Сделай Сам Свою Работу на 5

Структура и функционирование микропроцессорных систем





 

Микропроцессором (МП)называют построенное на одной или нескольких
БИС/СБИС программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс об
работки информации и управление им.

Решаемая задача определяется реализуемой МП программой, структура
микропроцессорной системы остается неизменной, что и определяет ее
универсальность.

Микропроцессоры появились, когда уровень интеграции ИС достиг значений, при которых необходимые для программной реализации алгоритмов
блоки удалось разместить на одном или нескольких кристаллах. МП - цен-
тральный процессорный элемент микропроцессорной системы (микро-
ЭВМ), в которую также входят память и устройства ввода/вывода (внешние
устройства).

Совокупность БИС/СБИС, пригодных для совместного применения в со-
ставе микроЭВМ, называют микропроцессорным комплектом БИС/СБИС
(МПК). Понятие МПК задает номенклатуру микросхем с точки зрения возможностей их совместного применения (совместимость по архитектуре, электрическим параметрам, конструктивным признакам и др.). В состав
МПК могут входить микросхемы различных серий при условии их совместимости.



В микропроцессорной системе(МПС) организуется процесс выполнения заданной программы. Самые разные задачи решаются путем выполнения
последовательности команд, свойственных данному микропроцессору (входящих в его систему команд). Вычислительные, контрольно-измерительные или управляющие системы, обрабатывающим элементом которых служит МП, относятся к числу МПС.

Практически всегда структура МПС является магистрально-модульной. В такой структуре имеется группа магистралей (шин), к которым подключаются
различные модули (блоки), обменивающиеся между собой информацией
поочередно, в режиме разделения времени.

Термин "шины" относится к совокупности цепей (линий), число которых
определяет разрядность шины.

Типична трехшинная структураМПС с шинами адресов ША, данных ШД и управления ШУ. Наряду с русскими терминами применяются английские
АВ (Address Bus), DB (Data Bus) и СВ (Control Bus).

На рис. 4.2 показана структура микропроцессорной системы с микропроцессором, имеющим мультиплексируемую шину адресов/данных (например, МП K1821BM85A).



Выводы микропроцессора A15-8 являются адресными, через них в систему передается старший байт 16-разрядного адреса. В эту шину включен формирователь с постоянно открытым по входу разрешением EN, выполненный на базе буферного регистра ИР82. Шинный формирователь обеспечивает работу шины на нагрузку, образуемую внешними цепями и устройствами. Собственной нагрузочной способности у выводов МП, как правило, не хватает.

Выходы микропроцессора AD7-0 предназначены для формирования младшего байта адреса A7-0 и байта данных D7-0. При этом выводы AD7-0 мультиплексируются. Вначале они используются для передачи младшего байта адреса, признаком чего служит наличие сигнала ALE (Address Latch Enable), загружающего этот байт в регистр ИР82.

После загрузки регистра сигнал ALE снимается, и содержимое регистра остается неизменным вплоть до новой загрузки в следующем цикле работы
процессора. Так формируется 16-разрядная шина адреса, содержащая адрес
AD15-0. Этот адрес используется блоками постоянной и оперативной памяти
ROM и RAM.

Адресация портов ввода и вывода данных требует восьмиразрядного адреса, что соответствует возможности работы с 256 портами каждого из типов. Адрес портов можно снимать с любой половины адресной шины (во взятом для примера МП состояния обоих полушин адреса при адресации портов дублируются).

Рис. 4.4. Структура микропроцессорной системы

После передачи младшего байта адреса шина AD7-0 используется для передачи данных. Передача данных носит двунаправленный характер. Направление передачи данных задается режимом буфера данных BD в зависимости от логического уровня сигнала Т (Transit). При активном состоянии сигнала чтения RD (Read) данные передаются справа налево, при пассивном – данные передаются обратном направлении. К шине данных подключены информационные выводы всех модулей МПС.



Выводы x1 и x2служат для подключения кварцевого резонатора или иных
контуров, задающих частоту тактового генератора, расположенного на кристалле микропроцессора.

Вход микропроцессора RESIN является входом асинхронного сброса, приводящим МП в исходное состояние. Сброс микропроцессора может быть осуществлен вручную путем замыкания ключа К, а также автоматически при включении питания UСС. В этом случае благодаря цепочке RC напряжение на входе RESIN нарастает постепенно, и в течение некоторого времени после включения питания остается низким (ниже порогового), что равноценно подаче сигнала RESIN.

Выполняя программу, МП обрабатывает команду за командой. Команда задает выполняемую операцию и содержит сведения об участвующих в ней
операндах. После приема команды происходит ее расшифровка и выполнение, в ходе которого МП получает необходимые данные из памяти или
внешних устройств. Ячейки памяти и внешние устройства (порты) имеют
номера, называемые адресами, которыми они обозначаются в программе.

