Обмен информацией в микропроцессорной системе

Схема включения процессора

Методы ускорения работы процессора
Повышение тактовой частоты — совершенствование технологии;
Уменьшение времени выполнения одной команды;
Оптимизация системы команд — уменьшение количества команд и добавление сложных команд (например, мультимедийных);
Распараллеливание выполнения команд: два и более арифметическо-логических устройств (АЛУ);
Распараллеливание процессов выборки команд и их выполнения:
Конвейер команд (быстрая FIFO- память);
Кэш-память.

Назначение регистров процессора
Регистры данных — временное хранение кодов данных.
Регистры адресные — коды адресов в памяти для работы с массивами информации. Могут работать как реверсивные счётчики с параллельной записью информации. Постинкремент и предекремент.
Регистры универсальные — могут хранить как адрес, так и данные.
Регистр состояния процессора (PSW) — флаги состояния.
Регистр-счётчик команд — хранит адрес текущей команды, параллельная запись и постинкремент.
Регистр-указатель стека — хранит адрес в специальной зоне памяти — стеке. Постинкремент и предекремент.

Методы ускорения работы памяти
Уменьшение внутренних временных задержек в памяти — совершенствование технологии;
Использование статической оперативной памяти вместо динамической — только в небольших микропроцессорных системах (дороже) ;
Добавление небольшой быстрой статической памяти к большой медленной динамической — кэш-память;
Использование копии содержимого постоянной памяти в оперативной памяти;
Оптимизация структуры модулей памяти и способов обмена с модулями памяти.

Особые области памяти микропроцессорной системы
Память программы начального запуска (ROM) — содержит программу, которая выполняется при включении питания или при подаче сигнала сброса;
Память для стека или стек — используется для временного хранения данных в режиме LIFO. Необходима при обслуживании прерываний и при работе подпрограмм.
Память с таблицей векторов прерываний — содержит список начальных адресов программ обработки прерываний.
Память устройств ввода/вывода (УВВ) — даёт возможность процессору общаться с внутренней памятью УВВ как со своей собственной.

Принцип работы стека

Механизм обработки прерывания

Адресные пространства памяти и устройств ввода/вывода
Общее (разделённое) адресное пространство памяти и УВВ — часть адресов отводится под память, часть под УВВ. Общие стробы обмена. Процессор может обращаться к памяти и УВВ совершенно одинаково, используя те же команды — удобно. Но уменьшается адресное пространство памяти, сложнее ПДП (медленнее).
Отдельные адресные пространства для памяти и УВВ. Разные стробы обмена для УВВ и для памяти. Специальные команды обмена с УВВ (ввод и вывод), отличные от команд обмена с памятью. Не уменьшается адресное пространство памяти, проще организовать ПДП (быстрее).

Мультиплексирование шин адреса и данных
Достоинство мультиплексирования — уменьшение количества линий магистрали;
Недостаток мультиплексирования — снижение скорости обмена по магистрали;
Возможно частичное мультиплексирование (часть данных — по отдельной шине, часть — по шине адреса/данных)

Синхронный и асинхронный обмен
Строб записи — определяет момент проведения операции записи. Говорит исполнителю, что он может принять данные от задатчика (процессора).
Строб чтения — определяет момент проведения операции чтения. Говорит исполнителю, что он может выдать свои данные для задатчика (процессора).

Сравнение синхронного и асинхронного режима
Синхронный режим — более простой (не требует сигнала подтверждения), но не даёт гарантии того, что исполнитель успеет завершить операцию к концу цикла. Циклы обмена всегда одинаковой длительности.
Асинхронный режим — более сложный (требует сигнал подтверждения), но даёт гарантию того, что исполнитель успел завершить операцию к концу цикла. Циклы обмена разной длительности в зависимости от быстродействия исполнителя.
Скорость обмена — при синхронном режиме постоянна, определяется задатчиком. При асинхронном режиме может быть быстрее или медленнее.

Распространение сигналов по шинам
Задержка распространения и разброс задержек;
Разброс фронтов на разных линиях шины;
Отражения сигналов от концов линий, искажения фронтов.

Цикл чтения из устройства ввода/вывода на магистрали ISA

Цикл записи в устройство ввода/вывода на магистрали ISA

Цикл чтения из памяти на магистрали ISA

Цикл записи в память на магистрали ISA

Цикл ПДП на магистрали ISA

Структура устройства ввода/вывода

Основные типы устройств ввода/вывода
Устройства интерфейса пользователя (ввод — клавиатура, мышь, джойстик; вывод — дисплей, индикаторы);
Звуковые устройства (ввод — микрофон, линейный вход; вывод — динамик, линейный выход);
Устройства долговременного хранения информации (диски) — в простейших системах отсутствуют;
Таймерные устройства — могут не иметь выхода наружу, но необходимы для контроля времени (часы, интервалы);
Контроллеры связных интерфейсов — USB, локальная сеть, Wi-Fi — для связи с удалёнными внешними устройствами и другими микропроцессорными системами.

Структура модуля памяти