СУМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Баравой В.Т. Микропроцессорные устройства
скачать (10274.9 kb.)

Доступные файлы (2):

Баравой В.Т. Микропоцессорные устройства. 1 раздел.pdf	3275kb.	06.06.2011 04:14	скачать
Баравой В.Т. Микропоцессорные устройства. 2-3 разделы.doc	8993kb.	01.07.2011 06:28	скачать

содержание

Баравой В.Т. Микропоцессорные устройства. 2-3 разделы.doc

1 2 3

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

В.Т. БАРАВОЙ

Конспект лекций

по курсу «МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА»
РАЗДЕЛ II МОДУЛЬ ПАМЯТИ

РАЗДЕЛ III МОДУЛЬ ВВОДА/ВЫВОДА
для студентов специальности 6.09 14 01

«Системы управления и автоматики»

дневной и заочной форм обучения

Утверждено

редакционно-издательским советом

университета Протокол № от 2003г.

Сумы Сум ГУ 2007

В настоящем учебном пособии рассматриваются вопросы третьего раздела курса «Микропроцессорные устройства» который назван « МОДУЛЬ ВВОДА/ВЫВОДА». За основу взят комплект БИС КР580. Материал изложен в виде лекций, представлены вопросы этих лекций, что даёт возможность лучше их воспринимать. Дополнительно к учебному пособию издан альбом рисунков со структурными схемами, характеризующими устройства данного модуля. Стиль изложения материала простой, что позволяет свободно его изучать и легко усваивать. Итак в путь.

Приведены основные виды памяти-ОЗУ и ПЗУ, а также буферная и стековая. Рассмотрена структура модуля памяти 8-разрядного МП, интерфейс ОЗУ и ПЗУ, приведены примеры организации работы МП, памяти и портов ввода/вывода. Показана принципиальная электрическая схема модуля памяти. Уделено внимание проектированию запоминающих устройств и управлению памятью со стороны процессора

^ РАЗДЕЛ II МОДУЛЬ ПАМЯТИ

СОДЕРЖАНИЕ

ЛЕКЦИЯ 1 Память микро-ЭВМ...........................................3

1 Полупроводниковая память- ОЗУ, ПЗУ

2 Интерфейс ОЗУ, ПЗУ. Пример организации работы МП, памяти и портов ввода/вывода

ЛЕКЦИЯ 2 Структура модуля памяти................................. 16

1 Структурная схема модуля памяти

2 Принципиальная электрическая схема модуля памяти
ЛЕКЦИЯ 3 Запоминающие устройства, их проектирование...... 25

1 Управление памятью со стороны процессора

2 Проектирование запоминающих устройств микропроцессорных систем
ЛЕКЦИЯ 4 Буферная, стековая память................................. 35

1 Буферная память, её использование

2 Стековая память. Ветвление и выполнение подпрограмм обслуживания прерывания

^ Лекция 1 Память микро-ЭВМ
1 Виды полупроводниковой памяти

2 Интерфейс ОЗУ и ПЗУ. Пример организации работы МП, памяти и портов ввода/вывода

Компактная микроэлектронная "память" широко применяется в современной электронной аппаратуре самого различного назначения. В ЭВМ память определяют как функциональную часть, предназначенную для записи, хранения и выдачи команд и обрабатываемых данных. Комплекс технических средств, реализующих функцию памяти, называют запоминающими устройствами (ЗУ).

Для обеспечения работы процессора (микропроцессора) необходимы программа, т. е. последовательность команд, и данные, над которыми процессор производит предписываемые командами операции. Команды и данные поступают в основную память ЭВМ через устройство ввода, на выходе которого они получают цифровую форму представления, т. е. форму кодовых комбинаций 0 и 1. Основная память, как правило, подразделяется на оперативную и постоянную

Оперативное ЗУ предназначено для хранения переменной информации, оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций с данными. Это значит, что процессор может выбрать (режим считывания) из ОЗУ код команды и данные, и после обработки поместить в ОЗУ (режим записи) полученный результат. Причем возможно размещение в ОЗУ новых данных на местах прежних, которые в этом случае перестают существовать. Таким образом, ОЗУ может работать в режимах записи, считывания и хранения информации.

ОЗУ делится на два вида:

статические ОЗУ;

динамические ОЗУ.

^ В статических ОЗУ в качестве ячеек памяти используются триггеры. Динамические ОЗУ строятся проще, и основаны на свойствах электрической емкости (они должны подтверждать содержимое ячейки памяти примерно несколько сотен раз в секунду).

