null

February 28, 2018 | Author: Anonymous | Category: N/A
Share Embed


Short Description

Download null...

Description

MIKROPROCESORY A MIKROPOČÍTAČE Rozvoj mikroelektroniky podporil uplatnenie počítačov v bežnej praxi. Znížila sa cena počítačových systémov. Zvýšila sa spoľahlivosť počítačových aplikácií. Zmenšili sa rozmery počítača. Znížila sa ich energetická spotreba.

CU ALU

M

Z B E R N I C A

Hlavné časti jednozbernicového mikropočítača

P I/O

P

S I/O

P

DMA

P

Bloková schéma mikropočítača

Ako univerzálnu štruktúru mikropočítača - systému na spracovanie dátových informácií - možno najčastejšie použiť jednozbernicovú štruktúru mikropočítača.

Zmena funkcie mikropočítačového systému, s danou štruktúrou, sa dosiahne len zmenou programu (zmení sa len algoritmus - postupnosť inštrukcií). Pri činnosti mikropočítači ide len o vykonanie postupnosti inštrukcií (softwaru), bez nutnosti zmeny štruktúry systému (hardwaru).

ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Mikropočítač obsahuje tieto hlavné časti: riadiacu jednotku (CU) aritmeticko-logickú jednotku (ALU ) operačnú pamäť (M) paralelný vstup alebo výstup (P I/O) sériový vstup/výstup (S I/O) priamy prístup do pamäti (DMA) prídavné zariadenie (P)

Riadiaca jednotka (CU) (Control Unit) prevádza inštrukcie v symbolickom tvare na postupnosť signálov ovládajúcu pripojené moduly. CU koordinuje činnosť modulov zoskupených na zbernici. CU obsahuje mikroprogramovú pamäť, ktorá postupnosťou príkazov realizuje jednotlivé inštrukcie programu. CU obsahuje register inštrukcií IR (Instruction Register), dekóder inštrukcií ID a ďalšie obvody.

Aritmeticko-logická jednotka (ALU) Arithmetic-Logic Unit vykonáva v počítači aritmetické a logické operácie. Ukladá medzivýsledky vykonávaných operácií v pracovných registroch. Zaznamenáva svoj vnútorný stav a výsledky operácií v tzv. príznakových (flag) registroch. CU a ALU - tvoria dvojicu modulov mikropočítača, ktorá sa nazýva procesor. Centrálna procesorová jednotka (CPU) (Central Processing Unit) je model počítača, v ktorom sa fyzicky nachádza riadiaca jednotka CU, aritm-logická jednotka ALU a operačná pamäť M. Operačná pamäť, obsahuje program mikropočítača a tiež údaje, s ktorými pracuje mikropočítač. Dátové toky majú šírku zbernice najčastejšie 8, 16 alebo 32 bitov. Paralelný vstup alebo výstup (P I/O) (Parallel Input/Output) sprostredkuje prenos údajov medzi prídavným zariadením P a CPU. V jednom takte diskrétneho času sa paralelne prenáša 8 (16, 32) - bitový údaj.

Sériový vstup alebo výstup (S I/O) (Serial Input/Output) sprostredkuje prenos údajov medzi prídavným zariadením P a CPU. V jednom takte diskrétneho času sa prenáša len 1 bitový údaj. Existujú dva spôsoby sériového prenosu: asynchrónny (synchronizačný znak má každá informačná jednotka), synchrónny (synchronizačný znak má skupina informačných jednotiek). Priamy prístup do pamäti (DMA) (Direct Memory Access) sprostredkuje prenos medzi prídavným zariadením P a operačnou pamäťou M, bez účasti CPU. Využíva sa na zrýchlenie prenosu (blokový prenos údajov), procesor môže vtedy vykonávať inú úlohu. Zbernica – (Bus) je skupina niekoľkých vodičov (liniek), ktorá spája jednotlivé časti mikropočítača a tým umožňuje výmenu informácií medzi jednotlivými blokmi. Rozdelenie zberníc: ƒ adresné zbernice ƒ údajové zbernice ƒ riadiace zbernice ƒ napájacie zbernice

MIKROPROCESORY Logický integrovaný obvod, ktorý obsahuje minimálne CU a ALU sa nazýva mikroprocesor.

