Понятие микропроцессора Микропроцессор (МП) – это программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой (кодированной) информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких микросхемах с высокой степенью интеграции электронных элементов (БИС, СБИС). В настоящее время понятия БИС (большая интегральная схема) и СБИС (сверхбольшая интегральная схема) не имеют четкого определения.
Тридцать лет назад считалось, что БИС − это интегральные микросхемы (ИМС), содержащие от нескольких тысяч до десяти тысяч элементов на кристалле, соответственно СБИС − от десяти тысяч до нескольких сотен тысяч элементов на кристалле. ИМС первых МП вполне удовлетворяли этому определению.
Однако оказалось, что по мере совершенствования изделий микроэлектроники количество электронных элементов (в основном транзисторов) на кристалле быстро растет. В разрабатываемых ИМС современных микропроцессоров содержатся сотни миллионов электронных элементов, причем их количество продолжает возрастать.
Как работает микропроцессор
Поэтому при изучении МП под термином БИС (СБИС) будем понимать функционально сложную ИМС. Примечание. Один из основателей фирмы Intel Гордон Мур еще в 1965 году, т.е. спустя всего шесть лет после изобретения первой ИМС, основываясь на эмпирических результатах, предсказал удвоение количества элементов на кристалле каждые два года (т.е. их почти экспоненциальный рост).
При этом им была отмечена закономерность, в соответствии с которой вычислительная мощность разрабатываемых процессоров также экспоненциально возрастает каждые два года. Продолжительное время так называемый закон Мура достаточно точно отражал тенденции в развитии микропроцессорной техники.
Однако в 2003 году, т.е. спустя почти 40 лет после своего прогноза, Мур опубликовал статью «No exponential is forever: but «Forever» can be delayed!», в которой поделился своими сомнениями относительно стремительного развития вычислительной техники, предсказанного им ранее. В частности, Мур отметил, что обеспечить стремительный рост количества транзисторов и вычислительной мощности процессоров в течение длительного времени практически невозможно, поскольку этому препятствуют различные физические пределы (атомарная природа вещества, граничная скорость света).
До сих пор ученым и инженерам, чтобы приспособиться к ним, приходилось существенно менять как структуру самих транзисторов, так и находить новые материалы, из которых транзисторы можно собирать на кристалле. Но всякий раз выполнять это становится все сложнее.
Классификация микропроцессоров МП можно классифицировать различным образом, основываясь на тех или иных классификационных критериях. Ниже рассмотрены наиболее распространенные из систем классификации МП.
По назначению (области применения) различают следующие типы МП: • универсальные (общего назначения) МП; • МП для цифровой обработки сигналов (цифровые сигнальные МП); • медийные МП; • специализированные МП. Универсальные МП предназначены для использования в вычислительных системах: персональных компьютерах, рабочих станциях, транспьютерах (параллельных многопроцессорных системах).
Чем отличается МИКРОКОНТРОЛЛЕР и МИКРОПРОЦЕССОР
Цифровые сигнальные МП рассчитаны на обработку в режиме реального времени цифровых потоков, образованных путем оцифровывания аналоговых сигналов. Современные сигнальные МП могут выполнять вычисления с плавающей точкой над многоразрядными (32-64 бита) операндами. Медийные МП предназначены для обработки аудио- и видеоинформации.
Специализированные МП предназначены для решения определенного класса задач или одной конкретной задачи. Среди специализированных МП можно выделить микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций; математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций путем использования матричных методов их реализации.
По наборам используемых команд все микропроцессоры можно разделить на две группы: • МП с полным набором команд (англ. Compete Instruction Set Computer – CISC); • МП с сокращенным набором команд (англ. Reduced Instruction Set Computer – RISC). В МП типа CISC используется широкий набор команд с развитыми средствами адресации.
Сами команды могут иметь одно, двух и трехбайтовый (иногда даже четырехбайтовый) формат, т.е. поле кода операции команды имеет различную длину. При этом система команд, как правило, не является ортогональной, т.е. не все команды могут использовать любой из способов адресации применительно к любому из регистров МП.
Выборка команды на исполнение осуществляется побайтно в течение нескольких циклов (такт) работы МП. Количество таких циклов может быть различным и обычно составляет от 1 до 12 циклов. В МП типа RISC используется сокращенный набор команд. Для выполнения более сложных операций приходится использовать комбинации этих команд.
Сами команды имеют фиксированную длину (например, 12, 14 или 16 бит), выборка команды из памяти и ее исполнение осуществляется за один цикл (такт) синхронизации. Большинство команд выполняют простые операции типа «регистр-регистр», обращение к оперативной памяти происходит только для загрузки данных в регистр и записи результата в оперативную память.
