В.В. Филинов - Основы микропроцессорной техники

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

В.В. Филинов

«Основы микропроцессорной техники»

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва-2012

УДК 681.32

ББК Н73

Рекомендовано к изданию в качестве учебного пособия редакционно-издательским советом МГУПИ

Рецензенты:

д.т.н, профессор Покровский А.Д. (профессор кафедры «Электротехника и интроскопия» МЭИ – Московского энергетического института)

В.В. Филинов

«Основы микропроцессорной техники»

Учебное пособие. М.: МГУПИ, 2012.

Рассматриваются вопросы функционирования, организации обмена информацией, программирования микропроцессорных систем; особенности их функционирования в виде контроллеров и персональных компьютеров.

Учебное пособие представляет собой краткий курс лекций по общетехническим дисциплинам «Электротехника и электроника», «Электроника и микропроцессорная техника» по разделу «Основы микропроцессорной техники» и подготовлено на основе использования специальных курсов этой дисциплины [1.2].

Предназначено для подготовки бакалавров технических направлений в МГУПИ

Утверждено и рекомендовано решением УМС факультета приборостроения и радиоэлектроники МГУПИ в качестве учебного пособия

© Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики, 2012

© Филинов В. В., 2012

Оглавление

1. Идеология функционирования микропроцессорной техники .....................................................4

1.1. Требования к микропроцессорной системе.......................................................................................4

1.2. Что такое микропроцессор?.................................................................................................................6

1.3. Шинная структура связей.....................................................................................................................8

1.4. Режимы работы микропроцессорной системы .............................................................................. 12

1.5. Архитектура микропроцессорных систем ...................................................................................... 17

1.6. Типы микропроцессорных систем .................................................................................................. 18

2. Организация обмена информацией ................................................................................................ 21

2.1. Идеология организации обмена информацией.............................................................................. 21

2.2. Шины микропроцессорной системы .............................................................................................. 22

2.3. Циклы обмена информацией ........................................................................................................... 24

2.3.1. Циклы программного обмена ....................................................................................................... 24

2.3.2. Циклы обмена по прерываниям ................................................................................................... 26

2.3.3. Циклы обмена в режиме ПДП ...................................................................................................... 29

2.4. Прохождение сигналов по магистрали ........................................................................................... 31

2.5. Функции устройств магистрали ...................................................................................................... 32

2.5.1. Функции процессора ...................................................................................................................... 32

2.5.2. Функции памяти ............................................................................................................................. 38

2.5.3. Функции устройства ввода/вывода .............................................................................................. 43

3. Идеология программирования и функционирования узлов процессора ............................... 45

3.1. Адресация операндов ....................................................................................................................... 46

3.2. Регистры процессора ........................................................................................................................ 50

3.3. Система команд процессора ............................................................................................................ 51

3.4. Быстродействие процессора ............................................................................................................ 56

4. Организация микроконтроллеров ................................................................................................. 57

4.1. Классификация и структура микроконтроллеров ........................................................................ 57

4.2. Процессорное ядро микроконтроллера ......................................................................................... 58

4.2.1. Структура процессорного ядра МК ............................................................................................ 58

4.2.2. Система команд процессора МК ................................................................................................. 61

4.2.3. Схема синхронизации МК ........................................................................................................... 62

4.3. Память программ и данных МК ..................................................................................................... 62

4.3.1. Память программ ........................................................................................................................... 62

4.3.2. Память данных ............................................................................................................................... 64

4.3.3. Регистры МК .................................................................................................................................. 64

4.3.4. Стек МК .......................................................................................................................................... 65

4.3.5. Внешняя память ............................................................................................................................. 65

4.4. Порты ввода/вывода ......................................................................................................................... 65

4.5. Таймеры и процессоры событий ..................................................................................................... 66

4.6. Модуль прерываний МК .................................................................................................................. 67

5. Организация персонального компьютера..................................................................................... 68

5.1. Архитектура персонального компьютера....................................................................................... 68

5.2. Процессоры персональных компьютеров..................................................................................... 72

Словарь терминов и определений ........................................................................................................ 82

Список рекомендуемой литературы .................................................................................................... 89

1. Идеология функционирования микропроцессорной техники

1.1 Требования к микропроцессорной системе

Основные определения:

электронная система — в данном случае это любой электронный узел, блок, прибор или комплекс, производящий обработку информации;

задача — это набор функций, выполнение которых требуется от электронной системы;

быстродействие — это показатель скорости выполнения электронной системой ее функций;

гибкость — это способность системы подстраиваться под различные задачи;

избыточность — это показатель степени соответствия возможностей системы решаемой данной системой задаче;

интерфейс — соглашение об обмене информацией, правила обмена информацией, подразумевающие электрическую, логическую и конструктивную совместимость устройств, участвующих в обмене (другое название — сопряжение).

