Бағдарламалау | Микропроцессорлық жүйе

Кіріспе
Микропроцессорлық жүйелердің негізгі элементтерін оқу, микропроцессорлық контроллердің структуралық құрылымын ұғыну, микропроцессорлық программалау негізі мен программалы-техникалық комплекстерді құрудың принциптерін білу автоматика саласының негізгі мақсаттарының бірі болып табылады және келесідей нәтижелерге қол жеткізу керек:
• Микропроцессорлық жүйелерді құруда қолданылатын микропроцессорлық құралдардың біркристалды және модульдік жиынтықтарын, ҮИС және ҮИСС микропроцессорлық жиынтықтарының функционалданған және салыстырмалы сипаттамаларының принциптерін, микропрцессорлық жүйелерді құрастыруды ыңғайлау жолдарын, жиынтық модульдерін және олардың программалануының функционалды бекітілуін, микропроцессорлық жүйелерді жобалаудың негізгі кезеңдерін, микропроцессорлық жиынтықтарды таңдауға әсер ететін факторларды, аппаратты және программалық жүйелерді өңдеудің ерекшеліктерін білу.
• Микропроцессорлық жүйелердің аппаратты және программалық құралдарын жобалауда микропроцессорлық жиындардың модульдерінің сипаттамаларының тәжірибелік жолмен қолдану, таңдалған жобалау критерийларына сәйкес функциялардың іске асыру алгритмдерін және жүйе құрылымын таңдаудың өз бетінше шешімін қабылдау,; микропроцессорлық модульді , жады жүйесін, техникалық мәселелеріне қарамастан микропроцессорлық жүйелердің интерфейстерін жобалау; тиімділеу және талдау мәселелерін қою, аппараттық және программалық құралдардың құжаттарын дайындау кезінде стандарттарды пайдалана білу.
• Микропроцессорлық техника құралдарының тенденциялары мен күйі туралы, микропроцессорларды құрудың даму бағыттары туралы, жады, периферийлық адаптерлер және микропроцессорлық жиындардың басқа да модульдері туралы; жобалаудың жүйелік, құрылымдық және логикалық кезеңдерінде микропроцессорлық жүйелердің автоматтандырылған жобалануына келтірілуі туралы хабардар болу.
Микропроцессор сандық ақпаратты өңдеу үшін ЖӘНЕ электрондық элементтердің интеграциясын жоғарғы дәрежелік бірнеше интегралды схемалар түрінде орындайтын осы өңдеулерді процеспен басқару үшін белгіленген программалық басқару құрылғысы. Микропроцессорлердің өнімділігін арттыру үшін оның барлық аппаратуралық ресурстарын дамыту керек. Дамудың белгілі бір деңгейіндегі микроэлектрондық технология бір кристалды микропроцессордың мүмкіндіктерін анықтайды. Сондықтан процессорладың өнімділігін арттыру үшін олардың микрокристалды, сонымен қатар секциялық коды кристалды микропроцессорлар түріндегі жүзеге асырылуда қолданылады. Басқарудың күрделі функцияларын атқару қажеттілігі микроконтроллерлердің бір немесе бірнеше кристалдарда орындалған басқарушы қондырғылардың пайда болуына алып келеді. Микроконтроллерлер логикалық талдау және басқару функцияларын атқарады. Сондықтан да арифметикалық ақпараттарды қолданбай, олардың аппараттық күрделілігін азайтуға немесе логикалық басқару функциясын дамытуға болады.
Аналогтық және сандық сигналдарды тікелей өңдеу үшін белгіленген аналогты микропроцессорларды құру микроэлектрондық технологиялардың көрнекті жетістігі болып табылады. Аналогты микропроцессорлардың құрылымында бірнеше аналогтық – сандық каналдар және сандық - аналогты түрлендіргіштер, сондай-ақ сандық процессорлар болады. Аналогты микропроцессорлар аналогты схемалар функциясын атқарады. Мысалы, тербеліс генерациясын, модуляциясын, фильтрацияны уақыттың реалды масштабтағы сигналдарды кодтау және декодтауды жүзеге асырады, т.б. операциялық күшейткіштерді конденсаторлардан тұратын күрделі электронды схемалардың орнын ауыстырады. Олар аналогты сигналдардың өңдеу нақтылығы мен өнімділігін атқарады. Микропроцессор архитектурасы мәліметтерді, масштабтық операцияларды, алгоритмдерді және есептеу процестерін суреттеуді көрсету үшін қолданылатын микропроцессорлардың электронды аппаратуралық құралдарының функционалдық мүмкіндіктері.
