Универсальные микропроцессоры

МПС на базе I8080
I8080 – микропроцессор
8224 – генератор тактовых импульсов
8228 – системный контроллер
ПЗУ (ROM) – память программ
ОЗУ (RAM) – память данных
ВВ (IO) – микросхемы ввода-вывода

Архитектура I8080
Буферный
регистр

A0 - A15: выводы шины адреса с тремя состояниями;
D0 - D7: двунаправленная шина данных с тремя состояниями;
F1(22) и F2(15): входы для подачи тактовых сигналов;
RESET (12): сигнал на начальную установку микропроцессора;
READY (23): сигнал готовности данных на шине к вводу в микропроцессор;
DBIN (17): сигнал приема (чтения) данных;
WR (18): сигнал выдачи (записи) данных:
SYNC (19): сигнал синхронизации в начале каждого машинного цикла выполнения команды.
HOLD (13): захват шин, сигнал запроса на прямой доступ к памяти.
HLDA (21): подтверждение захвата шин, (шины адреса и шины данных микропроцессора перешли в высокоомное состояние).
WAIT (24): выход сигнала, указывающего на то, что МП находится в состоянии "Ожидание" (ожидание готовности внешнего устройства или памяти, к обмену данных).
INT (14): вход, используемый для аппаратного запроса прерывания;
INTA (16): выход сигнала, указывающего состояние внутреннего триггера разрешения прерывания. Если INTA=0, прерывания запрещены. INTA=1 указывает на разрешение прерываний.
Назначение выводов

Регистры общего назначения (РОН)
Формат регистра признаков (F)
Универсальный регистр (А)
участвует в большинстве операций, накапливает результат операции в АЛУ
Регистр команд принимает
первый байт – код операции (КОП)
любой команды
Счётчик команд (РС)
содержит адрес команды
следующей за выполняемой
Указатель стека (SP)
содержит адрес последнего
обращения в стек – вершину стека

Машинные циклы

Временные диаграммы работы МП

Способы адресации

БИС параллельного интерфейса I8255

Подключение контактного датчика

Подключение аналоговых датчиков к МП

БИС программируемого таймера I8253

БИС последовательного интерфейса I8251

БИС контроллера прерываний I8259

Intel 8086

Сегментные и индексные регистры

ВРЕМЕННЫЕ ДИАГРАММЫ РАБОТЫ В МИНИМАЛЬНОМ РЕЖИМЕ

2014, 3–й квартал: 14 нм, Core M, i3, i5, i7 — Broadwell
2015, 3–й квартал: 14 нм, Core M, i3, i5, i7 — Skylake
2017, 1–й квартал: 14 нм, Celeron, Pentium G, Core i3, i5, i7 — Kaby Lake (7-е поколение)
2017, 3–й квартал: 14 нм, Core i9 — Skylake
2017, 4–й квартал: 14 нм, Core i3, i5, i7 — Coffee Lake, i9 Skylake.
2018, конец: 14 нм — Cooper Lake[3]
2018, 4–й квартал: 14 нм — i3, i5, i7, i9 Coffee Lake Refresh (8-е поколе-ние)
2018, конец: 10 нм — Cannon Lake
2019, 3–й квартал: 14 нм - Comet Lake
2019, конец: 10 нм — Ice Lake (10-е поколение)
2020: 10 нм — Tiger Lake (11-е поколение)

ОКОД (SISD – single instruction stream / single data stream) одиночный поток команд, одиночный поток данных. – Чисто скалярный, последовательный МП.
ОКМД (SIMD – single instruction stream / multiple data stream) –одиночный поток команд, множественный поток данных. Это шаг к векторным процессорам (когда под 1 командой обрабатывается несколько данных). Появились в мультимедийных процессорах.
МКОД (MISD –multiple instruction stream / single data stream) – множественный поток команд и один поток данных. Конвейерный процессор.
МКМД(MIMD – multiple instruction stream / multiple data stream) – множественный поток команд и множественный поток данных. Параллельные конвейеры. Мультипроцессорная система. (начиная с 5 поколения).
Классификация Флинна:

Структура современного микропроцессора предполагает наличие порядка десяти обрабатывающих устройств, каждое из которых представляет собой конвейер. Загрузка параллельно функционирующих конвейеров обеспечивается:
либо аппаратурой процессора
либо компилятором, на вход которого поступают программы на традиционном последовательном языке программирования
либо совместно аппаратурой и компилятором
В компиляторах используется
техника извлечения параллелизма
из последовательных программ.
Аппаратура МП-в ориентирована
на выделение более простых форм
параллелизма, в том числе естественного.
В большинстве программ присутствует, так называемый,
естественный параллелизм вычисления целочисленных адресных выражений
и собственно обработки данных в формате с плавающей точкой.

Микропроцессор с разнесенной архитектурой
Расщепление общей программы на программы для А- и Е- процессоров
осуществляется на уровне компилятора или специальным блоком – расщепителем.

два направления развития микропроцессоров
RISC и CISC
RISC (Reduced Instruction Set Computer)
удалены сложные и редко используемые инструкции;
все инструкции имеют одинаковую длину, что позволяет уменьшить сложность управления процессором и увеличить скорость обработки команд;
отсутствуют инструкции, работающие с памятью напрямую, все данные загружаются только из памяти в регистр и наоборот;
отсутствуют операции работы со стеком;
применение конвейера параллельных вычислений;
большинство операций производятся за один такт микропроцессора.
CISC (Complete Instruction Set Computer)
малое количество регистров общего назначения
большое количество машинных команд
сложное декодирование инструкций и,
как следствие, расходование аппаратных ресурсов
Тактовая частота RISC-процессоров (при прочих равных условиях) выше тактовой частоты CISC-процессоров

Обзор на примере семейства х86
1978 - Intel первый 16-разрядный процессор с маркировкой «8086», тактовая частота 5 МГц
(позже появились процессоры 8 и 10 МГц), производительность 0,33 MIPS, технология 3 мкм,
29 тыс. транзисторов составляли кристалл,
1 Мб адресуемой оперативной памяти,
конвейер имеет 6-байтную очередь инструкций.
1979 - 8088. Сущность ядра не изменилась, тактовая частота 10 МГц внешняя шина данных 8-битная. Это позволило, используя имеющуюся восьмиразрядную периферию, выпустить первый персональный компьютер – IBM PC.
1982 - i80286. 134000 транзисторов, технология 1,5 мкм, 16 Мбайт физической памяти, виртуальная память 1 Гбайт, частота от 12,5 МГц, защищенный режим. Появление псевдомногозадачности позволило создавать многозадачные ОС. Новые инструкции для работы с защищенным режимом и инструкции, использующие PIO (Programmable Input/Output). Дескрипторы сегментов и дескрипторные таблицы. Уровни привилегий

1985 - 80386, первый полностью 32-битным процессор. 275000 транзисторов, частота от 16 до 32 МГц. Максимальный размер 4 гигабайта. Виртуальная память 64 терабайт. Очередь команд 16 байт. Три режима работы.
1990 - Intel386S со средствами управления энергопотреблением.
1989 – 80486, 1,25 млн. транзисторов, 25 - 50 МГц, кэш первого уровня - 8 Кб, второго уровня -512 Кб; средства, необходимые для построения мультипроцессорных систем; буферы отложенной записи; инструкции выполняются за 1 такт. Арифметический сопроцессор на одном кристалле с центральным процессором.
1993 – Pentium, 3.1 млн. транзисторов, технология 0.8 мкм, частота 60-66 МГц; кэш первого уровня: 16 Кб; кэш второго уровня на материнской плате (до 1 Мб), шина данных 64 разрядная (60-66 МГц); адресная шина 32-разрядная. Socket 4. Суперскалярность.
1995 - Pentium Pro, кэш-памяти второго уровня, работающая на полной частоте ядра; 5,5 млн. транзисторов в ядре, 15,5-31 млн. транзисторов на кэш-память, технология от 0,5 до 0,35 мкм, тактовая частота 150 - 200 МГц, кэш первого уровня 16 Кб, кэш второго уровня до 2 МГ, адресная шина 32-разрядная, шина данных 64.
1997 - Pentium ММХ., встроенные средства поддержки мультимедиа, ускоренная обработка изображения и аудиоданных; новые инструкции; тактовая частота 233 МГц.
май 1997 - Pentium 2, ядро Pentium Pro с увеличенной тактовой частотой; модульная конструкция с разъемом типа Slot 1 и картриджем SECC (Single Edge Contact Cartridge); тактовая частота 233 - 450 МГц, технология 0,25 микрон, 7,5 миллионов транзисторов в ядре, кэш-память 2 уровня 512 Кб, первый уровень 32 Кб. В кристалл встраивается термодатчик, что позволяет мерить температуру прямо на ядре.

1999 - ядро Katmai - введено расширение SSE (Streaming SIMD Extensions), инструкции одновременно над группой операндов с плавающей точкой. 128-разрядные регистры ХММ для инструкций класса SSE. 0,18 мкм технология, 28 млн. транзисторов в ядре, 256 Кб вторичного кэш, работающего на частоте ядра, тактовая частота 1 ГГц.
конец 1999 – ядро Сoppermine, интегрированная в ядро кэш второго уровня 256 Кб (Advanced Transfer Cache), 0,18 мкм технология, 28 млн. транзисторов; расширение SSE (Streaming SIMD Extensions) - ориентировано на инструкции, выполняемые одновременно над группой операндов с плавающей точкой и 128-разрядные регистры ХММ для SSE.
2001 – ядро Tualatin, новая 0.13 мкм технология.
Pentium 3

2000 - Pentium 4 (Willamette), 0,18 мкм технология, 42 млн. транзисторов на кристалле, частоты от 1.4 до 2.0 ГГц. новый набор инструкций - SSE2; новые принципы микроархитектуры ядра – NetBurst ориентированные на высокие частоты Основная направленность - интернет и мультимедийные приложения. Суперскалярность. Конвейерное исполнение и динамическое изменение последовательности команд. Усовершенствованное предсказание направления ветвлений обеспечивает ~ 90-процентную вероятность правильности предсказания. Кэш третьего уровня, предусмотренный для серверных вариантов процессора
Pentium 4
2001– ядро Northwood, 0.13 мкм технология, тактовая частота –2.6 ГГц, кэш второго уровня 512 Кб,
55 млн транзисторов. Поддержка наборов инструкций MMX, SSE SSE2
2002 - процессор с технологией Hyper-Threading, частота 3.06 ГГц. Псевдомногопроцессорность: один физический процессор видится системой как два.
2003 -семейство Prescott, 0.09 мкм (90 нм) технология, площадь кристалла 112 мм2, 125 млн. транзисторов, тактовые частоты 3,4; 3,2; 3,0 ГГц. Кэш 2-го уровня 1 Мбайт, 13 новых инструкций SSE3. Усовершенствованная микроархитектура NetBurst, поддержка технологии Hyper-Threading.
2011 - Extreme Edition, технология Hyper-Threading, частота ядра 3.2 ГГц. Интегрированная в кристалл кэш-память третьего уровня L3 объемом 2 Мб, дополняющая стандартный кэш L2 512 кбайт и работающая также на частоте ядра.

БФА (блок формирования адреса) –
формирует адреса выбираемых из памяти операндов,
организуя связь с кэш-памятью данных 1-го уровня (L1).
При обращении к памяти параллельно выставляет адрес
для загрузки операнда в заданный регистр
БРЗ (блок регистров замещения)
и адрес для пересылки результата из БРЗ в память.
Таким образом реализуется процедура предварительного чтения данных для последующей их обработки в исполнительных блоках, т.е. спекулятивная выборка.
Таким же образом организуется параллельная работа блоков SSE, FPU, MMX
SSE (Streaming SIMD Extension) – 128-битная векторная арифметика
MMX (MultiMedia eXtension) – SIMD-технология
FPU (Floating point unit) – модуль операций с плавающей запятой (с плавающей точкой)

Система команд 80х86
подразделяется на группы:
• команды передачи данных;
• команды арифметических операций над целыми числами;
• логические команды;
• команды сдвига;
• команды обработки строк;
• команды передачи управления;
• команды прерываний;
• команды управления флагами;
• команды управления состоянием процессора;
• команды плавающей арифметики;
• команды мультимедийных расширений (ММХ – MultiMedia eXtension);
• команды потокового расширения (SSE – Streaming SIMD Extension).

Регистровая адресация –
операнды могут находиться в любых регистрах общего назначения и сегментных.
Непосредственная адресация –
операнды приводятся непосредственно в операторе программы.
Прямая адресация –
адрес операнда, располагающегося в памяти, присутствует в команде.
Косвенная адресация –
адрес операнда в памяти содержится в регистре, а в команде присутствует имя этого регистра
Адресация по базе –
в регистре находится адрес начала структуры данных.
Косвенная адресация с масштабированием –
этот способ адресации идентичен предыдущему, но используется, если массив состоит не из байт,
а из слов, двойных слов, т. е. содержимое базового регистра умножается на два,
а если из двойных слов – на четыре.
Адресация по базе с индексированием и масштабированием –
самая полная возможная схема адресации,
в которую входят как частные все случаи, рассмотренные ранее.
Основные способы адресаций 80х86

Формат команд
Поле префиксов может содержать префикс повторения команды или префикс запрета доступа к шине на
время выполнения команды, а также префиксы размеров адреса и операнда.
Поле переопределения сегмента используется для задания сегмента, вместо того,
который определен по умолчанию.
Поле кода операции задает вид действия для данной команды.
Поле режима адресации определяет местонахождения операнда – в регистре или в памяти.
Поле МИБ (масштаб, индекс, база) является расширением поля режима адресации
и используется при формировании исполнительного адреса для задания масштабного коэффициента, индексного и базового регистров.

Архитектурные признаки IBM PC-совместимого компьютера
ESCD (Extended System Configuration Data) —спецификация стандарта конфигурирования компьютеров х86
SMRAM — оперативная память хранения специальной программы режима системного управления
(System Management Mode, SMM) для привилегированного исполнении

Ядро:
один или несколько микропроцессоров, программно совместимых с х86; оперативная память; ПЗУ с BIOS; связующие их интерфейсы.
В наполнения ядра возможны варианты
вне Ядра:
Набор обязательных средств ввода/вывода
и средств поддержки периферии
Обязательные компоненты системной платы:
DRAM;
системные средства ввода/вывода:
контроллеры клавиатуры, прерываний, DMA:
таймеры, CMOS RTC, средства управления динамиком;
Интерфейсные схемы и разъемы шин расширения;
кварцевый генератор синхронизации;
схема формирования сброса системы по сигналу Power Good от блока питания или кнопки Reset;
схема управления блоком питания;
регуляторы-преобразователи напряжения (Voltage Regulation Module, VRM).
средства мониторинга состояния системного блока:
измерители скорости вращения вентиляторов и температуры процессора и т. д.;
измерители питающих напряжений;
сигнализаторы несанкционированного доступа и т. п.
интерфейсы СОМ- и LPT-портов,
4–6 портов USB,
каналы ATА и/или 2–4порта SATA.
контроллер FireWire,
адаптер локальной сети (Ethernet)

Архитектурные построения системных плат
Шинно-мостовая –
наличие центральной магистральной шины и подключение к ней через мосты компонентов схемы;
два основных моста — северный (Northbridge) и южный (Southbridge).
северный мост обеспечивает взаимодействия центрального процессора,
оперативной памяти и видеоподсистемы;
южный мост для связи с внешними устройствами
Хабовая –
хабы это специализированные микросхемы, обеспечивающие передачу данных между интерфейсами;
соединение основывается на паре основных хабов (северного и южного),
связанных между собой высокопроизво­дительным каналом
Hyper Transport –
замена шинного соединения периферийных устройств двухточечными встречно направленными соединениями. более высокая тактовая частота интерфейсов
и, соответственно, пропускная способность. обеспечивает все типы транзакций

Шинно-мостовая архитектура

Хабовая архитектура

Архитектура Hyper Transport

Компоненты и потоки данных на системной плате

Типы и характеристики интерфейсов
Интерфейс –
это аппаратное и программное обеспечение
(элементы соединения и вспомогательные схемы управления,
их физические, электрические и логические параметры),
предназначенное для сопряжения систем или частей системы (программ или устройств)
выполняемые функции:
выдача и прием информации;
управление передачей данных;
согласование источника и приемника информации.
технические характеристики интерфейсов:
вместимость (максимально возможное количество абонентов,
одновременно подключаемых к контроллеру интерфейса без расширителей);
пропускная способность или скорость передачи
(длительность выполнения операций установления
и разъединения связи и степень совмещения процессов передачи данных);
максимальная длина линии связи;
разрядность;
топология соединения.

Архитектура системных интерфейсов
Системный интерфейс выполняется в виде стандартизированных системных шин.
Возможно внедрение сетевого взаимодействия в архитектуру системных интерфейсов.
Два класса системных интерфейсов:
с общей шиной (сигналы адреса и данных мультиплексируются) - Unibus,
с изолированной шиной (раздельные сигналы данных и адреса) - Multibus.
ISA (Industry Standard Architecture) – архитектура промышленного стандарта;
первый стандартный системный интерфейс в IBM PC-совместимых ПК
для обеспечения питания и взаимодействия плат расширения с системной платой.
EISA (Extended ISA) – эволюционное развитие архитектуры ISA.
MCA (Micro Channel Architecture) – микроканальная архитектура;
альтернативная системная архитектура не зависит от типа процессора,
является асинхронной, предусмотрена автоматическая конфигурация системы.
PCI (Peripheral Component Interconnect) – взаимодействие периферийных компонентов;
поддерживает Plug&Play
(PnP – технология, предназначенная для быстрого определения и конфигурирования устройств).
AGP (Accelerated Graphics Port) – высокоскоростной графический порт;
выделенный интерфейс для подключения видеокарты
PCI Express – 3GIO (Third Generation Input/Output Interconnection),
3-е поколение шины ввода/вывода, межэлементный последовательный интерфейс.

