных машин. Гарвардская модель реализована, в частности, в некоторых микропроцессорах.
Структура микропроцессорной системы.
Как отмечалось ранее МПС — это собранная в единое целое совокупность взаимодействующих БИС МПК, организованная в систему. Т.е. МПС – специализированная вычислительная или управляющая система с МП в качестве узла обработки информации.
При построении МПС пользуются тремя основными принципами:
- принципом модульной организации (т.е. МПС строится из набора модулей);
- принципом магистрального обмена информацией (т.е. между модулями организуются регулярные связи, объединяющие их входы и выходы);
- принципом микропрограммного управления (т.е. каждая команда МП представляется в виде последовательности микрокоманд. Это позволяет обеспечить наибольшую гибкость МПС, увеличивает регулярность структуры, повышает надежность МПС).
Перечисленные принципы, несмотря на разнообразие выполняемых микропроцессором функций, определяют типовую структуру МПС (см. Рис. 1).
1. Центральное место в структуре МПС занимает микропроцессор. Микропроцессор непосредственно выполняет арифметические и логические операции над данными, осуществляет программное управление процессом обработки информации, организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему.
Рис. 1 Типовая структура МПС
2. Схема синхронизации и начальной установки осуществляет управление событиями во времени и согласует работу МПС. В состав данного узла входят генератор тактовых импульсов и таймер. Генератор тактовых импульсов с помощью прямоугольных тактовых импульсов задает цикл команды — интервал времени, необходимый для считывания (выборки) команды из памяти и ее исполнения. Таймер задает время исполнения команды. Возможно использование таймера в качестве счетчика.
3. Основная память системы состоит из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) и оперативного запоминающего устройства (ОЗУ).
Постоянное запоминающее устройство — устройство для хранения программ, констант и таблиц. Содержимое ПЗУ используется как память программы, составленной заранее изготовителем в соответствии с требованиями ее пользователей.
ПЗУ делятся на программируемые (ППЗУ) и репрограммируемые (РПЗУ).
ППЗУ отличается от ПЗУ тем, что пользователь может самостоятельно запрограммировать ПЗУ с помощью специального устройства, но только один раз.
РППЗУ, называемое так же стираемое ПЗУ, позволяет стирать хранимую информацию до нескольких раз и перепрограммировать запоминающее устройство.
Оперативное запоминающее устройство- устройство для хранения данных, подлежащих обработке и результатов вычислений, а иногда и программ, которые часто меняются. Достоинство ОЗУ быстрое время доступа к любой ячейки памяти, не зависимо от ее адреса. Недостатком ОЗУ является ее энергозависимость.
В МПС для хранения информации используются и внешние запоминающие устройства. К ним относят магнитные диски (гибкие, негибкие), магнитные барабаны, магнитные ленты и т.п..
Обмен информацией с внешней средой МПС осуществляет с помощью периферийных устройств. К таковым относят дисплеи, устройства ввода?вывода и т.п.
4. Устройства ввода и вывода – технические средства для передачи данных из вне или наоборот. Данные устройства обеспечивают перевод сигналов, форматов слов, и т.п. к стандартному виду, воспринимаемому МП.
Устройство ввода осуществляет ввод в систему команд и данных, подлежащих обработке.
Устройство вывода преобразует выходные данные в форму, удобную для восприятия пользователем или для хранения.
5. Между периферийными устройствами и устройствами ввода вывода находятся буферные устройства (устройства сопряжения).
Таковыми являются программируемый периферийный адаптер (ППА) и программируемый связной адаптер (ПСА). ППА обслуживает периферийные устройства с передачей информации параллельным кодом, а ПСА — последовательным кодом. Наличие таких программно настраиваемых адаптеров делает весьма гибкой и функционально богатой систему ввода-вывода в МПС.
6. Сопряжение между основными модулями МПС и между периферийными устройствами осуществляется с помощью интерфейса, т.е. с помощью совокупности электрических, механических и программных средств. Сопряжение осуществляется по ША, ШД, ШУ.
Таким образом, использование перечисленных выше модулей и устройств позволяет создавать универсальные и гибкие МПС для выполнения разнообразных по своему характеру задач. Функционирование таких систем будет зависеть только от выполняемой программы.
Функционирование МПС
Функционирование микропроцессорной системы сводится к выполнению определенной последовательности действий.
Общий принцип функционирования — это получение данных от различных периферийных устройств (с клавиатуры терминала, от дисплеев, из каналов связи, различного типа внешних запоминающих устройств), обработка данных и выдача результата обработки на периферийные устройства (ПУ). Причем данные от ПУ, подлежащие обработке, могут поступать и в процессе их обработки.
Работа МПС очень похожа на функционирование МП. При этом выделяют несколько этапов.
1. Работа с данными и командами.
— В ходе работы микропроцессор, в соответствие с сигналами схемы синхронизации, выдает на шину адреса номер (адрес) ячейки памяти, в которой хранится очередная команда.
— Из шины управления в ОЗУ поступают сигналы, обеспечивающие чтение содержимого указываемой шиной адреса ячейки памяти.
— Запрошенная ОЗУ команда выдается на шину данных, откуда она принимается в микропроцессор.
— Здесь команда расшифровывается. Если данные, действия над которыми предусматривает команда, находятся в регистрах микропроцессора, то МП приступает к выполнению указанной в команде операции, если же при расшифровке команды выясняется, что участвующие в операции данные находятся в ОЗУ, то МП выставляет на шину адреса адрес ячейки, хранящей эти данные.
— После выдачи данных из ОЗУ микропроцессор принимает их через шину данных.
— Затем выполняется операция над данными.
— После завершения выполнения текущей команды на шину адреса выдается адрес следующей команды и описанный процесс повторяется.
2. Выдача результатов на периферийное устройство.
В процессе функционирования МПС может потребоваться выдача результата на ПУ (для управления объектами отображения на экране дисплея и т.д.) либо прием данных от ПУ (например, прием данных, набираемых оператором на клавиатуре, и т.д.). такой обмен данными может осуществляться следующим образом.
— До начала непосредственного обмена данными с ПУ микропроцессор через шину данных должен выдать в контролер обмена информацию о режимах, используемых при передаче и направлениях передачи данных (от МП к ПУ либо, наоборот, от ПУ к МП).
— Затем, в момент, когда потребуется, например, передать в ОЗУ выдаваемые из ПУ данные, микропроцессор , выполняя команду ввода, подает на контролер соответствующие управляющие сигналы. Данные из ПУ принимаются в регистр контролера.
— Затем данные контролером выдаются на шину данных.
— Далее эти данные с шины данных принимаются в МП, после чего в процессе выполнения соответствующей команды они предаются в ОЗУ.
3. Обмен данными между памятью и периферийными устройствами.
Аналогично происходит обмен данными в обратном направлении — от ОЗУ к ПУ.
— По соответствующей команде программы осуществляется прием из ОЗУ в микропроцессор данных, подлежащих передаче.
— Затем, по одной из следующих команд, эти данные выдаются на шину данных и через контролер обмена передаются на ПУ.
а). Обмен данными с низкоскоростными периферийными устройствами.
Если моменты обмена данными не предусмотрены в программе, то они могут определяться и самим ПУ. В таких случаях ПУ, подавая в МП определенные сигналы, переводит его в состояние так называемого прерывания.
— В этом состоянии микропроцессор прекращает выполнение основной программы и запоминает промежуточные результаты в стеке.
— Затем МП исполняет команды другой хранящейся в ОЗУ программы (прерывающей программы), обеспечивающей обмен данными требуемый периферийными устройствами.
— После окончания выполнения такой прерывающей программы микропроцессор возвращается к выполнению основной программы.
б). Обмен данными с высокоскоростными периферийными устройствами.
