Функционирование МПС

Функционирование микропроцессорной системы сводится к выполнению определенной последовательности действий.

Общий принцип функционирования - это получение данных от различных периферийных устройств (с клавиатуры терминала, от дисплеев, из каналов связи, различного типа внешних запоминающих устройств), обработка данных и выдача результата обработки на периферийные устройства (ПУ). Причем данные от ПУ, подлежащие обработке, могут поступать и в процессе их обработки.

Работа МПС очень похожа на функционирование МП. При этом выделяют несколько этапов.

1. Работа с данными и командами.

- В ходе работы микропроцессор, в соответствие с сигналами схемы синхронизации, выдает на шину адреса номер (адрес) ячейки памяти, в которой хранится очередная команда.

- Из шины управления в ОЗУ поступают сигналы, обеспечивающие чтение содержимого указываемой шиной адреса ячейки памяти.

- Запрошенная ОЗУ команда выдается на шину данных, откуда она принимается в микропроцессор.

- Здесь команда расшифровывается. Если данные, действия над которыми предусматривает команда, находятся в регистрах микропроцессора, то МП приступает к выполнению указанной в команде операции, если же при расшифровке команды выясняется, что участвующие в операции данные находятся в ОЗУ, то МП выставляет на шину адреса адрес ячейки, хранящей эти данные.

- После выдачи данных из ОЗУ микропроцессор принимает их через шину данных.

- Затем выполняется операция над данными.

- После завершения выполнения текущей команды на шину адреса выдается адрес следующей команды и описанный процесс повторяется.

2. Выдача результатов на периферийное устройство.

В процессе функционирования МПС может потребоваться выдача результата на ПУ (для управления объектами отображения на экране дисплея и т.д.) либо прием данных от ПУ (например, прием данных, набираемых оператором на клавиатуре, и т.д.). такой обмен данными может осуществляться следующим образом.

- До начала непосредственного обмена данными с ПУ микропроцессор через шину данных должен выдать в контролер обмена информацию о режимах, используемых при передаче и направлениях передачи данных (от МП к ПУ либо, наоборот, от ПУ к МП).

- Затем, в момент, когда потребуется, например, передать в ОЗУ выдаваемые из ПУ данные, микропроцессор , выполняя команду ввода, подает на контролер соответствующие управляющие сигналы. Данные из ПУ принимаются в регистр контролера.

- Затем данные контролером выдаются на шину данных.

- Далее эти данные с шины данных принимаются в МП, после чего в процессе выполнения соответствующей команды они предаются в ОЗУ.

3. Обмен данными между памятью и периферийными устройствами.

Аналогично происходит обмен данными в обратном направлении - от ОЗУ к ПУ.

- По соответствующей команде программы осуществляется прием из ОЗУ в микропроцессор данных, подлежащих передаче.

- Затем, по одной из следующих команд, эти данные выдаются на шину данных и через контролер обмена передаются на ПУ.

а). Обмен данными с низкоскоростными периферийными устройствами.

Если моменты обмена данными не предусмотрены в программе, то они могут определяться и самим ПУ. В таких случаях ПУ, подавая в МП определенные сигналы, переводит его в состояние так называемого прерывания.

- В этом состоянии микропроцессор прекращает выполнение основной программы и запоминает промежуточные результаты в стеке.

- Затем МП исполняет команды другой хранящейся в ОЗУ программы (прерывающей программы), обеспечивающей обмен данными требуемый периферийными устройствами.

- После окончания выполнения такой прерывающей программы микропроцессор возвращается к выполнению основной программы.

б). Обмен данными с высокоскоростными периферийными устройствами.

Описанные способы обеспечивают низкую скорость обмена и применяются при обмене данными с низкоскоростными ПУ. При работе с высокоскоростными ПУ (такими, как запоминающие устройства на дисках и др.) используется так называемый режим прямого доступа к памяти (ПДП).

- В этом режиме микропроцессор отключается от шин адреса и данных, предоставляя их в распоряжение ПУ для непосредственного обмена данными с ОЗУ (без участия МП). Обмен при этом организуется специальным контролером ПДП. В режимах ПДП ПУ обменивается с ОЗУ не одиночными данными, а большими блоками данных.

- В контролер ПДП микропроцессор помещает информацию, необходимую для управления обменом (адрес ячейки ОЗУ, куда помещается или откуда считывается первое подлежащее обмену слово, количество слов в блоке и др.).

- В процессе обмена контролер ПДП выдает на шину адреса адрес ячейки ОЗУ.

- После окончания передачи слова между ОЗУ и ПУ через шину данных контролер ПДП увеличивает на единицу значение адреса, выдаваемого на шину адреса.

- После завершения передачи заданного количества слов контролер ПДП прекращает обмен, информируя об этом микропроцессор.

- Последний восстанавливает связь с шинами адреса и данных и продолжает выполнение программы.