Система с низкоскоростной шиной устройств ввода/вывода

Система на основе PCI

Сравнение топологий PCI и PCI Express

Порт параллельного интерфейса
был введен в PC для подключения принтера –LPT-порт (Line PrinTer – построчный принтер); традиционный LPT-порт, он же стандартный SPP (Standard Parallel Port, SPP),
ориентирован на вывод данных, через него программно реализуется протокол обмена Centronics
(международный стандарт параллельного интерфейса
для подключения периферийных устройств персонального компьютера);
Стандарт IEEE 1284, стандартизует модификации параллельного порта (SPP, ЕРР и ЕСР);
определяет 5 режимов обмена, метод согласования режима, физический и электрический интерфейсы.
• Режим совместимости (Compatibility Mode) – однонаправленный, вывод по протоколу Centronics. (для SPP)
• Полубайтный режим (Nibble Mode) – ввод байта в два цикла (по 4 бита) с использованием для приема линии состояния; для любых адаптеров, т. к. задействует только возможности стандартного порта.
• Байтный режим (Byte Mode) – ввод байта целиком с использованием для приема линии данных;
работает только на портах, допускающих чтение выходных данных.
• Режим ЕРР (ЕРР Mode) – двунаправленный обмен данными,
ЕРР (Enhanced Parallel Port) – улучшенный параллельный порт;
управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно во время цикла обращения к порту;
для внешней памяти и адаптеров локальных сетей.
• Режим ЕСР (ЕСР Mode) – двунаправленный обмен с возможностью аппаратного сжатия данных
по методу RLE (Run Length Encoding) и использованием FIFO-буферов и DMA;
ЕСР (Extended Capability Port) – порт с расширенными возможностями.
управляющие сигналы генерируются аппаратно. Для принтеров, сканеров и устройств блочного обмена

Универсальный внешний последовательный интерфейс
СОМ- порт (Communications Port) – коммуникационный порт;
обеспечивает асинхронный обмен по стандарту RS-232C;
реализуется на микросхемах универсальных асинхронных приемопередатчиков (UART);
для связи с другими компьютерами, сетями и периферийными устройствами
с последовательным интерфейсом (например, для подключения мыши)
Интерфейс RS-232C (CCITT V.24/ V.28; X.20bis/X.21bis; ISOIS2110)
для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные
DTE (Data Terminal Equipment) – оконечное оборудование данных (ООД), например, компьютер
DCE (Data Communication Equipment) – аппаратура передачи/приема данных (АКД),обычно модем

Стандарты последовательных интерфейсов

FireWire и USB
последовательные соединения с возможностью коммутации при работающей системе большого количества периферийных устройств – 127 для USB и 63 для FireWire;
способны передавать изохронный трафик аудио- и видеоданных;
поддерживают технологию Plug&Play;
все протокольные функции выполняются посредством
одной пары сигнальных проводов или двух – в FireWire;
шинный протокол строится на основе пересылки пакетов.
FireWire допускает большую свободу в топологии и пространственную протяженность, а также для FireWire значительно выше допустимая мощность;
FireWire и USB различаются пропускной способностью и управлением.

USB
(Universal Serial Bus) – универсальная последовательная шина,
промышленный стандарт расширения архитектуры PC
кабель USB – экранированная витая пара сигнальных линий с импедансом 90 Ом
и неэкранированная для подачи питания (+5 В), длинной до 5 м;
дифференциальный способ передачи сигналов;
взаимодействие приложений с устройствами USB через программный интерфейс контроллера USB;
Для обмена информацией с хост-контроллером устройство, подключенное к шине USB,
получает уникальный адрес и логически представляется
как набор независимых конечных точек (EndPoint) со следующими параметрами:
• требуемая частота доступа к шине и допустимые задержки обслуживания;
• требуемая полоса пропускания канала;
• требования к обработке ошибок;
• максимальные размеры передаваемых и принимаемых пакетов;
• тип передачи;
• направление передачи (для передач массивов и изохронного обмена).
Конечная точка с нулевым номером используется для инициализации,
общего управления и опроса состояния устройства;
сконфигурирована при включении питания и подключении устройства к шине,

Транзакции с устройствами USB
Поток (stream)
однонаправленно доставляет данные от одного конца канала к другому, реализует передачу массивов изохронную, а также в случае прерывания;
–
Сообщение (message)
имеет формат, определенный спецификацией USB;
хост посылает запрос к конечной точке, после которого передается/принимается пакет сообщения,
за которым следует пакет с информацией состояния конечной точки.
EOF(End Of Frame) –
завершение кадра
SOF (Start Of Frame) –
маркер синхронизации

Интерфейсы локальных сетей
организуются посредством сетевых адаптеров,
или сетевых интерфейсных карт, Network Interface Card (NIC)
Ethernet – пакетная технология компьютерных сетей,
определяет проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат пакетов и протоколы управления доступом к среде на канальном уровне модели OSI31;
следующие поколения – 40 Gigabit Ethernet и 100 Gigabit Ethernet, Terabit Ethernet;
вытеснил технологии Arcnet, FDDI и Token ring.
OSI (Open System Interconnection) –
набор протоколов стандарта сетевой архитектуры
для семиуровневой функциональной модели сети

Взаимодействие процессора с памятью
Иерархическая организация памяти
помогает компенсировать разницу в быстродействии процессоров и скорости доступа к DRAM.
Когда процессору нужно выполнить команду:
анализируется состояние внутренних регистров;
2. если необходимые данные в регистрах не обнаружены,
происходит обращение к кэш-памяти первого, второго и т. д. уровней…
если обнаруживаются данные в одном из кэш, это называют «попаданием»
(~ 90 % в оптимально организованных системах),
неудачу (отсутствие данных) называют «промахом»;
3. если данных нет ни в одной кэш-памяти,
процессор обращается к оперативной памяти;
4. при отсутствии нужных данных в оперативной памяти,
они считываются с жесткого диска.
.

Организация кэш-памяти (Cache memory)
кэш для инструкций и данных может быть раздельный и общий
в смешанной кэш-памяти
высокая вероятность попаданий
в раздельной кэш-памяти выборка инструкций и данных
производится одновременно, что исключает возможные конфликты, используется системах с конвейеризацией команд
при извлечении с опережением
с прямым отображением (direct-mapped) –
блок основной памяти занимает одно фиксированное место;
адрес обращения к кэшу из трёх составляющих:
старшие разряды (тег) определяют одну из закрепленных за данной строкой страниц оперативной памяти, средние разряды – это адрес строки кеша,
младшие – смещение, указывающее на номер ячейки в строке кеша;
полностью ассоциативный (fully associative) –
блок основной памяти может быть расположен в любом месте кэша,
для нахождения требуемой строки теговый адрес одновременно сравнивается с тегами всех строк кэша, сложная схемная реализация;
наборно-ассоциативный (set-associative) –
блок основной памяти может располагаться на ограниченном множестве мест;
младшие разряды адреса определяют номер ячейки памяти в строке (поле смещения),
средние задают номер набора (поле индекса),
старшие – тег, определяют выбранную страницу оперативной памяти, бит L для выбора строки.