Описанные способы обеспечивают низкую скорость обмена и применяются при обмене данными с низкоскоростными ПУ. При работе с высокоскоростными ПУ (такими, как запоминающие устройства на дисках и др.) используется так называемый режим прямого доступа к памяти (ПДП).
— В этом режиме микропроцессор отключается от шин адреса и данных, предоставляя их в распоряжение ПУ для непосредственного обмена данными с ОЗУ (без участия МП). Обмен при этом организуется специальным контролером ПДП. В режимах ПДП ПУ обменивается с ОЗУ не одиночными данными, а большими блоками данных.
— В контролер ПДП микропроцессор помещает информацию, необходимую для управления обменом (адрес ячейки ОЗУ, куда помещается или откуда считывается первое подлежащее обмену слово, количество слов в блоке и др.).
— В процессе обмена контролер ПДП выдает на шину адреса адрес ячейки ОЗУ.
— После окончания передачи слова между ОЗУ и ПУ через шину данных контролер ПДП увеличивает на единицу значение адреса, выдаваемого на шину адреса.
— После завершения передачи заданного количества слов контролер ПДП прекращает обмен, информируя об этом микропроцессор.
— Последний восстанавливает связь с шинами адреса и данных и продолжает выполнение программы.
Таким образом, принципами организации МПС являются принцип программного управления и принцип хранимой в памяти программы. Функционирование МПС — это получение данных от различных периферийных устройств, их обработка и выдача результата обработки на периферийные устройства (ПУ).
2. Принципы организации микроконтроллеров.
Микроконтроллеры (МК) — это разновидность микропроцессорных систем (микро-ЭВМ), ориентированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами. В сравнении с универсальными микроЭВМ микроконтроллеры проще, и размещается практически весь на одном кристалле. Это 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.
Разница между МК и микроЭВМ универсального назначения заключается в следующем: 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.
В настоящее время наибольшее преобладание получили 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.
Классификация МК:
1. По числу разрядов.
- 8- разрядные МК
- 16- разрядные МК
- 32- разрядные МК
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 выпускаемых 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.
Несмотря на появление новых 16- и 32-разрядных МК, наибольший успех на рынке остается за 8-разрядными. Сейчас около половины рынка МК остается за этими МК.
Устройство:
Структуру МК рассмотрим на примере представителя семейства АТ89С (рис. 2).
В состав МК входят:
а) генератор тактовых импульсов ГТИ;
б) раздельные блоки программной памяти типа Флэш и ОЗУ данных (Гарвардская архитектура). Диапазоны емкостей памяти, как и частот генератора тактовых импульсов ГТИ, приведенные на рис. 2, характеризуют параметры представителей семейства от младшего до старшего. При необходимости возможно подключение внешних БИС ПЗУ, ОЗУ для расширения пространства памяти.
в) Средства ввода/вывода — 4 параллельных порта (32 линии) и линии TxD (выход передатчика) и RxD (вход приемника) для последовательного ввода/вывода. Для сокращения ширины физического интерфейса функции линий параллельных портов совмещены, и в разных режимах имеют разное назначение.
г) В состав МК входят 2—3 таймера-счетчика (16-разрядных), которые дают системные метки времени и отрабатывают интервалы.
д) Система прерываний с 5 источниками запросов радиального типа 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. 2 Структура микроконтроллера АТ89С
Таким образом, микроконтроллеры (МК) — это разновидность микропроцессорных систем (микро-ЭВМ), ориентированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами.
Заключение:
1. МПС — вычислительная или управляющая система с МП в качестве узла обработки информации.
2. Функционирование микропроцессорной системы — это получение данных от различных периферийных устройств, их обработка и выдача результата обработки на периферийные устройства (ПУ).
3. Микроконтроллеры (МК) — это разновидность микропроцессорных систем (микро-ЭВМ), ориентированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами.
Замечания и предложения по содержанию лекции
