Устройств. Режимы функционирования

План занятия №63

Тема занятия: «Микропроцессоры и микро ЭВМ»

Цель занятия: изучить устройство и основные принципы работы интегральных микросхем.

Планируемые результаты:

- образовательные – формирование знаний о работе и применении микропроцессоров и микро ЭВМ.

- развивающие - развитие памяти, умение работать со справочными средствами;

- воспитательные – развитие логического мышления, навыков работы со справочной литературой необходимой для будущей профессиональной деятельности, для продолжения образования и самообразования

Вид занятия: лекция

План занятия:

1. Общие сведения о микропроцессорах.
2. Направление развития микро ЭВМ.
3. Технология производства.

Оснащение: доска, мультимедийный комплекс, презентация

Основная литература:

О.1   Немцов М. В., Немцова М.Л.Электротехника и электроника Издание: 8-е изд., стер. М, «Академия ИЦ», 2015

Дополнительная литература:

Д.1    Иванов И.И. и др. Электротехника с основами электроники. Учебник.-СПб.: Издательство «Лань»., 2012г.

Д.3  Харченко В. М, Основы электроники М. 1989

 

Преподаватель: Афанасьев А.В.

Тема занятия: «Микропроцессоры и микро ЭВМ»

План занятия:

1. Общие сведения о микропроцессорах.
2. Направление развития микро ЭВМ.
3. Технология производства.

Вопрос 1. Общие сведения о микропроцессорах.

Современное техническое оборудование предполагает обязательное использование ЭВМ в профессиональной деятельности инженера, конструктора или технолога. Уникальность применения МПС состоит прежде всего в том, что, не изменяя как таковое физическое устройство ЭВМ, ее аппаратуру, можно заставить компьютер выполнять самые различные функции, превращая его либо в систему автоматического проектирования сложных устройств, либо в обучающее устройство, либо в игровой автомат.

Важно помнить, что главный смысл компьютерной революции заключается в качественно новом характере повышения уровня автоматизации в большинстве сфер производственной деятельности, что позволяет повысить производительность труда, снизить себестоимость выпускаемой продукции и значительно сократить ручные операции.

При создании автоматизированных симстем различного назначения в качестве их основы широко используются два класса средств цифровой техники:

а) устройства с жесткой структурой, выполненные на базе цифровых логических схем;

б) электронные вычислительные машины (ЭВМ).

Устройства с жесткой структурой обычно содержат большое число интегральных схем (ИС) малой и средней степени интеграции. Эти схемы устанавливаются на платах, а их выводы соединяются в соответствии с реализуемыми функциями. Любое изменение функций требует изменения схемы (т. е. перепайки соединений, замены ИС), конструкции, проверочных тестов. Поэтому главные недостатки устройств с жесткой структурой - большое время проектирования и изготовления и трудности внесения изменений.

Системы на основе ЭВМ могут легко перестраиваться с реализации одной функции на другую, для этого достаточно составить и занести в память новую программу. При использовании серийных ЭВМ это значительно сокращает сроки проектирования, изготовления и настройки системы. Однако высокая стоимость ЭВМ часто делает экономически нецелесообразной разработку цифровых систем на основе этого подхода.

Успехи полупроводниковой технологии привели к появлению больших интегральных схем (БИС) с плотностью размещения компонентов до десятков тысяч транзисторов на кристалле. Использование БИС позволяет значительно повысить эффективность цифровых систем - увеличить их производительность и надежность, уменьшить габариты, массу, потребляемую мощность. Таким образом появляется возможность устройства с жесткой аппаратной логикой выполнять на основе заказных специализированных БИС. Но стоимость заказных БИС, определяемая объемом их выпуска, является слишком высокой для изготовителей БИС. Поэтому, как правило, заказные БИС экономически невыгодны ни для изготовителей ИС ни для изготовителей цифровых систем. Применение заказных БИС может быть оправдано или при весьма ответственном назначении цифровой системы или при высокой серийности системы или отдельных БИС, например калькуляторов, электронных часов.