Постоянное ЗУ содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором программы. Такую информацию составляют стандартные подпрограммы, табличные данные, коды физических констант и постоянных коэффициентов и т. п. Эта информация заносится в ПЗУ предварительно, и в ходе работы процессора может только считываться. Таким образом, ПЗУ работает в режимах хранения и считывания.

Функциональные возможности ОЗУ шире, чем ПЗУ: ОЗУ может работать в качестве ПЗУ, т. е. в режиме многократного считывания однократно записанной информации, а ПЗУ в качестве ОЗУ использовано быть не может, так как не позволяет в процессе работы изменить занесенную в него информацию. В свою очередь, ПЗУ обладает преимуществом перед ОЗУ в свойстве сохранять информацию при сбоях и отключении питания. Это свойство получило название энергонезависимость. Оперативное ЗУ является энергозависимым, так как информация, записанная в ОЗУ, утрачивается при сбоях питания.

Стандартные ПЗУ программируются разработчиком. Но существуют и программируемые ПЗУ (ППЗУ). Такие ПЗУ могут быть запрограммированы постоянно пользователем, но необратимо (необходимо специальное оборудование). Стираемые ППЗУ могут быть программируемы и стираемы пользователем (ультрафиолетовыми лучами, электрическим током).

Наиболее типичны системы, содержащие оба типа памяти ОЗУ и ПЗУ, но бывает, что используется только ОЗУ.

Микросхемы памяти изготавливают по полупроводниковой технологии на основе кремния с высокой степенью интеграции компонентов на кристалле, что определяет их принадлежность к большим интегральным схемам (БИС). Конструктивно БИС памяти представляет собой полупроводниковый кристалл с площадью в несколько десятков квадратных миллиметров, заключенный в корпус.

Рассмотрим логическую схему ОЗУ (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Логическая схема ОЗУ
Осуществим запись числа 0101₂ (5) по адресу 11002 (12). На входы данных поступает для записи в память слово 0101₂, а положение слова в ячейке определено величиной 1100₂. Две команды управления

переводят ОЗУ в состояние записи (табл. 1.1). Данные помещаются в ячейку памяти (ЯП) по адресу 1100₂ (12). При записи данных в ЯП, т. е. при

=0 и

=0, выходы

—

находятся в Н-состоянии. Если осуществляется считывание данных из ЯП, то

=1,

=0. В состоянии ожидания

=1,

=* все выходы переходят к Н-состоянию и никакие данные не проходят через входы D₁ – D₄.

Рассмотрим структурную схему статического ОЗУ (рис. 1.2) Главным элементом этой схемы является накопитель, в котором по строчкам и столбцам сконцентрированы все ячейки памяти.

^ Таблица 1.1 - Состояния ОЗУ

Функциональное состояние	Входы управления		Выходы –
Функциональное состояние			Выходы –
Запись	0	0	Состояние лог. единицы
Считывание	0	1	Инверсия размещенных данных
Ожидание	1	*	Состояние лог. единицы

Каждая ячейка имеет свой адрес. Они в совокупности образуют адресное пространство.

^ Рисунок 1.2 - Структурная схема ОЗУ

Перевод ячейки памяти в режим записи или считывания происходит по сигналу на входе схемы управления.

При этом решаются две задачи:

выбор конкретной ячейки накопителя в которую будет записана или из которой будет считана информация;

запись или считывание информации.
^ 2 Интерфейс ОЗУ и ПЗУ. Принцип действия памяти.

Интерфейс МП с ПЗУ (рис. 1.3). Данное ПЗУ имеет емкость 4 кб, 12 линий адресной шины младших разрядов соединяются с ПЗУ. Встроенный в ИС дешифратор адреса может получить доступ к любой из 4096 (2¹²= 4096) восьми разрядных слов ПЗУ. Сигнал выхода управления считыванием идет из МП на вход, активизируя

Рисунок 1.3 - Интерфейс микропроцессора с ПЗУ
С выходами Q₀ – Q7 ПЗУ соединены восемь линий ШД. Адресные линии 4-х старших разрядов (А₁₁ – А₁₅) соединяются с дешифратором адреса. Как же работает данная схема? Для доступа в ПЗУ и считывания из него данных МП должен:

активизировать линии;
установить L-сигнал на линии управления
считыванием – .
установить L-сигнал на линии DC адреса и выбора кристалла .

При обращении МП в память по адресу 000Н (т.е. 0000 0000 0000 0000₂). Младшие 12 бит подключаются по адресным шинам А₀ – А₁₅ к дешифратору адреса ПЗУ. К адресным линиям принадлежат и старшие 4 бита (А₁₂ – А₁₅), они декодируются дешифратором адреса. Если А₁₂ – А₁₅=0000₂ дешифратор адреса выдает сигнал, который активизирует вход

выбора кристалла ПЗУ.

