Д.Н. Беклемишев, А.Н. Орлов, А.Л. Переверзев, М.Г. Попов, А.В. Горячев, А.И. Кононова

Микропроцессорные средства и системы

Курс лекций

Под редакцией доктора технических наук, профессора Ю.В. Савченко

Память

Устройство Арифметикоуправления логическое устройство

Ввод Вывод

Москва 2013

Министерство образования и науки Российской Федерации

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Д.Н. Беклемишев, А. Н. Орлов, А. Л. Переверзев,

М.Г. Попов, А. В. Горячев, А. И. Кононова

Микропроцессорные средства и системы

Курс лекций

Под редакцией доктора технических наук, профессора Ю. В. Савченко

Утверждено редакционно-издательским советом университета

Москва 2013

УДК 681.32 В75 М59

Рецензенты: докт. техн. наук, проф. А. Н. Соловьев; докт. техн. наук, проф. С. В. Гаврилов

Беклемишев Д. Н., Орлов А. Н., Переверзев А. Л., Попов М. Г., Горячев А. В., Кононова А. И.

М59 Микропроцессорные средства и системы: курс лекций / Под ред. Ю. В. Савченко. — М.: МИЭТ, 2013. — 288 с.: ил.

ISBN 978-5-7256-0723-9

Представлены материалы курса «Микропроцессорные средства и системы», целью которого является изучение особенностей построения и возможностей применения современной микропроцессорной техники, включающей как простейшие устройства с микропрограммным управлением, так и сложные многопроцессорные параллельные вычислительные системы.

Для студентов факультета МП и ТК МИЭТ, обучающихся по специальностям 230100 «Информатика и вычислительная техника», 210100 «Биотехнические системы и технологии», 211000 «Конструирование и технология электронных средств», 231000 «Программная инженерия», 231300 «Прикладная математика». Может быть полезен студентам других специальностей факультета, а также колледжа электроники и информатики.

ISBN 978-5-7256-0723-9	c
	○ МИЭТ, 2013

Список используемых аббревиатур

DSP	— digital signal processor
FLOPS — floating point operations per second
MAC	— multiplication with accumulation
MIPS	— million instructions per second
MPA	— message passing architecture
MPI	— message passing interface
PC	— program counter
RAID	— redundant array of independent disks
SMP	— symmetric multiprocessing
АЛУ	— арифметико-логическое устройство
АЦП	— аналого-цифровой преобразователь
БИС	— большая интегральная схема
ВЗУ	— внешнее запоминающее устройство
ЗПДП	— запрос прямого доступа к памяти
ЗУ	— запоминающее устройство
ИП	— интегрированный процессор
КВВ	— контроллер ввода/вывода
КС	— комбинационная схема
КУП	— команда условного перехода
КШ	— контроллер шины
МК	— микроконтроллер
МП	— микропроцессор
МПК	— микропроцессорный комплект
МПУ	— микропроцессорное устройство
ОЗУ	— оперативное запоминающее устройство
ОП	— основная память
ОУ	— операционное устройство
ПА	— периферийный адаптер
ПБПП	— программируемый блок приоритетных прерываний
ПВС	— параллельная вычислительная система
ПДП	— прямой доступ к памяти
ПЗУ	— постоянное запоминающее устройство

3

ПЛИС	— программируемая логическая интегральная схема
ПЛМ	— программируемая логическая матрица
ПУ	— периферийное устройство
ПЦОС	— процессор цифровой обработки сигналов
ПЭ	— процессорный элемент
РА	— регистр адреса
РАЛУ	— регистровое арифметико-логическое устройство
РД	— регистр данных
РЗУ	— регистровое запоминающее устройство
РОН	— регистры общего назначения
РПДП	— разрешение прямого доступа к памяти
СОЗУ	— сверхоперативное запоминающее устройство
СУП	— схема ускоренного переноса
УМУ	— устройство микропрограммного управления

УУ— устройство управления

УФА — устройство формирования адреса ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь ШИМ — широтно-импульсная модуляция

4

Предисловие

В настоящем издании представлены материалы курса «Микропроцессорные средства и системы», целью которого является изучение особенностей построения и возможностей применения современной микропроцессорной техники, включающей как простейшие устройства с микропрограммным управлением, так и сложные многопроцессорные параллельные вычислительные системы.

Для достижения указанной цели проанализированы общие тенденции развития и построения микропроцессорной техники, а также архитектуры и структуры микропроцессоров различного назначения, в частности, рассмотрены особенности организации операционных устройств, устройств управления, систем памяти, прерываний, режимов выполнения команд, обмена информацией и т. д.

Курс лекций разбит на пять разделов и имеет иерархическую структуру: каждый последующий раздел базируется на материалах предыдущих.

Раздел 1 состоит из пяти лекций и посвящен особенностям построения операционных устройств микропроцессоров. Первая лекция имеет общий характер и содержит ключевые определения и классификации, описание закономерностей развития микропроцессорной техники. Далее рассмотрены обобщенная структура микропроцессора

ипроцесс синтеза арифметико-логических устройств (АЛУ). Проанализированы способы наращивания разрядности обрабатываемых слов

иорганизации цепей арифметического переноса, приведены примеры использования АЛУ в качестве реконфигурируемого преобразователя информации. Показано функционирование АЛУ с разрядномодульной и однокристальной организацией.

Раздел 2 включает шесть лекций и посвящен особенностям построения устройств управления, структурным методам повышения производительности, а также режимам функционирования микропроцессорной системы. Рассмотрены общие структуры устройств управления на основе жесткой логики и с применением микропрограммирования, способы формирования управляющих сигналов и адресации

5

микрокоманд, а также способы адресации операндов. Проанализированы конвейерный принцип выполнения команд, возникающие при этом конфликтные ситуации и методы борьбы с ними. Рассмотрены основные режимы функционирования микропроцессорной системы: выполнение основной программы, вызов подпрограмм, обработка прерываний и исключений.

Раздел 3 состоит из пяти лекций и посвящен принципам организации систем памяти и обмена информацией в микропроцессорных системах. Приведены классификации систем памяти, рассмотрены принципы организации кэш-памяти, режима прямого доступа и виртуальной памяти. Проанализированы способы реализации обмена информацией микропроцессора с внешними устройствами.

Раздел 4 включает четыре лекции и посвящен архитектурам и структурам микропроцессоров и систем на их основе. Рассмотрены особенности архитектур с полным и сокращенным набором команд, суперскалярной, фон Неймана и гарвардской. Особенности архитектурных решений показаны на примерах структур современных микроконтроллеров, процессоров общего назначения и цифровой обработки сигналов.

Раздел 5 состоит из шести лекций и посвящен архитектурам и структурам параллельных вычислительных систем. Рассмотрены их назначение, область применения и классификация. Проанализированы принципы построения и функционирования векторно-конвейер- ных, матричных, кластерных и систолических систем, а также систем с реконфигурируемой структурой и управляемых потоком данных.

6