Это позволяет уменьшить число элементов и объем ПЗУ микропрограмм, необходимых для декодирования и выполнения сложных команд. Как следствие, размеры МП типа RISC меньше и, соответственно, стоимость ниже, чем у МП типа CISC, а цикл его разработки обычно короче.
По числу БИС (СБИС) в микропроцессорном комплекте различают однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные МП. Однокристальный МП представляет собой одну БИС (СБИС), в которой реализованы все аппаратные средства процессора.
Очевидно, что возможности однокристальных МП определяются ограниченными ресурсами самого кристалла и его корпуса (количество выводов СБИС). Для создания многокристального МП необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать каждую из них в виде БИС (СБИС).
Функциональная законченность БИС многокристального МП означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно. Разбиение логической структуры можно выполнить двумя способами: • разделить логическую структуру на функционально законченные части: операционное устройство, память, устройство управления.
Связать функционально законченные части шинами для обмена информацией; • разместить на кристалле все функциональные блоки, но малой разрядности (например, 2 или 4 бита). Каждая такая микросхема дополняется входами/выходами, позволяющими соединять подобные микросхемы друг с другом.
Секционирование БИС МП позволяет наращивать разрядность обрабатываемых данных или усложнять устройство управления МП путем «параллельного» включения требуемого количества таких БИС. По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые МП.
Поскольку МП являются цифровыми устройствами, входные аналоговые сигналы должны предварительно преобразовываться в цифровую форму (с помощью встроенных АЦП). Затем преобразованная информация подвергается обработке, после чего результат обработки преобразуется в аналоговую форму (с помощью встроенных ЦАП) и поступает на выход.
С архитектурной точки зрения такие МП представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов, поэтому и называются аналоговыми МП. Они выполняют функции любой сложной аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д.), состоящей из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и др.
При этом применение аналогового МП значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной «настройки» цифровой части МП на различные алгоритмы обработки сигналов. По характеру временнóй организации работы МП делят на синхронные и асинхронные.
В синхронных МП начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (УУ), т.е. время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов. В асинхронных МП начало выполнения каждой следующей операции определяется по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.
Для повышения эффективности использования устройств в асинхронных МП в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономный режим работы этих устройств. Закончив выполнение какой-либо операции, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль распределителя работ (операций) выполняет память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы от остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными. По числу разрядов шины данных МП разделяют на 8, 16, 32, 64- разрядные.
В закладки
Разместил пособие
vitalik_vitalik_ivanov_1981_iva
Эксперт по предмету «Микропроцессорная техника»
Поделись лекцией и получи скидку 30% на платформе Автор24
Заполни поля и прикрепи лекцию. Мы вышлем промокод со скидкой тебе на почту
Твоя лекция отправлена! Жди скидку на почте. Есть еще материалы? Загрузи прямо сейчас
Загрузить еще лекции
Поделись лекцией и получи промокод на скидку 30% на платформе Автор24
Заполни поля и прикрепи лекцию. Мы вышлем промокод со скидкой тебе на почту
Твоя лекция отправлена! Жди скидку на почте. Есть еще материалы? Загрузи прямо сейчас
Источник: spravochnick.ru
3 Программирование – программное обеспечение микропроцессорных систем управления
Микропроцессор — программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное в виде одной (или нескольких) интегральной схемы с высокой степенью интеграции электронных элементов.
Микропроцессор характеризуется большим числом параметров, поскольку он одновременно является сложным программно-управляемым устройством и электронным прибором (микросхемой). Поэтому для микропроцессора важны, как тип корпуса, так и система команд процессора. Возможности микропроцессора определяются понятием архитектуры микропроцессора.
Микропроцессорная система работает с цифровой информацией, которая представляет собой последовательность цифровых кодов.
В основе любой микропроцессорной системы лежит микропроцессор, который способен воспринимать только двоичные числа (составленные из 0 и 1). Двоичные числа записываются посредством двоичной системы счисления. Например, в повседневной жизни мы пользуемся десятичной системой счисления, в которой для записи чисел используются десять символов или цифр 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Соответственно в двоичной системе таких символов (или цифр) всего два – 0 и 1.
Необходимо понимать, что система счисления – это всего лишь правила записи чисел, и выбор типа системы определятся удобством применения. Выбор двоичной системы обусловлен её простотой, а значит надёжностью работы цифровых устройств и лёгкостью их технической реализации.