Указанные обстоятельства привели к появлению нового подхода к проектированию цмфровых систем - на основе программируемой логики. Этот подход предполагает использование при построении систем стандартной универсальной БИС (одной или нескольких), работающих под программным управлением, которая получила название микропроцессора (МП). Таким образом, если разработчик систем на основе устройств с жесткой структурой для реализации необходимых функций может пользоваться только аппаратными средствами, то при построении систем на основе программируемой логики он получает в свое распоряжение как аппаратные, так и программные средства.

Микро-ЭВМ представляют собой совокупность нескольких ин­тегральных схем с большой степенью интеграции (БИС), взаимо­действующих между собой и с внешними устройствами через ин­формационные каналы.

Процессор - центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ или вычислительной системы, которое выполняет арифметические и логические операции, управляет вычислительным процессом и координирует работу периферийных устройств системы.

Микропроцессор - это обрабатывающее и управляющее устройство, выполненное с использованием технологии БИС (часто на одном кристалле) и обладающее способностью выполнять под программным управлением обработку информации, включая ввод и вывод информации, арифметические и логические операции и принятие решений.

Микропроцессорная БИС - интегральная микросхема, выполняющая функцию МП или его части (БИС с процессорной организацией, разработанная для построения микропроцессорных систем).

Микропроцессорный комплект (МПК) - совокупность микропроцессорных и других интегральных микросхем, совместимых по конструктивно-технологическому исполнению и предназначенных для совместного применения при построении МП, микро-ЭВМ и других средств вычислительной техники.

Контроллер - это микро-ЭВМ с небольшими вычислительными ресурсами, обедненной периферией и упрощенной системой команд ориентированная не на производство вычислений, а на выполнение процедур логического управления различным оборудованием. Контроллеры часто применяют в качестве встраиваемых в различные станки, машины, технологические процессы.

Микроконтроллер - это микропроцессорное устройство ориентированное не на производство вычислений, а на реализацию заданной функции управления.

Микро-ЭВМ - это вычислительная или управляющая система выполненная на основе одного или нескольких МП содержащая БИС постоянной и оперативной памяти, БИС управления вводом и выводом информации и оснащенная необходимым периферийным оборудованием (дисплей, печатающее устройство, накопители на магнитных дисках и т. п.).

В состав простейшей микро-ЭВМ входят центральный процессор, ОЗУ и ПЗУ, порты ввода и вывода, а также дешифраторы, осуществляющие выбор запоминающего устройства и порта ввода — вывода.

Построение микро–ЭВМ или, как часто говорят, ее «архитектуру» поясняет функциональная схема (рис.1.16).

Рис 1.16. Архитектура простейшей микро-ЭВМ

Рассматриваемая схема повторяет функциональную схему микро–ЭВМ с магистральной организацией (рис.1.15), отличаясь более подробной детализацией. Так общая магистраль оказывается представлена здесь совокупностью тр¨х специализированных шин: шины данных, шины адреса и шины управления.

Шина данных (ШД) – является двунаправленной и предназначена для пересылки кодов обрабатываемых данных, а также машинных кодов команд между устройствами ЭВМ. Однонаправленная шина адреса (ША) нес¨т адрес (номер) той ячейки памяти или того порта ввода – вывода, который взаимодействует с микропроцессором. Шина управления нес¨т сигналы управления, обеспечивающие правильное взаимодействие блоков микро–ЭВМ друг с другом и с внешней средой. На рис.1.16 эта шина представлена следующими сигналами:

MEMR – «чтение из памяти»; сигнал подтверждает прием байта данных из памяти в один из регистров микропроцессора;

MEMW – «запись в память»; сигнал извещает память о том, что микропроцессор выставил на шину данных байт, подлежащий записи в память;

I/OR – «чтение из порта ввода»; сигнал подтверждает прием байта данных из порта ввода в определ¨нный регистр микропроцессора;

I/OW – «запись в порт вывода»; сигнал извещает порты вывода о том, что микропроцессор выставил на шину данных байт, подлежащий выводу через какой-либо из портов.

Рассмотренный набор сигналов шины управления является типовым. В конкретной микро-ЭВМ он может быть, как расширен, так и сужен.

Сигнал RESET – «сброс» является сигналом внешнего управления, он приводит микро — ЭВМ в исходное стартовое состояние.