Логическое распределение пространства
оперативной и постоянной физической памяти
.
• 00000h-9FFFFh (640 Кбайт) –
стандартная, или базовая, память (conventional, или base, memory),
доступна DOS и программам реального режима,
80000h-9FFFFh – расширенная базовая память (extended conventional memory);
AOOOOh-FFFFFh (384 Кбайт) –
верхняя память (Upper Memory Area, UMA), для системных нужд,
блоки верхней памяти UMB (Upper Memory Blok):
А0000h – BFFFFh для видеопамяти,
C0000h – DFFFFh для адаптеров с собственными модули ROM BIOS и/или разделяемое с системной шиной,
E0000h – EFFFFh свободная область под системные модули BIOS,
F0000h – FFFFFh system BIOS,
FD000h – FDFFFh энергонезависимая память ESCD (Extended System Configuration Data), при наличии PnP;
Память выше lOOOOOh – дополнительная, или расширенная, память (extended memory),
доступна только в защищенном (и в «большом реальном») режиме:
lOOOOOh-lOFFEFh – высокая память (НМА) –
единственная область расширенной памяти, доступная в реальном режиме.

Режим прямого доступа к памяти
(Direct Memory Access, DMA)
пассивный доступ (Slave DMA) –
устройство при обращении к памяти использует управляющие возможности общего контроллера DMA
активный доступ (Bus Master DMA) –
для устройства, являющегося ведущим на шине
и имеющего возможность организовать обмен с памятью
Принцип организации работы внешних устройств с памятью в режиме DMA
изменился с введением шины PCI, где применяется технология
захвата управления шиной внешним устройством (Bus Mastering – BM),
реализующая прямой доступ к памяти, минуя процессор,
для каждого устройства, которое может быть главным абонентом системной шины.

Внешняя память
энергонезависимые устройства хранения данных,
позволяющие сохранять информацию для последующего использования
и реализующие различные физические принципы хранения информации –
магнитный, оптический, электронный и их сочетания;
при доступе процессора посредством исполняемой программы
к внешней памяти (в отличие от внутренней) оперируют блоками информации фиксированного и произвольного размера;
управление, в том числе избыточное кодирование и декодирование,
исправление ошибок или/и организация повторных обращений к носителю
и другие вспомогательные операции
осуществляются посредством контроллера устройства хранения.

Виртуальная память
использование иерархической организации системы памяти
с непрерывным адресным пространством;
системное программное обеспечение связывает
каждое указанное пользователем символьное имя с физической ячейкой памяти,
т. е. отображает пространство имен на физическую память компьютера;
страничная организация –
разбиение пространства логических адресов на блоки фиксированной длины – страницы. адрес обращения состоит из адреса (номера) страницы на диске
и смещения в пределах страницы,
отсутствует проблема внешней фрагментации;
сегментная организация –
разбиение пространства логических адресов на крупные блоки информации переменной длины – сегменты (код программы, массив данных и т. д.)
сегментно-страничной организация –
виртуальное пространство процесса делится на сегменты,
а каждый сегмент – на страницы, которые нумеруются в пределах сегмента,
преобразование виртуального адреса в физический – двухуровневое или трехкомпонентное,
включающее номера сегмента и страницы, а также смещение в пределах страницы.

ТИПЫ ПРЕРЫВАНИЙ
внутренние прерывания –
реакция на возникшие внутренние проблемные события;
аппаратные прерывания –
запрос посылает внешнее устройство,
программные прерывания –
обработка процедур по вектору, определяемому командой.
бывают маскируемые (запрещаемые) и немаскируемые (незапрещаемые),
запрещение и разрешение маскируемых прерываний осуществляется инструкциями
STI (Set Interrupt-Enable Flag) и СLI (Clear Interrupt Enable Flag),
отражается состоянием флага IF (Interrupt Flag);

Аппаратные прерывания в порядке убывания приоритета

Коммутация запросов прерываний
для реализаций системы прерываний процессоры Pentium и выше имеют
встроенный контроллер прерываний APIC (Advanced Programmable Interruption Controller);
внутренние контроллеры процессоров связаны между собой по шине APIC, к которой подключена и часть чипсета, преобразующая запросы аппаратных прерываний в сигналы протокола APIC.

Методы оценки производительности
производительность – скорость появления некоторого числа событий в секунду.
время выполнения заданной программы включает:
временные затраты на работу процессора,
обращения к диску и к памяти,
ввод/вывод,
действия операционной системы.
относительная производительность определяется:
частотой синхронизации,
средним числом тактов на команду,
количеством выполняемых команд
Единицы измерения производительности:
KOPS (Kilo Operations Per Second) –тысячи операций в секунду,
MIPS (Million Instructions Per Second) – миллионы инструкций в секунду,
МFLOPS (Million FLoating Point Operations Per Second) –
миллионы операций с плавающей точкой в секунду

Что влияет на производительность
Применение конвейерной обработки,
когда несколько последовательных команд находятся на разных стадиях выполнения, увеличивает производительность,
но возникшее прерывание заставляет сбрасывать
загруженную в конвейер очередь последовательных команд, готовых к выполнению
и заполнять очередь другими командами из подпрограммы обработки прерывания.
т.е. конвейерные прерывания ограничивают быстродействие.
Производительность зависит от
быстродействия оперативной и дисковой памяти,
кэширования,
эффективности программного обеспечения.

Для оценки и сравнения систем
используются следующие критерии:
• Пиковая производительность –
теоретический максимум быстродействия компьютера при идеальных условиях;
это количество операций в единицу времени, выполняемых всеми имеющимися
в микропроцессоре арифметико-логическими устройствами,
параметр не зависит от типа выполняемой программы,
т. к. его при выявлении обработке подвергается последовательность
не связанных между собой и не конфликтующих при доступе в память команд.
• Максимальная пользовательская нагрузка –
уровень, после которого производительность снижается недопустимо.
• Индекс производительности утилит
определяет возможности системы по выполнению универсальных утилит.
• Пропускная способность системы.