По однонаправленной адресной шине ША микропроцессор посылает адреса, определяя объект, с которым будет обмен, по шине данных ШД (двунаправленной) микропроцессор обменивается данными с модулями (блоками) системы, по шине управления ШУ идет обмен управляющей информацией.

Постоянное запоминающее устройство (ОЗУ - ROM) хранит фиксированные программы и данные, является энергонезависимым и при выключении питания информация сохраняется.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ - RAM) хранит оперативные данные (изменяемые программы, промежуточные результаты вычислений и др.), является энергозависимым и теряет информацию при выключении питания. Для приведения системы в работоспособное состояние после включения питания в ОЗУ следует загрузить необходимую информацию.

Устройства ввода-вывода (УВВ) и внешние устройства (ВУ) - технические средства для передачи данных извне в МП или память либо из МП или памяти во внешнюю среду. Для подключения ВУ необходимо привести их сигналы, форматы слов, скорость передачи и т. п. к стандартному виду, воспринимаемому данным МП. Это выполняется специальными блоками, которые называются адаптерами(интерфейсными блоками ввода-вывода).

Интерфейсом будем называть совокупность аппаратных и программных
средств, обеспечивающих и унифицирующих процессы обмена между модулями системы.

На схеме (рис. 4.2) модули системы показаны обобщенно. Кроме обозначенных блоков, в состав систем входят обычно и более сложные, чем адаптеры, блоки управления внешними устройствами - контроллеры. К их числу относятся, прежде всего, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти. Имеются также контроллеры клавиатуры, дисплея, дисковой памяти и т.д.

Контроллеры прерываний обеспечивают обмен с внешними устройствами в режиме прерывания (временной остановки) выполняемой программы для обслуживания запроса от внешнего устройства.

Контроллеры прямого доступа к памяти обслуживают режим прямой связи между внешними устройствами и памятью без участия МП. При управлении обменом со стороны МП пересылка данных между внешними устройствами и памятью происходит в два этапа — сначала данные принимаются микропроцессором, а затем выдаются им на приемник данных. В режиме прямого доступа к памяти МП отключается от шин системы и передает управление ими контроллеру прямого доступа, а передача данных осуществляются в один этап — непосредственно от источника к приемнику.

В состав МПС часто входят также программируемые таймеры, формирующие различные сигналы (интервалы, последовательности импульсов и т. д.) для проведения операций, связанных со временем.

Микроконтроллеры

 

Микроконтроллеры (МК) - разновидность микропроцессорных систем (микроЭВМ), ориентированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами. В сравнении с универсальными микроЭВМ структура микроконтроллеров проще, в них оказалось возможным разместить практически все функциональные элементы на одном кристалле, что 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.

Микроконтроллер отличается от микроЭВМ универсального назначения прежде всего тем, что имеет сравнительно 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, для размещения программ им требуется емкость памяти, на несколько порядков меньше, чем у микроЭВМ универсального 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.

Сопоставляя микропроцессор (т.е. центральный процессорный элемент
системы) и МК (т.е. микросхему простой системы в целом) с точки зрения
'коммерческих потребностей, можно четко видеть преобладание 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.

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). 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 персональных компьютеров и серверов 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.

Рис. 4.4.Структура микроконтроллера АТ89С

Несмотря на появление новых моделей 16- и 32-разрядных микроконтроллеров, наибольший успех на рынке остается за 8-разрядными (см. рис. 1.2). Сейчас около половины рынка МК (приблизительно 6 млрд. долларов) остается за этими МК, что означает их лидирование с большим отрывом относительно представителей других семейств.

Диапазоны емкостей памяти, как и частот генератора тактовых импульсов
ГТИ, приведенные на рис. 4.3, характеризуют параметры представителей
семейства от младшего до старшего. При необходимости возможно подключение внешних БИС ПЗУ, ОЗУ для расширения пространства памяти.
Средства ввода/вывода представлены 4 параллельными портами (32 линии)
и линиями TxD (выход передатчика) и RxD (вход приемника) для последовательного ввода/вывода. В состав МК входят 2-3 таймера-счетчика (16-разрядных), которые дают системные метки времени и отрабатывают интервалы времени. Для сокращения ширины физического интерфейса функции линий параллельных портов совмещены, и в разных режимах имеют разное назначение.

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.

Несмотря на коммерческое преобладание микроконтроллеров над микропроцессорами, в дальнейшем будем рассматривать особенности работы микропроцессора и набор интерфейсных схем (адаптеров, контроллеров), входящих в микропроцессорную систему. Это объясняется тем, что, микропроцессорный комплект микросхем, рассчитанный на построение микропроцессорной системы универсального назначения, полнее иллюстрирует как работу блоков, так и особенности решения задач управления памятью и внешними устройствами, организации системы прерываний, реализации прямого доступа к памяти и т.д. В микроконтроллерах перечисленные и другие задачи решаются в ограниченной степени и более простыми средствами, поэтому знание универсальных микросхем, рассчитанных на построение микропроцессорных систем, позволяет легко осваивать и микроконтроллерную технику.

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.