Микропроцессорная система может рассматриваться как частный случай электронной системы, предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов (рис. 1.1). В качестве входных и выходных сигналов при этом могут использоваться аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигналы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Внутри системы может производиться хранение, накопление сигналов (или информации), но суть от этого не меняется. Если система цифровая (а микропроцессорные системы относятся к разряду цифровых), то входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательности кодов выборок с помощью АЦП, а выходные аналоговые сигналы формируются из последовательности кодов выборок с помощью ЦАП. Обработка и хранение информации производятся в цифровом виде.

Характерная особенность традиционной цифровой системы состоит в том, что алгоритмы обработки и хранения информации в ней жестко связаны со схемотехникой системы. То есть изменение этих алгоритмов возможно только путем изменения структуры системы, замены электронных узлов, входящих в систему, и/или связей между ними. Например, если нам нужна дополнительная операция суммирования, то необходимо добавить в структуру системы лишний сумматор. Или если нужна дополнительная функция хранения кода в течение одного такта, то мы должны добавить в структуру еще один регистр. Естественно, это практически невозможно сделать в процессе эксплуатации, обязательно нужен новый производственный цикл проектирования, изготовления, отладки всей системы. Именно поэтому традиционная цифровая система часто называется системой на жесткой логике.

Рис. 1.1. Электронная система.

Любая система на жесткой логике обязательно представляет собой специализированную систему, настроенную исключительно на одну задачу или (реже) на несколько близких, заранее известных задач. Это имеет свои бесспорные преимущества.

Во-первых, специализированная система (в отличие от универсальной) никогда не имеет аппаратурной избыточности, то есть каждый ее элемент обязательно работает в полную силу (конечно, если эта система грамотно спроектирована).

Во-вторых, именно специализированная система может обеспечить максимально высокое быстродействие, так как скорость выполнения алгоритмов обработки информации определяется в ней только быстродействием отдельных логических элементов и выбранной схемой путей прохождения информации (именно логические элементы всегда обладают максимальным на данный момент быстродействием).

Но в то же время большим недостатком цифровой системы на жесткой логике является то, что для каждой новой задачи ее надо проектировать и изготавливать заново. Это процесс длительный, дорогостоящий, требующий высокой квалификации исполнителей. А если решаемая задача вдруг изменяется, то вся аппаратура должна быть полностью заменена. В нашем быстро меняющемся мире это довольно расточительно.

Путь преодоления этого недостатка довольно очевиден: надо построить такую систему, которая могла бы легко адаптироваться под любую задачу, перестраиваться с одного алгоритма работы на другой без изменения аппаратуры. И задавать тот или иной алгоритм мы тогда могли бы путем ввода в систему некой дополнительной управляющей информации, программы работы системы (рис. 1.2). Тогда система станет универсальной, или программируемой, не жесткой, а гибкой. Именно это и обеспечивает микропроцессорная система.

Рис. 1.2. Программируемая (она же универсальная) электронная система.

Но любая универсальность обязательно приводит к избыточности. Ведь решение максимально трудной задачи требует гораздо больше средств, чем решение максимально простой задачи. Поэтому сложность универсальной системы должна быть такой, чтобы обеспечивать решение самой трудной задачи, а при решении простой задачи система будет работать далеко не в полную силу, будет использовать не все свои ресурсы. И чем проще решаемая задача, тем больше избыточность, и тем менее оправданной становится универсальность. Избыточность ведет к увеличению стоимости системы, снижению ее надежности, увеличению потребляемой мощности и т.д. Кроме того, универсальность, как правило, приводит к существенному снижению быстродействия. Оптимизировать универсальную систему так, чтобы каждая новая задача решалась максимально быстро, попросту невозможно. Общее правило таково: чем больше универсальность, гибкость, тем меньше быстродействие. Более того, для универсальных систем не существует таких задач (пусть даже и самых простых), которые бы они решали с максимально возможным быстродействием. За все приходится платить.

Таким образом, можно сделать следующий вывод. Системы на жесткой логике хороши там, где решаемая задача не меняется длительное время, где требуется самое высокое быстродействие, где алгоритмы обработки информации предельно просты. А универсальные, программируемые системы хороши там, где часто меняются решаемые задачи, где высокое быстродействие не слишком важно, где алгоритмы обработки информации сложные. То есть любая система хороша на своем месте.

Однако за последние десятилетия быстродействие универсальных (микропроцессорных) систем сильно выросло (на несколько порядков). К тому же большой объем выпуска микросхем для этих систем привел к резкому снижению их стоимости. В результате область применения систем на жесткой логике резко сузилась. Более того, высокими темпами развиваются сейчас программируемые системы, предназначенные для решения одной задачи или нескольких близких задач. Они удачно совмещают в себе как достоинства систем на жесткой логике, так и программируемых систем, обеспечивая сочетание достаточно высокого быстродействия и необходимой гибкости.

1.2. Что такое микропроцессор?