Основу микропроцессорной системы составляет микропроцессор (процессор), который выполняет функции обработки информации и управления. Остальные устройства, входящие в состав микропроцессорной системы, обслуживают процессор, помогая ему в работе.
Обязательными устройствами для создания микропроцессорной системы являются порты ввода/вывода и отчасти память. Порты ввода/вывода связывают процессор с внешним миром, обеспечивая ввод информации для обработки и вывод результатов обработки, либо управляющих воздействий. К портам ввода подключают кнопки (клавиатуру), различные датчики; к портам вывода — устройства, которые допускают электрическое управление: индикаторы, дисплеи, контакторы, электроклапаны, электродвигатели и т.д.
Память нужна в первую очередь для хранения программы (либо набора программ), необходимой для работы процессора. Программа — это последовательность команд, понятных процессору, написанная человеком (чаще программистом).
Структура микропроцессорной системы представлена на рисунке 1. В упрощённом виде процессор состоит из арифметически-логического устройства (АЛУ), осуществляющего обработку цифровой информации и устройства управления (УУ).
Память обычно включает постоянно-запоминающее устройство (ПЗУ), являющееся энергонезависимым и предназначенное для долговременного хранения информации (например, программ), и оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное для временного хранения данных.
Рисунок 4 – Структура микропроцессорной системы
Процессор, порты и память взаимодействуют между собой посредством шин. Шина – это набор проводников, объединённых по функциональному признаку. Единый набор системных шин называют внутрисистемная магистраль, в которой выделяют:
- шину данных DB (Data Bus), по которой производится обмен данными между ЦП, памятью и портами;
- шину адреса AB (Address Bus), используемой для адресации процессором ячеек памяти и портов;
- шину управления CB (Control Bus), набор линий, передающих различные управляющие сигналы от процессора на внешние устройства и обратно.
Микропроцессорная система управления как числовой исполнитель способен выполнять некоторые функционально завершенные последовательности действий над числами — операндами. Эти последовательности маркируются (обозначаются) тем же «языком» чисел, который воспринимается устройством управления микропроцессорных систем управления. Число-маркер, поставленное в соответствие некоторой последовательности действий микропроцессорной системы управления по обработке информации в рамках своей структуры, называется кодом операции, а сама последовательность – командой.
Полный набор команд, которые способна выполнять микропроцессорная системы управления, носит название системы команд.
Программой называется последовательность действий конкретного элемента микропроцессорных систем управления, описанная в терминах его команд.
Таким образом, принципиальным достоинством МП является его программируемость, т.е. возможность настройки на конкретный вид преобразований входного информационного потока. Необходимое условие программируемости — возможность описать любое действие с требуемой для МП степенью детализации (до команд).
На заре возникновения вычислительной техники большую часть затрат при разработке составляли аппаратные средства. В настоящее время при создании микропроцессорных систем управления свыше 90% затрат приходится на программное обеспечение (ПО), так как совершенствовались технологии производства аппаратных средств, а труд программиста оставался таким же затратным. Поэтому одним из условий успешного внедрения микропроцессорных систем управления является наличие уже разработанного и хорошо развитого программного обеспечения под выбранный микропроцессорный комплект, которое обычно состоит из двух частей: резидентной и кросс-обеспечения.
Резидентное программное обеспечение — это совокупность программ, разработанных для конкретной микропроцессорной системы управления на языке используемого в ней процессора. К нему можно отнести:
- программы самодиагностики для контроля правильности функционирования данной микропроцессорной системы управления;
- прикладные программы, непосредственно реализующие функции, возлагаемые на систему пользователями (управление объектами, проектирование изделий и многое другое);
- операционная система, обеспечивающая как организацию совместного функционирования всех элементов ее структуры (монитор, включающий в себя драйверы внешних устройств – программы, реализующие информационно-логическое сопряжение вычислительного устройства с ним), так и распределение ресурсов микропроцессорных систем управления между прикладными программами (процессами) пользователя (супервизорная часть);
- среды разработки программного обеспечения, представляющие собой комплекс программ, необходимых для создания программного обеспечения микропроцессорных систем управления: текстовые редакторы; трансляторы, осуществляющие перевод исходного текста программы на формальном языке в исполняемую программу на языке процессора; отладчики, позволяющие различными методами находить ошибки в разрабатываемом программном обеспечении. При этом средства отладки должны управлять исполнением программы (останавливать, изменять порядок, запускать), собирать информацию о ходе ее выполнения, обеспечивать диалог между программистом и электронно-вычислительной машиной на уровне языка программирования.