Тестовая оценка производительности
Тесты производителей –
предназначены для оценки выпускаемых процессоров,
ориентированы на сравнение ограниченного множества однотипных устройств.
Стандартные тесты независимых аналитиков –
сравнение процессоров разных производителей.
Пользовательские тесты –
ориентированы на оценку процессоров в ракурсе определенной задачи,
комплексное их применение дает усредненную общую картину производительности

ОДНОКРИСТАЛЬНЫЕ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ

Представители семейства
мк ПЗУ (кБ) ОЗУ (Б) stanby реж. линий вв кол-во выводов примечания
8020 1 64 н/д 13 20
8021 1 64 н/д 21 28
8022 2 64 н/д 21 28 АЦП
8035 - 64 да 24 40
8039 - 128 да 24 40
8040 - 256 да 24 40
8048 1 64 да 24 40
8049 2 128 да 24 40
8050 4 256 да 24 40
8748 1 (ЕPROM) 64 - 24 40
8749 2 (ЕPROM) 128 - 24 40
8648 1 64 н/д 24 40

Универсальный периферийный интерфейс (UPI)
Обозначение Встроенное ПЗУ (кВ) Встроенное ОЗУ (B) Примечания
8041 1 64
8041AH 1 128
8741A 1 64 Версия 8041 с EPROM
8741AH 1 128 Версия 8041AH с OTP EPROM
8042AH 2 256
8742 2 128 Версия 8042AH с EPROM
8742AH 2 256 Версия 8042AH с OTP EPROM
Микросхемы расширения памяти и портов ввода вывода
8355 – 2 Кб ROM, 16 линий ввода/вывода
8755A – 2 Кб EPROM, 16 линий ввода/вывода
8155 – 256 байт RAM, 22 линий ввода/вывода, 1 таймер
8156 – 256 байт RAM, 22 линий ввода/вывода, 1 таймер
8243 – 16 линий ввода/вывода

Схемы синхронизации
Начальная установка

Архитектура I8748

Слово состояния
Типы команд

Карта памяти

Подключение
внешней памяти программ

Подключение внешней памяти данных

Ввод информации
от аналогового датчика

3
Vcc
Подключение контактных датчиков

Подавление дребезга контакта
аппаратный и программные способы

5
Подключение импульсного датчика
1

Подключение клавиатуры

Формирование и измерение временных интервалов
вложенным циклом
где Т – реализуемый временной интервал
в микросекундах = 100 000 мкс

Формирование и измерение временных интервалов
с использованием таймера

Передача в последовательном коде

Приём последовательного кода

Контроль паритета
после выполнения программы
аккумулятор сохранит своё значение,
флаг пользователя (в состава PSW) будет установлен,
если число единиц в аккумуляторе было нечетно

MCS 51

Микроконтроллеры семейства MCS 51 и его аналоги

• U — потенциал общего провода ("земли");
• U— основное напряжение литания +5 В;
• X1,X2 —подкл. кварцевого резонатора;
• RST — вход сброса микроконтроллера;
• PSEN — разрешение ВПП;
• ALE — строб адреса внешней памяти;
• ЕА — отключение внутренней ПП;
• P1 — 8- битный квазидвунаправленный
порт ввода/вывода;
• P2 — 8-битный квазидвунаправленный
порт ввода/вывода;
• РЗ — 8- битный квазидвунаправленный
порт ввода/вывода; может выполнять альтернативные функции;
• P0 — 8- битный двунаправленный порт
ввода-вывода

Архитектура Intel 8751

Устройство управления и синхронизации
Кварцевый резонатор,
подключаемый к внешним выводам микроконтроллера,
управляет работой внутреннего генератора,
который в свою очередь формирует сигналы синхронизации.
Устройство управления (CU) на основе сигналов синхронизации формирует
машинный цикл фиксированной длительности, равной 12 периодам резонатора. Большинство команд микроконтроллера выполняется за один машинный цикл. Некоторые команды, оперирующие с 2-байтными словами
или связанные с обращением к внешней памяти, выполняются за два машинных цикла. Команды деления и умножения требуют четырех машинных циклов.
К устройству управления примыкает регистр команд

Организация ОЗУ, ПЗУ и регистров
Объем резидентной ПП – 4 Кбайт.
При обращении к внешней памяти программ все микроконтроллеры семейства 8051
используют 16-разрадный адрес, что обеспечивает доступ к 64 Кбайт ПЗУ.
Объем резидентной ПД – 128 байт.
Объем внешней памяти данных до 64 Кбайт.
первые 32 байта организованы в четыре банка РОН (0 – 3)
каждый банк из восьми регистров R0 — R7.
В любой момент программе доступен только один банк регистров,
номер которого содержится в третьем и четвертом битах
слова состояния PSW

Регистры специальных функций (Special Function Register)

Карта адресуемых бит
в блоке регистров специальных функций
Карта адресуемых бит в РПД

Регистр флагов (PSW)

Схемотехника портов ввода-вывода мс51,
а- порт 0, б- порт 3

Альтернативные функции порта Р3
активируются предварительной записью «1»
в соответствующие биты порта

Таймеры / счетчики мс51
два программируемых 16-битных таймера/счетчика (T/C0 и T/C1),
могут быть использованы как в качестве
таймеров – содержимое Т/С инкрементируется в каждом машинном цикле
(через каждые 12 периодов колебаний кварцевого резонатора)
счетчиков внешних событий – инкрементируются под воздействием перехода
из 1 в 0 внешнего входного сигнала, подаваемого на соответствующий (T0,T1) вывод.
на распознавание требуется два машинных цикла,
максимальная частота подсчета входных сигналов равна 1/24 частоты резонатора.
для управления режимами работы Т/С
и для организации их взаимодействия с системой прерываний
используются два регистра специальных функций – TMOD и TCON

Регистр режима работы таймера/счетчика (TMOD)

Регистр управления/статуса таймера (TCON)

Режимы работы таймеров-счетчиков
для Т/С0 и Т/С1 режимы работы 0, 1 и 2 одинаковы, режимы 3 различны
Режим 0: 8-битный счетчик, к входу которого подключен пяти-битный предделитель частоты (на 32). таймерный регистр имеет разрядность 13 бит.
При переполнении устанавливается флаг прерывания от таймера – TF.
Входной синхросигнал таймера разрешен (поступает на вход Т/С), когда управляющий бит TR установлен в 1
либо управляющий бит GATE(блокировка) равен 0, либо на внешний запрос INT поступает уровень 1.
установка бита GATE в 1 позволяет использовать таймер для измерения
длительности импульсного сигнала подаваемого на вход запроса прерывания.
Режим 1: Работа Т/С такая же, как и в режиме 0, но таймерный регистр имеет разрядность 16 бит

Режим 2:
работа организована таким образом, что переполнение TL
приводит не только к установке флага TF,
но и автоматически перезагружает в TL содержимое старшего байта (TH) таймерного регистра,
которое предварительно было задано программным путем;
перегрузка оставляет содержимое TH неизменным

Режим 3:
Т/С1 сохраняет неизменным свое текущее содержимое, так же как и при сбросе управляющего бита TR1 в 0.. TL0 и TH0 функционируют как два независимых восьмибитных счетчика.
Работу TL0 определяют управляющие биты Т/С0 (С/Т, GATE TR0), INT0 и флаг переполнения TF0.
Работу TH0, который может выполнять только функции таймера определяет управляющий бит TR1.
При этом TH0 использует флаг переполнения TF1.
Можно считать, что в этом режиме имеется три таймера/счетчика.

