Мдк 02. 01 микропроцессорные системы

Профессионального модуля

ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ, УСТАНОВКА И НАСТРОЙКА ПЕРИФЕРИЙНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

 (профессиональный цикл)

основной профессиональной образовательной программы

среднего профессионального образования

ГБОУ СПО ВО «Владимирский авиамеханический колледж»

по специальности среднего профессионального образования

 

Компьютерные системы и комплексы

 

по программе базовой подготовки

Владимир 2018

Одобрено цикловой комиссией «Программного обеспечения и компьютерных систем»

Разработано на основе ФГОС СПО по специальности 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы

«

16

»

апреля

2018 г.

Протокол №

8

Председатель  цикловой комиссии ПО и КС

Заместитель директора по учебной работе

А.Е.Петров

О.В.Крючкова

 

Автор: С.А.Воронова – преподаватель ГБОУ СПО ВО «ВАМК»

СОДЕРЖАНИЕ

 

Тема 1 Архитектура микропроцессорных систем......................................... 6

Лекция 1 Архитектура и структура микропроцессора...................... 6

Лекция 2 Классификация микропроцессоров................................... 13

Лекция 3 Архитектура микропроцессора КР580ВМ80А................ 21

Лекция 4 Алгоритм функционирования микропроцессора............. 29

Лекция 5 Команды микропроцессорного устройства...................... 35

Лекция 6 Регистровая структура универсального МП.................... 52

Лекция 7 Физическая и логическая организация............................. 63

Лекция 8 Организация и принципы работы кэш-памяти................. 73

Лекция 9 Аппаратные средства защиты информации...................... 85

Лекция 10 Мультипрограммный режим работы микропроцессора 97

Лекция 11 Микропрограммная интерпретация команд................. 111

Лекция 12 Прерывания.................................................................... 116

Тема 2 Архитектура микропроцессоров.................................................... 132

Лекция 13 Структура микропроцессорной системы...................... 132

Лекция 14 Конвейерная организация микропроцессора............... 147

Лекция 15 Структура и особенности архитектуры МП Pentium 4 166

Лекция 16 Основные направления развития архитектуры УМП.. 182

Лекция 17 Микропроцессоры с архитектурой............................... 196

Лекция 18 Многопроцессорные и многомашинные ВС................. 208

Лекция 19 Архитектура однокристального микроконтроллера... 226

Лекция 20 Построение МПС на основе однокристальных МК..... 241

Тема 3 Программирование на языке Си.................................................... 244

Лекция 21 Лексические основы языка C++..................................... 244

Лекция 22 Скалярные типы и выражения языка C++.................... 265

Лекция 23 Операторы языка языка C++. Операторы выбора...... 278

Лекция 24 Операторы языка языка C++. Операторы цикла......... 283

Лекция 25 Указатели, массивы и структуры.................................. 289

Лекция 26 Многомерные массивы, массивы указателей................ 300

Лекция 27 Строки. Потоки.............................................................. 309

Лекция 28 Классы............................................................................ 333

Лекция 29 Наследование классов.................................................... 346

Лекция 30 Классы и шаблоны......................................................... 384

Лекция 31 Обработка исключений.................................................. 388

Тема 4 Моделирование схем в VSM Proteus............................................. 397

Лекция 32 Система визуального моделирования Proteus.............. 397

Лекция 33 Органы управления схемы Proteus............................... 405

Лекция 34 Инструменты управления Proteus................................ 430

Лекция 35 Микроконтроллеры и Proteus...................................... 449

Лекция 36 Программирование микроконтроллеров в Proteus.... 467

Тема 5 Микроконтроллеры........................................................................ 483

Лекция 37 Микропроцессоры и микроконтроллеры.................... 483

Лекция 38 Классификация современных микроконтроллеров..... 509

Лекция 39 Микроконтроллеры 8051, PIC, AVR и ARM.............. 517

Лекция 40 Микроконтроллеры семейства PIC.............................. 525

Лекция 41 Специальные функции и система команд МК PIC........ 547

Лекция 42 Особенности разработки цифровых устройств............ 566

Лекция 43 Разработка программного обеспечения для PIC МК... 578

Лекция 44 Микроконтроллеры Arduino......................................... 600

Лекция 45 Среда разработки Arduino IDE..................................... 622

Лекция 46 Программирование в Arduino. Базовые знания........... 635

Лекция 47 Синтаксис и операторы.................................................. 641