«Жүйенің архитектурасы» термині тар және кең мағынада жиі қолданылады. Тар мағынасында архитектура деп командалар жиынтығы түсіндіріледі. Командалар жинағының архитектурасы аппаратура мен БҚ арасындағы шекара қызметін атқарады және компиляторлардың программалаушысы немесе құрастырушысына көрініп тұрған жүйенің бөлігін білдіреді. Бұл осы терминнің аса жиі қолданылуы екенін айта кеткен жөн. Кең мағынасында архитектура жадының ішкі жүйесінің, компьютерді құрастырудың жоғарғы деңгейлі аспектілерін, жүйелік шина құрылымдарын, енгізу және шығарудың ұйымдастырылуы мен тағы сол сияқтыларды қосатын жүйені ұйымдастыру түсінігін қамтиды.
ЕТ дамуының қазіргі кезеңіндегі командалар жинағының екі негізгі архитектуралары RISC және CISC архитектуралары болып тадылады.
Командалардың кеңейтілген жинағының процессорының – CISC (complete Instruction Set Computer) негізін салушы ретінде ядросы 1864 жылдан бастап қолданылып келе жатқан /360 базалы архитектурасымен IBM компаниясын санауға болады.
CISC архитектурасы МП құрастыруда х86 және Pentium сериясымен Intel компаниясы көшбасшы болып табылады. Бұл архитектура микрокомпьютерлер рыногы үшін тәжірибелік стандарт болып табылады. CISC процессорлары үшін келесілер тән: РОН салыстырмалы үлкен емес саны; кейбірі сәйкесінше схемалық түрде программалаудың жоғары деңгейлі тілдерінің операторымен жүктелген және көптеген тактілер ішінде орындалатын машиналар командаларының көп мөлшері; мекемдеу әдістерінің көп мөлшері; әртүрлі разрядты командалар форматтарының көп саны; командалардың екі адрестік форматын қамтуы; регистр – жады типінің өңдеу командасының бар болуы.
Командалардың қысқартылған жинағымен МП архитектурасының баспалары құрастырушылары жылдам есептегіш машиналарын құру үшін командалар жинағы қарапайымдандырудың маңыздылығын түсінген СДС 6 GOO компьютерлеріне өз түбірлерімен бірге кетеді. RISC соңғы түсінігі оның қазіргі түсінігінде IBM компаниясының 801 процессорының, Беркли университетінің RISC процессорының және Стенфорд университетінің MIPS процессорының компьютерлерінің үш зерттеушілік жобаларының негізінде қалыптасқан.
RISC архитектурасында командалар форматы үйлестірілген және мекемдеу режимдерінің шектелген санымен қарапайым кодталуға ие. Командалар CISC – тағыларға қарағанда жинақырақ және олардың орындалуына Intel жинағының процессорларында қолданылатын аса үлкен түйіндер қажет емес. Бұл CISC-тағыға қарағанда файлы RISC – процессорларында маңызды түрде кеңірек болатын деректер қоймаларының регистрлері үшін процессорда көбірек орынды қамтуға мүмкіндік береді. Нәтиже ретінде процессорлар, CISC – процессорларға қарағанда, аса маңызды есептеуіш құралы мен жылдам әрекет етуге ие.
Intel компаниясының соңғы құрастырмаларында RISC – микропроцессорларында жүзеге асырылған идеялар кеңінен қолданылатынын айта кеткен жөн, олай болса, RISC және CISC апрасындағы көптеген айырмашылықтар өшіріледі.
1. Базалық микропроцессорлық жүйелер құрылымы. Микропроцессор архитектурасы.
1.1 МП негізгі түрлері ссипаттамалары .
Микропроцессор дегеніміз аз санды микросхемалар жиынтығы немесе микросхеманың өзі болып табылады, олар мәліметтерге арифметикалық және логикалық операцияларды орындап, есептеу процесінде программалық басқаруды іске асырады.
