От разрядности шины данных

Основные схемы
микропроцессора
PhD Olga Ruban
Регистр
 Регистр — последовательное или параллельное
логическое устройство, используемое для хранения nразрядных двоичных чисел и выполнения
преобразований над ними.
 Регистр представляет собой упорядоченную
последовательность триггеров, обычно D, число
которых соответствует числу разрядов в слове.
Сдвиговый регистр
5/6/2016
2
Oперации регистра
приём слова в регистр;
передача слова из регистра;
поразрядные логические операции;
сдвиг слова влево или вправо на заданное число разрядов;
преобразование последовательного кода слова в
параллельный и обратно;
 установка регистра в начальное состояние (сброс)





Буферный регистр
5/6/2016
3
Регистры процессора
По назначению :
 аккумулятор — используется для хранения промежуточных
результатов арифметических и логических операций и инструкций
ввода-вывода;
 флаговые — хранят признаки результатов арифметических и
логических операций;
 общего назначения — хранят операнды арифметических и
логических выражений, индексы и адреса;
 индексные — хранят индексы исходных и целевых элементов
массива;
 указательные — хранят указатели на специальные области памяти
(указатель текущей операции, указатель базы, указатель стэка);
 сегментные — хранят адреса и селекторы сегментов памяти;
 управляющие — хранят информацию, управляющую состоянием
процессора, а также адреса системных таблиц.
5/6/2016
4
Память
 Память микропроцессора представляет собой
совокупность регистров (ячеек), предназначенных
для хранения информации в двоичной форме. Каждая
ячейка имеет уникальный адрес, что обеспечивает
возможность доступа к ней.
 Адрес представляет собой двоичное слово, длина
которого определяет количество ячеек, которое может
быть адресовано.
 Совокупность всех адресов образует адресное
пространство МП.
 Если число m разрядов m, то объем адресного
пространства M= 2m.
5/6/2016
5
Память



Память имеет две классические разновидности: постоянное
запоминающее устройство (ПЗУ или ROM (Read Only Memory), и
оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM (Random
Access Memory).
ПЗУ хранит фиксированные программы и данные, оно является
энергонезависимым и при выключении питания информацию не
теряет.
ОЗУ хранит оперативные данные (изменяемые программы,
промежуточные результаты вычислений и пр.) и теряет свое
содержимое вместе с потерей питания. Но в ОЗУ в отличие от ПЗУ
можно записывать данные, а не только читать в процессе работы.
5/6/2016
6
Параметры микросхем памяти
Разрядность микросхемы памятиопределяется количеством бит ячейки памяти или количеством разрядов
шины данных. Микросхемы памяти могут быть как одноразрядные (динамические ОЗУ),
так и многоразрядные (словарные). Слово – группа элементов памяти, к которым возможно только
одновременное обращение.
Адресное пространство (число ячеек – максимальное возможное число слов, хранимых микросхемой)
определяется как 2n, где n– является разрядностью шины адреса.
Информационная емкость – это количество единиц информации, которое может одновременно
храниться в микросхеме памяти. Информационная емкость равна произведению разрядности микросхемы
на количество ячеек микросхемы памяти, определяется в битах или в
байтах.
К– кило, 1Кбайт= 1024 байт;
М– мега, 1 Мбайт= 1024 Кбайт;
Г– гига, 1 Гбайт= 1024 Мбайт.
Например, информационная емкость микросхемы с разрядностью 4 и количеством ячеек 256 определяется
следующим образом:
4⋅256 = 1024бита или 1Кбит.
Быстродействие ЗУ оценивается временем считывания и записи, длительностью циклов чтения и записи,
а также другими параметрами. Интервал между моментом появления сигнала чтения и слова на выходе
называется временем считывания.
Перепрограммируемая
память