Лекция 48 Данные............................................................................ 651

Лекция 49 Функции.......................................................................... 662

Лекция 50 Ардуино и знакосинтезирующие ЖК индикаторы...... 688

Лекция 51 Ардуино и набор функций Serial.................................. 713

Лекция 52 Ардуино и шаговые двигатели...................................... 722

Лекция 53 Ардуино и сервоприводы.............................................. 729

Лекция 54 Ардуино и датчики расстояния..................................... 739

Лекция 55 Ардуино и передача данных в ИК диапазоне.............. 748

Лекция 56 Ардуино и Bluetooth...................................................... 775

Основные сокращения..................................................................... 785

 

 

Тема 1 Архитектура микропроцессорных систем

 

Лекция 1 Архитектура и структура микропроцессора

Цель лекции: знакомство с архитектурой микропроцессоров, отличительными чертами микропроцессоров.

 

Основные понятия и характеристики архитектуры микропроцессоров.

Микропроцессор (МП) - это программно управляемое устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки и выполнено в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).

Понятие большая интегральная схема в настоящее время четко не определено. Ранее считалось, что к этому классу следует относить микросхемы, содержащие более 1000 элементов на кристалле. И действительно, в эти параметры укладывались первые микропроцессоры. Например, четырехразрядная процессорная секция микропроцессорного комплекта К584, выпускавшегося в конце 1970-х годов, содержала около 1500 элементов. Сейчас, когда микропроцессоры содержат десятки миллионов транзисторов и их количество непрерывно увеличивается, под БИС будем понимать функционально сложную интегральную схему.

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, основу которой составляет микропроцессор.

Микропроцессор характеризуется большим количеством параметров и свойств, так как он является, с одной стороны, функционально сложным вычислительным устройством, а с другой - электронным прибором, изделием электронной промышленности. Как средство вычислительной техники он характеризуется прежде всего своей архитектурой, то есть совокупностью программно-аппаратных свойств, предоставляемых пользователю. Сюда относятся система команд, типы и форматы обрабатываемых данных, режимы адресации, количество и распределение регистров, принципы взаимодействия с оперативной памятью и внешними устройствами (характеристики системы прерываний, прямой доступ к памяти и т. д.). По своей архитектуре микропроцессоры разделяются на несколько типов, изображенных на рисунке 1.1.

Универсальные микропроцессоры предназначены для решения задач цифровой обработки различного типа информации от инженерных расчетов до работы с базами данных, не связанных жесткими ограничениями на время выполнения задания. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. К нему относятся такие известные микропроцессоры, как МП ряда Pentium фирмы Intel и МП семейства Athlon фирмы AMD.

 

 

 

 

Рисунок 1.1 – Классификация микропроцессоров

 

Основные характеристики микропроцессоров:

- разрядность: определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за один такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ);

Разрядность МП обозначается m/n/k/ и включает:

m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;

- тактовая частота, определяющая максимальное время переключения элементов в ЭВМ;

- виды и форматы обрабатываемых данных;

- система команд, режимы адресации операндов;

- емкость прямоадресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса;

- частота внешней синхронизации. Для частоты синхронизации обычно указывается ее максимально возможное значение, при котором гарантируется работоспособность схемы. Для функционально сложных схем, к которым относятся и микропроцессоры, иногда указывают также минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. В то же время в тех применениях МП, где не требуется высокое быстродействие, снижение частоты синхронизации - одно из направлений энергосбережения. В ряде современных микропроцессоров при уменьшении частоты он переходит в <спящий режим>, при котором сохраняет свое состояние. Частота синхронизации в рамках одной архитектуры позволяет сравнить производительность микропроцессоров. Но разные архитектурные решения влияют на производительность гораздо больше, чем частота;

- производительность: определяется с помощью специальных тестов, при этом совокупность тестов подбирается таким образом, чтобы они по возможности покрывали различные характеристики микроархитектуры процессоров, влияющие на производительность.

Назначение микропроцессоров

Микропроцессор выполняет следующие функции:

- выборку команд программы из основной памяти;

- дешифрацию команд;

- выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах;

- управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода;

- отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств;

- управление и координацию работы основных узлов МП.