Универсальный асинхронный приемопередатчик UART
(Universal Asynchronous ReceiverTransmitter)
прием и передача информации в последовательном коде
младшими битами вперед, в дуплексном режиме обмена.
В состав приемопередатчика входят
принимающий и передающий сдвигающие регистры,
а также специальный буферный регистр (SBUF) приемопередатчика;
запись байта в буфер приводит к автоматической переписи байта
в сдвигающий регистр передатчика и инициирует начало передачи;
работой последовательного порта управляют:
Регистр управления/статуса приемопередатчика SCON
Бит SMOD регистра управления мощностью (PCON)

Режимы работы УАПП
Режим 0. Информация и передается, и принимается через вывод входа приемника (RхD). Принимаются или передается 8 бит данных. Через вывод выхода передатчика (TхD) выдаются импульсы сдвига, которые сопровождают каждый бит. Частота передачи бита информации равна 1/12 частоты кварцевого резонатора
Режим 1. В этом режиме передаются через вывод TхD или принимаются через RхD 10 бит информации: старт-бит (0), 8 бит данных и стоп-бит (1) при приеме информации в бит RB8 регистра управления/статуса приемопередатчика SCON заносятся стоп-бит Скорость приема/передачи —величина переменная и задается таймером.
Режим 2. В этом режиме через вывод TхD передаются или через RхD принимаются 11 бит информации: старт-бит, 8 бит данных, программируемый девятый бит и стоп-бит. При передаче девятый бит данных может принимать значение 0 или 1 для повышения достоверности передачи путем контроля по четности в него помещантся значение признака паритета из слова состояния программы (PSW.0). При приеме девятый бит данных помещается в бит RB8 SCON, а стоп-бит, в отличие от режима 1, теряется. Частота приема/передачи выбирается программой и может быть равна либо 1/32, либо 1/64 частоты резонатора в зависимости от управляющего бита SMOD.
Режим 3. совпадает с режимом 2, но частота приема/передачи является величиной переменной и задается таймером.

УАПП в режиме 0

УАПП в режимах 1, 2, 3

Регистр управления/статуса приемопередатчика (SCON)

Скорость приема/передачи информации
через последовательный порт.
частота работы приемопередатчика в режиме 0:
зависит только от резонансной частоты кварцевого резонатора f РЕЗ:
f=fрез/12
за машинный цикл последовательный порт передает один бит информации;
в режимах 1, 2 и 3 скорость приема/передачи зависит
от значения управляющего бита SMOD в регистре специальных функций PCON
в режиме 2 частота передачи определяется выражением
f =2SMODfрез/64
т.е., при SMOD = 0 частота передачи равна 1/64 частоты fрез,
а при SMOD = 1 — 1/32 частоты fрез.
в режимах 1 и 3 частота передачи, кроме бита SMOD, зависит от таймера 1;
при этом частота передачи f зависит от частоты переполнения f OVT1:
f=2SMODfOVT1/32
Прерывание от таймера 1 в этом случае должно быть запрещено.

Настройка таймера 1 для управления
частотой работы приемопередатчика

Регистр управления мощностью (PCON)

Система прерываний mc51

Регистр масок прерывания (IE)

Регистр приоритетов прерываний (IP)

Система команд mс51
111 базовых команд,
по функциональному признаку подразделяются на группы команд: пересылки данных;
арифметических операций;
логических операций;
операций над битами;
передачи управления.

Режимы адресации
Прямая адресация (Direct Addressing)
операнд определяется 8-битным адресом в инструкции,
используется только для внутренней памяти данных и регистров SFR.
Косвенная адресация (Indirect Addressing)
инструкция адресует регистр, содержащий адрес операнда,
для указания 8-битных адресов используются регистры R0 и R1 или указатель стека SP.
Регистровая адресация (Register Instruction)
для доступа к регистрам R0+R7, в байте кода операции трехбитовое поле, определяющее номер регистра.
Непосредственная адресация (Immediate constants)
операнд содержится в поле команды вслед за кодом операции – один или два байта (data8, data16).
Индексная адресация (Indexed Addressing)
используется при обращении к памяти программ и только при чтении,
осуществляется просмотр таблиц в памяти программ, базовый адрес требуемой таблицы в DPTR или PC,
а аккумулятор указывает на точку входа в нее;
адрес элемента таблицы находится сложением базы с индексом (содержимым аккумулятора).
Другой тип индексной адресации применяется в командах "перехода по выбору" (Case Jump),
адрес перехода вычисляется как сумма указателя базы и аккумулятора.
Неявная адресация (Register-Specific Instructions)

PCA (Programmable Counter Array)
имеется у моделей 80C51FA, 80C51FB, 80С51 РС и 80C51GB
обеспечивает большие "временные" возможности по сравнению
с обычными счетчиками-таймерами, которые имеются на кристалле,
при этом достигается большая точность с меньшими затратами ресурсов.
РСА рекомендуется использовать для измерения ширины импульса, частоты, скважности,
И для формирования прямоугольных импульсов на внешних выводах микроконтроллера.
РСА состоит из 16-разрядного таймера-счетчика с времязадающим узлом (TimeBase)
и пятью модулями захвата/сравнения ССМ (Capture/Compare Module).
TimeBase может подавать на вход РСА один из четырех тактовых сигналов:
системную частоту тактирования, деленную на 12 или 4,
сигнал с выхода переполнения таймера 0 или
сигнал с внешнего счетного входа ECI (External Clock Input).
Каждый из пяти ССМ может быть запрограммирован на выполнение одной из четырех функций:
переключаемая по фронту защелка,
программный счетчик,
вы­сокоскоростной выход и
широто-импульсный модулятор PWM (Pulse Width Modulator).