Микропроцессордың негізгі сипаттамаларына келесі көрсеткіштерді жатқызуға болады:
• Микропроцессорлық ҮИС дайындау кезінде қолданылатын микроэлектрондық технология түрлері;
• МП құрайтын кристалдар саны;
• Кристалдар өлшемі;
• Кристалдағы элементтер саны;
• Кристал корпусының шығысының саны;
• МП өңделетін сөздер ұзындығы (разрядтар саны);
• МП тез қызметі (тактілік жиілік, негізгі операциялар командаларын орындау уақыты);
• Адрестелген жады көлемі;
• Басқарушы құрылғы түрі (схемалық немесе микропрограммалық басқару);
• Команда жүйесінің тиімділігі (операцияларды орындайтын команда саны, адрестеудің мүмкін тәсілдері, т.б.);
• Тоқтату деңгейі саны;
• Жадымен тікелей хабарласу мүмкіндігі;
• Қолданылатын сигналдар парамаетрлері;
Барлық МП екі түрге бөлінеді:
1. Тұрақты разрядты сөзі бар, тұрақты жүйелі командасы бар, схемалық логикалық басқарушықұрылғысы бар біркристалды микропроцессорлар;
2. Өзгеретін разрядты сөзі бар, микрооперациялардың тұрақты жиыны бар көпкристалды (секциялық) программаланатын микропроцессорлар.
1.2 Микропроцессордың логикалық құрылымы.
Микропроцессордың логикалық құрылымы, яғни микропроцессорды құрайтын логикалық схемалрдың және олардың арасындағы байланыстың конфигурациясы функционалды белгілену арқылы анықталады.
Микрорпроцессордың әртүрлі құрылымы олардың әртүрлі мүмкіндіктерін, оның ішінде мәліметтерді өңдеудің әртүрлі жылдамдығын қамтамасыз етеді. Дамытылған архитектуралы микропроцессордың логикалық блоктары 1-суретте көрсетілген:
1-сурет. Микропроцессорлардың жалпы логикалық құрылымы.
I – басқару бөлігі, II – операциялық бөлігі;
КТББ (БУПК) – командалар тізбегін басқару блогы; ООББ (БУВОп) – орындалатын операцияларды басқару блогы; АКФББ (БУФКА) – адрес кодтарын формалауды басқару блогы; ВЖББ (БУВП) – виртуальды жадыны басқару блогы; ЖҚБ (БЗП) – жадыны қорғау блогы; ПрЖҮББ (БУПРПр) – процессор жұмысының үзіліссіздігін басқару блогы; ЕШББ (БУВВ) – енгізу/шығаруды басқару блогы; РгЖОЕсҚ (РгСОЗУ) – регистрлі жоғары оперативті есте сақтау құрылғысы; АЛБ (АЛБ) – арифметикалық – логикалық блок; ҚАБ (БДА) – қосымша арифметикалық блок; СБ (БС) – синхрондау блогы.
Микропроцессордың логикалық құрылымын жобалау кезінде мына жағдайларды қарастыру қажет:
1. архитектуралық қажеттіліктерді іске асыру үшін қажетті және жеткілікті электрронды блоктардың номенклатурасы;
2. электронды блоктардың арасындағы байланысты іске асырудағы әдістер мен амалдар;
3. таңдау әдістері, егер ұтымдысы жоқ болса, онда логикалық құрылымның ең жақын рационалды нұсқасын ерекше блоктардан құралған және олардың арасындағы конфигурациясының ықтимал санынан алынған әдістерді қолдануға болады.
Микропроцессорды жобалау кезінде кристалдың ішкі күрделілігі және корпустың шығару мөлшері сәйкестікке келтірідеді. Микроэлектронды технологияның дамуында элементтер санының өсуі корпустарды шығару санынан әлдеқайда үлкен, сондықтан ҮИС жобасы кейбір ауыстыру функцияларын және жады сызбаларын іске асыратын теру сызбалары түрінде емес, соңғы автомат түрінде функционалды аяқталған блоктарды және ЭЕМ құрылғыларын алуға мүмкіндік береді.
