Практична робота №2 Вивчення будови процесора і організації пам’яті
Мета роботи: Ознайомлення з будовою процесора і організації пам’яті.
Теоретичні питання
Сучасні мікропроцесори (МП)
МП виконує функції процесора ЕОМ, тобто керує процесом виконання операцій і виконує їх. МП може бути реалізований на одному або декількох кристалах. Звичайно процесор містить АЛП, який керує пам’яттю. МП вибирає команду з пам'яті, дешифрує, виконує її, робить арифметичні і логічні операції, одержує дані з пристроїв вводу і посилає їх на пристрої виводу. МП разом із пам'яттю і каналами вводу-виводу є ЕОМ.
МП можуть бути однокристальні, багатокристальні і секціоновані. Однокристальні МП виготовляються на основі МДП-технології, а секціоновані і багатокристальні - на основі біполярних транзисторів.
МДП-транзистори споживають менше енергії, але мають меншу швидкодію в порівнянні з біполярними транзисторами. В однокристальному МП функції керування, операційна частина й пристрій керування реалізовані на однім кристалі, а в багатокристальному - на різних кристалах. В секціонованих пристроях керування, які керують пам'яттю і АЛП реалізовані на однім кристалі, але малої розрядності. Для збільшення розрядності варто об'єднувати в паралель декілька МП.
МП, як функціональний пристрій ЕОМ характеризується форматом опрацювання даних і команд, кількістю команд, методом адресації даних, числом внутрішніх регістрів загального призначення (РЗП), можливостями організації й адресації стека, параметрами пам'яті, побудовою систем переривання програми, системами вводу-виводу, системами інтерфейсу.
МП ставиться до числа що програмуються пристроїв ЕОМ. МП, що виконує послідовність мікрооперацій, має більшу логічну і функціональну гнучкість, чим жорстко закомутовані процесори ЕОМ. Змінюючи вміст ПЗП і ПЛМ, можна настроюватися на виконання вимог конкретної задачі. МП - комплект - це набір ВІС, функціонально що сполучаються і застосовуваних для побудови мікроЕОМ.
Керуюча пам'ять, що містить мікропрограму з команд, передбачених для даного МП, реалізована на ПЛМ і знаходиться в однієї ВІС із центральним процесором і пристроєм керування.
Однокристальні МП застосовуються в найпростіших пристроях цифрової автоматики й у якості мікроконтролерів.
Контролер - пристрій керування вводом-виводом. Багатокристальні МП і секціоновані призначені для побудови мікроЕОМ і систем швидкодіючої автоматики.
Застосування МП:
1. Вмонтовані системи контролю і керування. МП вбудовуються в устаткування, не комплектуються зовнішніми пристроями і містять спеціальний пульт керування і ПЗП керуючою програмою.
2. Локальні системи накопичення й опрацювання інформації. Локальні - тобто розташовані на робочому місці системи накопичення й опрацювання інформації, що здійснюють інформаційне забезпечення спеціалістів і керівників. Локальні системи, зАЛПчені до великих ЕОМ із великим обсягом пам'яті, що дозволяє створити автоматизовану систему інформаційного забезпечення.
3. Розподілені системи керування складними об'єктами. У розподілених системах схеми опрацювання даних і МП розташовуються поблизу джерел інформації (двигуни і т.д.). Вони пов'язані з центральною системою опрацювання і накопичення даних.
4. Розподілені системи паралельних обчислень. У тому випадку, якщо дозволяє алгоритм рішення задачі, декілька процесорів проводять виконання даної задачі.
МП і мікроЕОМ використовуються в системах керування радіотехнічним устаткуванням судів. МікроЕОМ вирішує навігаційні задачі, розпізнає м, вирішує оперативно-технічні задачі, виконує автоматичне спостереження за ціллю і т.д.