MIKROPROCESOR

Mikroprocesor začlenený v štruktúre mikropočítača

Logický integrovaný obvod, ktorý obsahuje: mikroprocesor (CU+ALU) operačnú pamäť M obvody P I/O, prípadne S I/O nazývame monolitický mikropočítač (jednočípový mikropočítač). Riadiaci mikropočítač (Microcontroller) obsahuje v štruktúre podľa obr. ďalšie moduly, ktoré sú nevyhnutné pri aplikácii mikropočítača v riadení, v reálnom čase. Najčastejšie sú tam ešte pripojené časovače, AD a DA prevodníky, modulátory. Jednočípová verzia riadiaceho mikropočítača býva často ako modul vkladaná na číp k zložitým číslicovým štruktúram. Takéto mikropočítače nazývame vnorené mikropočítače.

POPIS ČINNOSTI MIKROPROCESORA Mikroprocesor je integrovaný obvod zabezpečujúci funkcie centrálnej procesorovej jednotky (CPU). Významne ovplyvňuje výkon celého mikropočítača (čím rýchlejší mikroprocesor, tým rýchlejší mikropočítač). Mikroprocesor je hlavná časť mikropočítača, umiestnený je na základnej doske mikropočítača. Model mikroprocesora obsahuje nasledujúce základné bloky zoskupené okolo riadiacej jednotky: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

riadiaca jednotka aritmeticko-logická jednotka akumulátor registre na všeobecné použitie register inštrukcií programového počítadlo vnútorné údajové a riadiace zbernice

Architektúra mikroprocesora určuje charakter a vlastnosti mikropočítača.

Akumulátor (ACC) je osobitný register, ktorý obyčajne uchováva jeden operand spracovávaný ALU jednotkou. Druhý operand sa najčastejšie nachádza v bloku pracovných registrov (R), ale aj mimo procesora v operačnej pamäti. Výsledok aritmetickej (logickej) operácie sa ukladá do akumulátora. Akumulátor považujeme za hlavný pracovný register mikroprocesora. Obsah programového počítadla PC (Program Counter) reprezentuje adresu inštrukcie. Programové počítadlo vysiela adresy inštrukcií, aby ich mohol mikroprocesor postupne vyberať z operačnej pamäte a následne aj vykonať. Inštrukcie, ktoré tvoria program sú zakódované v strojovom kóde mikroprocesora. Kódy sú uložené v programovej časti operačnej pamäti. Obsah programového počítadla sa mení zložitým spôsobom v závislosti na druhu aktuálne vykonávanej inštrukcie. Ak sa napr. vykonáva inštrukcia skok do podprogramu, musí sa adresa nasledujúcej inštrukcie uložiť do zásobníkovej pamäti (procesor musí po skončení podprogramu pokračovať vo vykonávaní pôvodného programu). Potom sa do programového počítadla vloží adresa prvej inštrukcie podprogramu.

Obsadenie zásobníkovej pamäti (časť operačnej pamäte, ktorá pracuje metódou LIFO) indikuje špeciálny register nazývaný ukazovateľ vrcholu zásobníka SP (Stack Pointer). Register inštrukcií (RI) slúži na dočasné ukladanie obsahu strojového kódu inštrukcie, neskôr sa obsah dekóduje. Jednoduché mikroprocesory môžu mať osembitový inštrukčný kód. Táto dĺžka umožní vytvoriť inštrukčný súbor s počtom 28 = 256 odlišných inštrukcií. Inštrukcie však majú aj dĺžku 2x8 bitov, alebo 3x8bitov. Takéto inštrukcie majú aj špecifikovanú zdrojovú a cieľovú adresu operandov. Aritmetická a logická jednotka (ALU) vykonáva operácie sčítania a odčítania, násobenia a delenia, inkrementáciu a dekrementáciu čísla, operáciu logického súčtu a logického súčinu, porovnania čísel. V mikroprocesore sa nachádzajú aj tzv. jednobitové príznakové registre (flag registers), ktoré zaznamenávajú stavy mikroprocesora, ako napr. prenos v najvyššom ráde ALU, príznak nulového obsahu akumulátora, príznak preplnenia ALU, príznak aktivity signálu prerušenia.

Dekóder inštrukcií (DI) dekóduje inštrukciu tak, že odčlení operačnú časť inštrukcie (druh operácie), od adresnej časti inštrukcie, kde sú uložené adresy cieľového a zdrojového operandu. Príklad: Strojový kód inštrukcie (viď tab.) predstavuje v binárnom tvare číslo (00101000). Operačná časť inštrukcie má hodnotu (001), čo znamená kód operácie aritmetického súčtu ADD. Adresná časť obsahuje adresy zdrojového operandu (000), čo predstavuje adresu registra R0. Adresná časť obsahuje tiež adresu cieľového operandu (01), čo predstavuje adresu akumulátora A.