ҮИС микропроцессорлық жинағын қолдану үлкен аумақта микроЭЕМ-нің құрылуын қамтамасыз етеді: микропроцессордың жұмысын өзгерту арқылы информациялы басқару жүйесінің де функциясын өзгертуге болады. Сондықтан белгілі бір жүйенің нақты шарттарында микропроцессордың программалық жұмысын құру барысында оның нәтижесінің ұтымды сипаттамасын алуға болады. Егер микропроцессордың программалық күйге келтіру деңгейі ұтымды нәтиже бермесе, онда жобалаудың тағы бір түрі қолданылады, ол – микропрограмма. ТЕсҚ немесе логикалық матрицаны программалау өзгерісінің арқасында информацияны өңдеу жүйесін мүмкіндігінше өзіндік белгілеріне келтіруге болады. Бұл жағдайда микропрограммаларды өзгерту барысында жүйенің аппаратты деңгейі қарастырылады. Мұндағы технико-экономикалық зардаптар микроЭЕМ-ді басқару блоктарын құру технологиясының шектелген араласуымен байланысты.
Құрамында функционалды ҮИС жинағы бар, микропроцессордың информауиялы-басқару жүйесінің аппаратты деңгейінің өзгерісі нақтыланған микропрограммалы және программалы деңгеймен бірігіп, жүйеге берілген талаптарды қанағаттандырады.
Нақтыланған жүйесіндегі басқару есептерінің шешімі жылдамдату жағынан тиімді, бірақ жүйенің модификациясы жағынан күрделі жағдайларға аалып келуі мүмкін.
Микропроцессорлық шешім (программалық логика) өте жай шешім болып табылады, бірақ ол жүйені модификациялауға және өркендетуге мүмкіндік береді. Микропроцессордың техникалық талаптарының өзгерісі тек қана микропроцессорды қайтадан программалау жұмысына әкеліп соғады. Дәл осы сапа микропроцессордың логикалық иілгіштігін қамтамасыз етеді, олардың кең көлемде қолданылуына мүмкіндік береді, демек бұл көп сериялы өндіріске алып келеді деген сөз.
1.3 Архитектураның типтері.
Архитектураның типі бойынша микропроцессор классификациясының бірнеше ықпалы бар. Микропроцессорды командалырдың жалпы сипаттамасы бойынша CISC архитектурасы және біркелкі форматталған командалардың жүйесін анықтау қолданылатын RISC архитектурасы арқылы белгілейді.
Микропроцессордың сапасы жағынан ең негізгі сипаттамасы болып мына архитектуралық типтер қарастырылады:
• жазып алынған разряд және командалар (бір кристалды) тізімі бойынша;
• өсірілген разряд (секционды) және микропрограммалық басқару бойынша.
Программалар мен деректердің адрестік аймақтарын тексере отырып, микропроцессорды Нейман архитектурасы бойынша (программалар мен деректердің жадысы біріккен аймақта орналасады және жады ұяшықтарының ақпараттарын көрсететін ешқандай белгілері жоқ) және Гарвард лабораториясының архитектурасы бойынша (программаның және деректердің жадылары бөлінген және өздерінің адрестік аймақтар мен оларға кіру әдістері бар) анықтайды.
Біз жады адрестерінің байланыс әдістерін қолдана отырып, архитектуралық есептеулердің негізгі түрлерін қарастырайық:
1. Регистрлік архитектура микропроцессор ішіндегі үлкен регистрлік файл арқылы анықталады. Командалар есте сақтау ортасы, яғни оперативті жады немесе регистрдің бірінде орналасқан операндтарды қарастыруға мүмкіндік алады.регистрдің көлемі негізінде жазылып алынған және оперативті жадыда іске асырылатын сөздің өлшемімен сәйкес келеді. Кез-келген регистрмен тікелей қатынасуға болады, себебі регистрлер есте сақтау элементтерінің массиві, яғни регистрлік файл түрінде беріледі. Типтік болып тек қана регистрдегі арифметикалық операциялардың орындалуы саналады, мұнда команда екі операндтан құралады (екі операнд та регистрде немесе бір операнд регистрде, екіншісі оперативті жадыда орналасады).
Берілген архитектура типіне Ziloq фирмасының микропроцессорлары да кіреді. Z80 процессоры – командалардың кеңейтілген жүйесіне, бір номиналды қорек көзіне және i8080 үшін жазылған программаларды орындау мүмкіншілігіне байланысты шығарылған Ziloq фирмасының өнімі.