Типова структура частини МП
Рисунок 2.1 – Структура МП
А - акумулятор
СК - лічильник команд
РК - регістр команд
РОП - регістр адреси пам'яті
РДП - регістр даних пам'яті
Процес виконання команди складається з 2-х циклів: циклу вибірки і виконавчого циклу. Цикл вибірки починається зі зчитування з лічильника команд номера осередку ОЗП, що містить код команди. Після зчитування вміст лічильника команд відразу збільшується на 1. Номер осередку ОЗП передається через регістр адреси пам'яті й адресної шини в дешифратор ОЗП.
Дешифратор ОЗП вибирає осередок ОЗП, що містить код команди. Код команди зчитується з ОЗП і через шину даних передається в регістр даних пам'яті. З регістра даних пам'яті код команди передається в регістр команд де він зберігається до кінця виконання команди і через акумулятор код команди передається в АЛП. АЛП аналізує код команди і якщо не потрібно додаткового звертання до пам'яті переходить до виконавчого циклу.
Якщо ж потрібно додаткове звертання до пам'яті, то МП переходить до другого машинного циклу, що так само починається з циклу вибірки. МП запитує в ОЗП додаткові дані і виконує команди.
Команди можуть виконуватися за 1,2 або 3 машинних цикли. У кожному машинному циклі відбувається тільки одне звертання до пам'яті. Виконання команди відбувається під керуванням сигналів, вироблюваних пристроєм керування. При виконанні команди АЛП взаємодіє з РОН. РОН використовуються для короткочасного збереження операндів і результатів.
Тригери стану сигналізують про такі стани МП: обнулення акумулятора, вміст знакового розряду, переповнювання розрядної сітки, цифри переносів із 8-го і 4-го розрядів, уміст розряду контролю на парність. Адресна шина є однонаправленою, а шина даних – двонаправленою. СТЕК - особливий вид пам'яті, що розширює функціональні можливості МП. Наприклад при виконанні програми , що перериває , в СТЕК поміщається номер команди повернення і результат виконання останньої команди перед переходом до виконання програми , що перериває.
Центральний процесорний елемент.
Рисунок 2.2 – Центральний процесор
МП заснований на принципі керування жорсткої логіки. РОН У, C, D, E, H, L, пристрій керування й операційної частини реалізовані в однім кристалі. 6 регістрів загального призначення й акумулятор є програмно доступними, тобто при написанні програми програміст може до них звертатися. Регістри W, Z і буферні регістри є програмно недоступними, тобто вони беруть участь у виконанні програми, але програміст до них звернутися не може. РОН є 8-ми розрядними. Якщо операції відбуваються над 16-ти розрядними операндами, то РОН об'єднуються попарно. Регістри покажчика стека, лічильник команд і регістр адреси є 16-ти розрядними. Покажчик стека містить номер верхнього зайнятого осередку стека. При записі інформації в стек уміст покажчика стека зменшується на 1, а при зчитуванні збільшується на 1. Лічильник команд містить номер осередку ОЗП, що містить таку команду. При зчитуванні з лічильника команд номера осередку команд вміст лічильника збільшується на 1.
Регістр адреси служить для передачі вмісту лічильника команд через шину адреси і буфер адреси в ОЗП.
Пристрій керування містить регістр команд, дешифратор команд і керуючий пристрій, у який входи ПЛМ, що містить керуючу пам'ять.
Керуюча пам'ять містить мікропрограми усіх 78-ми команд для даного МП. АЛП доповнюється схемою десяткової корекції для дій над двійково-десятковими числами. При діях над двійково-десятковими тобто при використанні коду 8421 максимально припустима комбінація 1001 (тобто 9), але при використанні 4-х двійкових розрядів максимально можливе число 1111 (тобто 15). Схема десяткової корекції віднімає 6 і формує цифру переносу в старший розряд. На керуючий пристрій надходять послідовності Ф1 і Ф2 тактового генератора, сигнал готовності від ОЗП, ПЗП або УВВ до прийому або передачі даних. Сигнал запиту на переривання від зовнішніх пристроїв, що запам'ятовують. Сигнали захоплення, скидання так само формуються ВЗУ. МП формує сигнал дозвіл переривання і продовжує виконувати поточну команду і по закінченні поточної команди МП переходить до задоволення запиту про переривання. Сигнал чекання, сформований МП означає, що він чекає сигнал готовності від ОЗП, ПЗП або ВЗУ. Регістр ознак є 5-ти розрядним. Він сигналізує про такий стан МП - обнулення, переповнюванні розрядної сітки, вміст знакового розряду, вміст розряду контролю на парність і формування цифри переносу з 8-го і 4-го розряду.