Центральный процессор (ЦП) микро — ЭВМ выполнен на основе микропроцессора (МП). Кроме микропроцессора этот модуль содержит так называемые схемы обрамления. В состав обрамления входят разного рода вспомогательные устройства, обеспечивающие как работу микропроцессора, так и его связь с магистралью микро–ЭВМ.

Центральный процессор, ОЗУ, ПЗУ и порты ввода имеют выходы данных с тремя состояниями или открытым коллектором. Поэтому названные блоки могут либо отключаться (по выходу) от шины данных, либо, наоборот, захватывать эту шину. Центральный процессор управляет мультиплексированием шины данных по шине адреса с помощью дешифратора выбора ЗУ и дешифратора выбора порта. Дешифратор выбора ЗУ генерирует сигнал выбора соответствующего блока памяти (), анализируя старшие биты адреса ячейки памяти, выставленного микропроцессором на шине адреса. Младшие биты адреса обычно подаются параллельно на адресные входы всех блоков памяти. Рассмотренный метод гарантирует присвоение каждой из ячеек памяти своего единственного в системе, уникального адреса, а также непрерывность адресного пространства каждого из блоков памяти. Дешифратор выбора порта генерирует сигнал выбора соответствующего порта (), анализируя адрес порта, выставленный микропроцессором на шине адреса. Следует отметить, что сигналы выбора и используются в микро-ЭВМ не только для мультиплексирования шины данных (то есть для разрешения чтения из того или иного блока), но и для демультиплексирования, то есть для разрешения записи в соответствующий блок.

Представленная схема имеет некоторые отступления от общей функциональной схемы ЭВМ (рис.1.14). Так она не предусматривает прямого обмена информацией между портами ввода – вывода и памятью, минуя центральный процессор (этот вид обмена называют прямым доступом к памяти (ПДП)), а также возможности прерывать выполнение основной программы в микро — ЭВМ для обслуживания запросов внешних устройств. Реализация названных возможностей требует введения в функциональную схему дополнительных устройств — контроллера ПДП и контроллера прерываний, связанных с соответствующими портами.

Мини-ЭВМ (малая ЭВМ) - малогабаритные ЭВМ общего применения малой или средней производительности используемые главным образом для решения несложных инженерно-технических задач. Специализированные мини-ЭВМ используются в системах автоматического управления.

Микропроцессорная система (МП-система) - специализированная информационная или управляющая система, построенная на основе микропроцессорных средств, т. е. набора микропроцессорных схем.

Существуют различные критерии для классификации ЭВМ, из которых наиболее распространены следующие:

По назначению: общего пользования (универсальные), ориентированные на решение разнообразных задач.

По быстродействию: малые (до 100 тыс. операций в секунду), средние (до 500 тыс.), большие (до 1,5 млн.), сверхбольшие (свыше 1,5 млн. операций в секунду).

Здесь указано быстродействие центрального процессора. Реальное быстродействие ЭВМ существенно ниже за счет “медленных” устройств ввода-вывода.

По составу оборудования: базовые, включающие стандартный минимальный комплект для поставки потребителю; типовые, включающие комплект оборудования, наиболее используемый в настоящее время; специализированные, включающие комплект оборудования, поставляемого по спецификации заказчика.

Следует иметь ввиду, что классификация ЭВМ постоянно изменяется.

УСТРОЙСТВ. РЕЖИМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Применение МП позволило создать новый класс вычислительной техники - микропроцессорные системы, обобщенная логическая структура которых приведена на рисунке 1.

Центральное место в этой структуре занимает микропроцессор, который выполняет арифметические и логические операции над данными, осуществляет программное управление процессом обработки информации, организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему. Работа МП происходит под воздействием сигналов схемы синхронизации и начальной установки, часто выполняемой в виде отдельного кристалла.

Показанный на рисунке 1 МП может представлять собой или однокристальный МП с фиксированной системой команд или многокристальный МП с микропрограммным управлением.

Представленная на рисунке 1 структура отражает магистрально-модульный принцип организации микропроцессорных устройств и систем. Отдельные блоки являются функционально законченными модулями со своими встроенными схемами управления, выполненными в виде одного или нескольких кристаллов БИС или СБИС. Межмодульные связи и обмен информацией между модулями осуществляются посредством коллективных шин (магистралей), к которым имеют доступ все основные модули системы. В каждый данный момент времени возможен обмен информацией только между двумя модулями системы.

Магистральный принцип построения сопряжения модулей (интерфейс ЭВМ) предполагает наличие информационно-логической совместимости модулей, которая реализуется путем использования единых способов представления информации, алгоритма управления обменом, форматов команд и способа синхронизации.

Для большинства микропроцессоров характерна трехшинная структура, содержащая шину адреса (ША), двунаправленную шину данных (ШД) и шину управления (ШУ). Как видно из рисунка 1, типовая структура МП-системы предполагает наличие общего сопряжения для модулей памяти (постоянных и оперативных запоминающих устройств) и периферийных устройств (устройств ввода-вывода).

В качестве периферийных устройств в МП-системах используются устройства ввода с перфоленты, дисплеи, магнитофоны, гибкие и жесткие магнитные диски, телетайпы, печатающие устройства, клавиатура и т.п.

Периферийное устройство подсоединяется к шинам МП не непосредственно, а через программируемый периферийный адаптер (ППА) или программируемый связной адаптер (ПСА), обслуживающие периферийные устройства соответственно с передачей информации параллельным или последовательным кодом. Наличие программно настраиваемых адаптеров делает весьма гибкой и функционально богатой систему ввода-вывода информации в МП-системе.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) хранит системные программы, необходимые для управления процессом обработки. В оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) хранятся прикладные программы, данные и результаты вычислений.

Работа МП синхронизируется тактовыми сигналами CLK, поступающими на его входы от генератора синхронизации. Схема начальной установки вырабатывает сигнал RESET (сброса) микропроцессора на основе анализа напряжений на выходе блока питания или при принудительной остановке работы МПС с ее клавиатуры.

В состав этих МПС, как правило, входят:

- шинный контролер для сопряжения устройств с системной шиной по параллельному интерфейсу;

- адаптер последовательного интерфейса для построения многопроцессорных систем или сопряжения источников и приемников сигналов, не увеличивающих нагрузку на системный интерфейс;

- специализированный процессор арифметической обработки сигналов (сопроцессор);

- ПЗУ команд и констант;

- ОЗУ операндов.

Для обеспечения работы МПС к их системному интерфейсу можно подключать устройства специализированной обработки арифметических алгоритмов, таких как быстрое преобразование Фурье, и устройства обработки аналоговых сигналов.

В состав таких устройств обработки аналоговых сигналов входят:

-аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи, обеспечивающие непосредственное сопряжение цифрового устройства обработки с аналоговыми сигналами датчиков и приемников;

- система памяти ПЗУ и ОЗУ;

- буферы данных, используемые для временного хранения (буферизации) данных при передаче между устройствами;

- МП, предназначенный для цифровой обработки аналоговых сигналов.

В рассматриваемых структурах МПС реализуются три способа организации (обслуживания) передачи информации:

1) программно-управляемая передача, инициируемая процессором;

2) программно-управляющая передача, инициируемая запросом прерывания от периферийного устройства;

3) прямой доступ к памяти (ПДП).

При первом способе передача инициируется самим процессором, а при втором - запросом прерывания от периферийного устройства.

При программно-управляемой передаче данных МП на все время этой операции отвлекается от выполнения основной программы, что ведет к снижению производительности МП-системы. Кроме того, скорость передачи данных через МП может оказаться недостаточной для работы с высокоскоростными внешними устройствами.

Прямым доступом к памяти называется способ обмена данными, обеспечиваюший автономно от МП установление связи и передачу данных между ОЗУ и внешним устройством.

Прямой доступ к памяти, повышая предельную скорость ввода-вывода информации и общую производительность МП-системы, делает ее более приспособленной для работы в системах реального времени. Прямым доступом к памяти управляет контролер ПДП, выполяющий следующие функции:

- управление инициируемой процессором или ПУ передачей данных между ОЗУ и ПУ;

- задание размера блока данных, который подлежит передаче, и области памяти, используемой при передаче;

- формирование адресов ячеек ОЗУ, участвующих в передаче;

- подсчет числа байт, передаваемых через интерфейс, и определение момента завершения заданной операции ввода-вывода.

Вопрос 2. Направление развития микро ЭВМ.