Другую большую часть программного обеспечения микропроцессорного комплекта составляет кросс-обеспечение — это совокупность программ для разработки и отладки резидентного программного обеспечения микропроцессорных систем управления на микропроцессорную систему управления с другим типом микропроцесса. К ним относятся:
- текстовый редактор, обеспечивающий ввод в кросс-систему и корректировку программы пользователя на исходном языке;
- интерпретатор, осуществляющие перевод программы с исходного языка в команды микропроцессорных систем управления с одновременным их исполнением;
- дизассемблер — транслятор, осуществляющий обратное преобразование исполняемой программы с языка команд микропроцессорных систем управления на формальный язык – Ассемблер;
- программный эмулятор, позволяющие промоделировать работу микропроцессорной системы управления и прочих аппаратных средств разрабатываемой микропроцессорной системой управления на другой электронно-вычислительной машине,
и многое другое.
Картирование памяти микропроцессорных систем управления является очень важным этапом в ее разработке и связано с распределением частей программного обеспечения в адресном пространстве запоминающего устройства микропроцессорных систем управления. Правильное картирование памяти обеспечивает не только компактность программы и, как следствие, малую долю ошибок и повышенное быстродействие исполнения, но также может привести к ограничениям на будущее совершенствование системы.
Обычно разработка целевой программы ведется по частям, каждая из которых выполняет определенную функцию. Здесь можно указать следующие блоки:
— реализации обмена между микропроцессорной системой управления и ВУ (монитор с входящими в него драйверами — подпрограммами, преобразующими формат данных при передаче их от одного вычислительного устройства или микропроцессора к другому);
— планирования, распределения и управления использованием ресурсов микропроцессорных систем управления (супервизор) и др.
Кроме того, в запоминающем устройстве микропроцессорных систем управления выделяются поля под хранение постоянной (таблицы и константы) и оперативно изменяющейся информации (рабочие ячейки). Применение подпрограмм значительно сокращает потребность в запоминающем устройстве.
Обычно при разработке специализированной микропроцессорной системой управления некоторым технологическим объектом программу работы микропроцессорных систем управления и константную информацию хранят в постоянном запоминающем устройстве, сохраняющем ее при отключении питания, а оперативные данные и стек реализуют в оперативном запоминающем устройстве.
Источник: studfile.net
Программное обеспечение микропроцессора
Программным обеспечением принято называть набор различных программ, предназначенных для определенного микропроцессора, как, впрочем, и для любого компьютера или ЭВМ. Программы, разработанные и используемые для специальных целей, например программы управления технологическим оборудованием, сбора информации о ходе производственного процесса, называют прикладными (целевыми, пользовательскими). Разработка таких программ значительно облегчается при наличии в составе системы вспомогательных средств – системного программного обеспечения или операционной системы.
Квалифицированный пользователь может сам разработать системное программное обеспечение для создания и отладки своих программ. Однако большинство пользователей вынуждено ориентироваться только на готовое программное обеспечение, предоставляемое производителями микропроцессоров.
Для создания программы управления технологическими процессами может быть использован один из следующих способов: программирование непосредственно в машинных кодах, символическое кодирование, применение машино–ориентированного формализованного языка, применение проблемно– или процедурно–ориентированных алгоритмических языков высокого уровня.
Эти способы требуют различных по сложности вспомогательных средств для разработки программ.
Первым и единственным безусловно необходимым средством, обеспечивающим программирование микропроцессоров, является система машинных команд. Совокупность машинных команд образует базовый машинный язык данного микропроцессора.
Разработчик системы управления может оперировать мнемокодами и символическими адресами, но затем они должны быть переведены в двоичные числа, загружаемые в память микропроцессорной системы. Мнемокоды совместно с директивами, используемыми только при трансляции программ, образуют машинно – ориентированный язык, который называют языком ассемблера или просто ассемблером. Программы, написанные на ассемблере могут непосредственно транслироваться в машинные коды. Трансляция выполняется в ручную или на ЭВМ с системным программным обеспечением. Программа, которая транслирует написанный на ассемблере текст в машинные коды, также называется ассемблером.
Характерной особенностью микропроцессорных систем, связанной с ограниченной емкостью их памяти и небольшим числом устройств ввода – вывода, является отсутствие собственного системного программного обеспечения для машинной разработки прикладных программ. В этом случае для разработки этих программ может использоваться не сама микропроцессорная система, а какая – то большая ЭВМ с обширной памятью и развитым программным обеспечением. Такой подход называют кросс– программным обеспечением.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Источник: studopedia.ru