Система збору даних. Ця система призначена для послідовного опитування 8-ми аналогових датчиків і передача інформації в ОЗП. Опитування датчиків перетворення аналогової інформації в цифрову, запис інформації в ОЗП провадиться під керуванням МП.
Рисунок 2.3 –
Блок-схема збору даних
11111000=F8
001
010
При опитуванні кожного датчика вміст регістра У збільшується на 1. При опитуванні останнього датчика в регістрі записується число FF = 11111111.
Алгоритм роботи системи збору даних: наприклад будемо вважати, що перший зайнятий осередок ОЗП має номер 1350 у шістнадцятко вій системі. У її буде приміщений результат опитування 1-го датчика з номером 000. Через акумулятор і шину даних номер датчика подається на пристрій виводу 1 (УВ1). УВ1 подає номер датчика на комутатор. Комутатор опитує потрібний датчик і передає аналоговий сигнал на АЦП. АЦП перетворить аналог. сигнал у цифровий і передає цифровий сигнал на УВВ1. Якщо в першому такті імпульсної послідовності Ф1 МП передає номер датчика, то в другому такті він очікує приходу сигналу закінчення перетворення від АЦП. Сигнал закінчення рівний 1 передається через УВВ2, через шину даних в акумулятор. Наявність сигналу закінчення акумулятор перевіряє операцією циклічного зсуву вправо. Якщо сигнал закінчення прийшов, те при зсуві вправо 1 із молодшого розряду акумулятора передається в тригер зсуву ТС, тригер зсуву перекидається в стан 1 і дані з устрою запровадження 1 по шині даних передаються в акумулятор, а з нього в осередок ОЗП. Вміст пари регістрів HL і регістра В збільшується на 1, при цьому формується номер такого датчика і номер осередку, куди повинний бути приміщений такий результат.
Блок мікропрограмного керування (БМК).
Рисунок 2.4 - БМК
Структура мікрокоманд. З ОЗП в блок мікропрограмного керування (БМК) надходить код команди, що містить адресу першої мікрокоманди (МК) мікропрограми виконання даної команди. Ця мікропрограма записана в керуючій пам'яті, що входить до складу устрою керування. По зазначеній адресі зчитується з керуючої пам'яті МК для всього мікропроцесорного пристрою. Ця МК містить МК СРП БМК, мікрокоманду ОЗП, М пристрої запровадження - висновку.
-
МК
ЦПЭ
МК
БМК
МК
ОП
МК
УВВ
. . .
Сформовані МК передаються на відповідні вузли мікропроцесорного пристрою. БМК служить для формування адреси такої МК. Якщо немає ніяких умовних переходів, то така МК зчитується з такого осередку ПЗП, на якому організована керуюча пам'ять. МК БМК містить поле умовних переходів УА6... УА0, у якому записується адреса такої МК; поле керування ознаками УФ3... УФ0 і поле керування завантаженням мікрокоманди ЗМ.