Matematický opis strojového kódu inštrukcie má nasledujúci tvar: (A) ← (A) + (R0) Príklad strojového kódu inštrukcie S t r o j o v ý 0

0

1

Operačná časť inštrukcie M n e m o n i c k ý ADD

k ó d

i n š t r u k c i e :

0

1

Adresa cieľového operandu t v a r

0

0

Adresa zdrojového operandu

i n š t r u k c i e : A, R0

0

Riadiaca jednotka (CU), predstavuje zložitý sekvenčný logický obvod, ktorý generuje súbor vnútorných a vonkajších riadiacich signálov mikroprocesora. Hodnoty a priebeh signálov určuje najmä dekódovaná inštrukcia. Dekódovaná inštrukcia a stav mikroprocesora aktivujú mikroprogramovú jednotku, ktorá vykoná zodpovedajúci sled mikrooperácií, s cieľom realizovať dekódovanú inštrukciu. Sled mikrooperácii je synchronizovaný generátorom hodinových (clock) impulzov. Niektoré mikroprocesory používajú na adresovanie operačnej pamäti indexové číslo, ktoré sa nachádza v indexovom registri. Fyzická adresa pamäti sa potom určí ako súčet obsahu programového počítadla a obsahu indexového registra. Kontrolné otázky: 1. Ktoré moduly musí obsahovať minimálna zostava mikropočítača? 2. Aký počet vodičov by mala obsahovať zbernica 16-bitového mikropočítača s operačnou pamäťou ROM 216 slov, RAM 218 slov a napájaním 3,3 V ? 3. Zostavte mikroprogram, ktorým riadiaca jednotka prevedie inštrukciu ADD A, R4. 4. Obsah registra SP (ukazovateľ vrcholu zásobníka) je 56h. Ako sa zmení jeho hodnota ak sa do zásobníka uloží 26 položiek a vyberie 19 položiek ? 5. Koľko rôznych inštrukcií možno vytvoriť vo formáte strojového kódu inštrukcie ? 6. Koľko rôznych operácií môže spracovávať mikroprocesor podľa formátu strojovej inštrukcie ?

Základné parametre mikroprocesora Parameter mikroprocesora: Rýchlosť

Jedn Rozsah: otka:

Opis parametra: Počet operácií sekundu

prevedených

za

jednu

Efektívnosť s akou je zostavený kód mikroprogramu ktorým je vykonávaná Efektívnosť inštrukcia. Napr. počet krokov riadiacej mikroprogramu jednotky mikroprocesora potrebných na prevedenie operácie aritmetického súčinu dvoch čísel. Numerický koprocesor

Prítomnosť (neprítomnosť) špeciálnej jednotky napríklad pre priame prevádzanie výpočtov v pohyblivej desatinnej čiarke.

Počet inštrukčných kanálov

Udáva maximálny počet inštrukcií prevedených v jednom takte mikroprocesora

1÷4

Šírka slova

Maximálny počet bitov, ktoré je možné bit spracovať počas jedinej operácie

16 ÷ 32

Šírka prenosu dát

Maximálny počet bitov, ktorý je možné počas jedinej operácie presunúť z (do) čipu bit mikroprocesora

8 ÷ 64

Interná cache pamäť

Kapacita rýchlej internej cache pamäti byte zabudovanej priamo v čipe mikroprocesoru

0 ÷ 512 KB

Veľkosť pamäte, ktorú schopný adresovať

1 ÷ 4096 MB

Veľkosť adresovanej pamäti

je

mikroprocesor

byte

ORGANIZÁCIA MIKROPROCESORA

Vonkajšie riadiace signály

RIADIACA JEDNOTKA MIKROPROCESORA

x x x x x x x x

Dekóder inštrukcií

CY AC P OV

ALU

x x x x

x x x x x x x x

Register inštrukcií

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

x x x x x x x x

R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7

Pracovné registre x x x x x x x x

x x x x x x x x x x x

Akumulátor

Program. počítadlo

VNÚTORNÁ ZBERNICA

Príklad organizácie (8-bitového) mikroprocesora

údajová zbernica

adresná zbernica

vnútorná zbernica riadiace signály

View more...

Comments

Copyright © 2017 HUGEPDF Inc.