Структурная схема РСА таймера-счетчика

Регистр режимов PCA таймера-счетчика (CMOD)

Регистр управления РСА таймером-счетчиком (CCON)

Регистр режимов модуля сравнения захвата (ССАРМn)

Режимы работы РСА
комбинации битов регистра ССАРМn,
соответствующие различным режимам работы модуля сравнения-захвата

Режим захвата
рекомендуется использовать
при измерении периодов,
длительности,
скважности импульсов,
разности фаз между
различными входами;
Установка битов САРРn
и/или CAPNn в регистре
ССАРМn определяет
перепад (0-1 или 1-0),
по которому осуществляется
захват.
При захвате устанавливается
флаг события модуля CCFn
в регистре CCON,
и генерируется запрос на прерывание,
если установлен бит ECCFn в регистре ССАРМn.

Режим 16-разрядного программируемого таймера
значение РСА трижды за машинный цикл сравнивается с значением, предварительно загруженным в CCAPnH, CCAPnL, установка бита ЕСОМn в регистре ССАРМn разрешает функцию сравнения; бит МАТn установлен,
при совпадении значений устанавливается флаг событий CCFnи генерируется запрос на прерывание

Режим скоростного вывода
формируется сигнал на внешнем выводе СЕХn,
когда происходит совпадение РСА таймера со значением,
предварительно загруженным в регистры ССАРnН, CCAPnL;
режим скоростного вывода является более точным по сравнению с переключением контактов параллельного порта программным путем,
поскольку формирование сигнала на внешнем выводе происходит до обращения к подпрограмме обработки прерывания.
Это значит, что задержка, связанная с выполнением подпрограммы обработки прерывания, не будет влиять на формирование сигнала.
Если подпрограмма обработки прерывания не изменит содержимого ССАРnН, CCAPnL,
то следующий сигнал "совпадение" будет сформирован после того
как значение РСА таймера-счетчика снова совпадет со старым сравниваемым значением

Режим сторожевого таймера (watchdog timer)
Сторожевой таймер - это схема, которая автоматически сбрасывает микроконтроллер,
если не получает oт управляемой системы сигнала подтверждения, что не произошло никакого сбоя;
это используется в системах, где есть электрические помехи или сбои по питанию;
в режиме сторожевого таймера может работать только четвертый модуль.
Сигнал сброса срабатывает всякий раз, когда происходит совпадение
значения РСА таймера-счетчика со значением ССАР4Н, CCAP4L
этот режим устанавливает бит WDTE в регистре CMOD;
при этом четвертый модуль должен находиться в режиме
программируемого таймера или скоростного вывода;
Предотвратить сброс можно тремя способами:
1. периодически изменять значение в регистрах ССАР4Н, CCAP4L,
так что бы оно никогда не совпало с РСА таймером-счетчиком;
2. периодически изменять регистры СН, CL РСА таймера-счетчика,
чтобы они никогда не совпали со значением в регистрах ССАР4Н, GCAP4L;
3. выключить режим охранного таймера путем сброса бита WDTE перед тем, как
Произойдет совпадение и затем снова включить его.

Сторожевой таймер

Режим генерации импульсов заданной скважности
Значение в CCAPnL задает скважность импульсов

Аналого-цифровой преобразователь
АЦП микроконтроллера в семействе MCS-51/52
(например, типа SAB 80515 фирмы Siemens или 80C51GB)
обеспечивает 8 битное преобразование
имеет восемь мультиплексных каналов аналогового входного сигнала "на чипе
имеет схему выборки-хранения
возможность программирования опорных напряжений,
что позволяет увеличивать точность преобразования, сужая пределы измерения.
Преобразование осуществляется методом последовательного приближения
с использованием конденсаторной цепи.
Длительность цикла преобразования от 15 до 29 машинных циклов.
Для использования встроенного АЦП есть специальные функциональные регистры:
• ADCON- регистр управления аналого-цифрового преобразователя,
• ADDAT- регистр данных аналого-цифрового преобразователя,
• DAPR- регистр программирования опорных напряжений.

ADCON
(регистр управления преобразователем)
адрес - 0D8H, возможна побитовая адресация
используется, чтобы
• выбрать один из восьми каналов аналогового входного сигнала,
которые будут преобразованы,
• определять однократное или циклическое преобразование,
• проверять бит состояния BSY, который сообщает, происходит ли преобразование или нет.

DAPR
(регистр программирования опорных напряжений АЦП).
Регистр DAPR позволяет менять внутренние опорные напряжения IVAREF и IVAGND.
Они могут программироваться с шагом в 1/16
относительно внешних опорных напряжений (VAREF-VAGND).
Биты с 0 по 3 регистра DAPR определяют IVAGND, биты с 4 по 7 определяют IVAREF.
Для нормальной работы АЦП требуется как минимум разность в 1 вольт
между внутренними опорными напряжениями.
Поэтому, внутреннее опорное напряжение IVAREF
должно всегда программироваться на четыре шага выше, чем IVAGND
Значения IVAGND и IVAREF определяются по формуле:
IVAGND = VAGND + DAPR (0 - 3) /16 (VAREF - VAGND)
причем DAPR (0 - 3) < 0 и DAPR (0 - 3) < 13;
IVAREF = VAGND + DAPR (4 - 7) /16 (VAREF - VAGND)
где DAPR (0 - 3) - содержание младшего полубайта,
DAPR (4 - 7) - содержание старшего полубайта DAPR, принимаемого как десятичное целое число без знака.
Если DAPR (0 - 3) или DAPR (4 - 7) = 0,
внутренние опорные напряжения соответствуют внешним опорным напряжениям
Если VAINPUT > IVAREF, то результат преобразования будет равен 0FFH, если VAINPUT < IVAGN0,
то результат преобразования - 00H (VAINPUT - напряжение аналогового входного сигнала).

Регистр программирования АЦП DAPR (0DAH)
Если используются внешние опорные напряжения
VAGND = 0 V и VAREF = + 5V (относительно GND и VCC),
то при помощи регистра DAPR могут быть установлены следующие значения
внутренних опорных напряжений IVAGND и IVAREF: