2.1.1 Центральный процессор (cpu)

Основные компоненты CPU MCS-196 - регистровый файл (Register File) и регистровое арифметико-логическое устройство (Register/Arithmetic Logic Unit - RALU). Регистровый файл- это адресуемое пространство регистров процессора. Ячейки от 00h до 17h - это управляющие регистры ввода-вывода или регистры cпециальных функций (Special Function Registers - SFR). Ячейки 18h и 19h содержат указатель стека, они могут использоваться как обычная RAM-память, когда не выполняются стековые операции.

Остальные байты регистрового файла служат как обычная RAM-память, доступная как байт, слово или как двойное слово. CPU выполняет вычисления в RALU. RALU содержит 17-битное арифметико-логическое устройство (ALU), слово состояния программы (PSW), счетчик команд (PC), счетчик циклов и три временных регистра. RALU работает напрямую с регистровым файлом, таким образом устраняются пересылки через аккумулятор и обеспечивается прямое управление операциями ввода/вывода через SFR.

Рисунок 1 -

2.1.2. Периферийные устройства 8xc196kc и 8xc196kd

Стандартные I/O порты. 8ХС196КC/KD имеют пять 8-битных I/O портов. Порт 0 - входной, он же порт аналоговых входов для A/D-преобразователя. Порт 1 - квазидвунаправленный, он разделяет выводы с двумя выходами PWM. Порт 2 содержит три типа линий - квазидвунаправленные, входные и выходные.

Таймеры. 8ХС196КС/KD имеет два 16-битных таймера: Таймер1 и Таймер2.

Устройства высокоскоростного ввода (HSI). HSI 8ХС196КC/KD может записывать время внешних событий с разрешающей способностью в 9 тактов. HSI может следить за четырьмя независимыми линиями HSI и определять значение Таймера1, когда произойдет событие.

Высокоскоростное устройство вывода (HSO). HSO 8ХС196КC/KD может инициализировать события в определенные моменты, базирующиеся на значениях Таймера1 или Таймера2

Последовательный порт имеет один синхронный режим (Mode0) и три асинхронных (1, 2 и 3). Асинхронные режимы полностью дуплексные, т.е. они могут передавать и принимать данные одновременно. Приемник на 196KС/KD буферизован так, что прием второго байта может начаться до считывания первого. Передатчик также дважды буферизован.

Широтно-импульсный модулятор (PWM) устройства 8XC196KC/KD имеет три выхода PWM. Скважность импульса на выходе формирователя является переменной, импульсы повторяются каждые 256 или 512 тактов.

A/D-преобразователь конвертирует аналоговый вход в цифровой эквивалент. Разрешающая способность 8 или 10 бит с программируемыми временами фиксации и преобразования. Основные компоненты A/D -преобразователя: фиксирующий и хранящий конденсатор, 8-канальный мультиплексор и 8- или 10-битный аналогово/цифровой преобразователь поразрядного взвешивания. Преобразователь может начать преобразование немедленно, или HSO может инициализировать преобразование в запрограммированное время. При завершении каждой конверсии преобразователь вырабатывает прерывание. 8XC196KC/KD имеет отдельные выводы питания Vref и ANGND, что исключает влияние помех по Vcc- или Vss - линиям на A/D преобразование.

Сервер периферийного обмена (PTS) - микропрограммный процессор аппаратной обработки прерывания. Он реагирует на прерывание фиксированной последовательностью действий. Эти действия состоят из передачи данных, запуска A/D-преобразования, чтения HSI FIFO и загрузки событий HSO.

Микроконтроллеры семейства MCS – 296 имеют архитектуру, аналогичную MCS – 196, однако обладают более высоким быстродействием.

Вопрос #24 - “Тенденции развития микроконтроллеров”

1. «Сближение» структур обычных микроконтроллеров и DSP. В обычные микроконтроллеры интегрируют быстрые АЦП, скоростную арифметику и т.п., DSP оснащают доп. возможностями, характерными для управляющих микроконтроллеров: расширяют периферию, добавляют битовые команды для работы с портами и т.п.

2. «Системы на кристалле» (System on Chip – SoC). Изделия данного класса - программируемые пользователем микросхемы системного уровня интеграции. Идея: можно разместить на одном кристалле фиксированное сложное микропроцессорное ядро, оперативную память для хранения программ и данных, достаточный объем программируемой логики для специализации кристалла под конкретную задачу. Следствия: меньше время разработки, выше производительность, ниже энергопотребление.

3. Микроконтроллеры с резидентной Flash-памятью программ со свойством программируемости в системе (In-System Programming – ISP). Особенности: возможность программирования Flash-памяти непосредственно из программы в процессе выполнения программы.

Вопрос #25 - “Обзор микропроцессоров управления потоками данных”

На лекциях не рассматривалось, необходимо произвести обзор современных (и не очень) процессоров с архитектурой x86 (i8086…i80386…). Пример – i80186, i80386:

Intel 80186 - 16-битный микропроцессор, выпущенный Intel в 1982 году - усовершенствованный вариант микропроцессора i8086. В состав вошли средства, которые ранее реализовывались 10 отдельными микросхемами. Применялся в работе с управляющими приложениями и в высокоинтеллектуальных периферийных адаптерах, например сетевых. Новые компоненты: два контроллера прямого доступа к памяти (DMA) со схемами прерываний, дешифраторы адреса, трёхканальный программируемый таймер/счётчик, генератор синхронизации, программируемый контроллер прерываний. Процессоры семейства i186 практически не применялись на практике.

Intel 80386 - 32-битный x86-совместимый процессор третьего поколения. i386 полностью совместим с 8086-80286. Основные изменения: 32 бита; защищенный режим; страничная память (через страничную память можно адресовать до 4 Гбайт физической памяти); виртуальный режим - режим эмуляции режима реального адреса; аппаратная отладка осуществляется вызовом отладочного прерывания и передачей управления отладчику; набор инструкций расширен (32-битные инструкции, команды переходов с 16-битным смещением); математический сопроцессор.

Вопрос #27 – “ Тенденции развития микропроцессоров управления потоками данных ”

Обзор некоторых 32-разрядных микропроцессоров.

Обзор начнём с процессоров RISC - архитектуры.

Микропроцессоры Alpha. Проект Alpha фирмы Digital Equipment был ориентирован на передовую технологию ( 0,8 - микронная технология ) , перспективную архитектуру и обработку 64 - разрядных приложений в среде Unix. Несколько позднее платформа Alpha AXP была дополнена средствами поддержки операционной системы Microsoft Windows NT. Первым процессором семейства Alpha AXP стал микропроцессор 21064, выполненный по 0,75 - микронной технологии, содержащим 1,68 млн. транзисторов. Тактовая частота ( до 200 Мгц ) и суперскалярная обработка позволии этому процессору обойти всех конкурентов по производительности. В 1994 г Digital Equipment выпустила модификацию процессора 21064 - модель Alpha 2164А с тактовой частотой 275 МГц. В 1993 г , из-за высокой цены ( более 2000 usd ) вышеупомянутых процессоров, эта корпорация выпустила процессоры Alpha 2166 и 2168 ( 200 -350 usd ) с тактовой частотой 66-233 МГц.

Микропроцессоры PowerPC.

В 1992 г компании IBM, Motorola и Apple приняли решение осоздании семейства RISC - процессоров широкого профиля. За основу проекта был взят процессор POWER ( Performance Optimised With Enchanced RISC ) . PowerPC 601- это 32- разрядный процессор тактовой частотой 50,66 или 80 МГц был выполнен по 0,8 -микронной технологии. Дальнейший шаг - PowerPC 603 с тактовой частотой 66 и 80 Мгц, в котором та же структура была реализована в более миниатюрном исполнении. PowerPC 604 выполнен по 0,5 - микронной технологии с тактовой частотой 100 МГц.

Микропроцессоры ARM фирмы Acorn. Первые МП типа ARM (Acorn Risc Machine) разработаны в 1985 г. разработанный в последнее время 32- разрядный МП ( на базе 30-мкм техналогии CMOS ) имеет следующие характеристики: 27 тыс. транзисторов, 4-8 Мгц тактовой частоты, 32- разрядную шину данных, производительность- 10 млн оп/с.

Микропроцессоры CISC - архитекруры.

Микропроцессор АМ 29000 фирмы АМD. МП ориентирован на широкий спектр применения и имеет следующие характеристики: 26 Мгц -тактовая частота,производительность - 25 млн оп/с. Микропроцессоры фирмы Intel. В 1985 г фирма Intel выпускает микропроцессор 80386. Кристалл на котором он был выполнен стал родоначальником нового поколения микропроцессоров.

Микропроцессор i80386. Микропроцессорный набор 80386 включает следующие схемы: 80386-быстродействующий 32-разрядный микропроцессор с 32- разрядной внешней шиной; 80387 - быстродействующий 32-разрядный математический сопроцессор; 82384 - генератор тактовых сигналов; 82385 - контроллер кеш-помяти, 82307 - арбитр магистрали, 82308 - контроллер магистрали и.т.д.

МП 80386 оптимизирован для многозадачных операционных систем и прикладных задач, для которых необходимо высокое быстродействие.Главной его особенностью является аппаратная реализация так называемой многосистемной програмной среды, обеспечивающей возможность совместной работы разнородных програм пользователей, ориентированных на разные операционные системы ( UNIX, MS DOS, APX 86 ). МП 80386 обеспечивает програмную совместимость снизу вверх по отношению к 16- разрядным МП. МП имеет следующие характеристики: 16, 20 , 25, 33 Мгц -тактовая частота, производительность 4 млн команд в секунду, 32 Мб/с- пропускная способность шины.

Тенденции развития микропроцессоров

По прогнозам аналитиков, к 2012 году число транзисторов в микропроцессоре достигнет 1 млрд., тактовая частота возрастет до 10 ГГц, а производительность достигнет 100 млрд. оп/с. Рассмотрим основные направления развитие микропроцессоров.