Многократно программируемые, или репрограммируемые,
микросхемы ПЗУ(РПЗУ) позволяют стереть старую информацию и
записать новую.
Для стирания информации могут использоваться либо
электрические сигналы (EEPROM), либо ультрафиолетовые лучи
(EPROM).
5/6/2016
8
Упрощенная схема чтения данных из памяти
микропроцессором
Упрощенная схема записи данных в память
микропроцессором
Порты ввода/вывода


Порты ввода/вывода играют роль посредника между
компьютером и внешними устройствами. Как и ячейки памяти,
порты имеют адрес, что позволяет иметь множество портов в
составе одной микроЭВМ.
Роль портов могут выполнять микросхемы буферных регистров.
Схема чтения данных из внешнего устройства микропроцессором
через порт ввода
Порты ввода/вывода
Схема записи данных во внешнее устройство микропроцессором
через порт вывода
Интерфейсы
 Для связи внешних устройств между
собой и с центральным процессором
используют различные интерфейсы.
 С их помощью центральный процессор
получает и передает данные,
управляет устройствами.
Параллельный интерфейс
В параллельном интерфейсе для каждого бита передаваемого двоичного слова
предназначен свой проводник. Передача всего двоичного слова осуществляется
одновременно по всем проводникам за один такт работы интерфейса.
Достоинства параллельного интерфейса:

высокая производительность;

простота интерпретации переданныхданных.
Недостатки:

высокий расход дорогостоящей электротехнической меди;

низкая помехозащищенность.
Вследствие недостатков расстояние между устройствами не может превышать нескольких
метров.
Микросхема программируемого параллельного интерфейса предназначена для организации
ввода/ вывода информации различного формата и позволяет реализовать большинство
известных протоколов обмена по параллельным каналам. Может использоваться для
сопряжения микропроцессора с периферийным оборудованием (дисплеем, принтером).

Последовательный интерфейс
Устройства ввода/вывода обмениваются информацией с компьютером последовательно по
одному биту, причем каждый бит занимает определенный временной интервал. Единица
информации (элемент данных) при последовательном обмене называется символом.
Символ может содержать от 5 до 8 информационных бит.

Скорость передачи информации измеряется в бодах (в честь французского изобретателя
телеграфного аппарата Жана Бодо):
1 бод= 1 бит/с.
Иногда под бодом понимают количество передаваемых символов в секунду.
Достоинства последовательного интерфейса:

относительная дешевизна ввиду малого количества проводников;

высокая помехозащищенность за счет использования высоких уровней

напряжения (тока);

большое расстояние между передатчиком и приемником.
Недостатки:

низкая производительность;

относительно сложная интерпретация передаваемых данных.
Последовательная система передачи информации может быть симплексной (в 1
сторону), полудуплексной или дуплексной.
Последовательная система
передачи информации
Первоначально для количественной оценки производительности
процессоров применялась единица измерения MIPS (Mega
Instruction Per Second), соответствовавшая количеству миллионов
выполняемых инструкций (команд) за секунду.
Факторы, влияющие на быстродействие
микропроцессоров 1
Быстродействие зависит
 от тактовой частоты, то есть от частоты той последовательности
импульсов, которая задает ритм работы внутренних устройств
микросхемы микропроцессора. Тактовая частота - зависит от того,
каким способом, т.е. по какой технологии изготавливается микросхема
микропроцессора. Если, например, подать высокие частоты,
используемые при работе современных компьютеров, на микросхемы,
произведенные, в 80-90х годах, то работа этих микросхем будет просто
невозможна.
 От разрядности шины данных. Количество разрядов ШД определяет
скорость и эффективность информационного обмена. Обычно ШД имеет
8, 16, 32 или 64 разряда. За один цикл обмена по 64-разрядной шине
может передаваться восемь байт информации, в то время, как по
восьмиразрядной – только один. Разрядность шины данных определяет
и разрядность системной шины, в том смысле, что когда говорят о
разрядности системной шины, подразумевают разрядность ШД.
5/6/2016
18
Факторы, влияющие на быстродействие
микропроцессоров 2
На быстродействие микропроцессора влияют :
Объем оперативной памяти, используемой в системе. Чем больше
объем, тем больше промежуточной информации может сохраняться при
работе программ микропроцессора.
Разрядность шины адреса, которая определяет максимально
возможную сложность микропроцессорной системы, т.е. допустимый
объем памяти, и, следовательно, максимально допустимый размер
программ и максимально возможный объем запоминаемых данных.
Количество адресов, обеспечиваемое шиной адреса, равно 2N , где N –
количество разрядов ША.
Например, 16-разрядная шина адреса позволит адресоваться к 65536
ячейкам памяти. Разрядность шины адреса обычно кратна 4 и может
достигать 32 и 64 разрядов.
Факторы, влияющие на
быстродействие микропроцессоров 3
Фактором, влияющим на быстродействие микропроцессоров,
является их архитектура. Чем совершеннее электронная
схема, на которой реализован микропроцессор, тем меньше
времени понадобится электрическому сигналу для ее
прохождения – с одной стороны.
С другой стороны, чем совершеннее система команд
микропроцессора, тем более совершенна программа, в
соответствии с которой он работает.
5/6/2016
20
Шина данных


