1. Организация микропроцессорных систем

1.1. Типовая структура микропроцессорных систем

Любая МПС служит для обработки информации с целью получения требуемого результата. Обработка информации в МПС осуществляется микроЭВМ. При этом, в общем случае, входная информация поступает с некоторых устройств ввода, а результат выдается на устройства вывода. В связи с этим типовая структура МПС имеет вид, представленный на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Типовая структура микропроцессорной системы

В качестве устройств ввода могут использоваться различные датчики, клавиатуры, каналы связи и т. д. Устройства вывода могут представлять собой различные исполнительные механизмы и приводы, индикаторные панели и экраны, каналы связи и т. д. При выполнении вычислительных функций МПС, как правило, являются разомкнутыми, а при выполнении управляющих функций  замкнутыми, что на рис. 1.1 изображено пунктирной связью. В управляющих МПС выходное воздействие через исполнительные механизмы изменяет состояние управляемого объекта. Текущее состояние объекта фиксируется датчиками, информация с которых поступает в микроЭВМ и служит основанием для выработки дальнейших выходных управляющих воздействий.

Очевидно, что основу любой МПС составляет микроЭВМ, что требует рассмотрения вопросов ее организации в первую очередь.

1.2. Структура и принцип действия микроЭвм

Типовая структура микроЭВМ приведена на рис. 1.2. Она включает в себя три устройства: процессор, память и интерфейс.

Рис. 1.2. Типовая структура микроЭВМ

Память микроЭВМ предназначена для хранения программы, описывающей процесс обработки информации, а также для хранения различных промежуточных данных. Каждый элемент информации, закодированный двоичным кодом, находится в отдельной ячейке. Обращение к конкретной ячейке памяти осуществляется по двоичному коду номера ячейки, являющемуся ее адресом. При этом возможны два типа обращения: чтение или запись информации. Тип обращения к выбранной ячейке памяти указывается с помощью управляющих сигналов чтения памяти MEMR (MEMory Read) или записи в память MEMW (MEMory Write).

Процессор микроЭВМ обеспечивает последовательное выполнение элементарных шагов по обработке данных, т. е. реализацию вычислительного процесса. Для осуществления этой функции он состоит из двух блоков: управляющего и операционного. Операционный блок (ОБ) выполняет собственно элементарные шаги – операции над данными, а управляющий блок (УБ) обеспечивает выполнение этих операций в заданной последовательности.

Для выполнения некоторого действия процессор считывает очередную команду из памяти. Для этого его УБ выдает на шину адреса (ША) содержимое программного счетчика, содержащего адрес этой команды, и генерирует управляющий сигнал чтения MEMR. В результате команда извлекается из памяти и через шину данных (ШД) поступает в процессор. УБ определяет тип команды и начинает ее выполнение.

Если это операционная команда, то в ОБ направляется последовательность кодов управления выполнением операции (КУВОП), заданной КОП команды. В результате ОБ выполняет предписанную операцию. Если для ее выполнения необходим еще и операнд из памяти, то он считывается из нее аналогично команде. При этом адрес операнда, в простейшем случае содержащийся в команде, выдается на ША в сопровождении сигнала MEMR. В результате операнд извлекается из памяти и поступает в ОБ процессора, который формирует искомый результат.

Для записи в память результата операции, полученного в ОБ, УБ выдает на ША адрес ячейки назначения, на ШД  записываемый результат и генерирует управляющий сигнал записи MEMW.

Для реализации принципа условного перехода ОБ одновременно с результатом операции формирует его признаки, называемые флагами, и направляет их в УБ. После выполнения операционной команды УБ выдает на ША адрес очередной команды и т. д.

При выполнении управляющей команды УБ сразу определяет адрес следующей команды, выдает его на ША и т. д.

Интерфейс микроЭВМ предназначен для сопряжения устройств ввода/вывода (УВВ) с ее процессором или памятью. Обращение к УВВ осуществляется аналогично обращению к памяти. Адрес, выдаваемый процессором на ША, определяет конкретное УВВ, к которому осуществляется обращение. При этом также возможны два типа обращения: чтение или запись информации в УВВ. Тип обращения к выбранному УВВ указывается с помощью управляющих сигналов ввода IOR (Input/Output Read) или вывода IOW (Input/Output Write).

Поскольку обращение к ячейкам памяти и УВВ осуществляется с помощью различных управляющих сигналов, то они могут иметь одинаковые адреса.

Для детального понимания процесса функционирования МПС необходимо рассмотреть вопросы внутренней организации ее устройств.