Поле керування ознаками указує вид переходу: умовний, безумовний і засіб формування адреси такої МК при наявності умовного переходу. Керуючі сигнали для керування ознаками - це сигнал переносу і сигнал зсуву вправо. При наявності в поле керування завантаженням ЗМ = 1, адреса МК завантажується в регістр адреси МК. МК БМК:
|
Поле умовних переходів YA6 ... YA0 |
Поле керування ознаками УФ3 ... УФ0 |
Поле керування завантаженням ЗМ |
МК операційного устрою містить код мікрооперації F6... F4, номер регістра загального призначення F3... F0, що є приймачем або джерелом інформації. Сигнал, що маскує, ДО, у загальному випадку є двохрозрядним, ВА - сигнал дозволу видачі адреси і ВД - сигнал дозволу видачі даних. МК ОУ:
-
F6... F4
F3... F0
K
BA
ВД
Блок пріоритетного переривання (БПП). Кожній команді відповідає мікропрограма, що складається з окремих мікрокоманд (МК). На входи К7... К0 БМК подається код команди, що є адресою перший МК мікропрограми даної команди в керуючій пам'яті. 1-ая МК містить указівки, як формувати адресу другий МК. Ця адреса формується логічною схемою визначення адреси такої МК. Остання МК кожної мікропрограми містить указівка JZR про перехід у нульовий рядок 15-ой колонки. По цій адресі утримується МК, у поле ЗМ якої утримується "1". До цього часу на входах К7... К0 надходить код такої команди, що по сигналі ЗМ=1 завантажуються в регістр адреси МК. Так відбувається виконання програми у відсутність переривань.
На виході переривання (ПР) БПП формується сигнал, при цьому встановлюється такий рівень, що мультиплексор М передає номер рядка з виходу БМК на вхід Астр ПЗП. При виконанні JZR (перехід за адресою (0,15)) формується сигнал строб дозволу переривання рівний "1", що подається на вхід БПП. Якщо під час виконання поточної програми надійшов запит на переривання, то мікропроцесор, виконавши поточну команду передає в стек номер такої команди (команда повернення) і результат виконання поточної команди.
При наявності "1" на вході строб дозволу переривання (СРП) і запиту на вході запиту (ЗП), БПП на виході переривання виробляє сигнал, що відключає мультиплексор М від виходу МА1..МА4 подає номер рядка в ПЗП з виходу код переривання (КП) БПП.
Перша МК першої команди, що перериває, містить код адреси (31,15), де 15 - номер колонки, що зберігся при виконанні останньої МК поточної команди, а 31 = 11111(2) номер рядка в 15-ой колонці, що утвориться подачею +5В через резистор на входи Астр ПЗП. Блок БПП містить спеціальний блок рівня пріоритету. Пріоритет кодується 3-х розрядним кодом. Перевага має устрій із більш низьким рівнем пріоритету. Якщо надійшов запит відразу від декількох устроїв, то устрій порівняння пріоритету виявляє більш низький рівень і цей запит задовольняється першим. По закінченні переривання програми остання МК, якої є JZR (перехід за адресою (0,15) ) по сигналі ЗМ = 1 завантажується чергова команда основної програми.
Організація пам'яті ЕОМ. Пам'ять ЕОМ організована по ієрархічній градації, тобто пристрої які мають великий обсяг пам'яті мають меншу швидкодію. Найбільшою швидкодією володіють НОЗП (понад ОЗП). Вони звичайно реалізуються на регістрах, тому в МП НОЗП називається РОН. Обсяг пам'яті НОЗП дуже малий. Звичайно пам'яттю машини називають ОЗП. Швидкодія ОЗП повинна бути не менше ніж швидкодія електронних схем операційної частини, пам'яті повинна бути достатньо для запису програми розв'язуваної задачі, а так само вихідних даних, проміжних і кінцевих результатів. Зовнішні пристрої, що запам'ятовують, мають практично необмежений обсяг пам'яті і найменшої швидкодії. ОЗП не зберігає інформацію при відключенні живлення. Існують ПЗП, що зберігають інформацію при відключенні живлення. ПЗП працюють тільки в режимі читання, а ОЗП в режимі читання і запису. Існують перепрограмовані ПЗП (ППЗП), що зберігають інформацію при відключенні живлення і припускають запис інформації. При цьому час запису в багато разів більше часу зчитування. Зчитування інформації з ОЗП може відбуватися з руйнацією інформації або без.