Обобщенная структура микропроцессора изображена на рисунке 1.2.

 

 

Рисунок 1.2 – Обобщенная структура микропроцессора

 

Устройство управления (УУ) предназначено для реализации выборки команд, их дешифрации, и на основе этого – для управления обменом и обработкой информации путем генерации последовательности управляющих сигналов.

Операционное устройство (ОУ) служит для обработки цифровой информации (арифметические и логические операции, сдвиги, анализ чисел и т.п.).

Основным элементом для хранения информации внутри процессора являются регистры, которые выполняют функцию сверхоперативного ОЗУ с минимальным временем записи и считывания.

Регистр команд РгК (англ. IR - insructionregister) используется для фиксации кода команды после считывания ее из памяти. Как правило, в этом регистре фиксируется лишь код операции (КОП) - часть кода команды, определяющая выполняемое действие и способ адресации операндов (см. ниже).

Регистры операндов служат для хранения данных в процессе их обработки, позволяют избегать постоянных обращений к памяти. В современных процессорах количество регистров операндов может достигать 10-15 штук. По сути, они образуют внутреннюю память процессора.

В однокристальных микроконтроллерах количество регистров операндов доведено до нескольких десятков, и применительно к ним вводится понятие регистрового файла. Некоторые из регистров операндов могут использоваться также для хранения или формирования адресов других операндов, т.е. на их основе реализуется механизм косвенной адресации данных в памяти (см. ниже). Данные, размещенные в регистрах операндов, поступают на обработку в арифметико-логическое устройство (АЛУ). В некоторых типах процессоров один из регистров операндов всегда является и приемником результата операции в АЛУ – такой регистр принято называть регистром-аккумулятором. Процессоры, в которых принята схема выполнения операций в виде:

<аккумулятор> (операция) <операнд> Þ <аккумулятор>, называются процессорами с аккумуляторно-ориентированной структурой

Счетчик команд (англ. PC - programmingcounter) – регистр, в котором при выборке или выполнении текущей команды формируется адрес следующей команды. Модификация содержимого регистра PC – это средство управления последовательностью выборки команд из памяти и, следовательно, управления ходом вычислительного процесса (т.е. реализация ветвлений в алгоритмах).

Указатель стека (англ. SP - stackpointer) – регистр, в котором при выполнении программы хранится адрес границы той области памяти, для которой программист использует принцип последовательного доступа к данным (так называемый протокол работы со стеком).

Регистр адреса – регистр, в котором формируется адрес любого устройства, внешнего по отношению к процессору (ячейки памяти или порта ввода-вывода), перед обращением к этому устройству. Данный регистр необходим, поскольку источником адресной информации могут являться различные регистры процессора. При этом регистр адреса играет роль накапливающего буфера, из которого адресная информация выдается на внешнюю шину адреса.

Регистр признаков (англ. F - flags) – это элемент внутренней памяти, в котором в виде отдельных битов фиксируются признаки, характеризующие результат операции, выполненной в АЛУ (нулевой результат, переполнение разрядной сетки и т.п.).

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – функциональный блок процессора, предназначенный для реализации действий по обработке данных.

Результат операции, выполненной в АЛУ, заносится в один из регистров или пересылается в память (в зависимости от команды). В регистре признаков автоматически формируются признаки, характеризующие этот результат.

Функционирование процессора всегда синхронизируется от внешнего генератора тактовых импульсов (ГТИ). Именно под влиянием импульсов от ГТИ устройство управления процессора автоматически реализует действия, связанные с выборкой команд из памяти и их дешифрацией.

Выполнение команды всегда занимает некоторое количество периодов тактовой частоты и состоит из последовательности элементарных действий процессора (выборка команды, чтение операнда, вычисление в АЛУ). Эти элементарные действия называют машинными циклами (МЦ). В течение каждого МЦ происходит генерация строго определенной комбинации управляющих сигналов для соответствующих узлов процессора и всей вычислительной системы.

 

Контрольные вопросы:

1. Какие основные характеристики микропроцессора?

2. Какие основные узлы микропроцессора?

3. Назовите назначение составных частей микропроцессора.

4. Назовите функции, выполняемые микропроцессором.