Основы цифровой электроники.

Цифровые элементы используются для преобразования и обработки дискретных сигналов, их можно разделить на 2 группы:-Последовательные ЦЭ, которые содержат элементы памяти (например, триггер).Триггер — это устр-тво послед-го типа с двумя устойчивыми состояниями равновесия, предназначенное для записи и хранения информации. Под действием входных сигналов триггер может переключаться из одного устойчивого состояния в другое.D-триггер запоминает состояние входа и выдаёт его на выход. D-триггеры имеют два входа: информационный D и синхронизации С. Сохранение информации в D-триггерах происходит в момент прихода активного фронта на вход С. Информация на выходе остаётся неизменной до прихода очередного импульса синхронизации. D-триггер в основном используется для реализации защёлки. Комбинированные ЦЭ, не содержащие элементы памяти (логические элементы). Логический элемент – дискретный элемент, напряжение на выходе которого могут либо высокого уровня (1) либо низкого уровня (0).В зависимости от вида управляющих сигналов делят ЛЭ на:1.Потенциальные ЛЭ. Используются потенц.сигналы.2.Импульсные ЛЭ. Импульсный сигнал. 3.Импульсно-потенц.ЛЭ.4.Осн.параметры ЛЭ: -Набор лог. ф-ций.-Число входов.-Коэф-т разветвления по выходу. -Потребляемая мощность.-Динам.параметры: задержка распростр-я сигнала и макс.высота вх.сигнала.

 

1. Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функц-но законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устр-в, главным образом микропроцессорных. МС может рассматриваться как частный случай электронной системы, предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов. В качестве входных и выходных сигналов при этом могут использоваться аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигналы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Внутри системы может производиться хранение, накопление сигналов (или информации), но суть от этого не меняется. Если система цифровая (а МС относятся к разряду цифровых), то входные аналоговые сигналы преобразуются в послед-ти кодов выборок с помощью АЦП, а выходные аналоговые сигналы формируются из последовательности кодов выборок с помощью ЦАП. Обработка и хранение информации производятся в цифровом виде. Характерная особенность традиционной цифровой системы состоит в том, что алгоритмы обработки и хранения информации в ней жестко связаны со схемотехникой системы. То есть изменение этих алгоритмов возможно только путем изменения структуры системы, замены электронных узлов, входящих в систему, и связей между ними. Естественно, это практически невозможно сделать в процессе эксплуатации, обязательно нужен новый производственный цикл проектирования, изготовления, отладки всей системы. Именно поэтому традиционная цифровая система часто называется системой на «жесткой логике». Системы на «жесткой логике» хороши там, где решаемая задача не меняется длительное время, где требуется самое высокое быстродействие, где алгоритмы обработки информации предельно просты. А универсальные, программируемые системы хороши там, где часто меняются решаемые задачи, где высокое быстродействие не слишком важно, где алгоритмы обработки информации сложные.

 

9. Методы адресации операндов, регистры процессора.

Методы адресации.Количество методов адресации в различных процессорах может быть от 4 до 16. Рассмотрим несколько типичных методов адресации операндов, используемых сейчас в большинстве МП. Непосредственная адресация предполагает, что операнд (входной) находится в памяти непосредственно за кодом команды. Операнд представляет собой константу, которую надо куда-то переслать, к чему-то прибавить и т.д.Прямая (абсолютная) адресация предполагает, что операнд (входной или выходной) находится в памяти по адресу, код которого находится внутри программы сразу же за кодом команды.Регистровая адресация предполагает, что операнд (входной или выходной) находится во внутреннем регистре процессора. Например, команда может состоять в том, чтобы переслать число из нулевого регистра в первый. Номера обоих регистров (0 и 1) будут определяться кодом команды пересылки.Косвенно-регистровая адресация предполагает, что во внутреннем регистре процессора находится не сам операнд, а его адрес в памяти. Например, команда может состоять в том, чтобы очистить ячейку памяти с адресом, находящимся в нулевом регистре. Номер этого регистра (0) будет определяться кодом команды очистки.Регистром называется функциональный узел, осуществляющий приём, хранение и передачу информации. По типу приёма и выдачи информации различают 2 типа регистров:1)С последовательным приёмом и выдачей информации — сдвиговые регистры;2)С параллельным приёмом и выдачей информации — параллельные регистры. //По назначению регистры различаются на: -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 стека); -сегментные — хранят адреса и селекторы сегментов памяти; -управляющие — хранят информацию, управляющую состоянием процессора, а также адреса системных таблиц.

2. Микропроцессор - процессор, выполненный в виде одной либо нескольких взаимосвязанных интегральных схем. Микропроцессор состоит из цепей управления, регистров, сумматоров, счетчиков команд и очень быстрой памяти малого объема. Некоторые микропроцессоры дополняются сопроцессорами, расширяющими возм-ти микропроцессоров и набор выполняемых команд. Микропроцессор, как и любой другой процессор, является устройством, предназначенным для обработки или передачи данных. Он часто не имеет памяти, средств ввода-вывода данных. Эти задачи решаются внешними (по отношению к МП) интегральными схемами. Размеры слов, с которыми работают микропроцессоры, все время растут. Все больше используются 32- и 64-разрядные МП. Последние позв-т резко увеличивать адресуемую память и размер файлов, с которыми работают. Это, в свою очередь, увеличивает быстродействие МП. В тех случаях, когда память и ср-ва ввода-вывода размещаются на той же подложке интегральной схемы, что и МП, последний превр-ся в микрокомпьютер. МК является специализированным микрокомпьютером, применяемым для упр-я различными устр-вами. Например, принтерами, терминалами, аппаратами передачи данных. Микроконтроллеры нередко выпускаются сериями по несколько миллионов штук. Создание микропроцессоров позволяет уменьшить стоимость и размеры технических средств обработки инф-ции, увеличить их быстродействие, снизить энергопотребление. Первый МП корпорации Intel 4004 на четырех кристаллах появ-ся в 1971 г. Микропроцессор имел 4-битовую шину, адресуемую память 4,5 Кбит и выполнял 45 команд. Сейчас МП выпуск-ся многими производителями. На их основе созд-ся подавляющее число компьютеров. Некоторые МП могут быть дополнены сопроцессорами, расширяющими возможности первых и набор выполняемых команд. Микропроцессор является основным компонентом микрокомпьютера. Простейшие МП исп-ся в компьютерных карточках (пластиковая карточка со встроенными в нее МП, ПО и энергонезавис.запоминающим устр-вом).Наряду с универс.произв-тся специ.МП, кот. вып-т огран. набор ф-ций,но они дешевле и потреб-т меньше электроэн-ии.

3. Типы адресации и система команд.

Все команды, выполняемые процессором, образуют систему команд процессора. Структура и объем системы команд процессора определяют его быстродействие, гибкость, удобство использования. Всего команд у процессора может быть от нескольких десятков до нескольких сотен. Система команд может быть рассчитана на узкий круг решаемых задач (у специализированных процессоров) или на максимально широкий круг задач (у универсальных процессоров). Коды команд могут иметь различное количество разрядов (занимать от одного до нескольких байт). Каждая команда имеет свое время выполнения, поэтому время выполнения всей программы зависит не только от количества команд в программе, но и от того, какие именно команды используются.Способы адресации: 1)Регистровая: Add R4,R3 - Требуемое значение в регистре 2)Непосредственная или литеральная: Add R4,#3 - Для задания констант 3)Базовая со смещением: Add R4,100(R1) - Для обращения к локальным переменным 4)Косвенная регистровая: Add R4,(R1) - Для обращения по указателю или вычисленному адресу 5)Индексная: Add R3,(R1+R2) - Иногда полезна при работе с массивами: R1 - база, R3 – индекс 6)Прямая или абсолютная: Add R1,(1000) - Иногда полезна для обращения к статическим данным 7)Косвенная: Add R1,@(R3) - Если R3-адрес указателя p, то выбирается значение по этому указателю 8)Автоинкрементная: Add R1,(R2)+ - Полезна для прохода в цикле по массиву с шагом: R2 - начало массива 9)Автодекрементная: Add R1,(R2)- - Аналогична предыдущей.Обе могут исп-ся для реализации стека 10)Базовая индексная со смещ-ем и масштабир-ем: Add R1,100(R2)[R3] - Для индексации массивов.

5. Программный обмен информацией является основным в любой микропроцессорной системе. Он предусмотрен всегда, без него невозможны другие режимы обмена. В этом режиме процессор является единоличным хозяином (или задатчиком, Master) системной магистрали. Все операции (циклы) обмена информацией в данном случае инициируются только процессором, все они выполняются строго в порядке, предписанном исполняемой программой. Процессор читает (выбирает) из памяти коды команд и исполняет их, читая данные из памяти или из устройства ввода/вывода, обрабатывая их, записывая данные в память или передавая их в устройство ввода/вывода. Путь процессора по программе может быть линейным, циклическим, может содержать переходы (прыжки), но он всегда непрерывен и полностью находится под контролем процессора. Ни на какие внешние события, не связанные с программой, процессор не реагирует. Все сигналы на магистрали в данном случае контролируются процессором.

Структура процессора.

Для вып-я команд в структуру процессора входят внутренние регистры, арифметико-логическое устройство (АЛУ, ALU — Arithmetic Logic Unit), мультиплексоры, буферы, регистры и другие узлы. Работа всех узлов синхрониз-ся общим внеш. тактовым сигналом процессора. Т.е.процессор предст-т собой довольно сложное цифровое устр-во (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Пример структуры простейшего процессора.

Впрочем, для разработчика микропроцессорных с-м инф-я о тонкостях внутр.стр-ры процессора не слишком важна. Разработчик должен рассматривать процессор как «черный ящик», который в ответ на входные и управляющие коды производит ту или иную операцию и выдает выходные сигналы. Разработчику необходимо знать систему команд, режимы работы процессора, а также правила взаимодействия процессора с внешним миром или, как их еще называют, протоколы обмена информацией. О внутренней структуре процессора надо знать только то, что необходимо для выбора той или иной команды, того или иного режима работы.