Кристалда РОН негізгі жинағына қосымша аналогты регистрлердің екінші жинағы істеліп шығарылған. Бұл программалардың және қызмет ету процедураларының жұмысын оңайлатады, себебі программист оларға альтернативті регистрлер жинағын PUSH операциясының көмегімен, РОН негізгі программасының құрамын сақтамай-ақ қолдана алады. Сонымен қатар, командалық жүйеге жеке биттерді игеруге бағытталған арнаулы нұсқаулар қосылған,ал динамикалық жадының процессор схемасына регинерация жұмысын ұстап тұру үшін сәйкес аппараттық құралдар енгізілген. Z80 микропроцессоры Sinclair ZХ, Sinclair Spectrum, Tandy TRS80 машиналарында қолданылады. Ең ақырғы нұсқасы – аккумуляторлардың (командалардың ең кіші жинағы) адрестелген архитектурасы. Matarola микропроцессорлық компаниясы маңызды артықшылықтарымен ерекшеленеді. Алдымен, МС6800 кристалы бір номиналды қорек көзін қажет етеді, ал командалық жүйе программист үшін мөлдір болып көрінеді. Микропроцессор архитектурасының көптеген артықшылықтары бар.
2-сурет. Matarola фирмасының МС6800 микропроцессоры
МС6800 микропроцессоры екі аккумулятордан құралады, АЛҚ операциясының нәтижесі олардың кез-келгеніне орналасуы мүмкін. Бірақ МС6800-дің ең қымбат сапалы құрылымы – үзілісті өңдеу кезіндегі процессордың барлық регистрлерін автоматты түрде сақтау (бұл үшін Z80-ге бірнеше PUSH командалары қажет болады). РОН қайта құру процедурасы да аппаратты түрде жұмыс істейді.
2. Стекті архитектурасы реттелген жазба және ақпаратты таңдау арқылы жады өрісін құруға мүмкіндік береді. Жалпы жағдайда командалар ең жоғарысында немесе стектің екі жоғарғы элементінде орналасқан стек элементтеріне адрестеледі.
3. Оперативті жадыға бағытталған микропроцессор архитектурасы жұмыстың үлкен жылдамдығын, жұмыстық регистрдің және стектің үлкен ақпараттық көлемін қамтамасыз етеді.
Бұл типті архитектура аккумулятордың, жалпы регистрлердің немесе стектің анықталуын қажет етпейді, барлық командалық операндтар негізгі жады облысына адрестеледі
Архитектурада праграммист үшін ең маңызды жағдайларға келесі компоненттер мен сипаттамалардың байланысы жатады:
1. Адрестер мен деректердің разрядталуы;
2. Регистрлерге программалы түрде кіру және аттардың құрамы;
3. Форматтар мен жүйелік командалар;
4. Жады адрестерінің режимдері;
5. Әртүрлі типте берілген машиналық түсініктердің әдістері;
6. Сыртқы құрылғыларды адрестеу әдістері және енгізу/шығару операцияларын орындау құрылғылары;
7. Үзіліс кластары, ынталандыру ерекшеліктері және үзілісті өңдеулер.
1.4 Микропроцессорды функционалдық ұйымдастыру.
МП құрылымын немесе МП-лық жүйелерді жеткілікті түрде сипаттамас бұрын есептеу техникасын негізгі концепцияларын аппаратты және программалық қамтамасыз ету архитектурасын қарастыру керек,
Ақпараттарды өңдеудің универсалды программалық басқарушы құрылғысы болып табылатын микропроцессор құрамына орындалатын командаларға сәйкес ақпараттарды өңдеуді қамтамасыз ететін операциялық құрылғы (ОҚ), орындалатын командаларға және басқарылатын процесс күйіне сәйкес МП-ды ескптеу процесін синхронизациялауды орындайтын басқару құрылғысы (БҚ), МП-дың МП-лық жүйелердің басқа модульдермен өзара әрекеттесуін қамтамасыз ететін интерфейстік блоктар (ИБ) кіреді. ОЭЕМ-сын жалпы түрде 4 негізгі блоктар түрінде көрсетуге болады:
1. енгізу-шығару блогы
2. жады
3. арифметикалы-логикалық құрылғы (АЛҚ)
4. Басқару блогы.......