Таким образом, принципами организации МПС являются принцип программного управления и принцип хранимой в памяти программы. Функционирование МПС - это получение данных от различных периферийных устройств, их обработка и выдача результата обработки на периферийные устройства (ПУ).

2. Принципы организации микроконтроллеров.

Микроконтроллеры (МК) - это разновидность микропроцессорных систем (микро-ЭВМ), ориентированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами. В сравнении с универсальными микроЭВМ микроконтроллеры проще, и размещается практически весь на одном кристалле. Это и дало начало их развитию. Вторым названием МК стало название "однокристальная микроЭВМ". Разработка МК означала появление БИС такой функциональной законченности, которая позволяет решать в полном объеме задачи определенного класса.

Разница между МК и микроЭВМ универсального назначения заключается в следующем: малый объем памяти и менее разнообразный состав внешних устройств. В состав универсальной микроЭВМ входят модули памяти большого объема и высокого быстродействия, имеется сложная иерархия ЗУ, поскольку многие задачи (автоматизированное проектирование, компьютерная графика, мультимедийные приложения и др.) без этого решить невозможно. Для МК ситуация иная, они реализуют заранее известные несложные алгоритмы, и для размещения программ им требуются емкости памяти, на несколько порядков меньшие, чем у микроЭВМ широкого назначения. Набор внешних устройств также существенно сужается, а сами они значительно проще. В результате модули микроЭВМ конструктивно самостоятельны, а МК выполняется на одном кристалле, хотя в его составе имеются модули того же функционального назначения.

В настоящее время наибольшее преобладание получили МК. Число пользователей МК в несколько раз превышает число пользователей отдельных микросхем МП. Применение МК поддерживается такими областями массового производства, как бытовая аппаратура, станкостроение, автомо­бильная промышленность и т. д.

Классификация МК:

1. По числу разрядов.

· 8- разрядные МК

· 16- разрядные МК

· 32- разрядные МК

Первые МК выпущены фирмой Intel в 1976 г. (восьмиразрядный МК 8048).

В настоящее время многими поставщиками выпускаются 8-, 16- и 32- разрядные МК с емкостью памяти программ до десятков Кбайт, небольшими ОЗУ данных и набором таких интерфейсных и периферийных схем, как параллельные и последовательные порты ввода/вывода, таймеры, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, широтно-импульсные модуляторы и др. Среди выпускаемых МК широко известно семейство восьмиразрядных контроллеров MCS-51/151/251 и 16-разрядных MCS-96/196/296 (фирмы Intel). Очень многие производители выпускают аналоги этих семейств или совместимые с ними МК. В отечественной номенклатуре это К1816ВЕ51, К1830ВЕ51 (восьмиразрядные МК). В последнее время фирма Intel сосредоточила усилия на разработке сложных микропроцессоров для компьютеров и уступила сектор рынка простых МК другим фирмам, в частности, фирме Atmel, которая выпускает популярное семейство МК серии АТ89 с Флэш-памятью программ, являющееся функциональным аналогом семейства восьмиразрядных МК фирмы Intel.

Несмотря на появление новых 16- и 32-разрядных МК, наибольший успех на рынке остается за 8-разрядными. Сейчас около половины рынка МК остается за этими МК.

Устройство:

Структуру МК рассмотрим на примере представителя семейства АТ89С (рис. 2).

В состав МК входят:

а) генератор тактовых импульсов ГТИ;

б) раздельные блоки программной памяти типа Флэш и ОЗУ данных (Гарвардская архитектура). Диапазоны емкостей памяти, как и частот генератора тактовых импульсов ГТИ, приведенные на рис. 2, характеризуют параметры представителей семейства от младшего до старшего. При необходимости возможно подключение внешних БИС ПЗУ, ОЗУ для расширения пространства памяти.

в) Средства ввода/вывода - 4 параллельных порта (32 линии) и линии TxD (выход передатчика) и RxD (вход приемника) для последовательного ввода/вывода. Для сокращения ширины физического интерфейса функции линий параллельных портов совмещены, и в разных режимах имеют разное назначение.

г) В состав МК входят 2—3 таймера-счетчика (16-разрядных), которые дают системные метки времени и отрабатывают интер­валы.

д) Система прерываний с 5 источниками запросов радиального типа обслуживает 2 внешних запроса, 2 запроса от таймеров и 1 от последовательного порта. При частоте ГТИ 12 МГц большинство команд вы­полняется за 1 мкс, некоторые команды — за 2 мкс.

Рис. 2 Структура микроконтроллера АТ89С

Таким образом, микроконтроллеры (МК) - это разновидность микропроцессорных систем (микро-ЭВМ), ориентированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами.

Заключение:

1. МПС - вычислительная или управляющая система с МП в качестве узла обработки информации.

2. Функционирование микропроцессорной системы - это получение данных от различных периферийных устройств, их обработка и выдача результата обработки на периферийные устройства (ПУ).

3. Микроконтроллеры (МК) - это разновидность микропроцессорных систем (микро-ЭВМ), ориентированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами.