Часть2 (Рябов В.Т. - Комплексная разработка механических, электронных и программных компонентов ТО), страница 2

Для работымикропроцессора необходима память, в которой содержится набор необходимых для выполнения инструкций или команд. Каждая команда содержит ее код, дополненный при необходимости адресами операндов, поэтому длина команд может быть различной. Например, дляпростейшей команды «уменьшить содержимое аккумулятора на единицу» достаточно задатьтолько ее код, а команда «прибавить к #32 #86» должна, помимо кода, содержать еще и операнды #32 и #86. Не вдаваясь пока в подробности и особенности адресации операндов (символ «#» - признак непосредственной адресации, когда значения операндов идут непосредственно за кодом команды), пока отметим, что в команде, помимо ее кода может быть и ещечто-то.Внутри себя микропроцессор содержит набор специальных регистров и регистровобщего назначения.

Разрядность регистров микропроцессора наряду с его тактовой частотойво многом определяют его параметры. Восьмиразрядные микропроцессоры способны обрабатывать восьмиразрядные слова или байты, 16-и разрядные способны проводить действия смашинным словом в два байта. Тактовая частота определяется частотой тактового генератора, сигналы которого инициируют работу микропроцессора. Свой цикл работы или машинный цикл микропроцессор выполняет за несколько тактов, совершая при этом простейшее завершенное действие или простую (короткую) команду, например очистить аккумулятор CLR A.

Число тактов на цикл у микропроцессоров различно и составляет от 1-2 у микропроцессоров RISC-архитектуры до 12-и и более у процессоров классической многотактовойархитектуры.Среди специальных регистров прежде всего выделим счетчик команд РС (Program6Counter) или (Program Calculator). Он определяет объем адресного пространства памяти, скоторой способен работать микропроцессор.

Это неотъемлемая часть любого микропроцессора и микроконтроллера. Алгоритм работы микропроцессора таков:1. Считать из памяти содержимое ячейки, адрес которой содержится в счетчике командРС и интерпретировать считанное значение, как код команды.2. По коду команды определить ее длину, содержит ли команда, кроме кода, операндыили их адреса и определить адрес следующего кода команды.3. Установить на РС адрес кода следующей команды.4. Дочитать содержимое команды и выполнить предписанные действия.5. Перейти на 1.Любой микропроцессор имеет вывод Reset, который служит для установки процессорав начальное состояние.

При этом в счетчике команд устанавливается предопределенное начальное значение. Для большинства микропроцессоров это 0. Хотя, наиболее распространенные микропроцессоры семейств Х86, которому относится и Pentium, при сбросе устанавливают на счетчике команд F0000H. Достаточно счетчику команд сбиться и ввести вместокода команды любую другую ее часть, как микропроцессор сам уже не восстановит своегоправильного функционирования. Современные операционные системы иногда еще могутсделать что-то по восстановлению нормальной работы, мы будем касаться защиты и восстановления после программных сбоев, но в простейшем случае для восстановления нужно просто начать сначала и активизировать вывод Reset.Важным регистром микропроцессора является аккумулятор А, в котором он проводит все предписываемые кодом команды действия. Это основной регистр арифметикологического устройства микропроцессора.

У некоторых микропроцессоров (например, фирмы Motorola) два аккумулятора. В СССР в 80-х годах производились микропроцессоры семейства 1801, в которых все восемь регистров общего назначения были полностью универсальны и любой из них мог выполнять роль счетчика команд или аккумулятора. В настоящеевремя выпускаются 1806ВМ2 – БИС 16-разрядного микропроцессора с архитектурой, совместимой с микроЭВМ LCI-11 фирмы DEC.В любом микропроцессоре есть регистр состояния или слово состояния процессораPSW (Processor Status Word). Даже в универсальном процессоре серии 1801 он был обособлен.

Отдельные биты этого слова или, как их называют флаги, устанавливают свое значенияпо результатам проведенного действия. Мы еще будем подробно изучать слово состояния ифлаги микроконтроллеров семейства MCS-51. Пока, просто для общего представления: естьфлаг переполнения аккумулятора O (Overlay), флаг нулевого результата Z (Zero), флаг арифметического переноса или заема и т.п. Эти флаги широко используются системными программистами для построения арифметических действий со словами двойной или большейдлины, для управления работой периферийных и внутренних устройств ЭВМ, прикладныеже программисты используют их в своих программах реже.Регистр указатель данных содержит адреса операндов, над которыми следует произвести предписанные программой действия.

Иногда регистры указатели данных называютиндексными регистрами. Методов адресации операндов достаточно много.1. Подразумеваемая или регистровая адресация, когда адрес операнда определен вединственном слове кода команды, например увеличить содержимое аккумулятора на единицу INC A. У МК семейства MCS-51 код это однобайтовая команда с кодом 00010111. Или,например, «логическое ИЛИ аккумулятора и регистра» – ORL A, Rn кодируется одним байтом 01001rrr, где rrr – три бита для задания номера регистра от нуля до семи.2. Непосредственная адресация, при которой значение операнда содержится в кодекоманды. ADD A,#10 – прибавить к содержимому аккумулятора число 10. В ассемблере принято, когда содержимое ячейки должно интерпретироваться как операнд, добавлять символрешетку #.

Такая адресация неудобна тем, что команда не универсальна и будет добавлять каккумулятору только константу десять.3. Прямая адресация, когда адрес операндов определен в команде следом за кодом.7Например, «прибавить к содержимому аккумулятора значение ячейки с указанным адресом)ADD A, direct adress. Здесь в слове direct address, следующим за кодом команды указан адресячейки памяти, содержащий операнд. Содержимое ячейки direct address можно изменять ихранить в этой ячейке конкретную переменную процесса.4. Косвенная через указатель данных или косвенно-регисровая адресация проводится через специализированный регистр – указатель данных, который и упоминается в началеэтого абзаца. Здесь, предварительно изменив содержимое указателя данных, можно проводить действия уже с различными переменными. MOVX A,@DPTR – команда микроконтроллеров семества MCS-51, предписывающая поместить в аккумулятор содержимое ячейки, адрес которой содержится в 16-и разряднос регистре-указателе данных.

Символ @ в ассемблере указывает на то, что содержимое ячейки должно интерпретироваться как адрес операнда.5. Косвенная адресация, при которой содержимое следующего за кодом команды слова интерпретируется уже как адрес ячейки памяти, содержащей адрес операнда. Когда содержимое ячейки памяти должно интерпретироваться не как значение (операнд), а как адресоперанда, в ассемблере принято кодировать это не только символом @ пред адресом, но изаключением адреса в скобки - (12345).

Например, при выполнении команды с косвенной адресацией ADD A,(addr) содержимое ячейки с адресом addr будет интерпретироваться как адрес операнда. По сути – оба обозначения @ и () сходны. Здесь также можно работать с различными переменными процесса.6. Все остальные методы приведем кратко в одном пункте, так как в микроконтроллерах рассматриваемого нами семейства они не применяются и полезны для обработки больших массивов информации и матричных действий. Косвенная с поставтоинкрментомADD A, (addr)+ и косвенная с предавтоинкрментом ADD A,+(addr) увеличивают содержимое ячейки (addr) на единицу после или до проведения операции. Есть подобные операции идля уменьшения - автодекремента.Регистр-указатель стека SP (Stack Pounter) указывает на вершину стека микропроцессора.

Стековый механизм передачи управления настолько широко используется вмикропроцессорах, что для его реализации предусмотрен специальный регистр. При переходе к вложенной подпрограмме (исполнении команды CALL addr или при обработке прерывания, содержимое регистра-указателя стека SP увеличивается и значение счетчика команд РС (адрес следующего кода команды, подлежащей исполнению) записывается ввершину стека, затем в РС заносится addr.

При возврате из подпрограммы или прерыванияпоследней отрабатывается команда возврата Return. В различных ассемблерах она кодируется символами RET, RTI и т.п. По этой команде из вершины стека восстанавливается значение счетчика команд, хранившееся в нем до перехода к подпрограмме.Регистры общего назначения (РОН) служат обычно для хранения результатовпромежуточных вычислений. Команды обращения к ним выполняются быстрее, чем обращение к оперативной памяти и занимают меньший объем. Во многих микропроцессорахэти регистры достаточно универсальны и могут выполнять функции выше перечисленных.Так в микропроцессорах серии 1801 универсальность РОН полная, специализирован только регистр PSW.Для реакции микропроцессора на внешние события предусмотрен механизм прерываний, который при их возникновении должен сообщить микропроцессору об этом, а микропроцессор, в свою очередь, запустить подпрограмму обслуживания прерывания, как реакцию на произошедшее событие.

Например, если координатный стол дошел до упора(конечного выключателя), двигатель нужно реверсировать и т.п. Событий, важных для работы системы может быть достаточно много и для каждого нужно запускать свою подпрограмму обслуживания. Как это сделать?Бывает векторная и автовекторная организация прерываний. При автовекторнойорганизации для каждого события, точнее внешнего устройства, фиксирующего эти события предусматривается своя линия запроса прерывания INT_n (INTerrupt).

Внешнее устройство, запрашивающее прерывание INT_n, выставляет на эту линию активный (обычно8низкий) уровень. Микропроцессор, обнаружив на своем выводе INT_n активный уровень:1) заканчивает очередную команду;2) заносит содержимое счетчика команд в стек (в некоторых типах МП в стек при прерываниях заносится и PSW);3) устанавливает на счетчике команд число, соответствующее активной линии прерывания– адрес вектора прерывания;4) обращается к ячейке памяти, адрес которой равен вектору прерываний и из нее и рядапоследующих ячеек памяти считывает адрес входа в подпрограмму обслуживания возникшего прерывания (адрес первой команды кода подпрограммы);5) выполняет подпрограмму обслуживания, которая должна заканчиваться командой возврата из прерывания (обычно в различных ассемблерах она кодируется RETI или RTI);6) встретив команду возврата из прерывания, микропроцессор заносит в свои РС и PSWсохраненные в стеке значения и возвращается к тому месту программного кода, где онбыл до возникновения прерывания.Стековый механизм гарантирует правильный возврат, если прерывание возникло, когда микропроцессор работал не в основной программе, а в какой либо подпрограмме или даже обслуживал другое, менее приоритетное прерывание.Как быть, когда одновременно обнаружено несколько прерываний, ведь фиксацияпрерываний осуществляется обычно на каком-либо такте выполнения очередной команды инескольких прерываний одновременно вполне возможно? Для разрешения таких конфликтовпредусмотрен механизм приоритетов линий.