Пусть имеем воображаемую память емкостью 64 кб, т. е. 65536 ячеек памяти. Они разделены на 16 сегментов по 4 кб каждый (табл. 1.2.).

^ Таблица - 1.2 - Воображаемая память ПЗУ

0000	ПЗУ	0FFF
1000 – 1FFF	0001	1 сегмент
2000 – 2FFF	00120	2 сегмент
3000 – 3FFF	0011	3 сегмент
4000 – 4FFF	0100	4 сегмент
5000 – 5FFF	0101	5 сегмент
6000 – 6FFF	0110	6 сегмент
7000 – 7FFF	0111	7 сегмент
8000 – 8FFF	1000	8 сегмент
9000 – 91FFF	1001	9 сегмент
A000 – AFFF	1010	10 сегмент
B000 – BFFF	1011	11 сегмент
C000 – CFFF	1100	12 сегмент
D000 – DFFF	1101	13 сегмент
E000 – EFFF	1110	14 сегмент
F000 – FFFF	1111	15 сегмент

Роль дешифратора состоит в том, чтобы обеспечивать доступ МП только к одному сегменту одновременно. Например, если имеем 4 входа в DC - 0000, то доступным будет нулевой сегмент (пространство памяти 0000 - OFFFH), если на входах 0001, то доступный 1-ый сегмент (пространство памяти 1000 - 1FFFH) и т. д. То есть 4 старших бита выбирают сегмент памяти, а 12 младших бит определяют нужную ячейку памяти в этом сегменте.

Рассмотрим диаграмму, выполненную в виде табл. 1.3

Верхняя линия - переход адресных линий (А₀ – A₁₅) на их соответствующий логический уровень. А₀ – A₁₁ – активизирует адресные входы ПЗУ, А₁₂ – A₁₅ – декодируется дешифратором адреса и активизируется вход

выбора кристалла ПЗУ. Спустя некоторое время выход управления считывает МП, активизирует процесс вывода данных из ПЗУ. Расположенные здесь данные помещаются на ШД и перемещаются в МП.

Читаем диаграмму: после того как на адресных линиях установится логический уровень и активизируется вход

, ПЗУ нужен определенный отрезок времени для извлечения слова данных. Это время необходимо для внутренней дешифрации адреса ПЗУ и дешифрации требуемого байта в памяти.

^ Интерфейс МП с ОЗУ (рис. -1.4). ОЗУ помещено в 3-м сегменте сверху. Дешифратор адреса активизирует линию выбора устройства. DC выдает L-импульс в устройство

для активизации ОЗУ только в том случае, когда 4 адресных линий (A₁₂ – A₁₅) равны 0010₂. Как и в случае ПЗУ, декодирование младших 12 бит (A₀ – A₁₁) осуществляется системой декодирования ОЗУ.

^ Рисунок 1. 4- Интерфейс микропроцессора с ОЗУ

Шина данных становиться двунаправленной для считывания записываемых в ОЗУ данных: 12 линий младших разрядов МП идут прямо на адресные входы ОЗУ; 4 линии соединены с дешифратором адреса; выход

записи МП с линией управления

это вход ОЗУ. Когда МП активизирует выход записи

L-сигналом, то

выдает Н-сигнал в ОЗУ, который определяет операцию считывания. В качестве примера рассмотрим организацию работы микропроцессора, памяти и портов ввода/вывода микро-ЭВМ. Необходимо выполнить следующие процедуры:

нажать клавишу с буквой А на клавиатуре;
поместить букву А в память микро-ЭВМ;
вывести букву А на экран дисплея.

Это типичная процедура ввода-запоминания-вывода, характерная для микро-ЭВМ. На рис. 1.5 приведена подробная диаграмма её выполнения.

В данной программе всего три команды, хота может показаться, что в памяти программ записано шесть. Это связано с тем, что команды обычно разбиваются на части.

Первая часть команды №1 в приведённой программе это команда ввода данных.

Во второй части команды №1 указывается, откуда нужно ввести данные (из порта №1).

Как нам известно, первая часть команды, предписывающая конкретные действия, называется кодом операции (КОП), а вторая часть - операндом.

Код операции и операнд размещаются в отдельных ячейках памяти программ (КОП хранится в ячейке 100, а код операнда - в ячейке 101 порта №1). Последний указывает откуда нужно взять информацию.

Обратим внимание на то, что на рис. 1.5 функционируют ПЗУ, она названа как программная память и ОЗУ представлена как память данных.

Рассмотрим прохождение команд и данных внутри микро-ЭВМ с помощью занумерованных кружков на диаграмме. Напомним, что микропроцессор — центральный узел, управляющий перемещением всех данных и выполнением операций.

Выполнение типичной процедуры ввод-запоминание-вывод в микро-ЭВМ происходит в определённой последовательности. Рассмотрим этапы работы.

1 МП выдаёт адрес 100 на шину адреса. По шине управления поступает сигнал (CS), устанавливающий память программ (конкретную микросхему) в режим считывания.

2 Запоминающее устройство программ пересылает первую команду (ВВЕСТИ данные) по шине данных, и МП получает это закодированное сообщение. Команда помещается в регистр команд. МП декодирует (интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нужен операнд.

3 МП выдаёт адрес 101 на шину адреса. Шина управления используется для перевода памяти программ в режим считывания.

^ Рисунок 1.5 – Диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода
Обратим внимание, что команды уже засужены в первые шесть ячеек памяти. Хранимая программа содержит следующие команды:

ВВЕСТИ (INPUT) данные из порта ввода № 1

ЗАПОМНИТЬ, т.е. ПОМЕСТИТЬ (STORE) эти данные в ячейку памяти № 200;

^ ВЫВЕСТИ (OUTPUT) эти данные в порт вывода № 10.

4 Из памяти программ на шину данных пересылается операнд « Из порта №1». Этот операнд, содержащий адрес порта №1, передаётся по шине данных к МП и направляется в регистр команд. МП теперь кодирует полную команду («Ввести данные из порта №1»).

5 МП, используя шину данных и шину управления, связывающие его с устройством ввода, открывает порт №1. Цифровой код буквы А передаётся в аккумулятор внутри МП и запоминается там. Важно отметить, что при обработке каждой программной команды, МП действует согласно микропроцедуре выборка-декодированне-исполненне.

6 МП обращается к ячейке №102 по шине адреса. Шина управления используется для перевода памяти программ в режим считывания.

7 Код команды «Запомнить данные» подаётся на шину данных и пересылается в МП, где помещается в регистр команд.

8 МП дешифрует эту команду и определяет, что для неё нужен операнд. МП обращается к ячейке памяти №103 и приводит в активное состояние вход считывания микросхем памяти программ.

9 Из памяти программ на шину данных пересылается код сообщения «В ячейке памяти № 200». МП воспринимает этот операнд и помещает его в регистр команд. Полная команда «Запомнить данные в ячейке памяти № 200» выбрана из памяти программ и декодирована.

10 Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пересылает адрес № 200 на шину адреса и активизирует вход записи, относящийся к памяти данных.

11 МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в память данных. Код буквы А передается по шине данных и записывается в ячейку № 200 этой памяти. Выполнена вторая команда. Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем по-прежнему находится код буквы А.

12 МП обращается к ячейке памяти № 104 для выбора очередной команды и переводит память программ в режим считывания.

13 Код команды вывода данных пересылается по шине данных к МП, который помещает её в регистр команд, дешифрирует и определяет, что нужен операнд.

14 МП выдаёт адрес №105 на шину адреса и устанавливает память программ в режим считывания.

15 Из памяти программ по шине данных к МП поступает код операнда «В порт №10», который далее помещается в регистр команд.

16 МП дешифрирует полную команду «Вывести данные в порт №10». С помощью шины адреса и шины управления, связывающих его с устройством вывода, МП открывает порт №10, пересылает код буквы А (всё еще находящийся в аккумуляторе) по шине данных. Буква А выводится через порт № 10 на экран дисплея.

Подчеркнём, что именно МП является ядром системы и осуществляет управление всеми операциями. Его работа представляет последовательную реализацию микропроцедур выборки-дешифрации-исполнения. Однако фактическая последовательность операций в МПС определяется командами, записанными в памяти программ. В большинстве МПС передача информации осуществляется способом, аналогичным рассмотренному выше.

Таким образом, в МПС 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.

На рис. 1.6 показаны схемы представления памяти микро-ЭВМ по её типичному содержанию и по интерпретации содержимого МП.

^ Рисунок 1.6-Предсгашгение памяти микро-ЭВМ:

а) типичное содержание; б) интерпретация содержимого МП
Лекция 2 Структура модуля памяти
1 Структурная схема модуля памяти

2 Принципиальная электрическая схема модуля памяти

1 2 3

Скачать файл (10274.9 kb.)

Баравой В.Т. Микропроцессорные устройства - файл Баравой В.Т. Микропоцессорные устройства. 2-3 разделы.doc

Доступные файлы (2):

Баравой В.Т. Микропоцессорные устройства. 2-3 разделы.doc