Шина данных — это основная шина, ради которой и создается вся
система. Количество ее разрядов (линий связи) определяет скорость и
эффективность информационного обмена, а также максимально
возможное количество команд.
Шина данных всегда двунаправленная, так как предполагает передачу
информации в обоих направлениях.
Обычно шина данных имеет 8, 16, 32 или 64 разряда. Понятно, что за
один цикл обмена по 64-разрядной шине может передаваться 8 байт
информации, а по 8-разрядной — только один байт.
5/6/2016
21
Шина адреса
Шина адреса — определяет максимально возможную сложность микропроцессорной
системы, то есть допустимый объем памяти и, следовательно, максимально возможный
размер программы и максимально возможный объем запоминаемых данных.
Количество адресов, обеспечиваемых шиной адреса, определяется как 2N, где N —
количество разрядов. Например, 16-разрядная шина адреса обеспечивает 65 536
адресов.
Для снижения общего количества линий связи магистрали часто применяется
мультиплексирование шин адреса и данных. То есть одни и те же линии связи
используются в разные моменты времени для передачи как адреса, так и данных (в
начале цикла — адрес, в конце цикла — данные).
Шина управления
Шина управления — это вспомогательная шина, управляющие
сигналы на которой определяют тип текущего цикла и
фиксируют моменты времени, соответствующие разным частям
или стадиям цикла.
Кроме того, управляющие сигналы обеспечивают согласование
работы процессора (или другого хозяина магистрали, задатчика,
master) с работой памяти или устройства ввода/вывода
(устройства-исполнителя, slave).
Программируемый интегральный таймер
5/6/2016
24
Система команд микропроцессора
Каждая команда в МП выполняется на протяжении командного
цикла
 Мнемокод– символическое обозначение команды
(содержит сокращение английского слова или фразы об
операции и операндах.
В общем случае система команд процессора включает в себя
следующие четыре основные группы команд:
 команды пересылки данных;
 арифметические команды;
 логические команды;
 команды переходов

5/6/2016
25
Примеры

Команды ввода/вывода предназначены для обмена данными с внешними
устройствами.

Команды пересылки: Команда mov

Арифметические

Логические

Стек – это специальным образом организованный участок памяти, используемый для
временного хранения переменных, для передачи параметров вызываемым
подпрограммам и для сохранения адреса возврата при вызове процедур и прерываний.
Стек организован по принципу LIFO– Last In First Out

Команды перехода Jmp
Контроллеры


Контроллеры создаются, как правило, для решения группы близких задач. Их
системная шина чаще всего не-доступна пользователю. Структура контроллера
оптимизирована под максимальное быстродействие. Конструктивно
контроллеры выполняются на одной плате.
В ряде случаев выполняемые программы хранятся в постоянной памяти и не
меняются.
Узлы автомобиля,
в которых
применяются
микроконтроллеры
5/6/2016
27
 Спасибо за внимание!
5/6/2016
29