При руйнації інформації при зчитуванні необхідно додатковий час на відновлення інформації. Час зчитування складається з часу пошуку адреси, часу власного зчитування і часу регенерації (відновлення) ліченої інформації. ОЗП реалізується на мікросхемах. Елемент пам'яті реалізований на тригерах. Тригер може бути побудований на біполярних і уніполярних транзисторах.
Рисунок 2.5 – Організація пам’яті
По шині адреси (ША) у регістр адреси надходить n-розрядний двійковий код адреси. n1 розряд використовується для запису номера рядка, а n2 - для запису номера стовпчика. Дешифратори рядків і стовпчиків виробляють керуючі сигнали на відповідних виходах. Під дією цих керуючих сигналів відбувається вибір що адресується елемента пам'яті, якщо на вході вибору кристала (ВК) дешифратора рядків "1", те ОЗП знаходиться в режимі збереження. Якщо на ВК "0", те ОЗП знаходиться або в режимі читання, або в режимі запису. Нормальним є режим читання. Інформація надходить через підсилювач читання (УЧ) і вихідний тригер.
Режим запису забезпечується подачею сигналу дозволу запису (РЗ) на підсилювач запису (ПЗ). Інформація через тригер і УЗ подаються на інформаційні ланцюги 1 і 0. Тригери реалізовані на МДП - транзисторах.
Транзистори VT2 і VT4 є навантаженням тригера. Напруга затвор - початок цих транзисторів має нульове значення, тому вони завжди відкриті. Тригер реалізований на VT1 і VT3. У ньому записана "1", якщо VT1 закритий. При збігу сигналів від дешифратора рядків і стовпчиків тригер готовий до запису або зчитування інформації. Керуючий сигнал із виходу дешифратора стовпчиків діє на VT7 і VT8. Керуючий сигнал із виходу дешифратора рядків впливає на VT5 і VT6.
Запис "1" проводиться в тому випадку, якщо на інформаційний ланцюг (ІЛ) нуля надходить логічний "0". Для запису "0" логічний "0" подається в ІЛ1.
У режимі читання стан тригера передається через відкриті VT5-VT8 в інформаційні ланцюги. Якщо елемент пам'яті береже "1", те рівень "1" надходить у ІЛ1, а якщо "0", те рівень логічної "1" надходить у ІЛ0.
Постійні запам'ятовуючі пристрої. Відрізняється від ОЗП тим, що в нього інформація записується однократно. Для ПЗП можливий тільки режим читання. Інформація з ПЗП зчитується по словам. В однім рядку записується декілька слів. Вибір слова в рядку проводиться за допомогою селектора. Селектор зібраний на VT0 - VT7. Буфер вводу - виводу зібраний на багатоемітерних транзисторах БТ1 - БТ4. Ввід і вивід кодів слів проводиться з тих самих виходів: 1, 2, 3, 4.
На дешифратор рядків передається 5-ти розрядний номер рядка, що містить вісім чотирьох розрядних слів. З дешифратора слів номер слова передається на селектор. Наприклад, нехай обрано (1) рядок і (0) слово. Необхідно записати з другого входу "1". Транзистор БТ2 відчиниться. Тік цього транзистора протікає через резистор R"про і закриває 2-ій транзистор в обраної "четвірці". У такий спосіб стан транзистора визначається записаним розрядом: при записі "1" - закритий, при записі "0" - відкритий. Потім підвищують напругу колекторного живлення накопичувача. Через відкритий транзистор потече підвищений тік, що пропалить перемичку, що виготовлена з ніхрому з опором у декілька десятків Ом. Для їхнього пропалювання достатній тік 20-30 м. Перед записом слів опорна напруга, подана на багатоемітерний транзистор збільшується з тим, щоб транзистор знаходився в стані, близькому до закритого. При читанні інформації також відбувається вибір слова і якщо перемичка в транзисторі не пропалений, то тік цього транзистора створює падіння напруги на R0, що закриває багатоемітерний транзистор. Стан багатоемітерного транзистора визначає код на виході. В такий спосіб програму пропалює користувач.