Функции устройств ввода/вывода

Устройства ввода/вывода обмениваются информацией с магистралью по тем же принципам, что и память. Наиболее существенное отличие с точки зрения организации обмена состоит в том, что модуль памяти имеет в адресном пространстве системы много адресов, а устройство ввода/вывода имеет немного адресов.

Входной порт в простейшем случае представляет собой параллельный регистр, в который процессор может записывать информацию. Выходной порт обычно представляет собой просто однонаправленный буфер, через который процессор может читать информацию от внешнего устройства.

Устройства ввода/вывода помимо программного обмена могут также поддерживать режим обмена по прерываниям. В составе микропроцессорных систем выделяются три специальные группы устройств ввода/вывода:

• устройства интерфейса пользователя (контроллеры клавиатуры)
• устройства ввода/вывода для длительного хранения информации;
• таймерные устройства.

Таймерные устройства могут не иметь внешних выводов для подключения к внешним устройствам.

56, 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 микропроцессоров.

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.

 

 

57. При модульном принципе построения все МК одного семейства содержат процессорное ядро, одинаковое для всех МК данного семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей. Процессорное ядро включает в себя: центральный процессор; внутреннюю контроллерную магистраль (ВКМ) в составе шин адреса, данных и управления; схему синхронизации МК; схему управления режимами работы МК, включая поддержку режимов пониженного энергопотребления, начального запуска (сброса) и т.д. модульная организация, при которой на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд (линейка) МК, различающихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частотой синхронизации; использование закрытой архитектуры МК, которая характеризуется отсутствием линий магистралей адреса и данных на выводах корпуса МК. Таким образом, МК представляет собой законченную систему обработки данных, наращивание возможностей которой с использованием параллельных магистралей адреса и данных не предполагается; использование типовых функциональных периферийных модулей (таймеры, процессоры событий, контроллеры последовательных интерфейсов, аналого-цифровые преобразователи и др.), имеющих незначительные отличия в алгоритмах работы в МК различных производителей; расширение числа режимов работы периферийных модулей, которые задаются в процессе инициализации регистров специальных функций МК.

58,. Базовый функциональный блок микроконтроллера включает:

1. Центральный процессор.

2. Внутренние магистрали адреса, данных и управления.

3. Схему формирования многофазной импульсной последовательности для тактирования центрального процессора и межмодульных магистралей.

4. Устройство управления режимами работы МК, такими, как активный режим, в котором МК выполняет прикладную программу, режимы пониженного энергопотребления, в один из которых МК переходит, если по условиям работы выполнение программы может быть приостановлено, состояния начального запуска (сброса) и прерывания.

Базовый функциональный блок принято называть процессорным ядром МК. Процессорное ядро обозначают именем семейства МК, основой которого оно является. Например, ядро НС05 — процессорное ядро семейства Motorola MC68HC05, ядро MCS-51 — ядро семейства МК Intel 8xC51, ядро PIC16 — процессорное ядро Microchip PIC16.

Процессорное ядро представляет собой неразрывное единство трех составляющих его технического решения:

1. Архитектуры центрального процессора с присущими ей набором регистров для хранения промежуточных данных, организацией памяти и способами адресации операндов в пространстве памяти, системой команд, определяющей набор возможных действий над операндами, организацией процесса выборки и исполнения команд.

2. Схемотехники воплощения архитектуры, которая определяет последовательность перемещения данных по внутренним магистралям МК между регистрами, арифметическо-логическим устройством и ячейками памяти в процессе выполнения каждой команды.

3. Технологии производства полупроводниковой БИС МК, которая позволяет разместить схему той или иной сложности на полупроводниковом кристалле, определяет допустимую частоту переключений в схеме и энергию потребления.

Эти три составляющие неразрывно связаны друг с другом и в конечном счете определяют важнейший параметр процессорного ядра МК — его производительность.Ядро современных 8-разрядных МК реализует один из двух принципов построения МП:

• МП с CISC-архитектурой — МП с полной системой команд (Complicated Instruction Set Computer).

• МП с RISC-архитектурой — МП с сокращенной системой команд (Reduced Instruction Set Computer).

59. Изменяемый функциональный блок включает в себя модули памяти различного типа и объема, порты ввода/вывода, модули тактовых генераторов, таймеры. В относительно простых МК модуль обработки прерываний входит в состав процессорного ядра. В более сложных МК он представляет собой отдельный модуль с развитыми возможностями. В состав изменяемого функционального блока могут входить и такие дополнительные модули как компараторы напряжения, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и другие. Каждый модуль проектируется для работы в составе МК с учетом протокола ВКМ. Данный подход позволяет создавать разнообразные по структуре МК в пределах одного семейства. В настоящее время существует подход по которому одному и тому же выводу микросхемы соответствует несколько различных функциональных назначений. При это назначение задается программно. Вот эти периферийные модули, память и составляют изменяемый функциональный блок.

60. Модули таймеров. служат для приема информации о времени наступления тех или иных событий от внешних датчиков событий, а также для формирования управляющих воздействий во времени. Модуль таймера 8-разрядного МК представляет собой 8-ми или 16-разрядный счетчик со схемой управления. Схемотехникой МК обычно предусматривается возможность использования таймера в режиме счетчика внешних событий, поэтому его часто называют таймером/счетчиком. В памяти МК 16-разрядный счетчик отображается двумя регистрами: TH — старший байт счетчика, TL — младший байт. Регистры доступны для чтения и для записи. Направление счета — только прямое, то есть при поступлении входных импульсов содержимое счетчика инкрементируется. счетчик может использовать один из источников входных сигналов: импульсную последовательность с выхода управляемого делителя частоты fBUS; сигналы внешних событий, поступающие на вход TOCKI контроллера. В первом случае говорят, что счетчик работает в режиме таймера, во втором — в режиме счетчика событий. При переполнении счетчика устанавливается в «единицу» триггер переполнения TF, который генерирует запрос на прерывание, если прерывания от таймера разрешены. Пуск и останов таймера могут осуществляться только под управлением программы. Программным способом можно также установить старший и младший биты счетчика в произвольное состояние или прочитать текущий код счетчика. Совершенствование подсистемы реального времени МК ведется по следующим направлениям: увеличение числа модулей таймеров/счетчиков. Этот путь характерен для фирм, выпускающих МК со структурой MCS-51, а также для МК компаний Mitsubishi и Hitachi; модификация структуры модуля таймера/счетчика, при которой увеличение числа каналов достигается не за счет увеличения числа счетчиков, а за счет введения дополнительных аппаратных средств входного захвата (input capture — IC) и выходного сравнения (output compare — OC). Такой подход используется, в частности, в МК компании Motorola.