- •Программируемые цифровые устройства (часть 1) содержание
- •1 Микропроцессор. Основные сведения
- •Основные характеристики мп
- •1.2 Архитектура микропроцессора. Основные понятия
- •1.2.2 Состав типичного микроконтроллера
- •1.3 Структура мп устройства.
- •1.3.1 Мп с микропрограммным управлением (микропрограммируемая архитектура)
- •Структурная схема устройства микропрограммного управления
- •Структура микро эвм с микропрограммным управлением
- •1.4 Запоминающие устройства.
- •1.4.1 Оперативное запоминающее устройство
- •Статическое озу на биполярных и полевых транзисторах
- •1.4.2 Постоянные зу
- •Однократно программируемое пзу
- •1.5 Команды, форматы команд, система команд
- •1.6 Принцип работы микропроцессора.
- •1.6.1 Модель программирования микропроцессора.
- •1.7 Способы адресации
- •1.8 Основы программирования. Ассемблер.
- •1.9 Организация передачи информации в мпс. Интерфейс.
- •2 Архитектура 8- разрядных микроконтроллеров.
- •2.1 Последовательные интерфейсы микропроцессорных систем
- •2.1.1 Последовательный интерфейс rs-232c
- •2.1.2 Шина 1-Wire
- •Формат команды 1-Wire протокола
- •2.1.3 Интерфейс can4
- •Топология сети can.
- •Data frame стандарта can 2.0a.
- •Побитовый арбитраж на шине can.
- •2.2 Организация портов ввода/вывода
- •2.3 Таймеры и процессоры событий
- •2.4 Ввод/вывод аналоговых сигналов
- •Структурная схема типового модуля ацп
- •Цап на основе таймера в режиме шим
- •2.5 Контроллеры последовательного ввода/вывода
- •2.5.1 Модуль последовательного обмена uart
- •Упрощенная структура модуля uart.
- •2.5.2 Последовательный периферийный интерфейс spi
- •2.5.3 Синхронный последовательный интерфейс i2c
- •Временные диаграммы шины i2c
- •Взаимосинхронизация на шине i2c
- •2.6 Минимизация потребления энергии
- •2.7 Повышение надежности работы мк
- •2.7.1 Мониторинг напряжения питания мк
- •Временные диаграммы работы схемы por
- •Переход мк в состояние сброса по сигналам схемы por и модуля пониженного напряжения питания
- •2.7.2 Сторожевой таймер
- •Структурная схема сторожевого таймера
- •Принцип действия сторожевого таймера
- •3 Периферийные устройства
- •3.1 Генератор и схема начального сброса
- •3.2 Кнопки и датчики
- •3.3 Подключение светодиодных индикаторов
- •3.4 Подключение жидкокристаллических индикаторов
- •3.5 Комбинированное использование портов
- •3.6 Подключение реле и электромагнитных исполнительных устройств
- •3.7 Подключение мк к компьютеру через последовательный порт
- •3.8 Подключение интегрального датчика температуры с интерфейсом 1- Wire
- •4 Микроконтроллеры с архитектурой mcs-51
- •4.1 Особенности архитектуры mcs-51
- •4.2 Структура микроконтроллеров mcs-51
- •4.2.1 Внутренняя структура mcs-51
- •Структура микроконтроллера mcs-51
- •4.2.2 Организация памяти и программно доступные ресурсы
- •Организация памяти в микроконтроллерах семейства 8051
- •4.2.3 Система команд и методы адресации
- •4.3 Современные мк с архитектурой mcs-51
- •5 Микроконтроллеры с risc- архитектурой
- •5.2 Однокристальные risc- контроллеры avr
- •5.2.1 Способы адресации в микроконтроллерах avr
- •5.3 Микроконтроллеры семейства msp430
- •5.3.1 Архитектура
- •5.3.2 Система тактирования
- •5.3.3 Встроенная эмуляция
- •5.3.4 Адресное пространство
- •5.4 Сравнение микроконтроллеров различных семейств
- •6 Разработка систем на бис программируемых цифровых устройств
- •6.1 Основы проектирования систем на микроконтроллерах и плис
- •6.2 Технология разработки микропроцессорных контроллеров
- •6.2.1 Основные этапы цикла разработки микропроцессорного контроллера
- •Литература
1.2 Архитектура микропроцессора. Основные понятия
1.2.1 Фон-неймановская и гарвардская архитектуры
Под архитектурой МП понимают принцип его внутренней организации: общую структуру, логическую структуру отдельных устройств, совокупность команд и принципы взаимодействия аппаратной части и программы обработки информации.
Иначе: архитектура – математическая модель МП, образованная программно- доступными элементами МП. Архитектура МП отражает возможности прикладного использования МП и содержит описание программной модели МП. Под программной моделью микропроцессора понимается совокупность программно-доступных регистров, объединенных в систему укрупненными связями и дополнительными элементами, обеспечивающими функциональную законченность модели.
Полностью понятие архитектура МП включает:
структурную схему МП,
программную модель МП,
описание организации памяти,
описание организации процедур ввода/вывода.
Различают два основных типа архитектуры МП – фон Неймановскую (принстонскую) и гарвардскую.
Фоннеймановская архитектура |
Гарвардская архитектура |
Фон Неймановская (принстонская) архитектура (предложена Джо фон Нейманом в 1945 г.) предполагает, что программа и данные находятся в общей памяти, доступ к которой производится по одной шине данных и команд. Основным достижением группы инженеров, работавших с Джоном фон Нейманом, было осознание того факта, что программа может храниться в памяти вместе с данными. Основным преимуществом такого подхода является его гибкость, так как для изменения программы достаточно просто загрузить новый код в соответствующую область памяти. По существу, фон-неймановская архитектура, показанная на рис., состоит из центрального процессора (ЦПУ), памяти и общей шины (магистрали), по которой в обоих направлениях пересылаются данные. ЦПУ также должен взаимодействовать и с окружающим миром. При этом данные к/от соответствующих интерфейсных портов передаются по одной общей шине данных.
Огромным преимуществом фон-неймановской архитектуры является ее простота, поэтому данная концепция легла в основу большинства компьютеров общего назначения. Однако использование общей шины означает, что в любой момент времени может выполняться только одна операция. Соответственно, пересылка данных между ЦПУ и памятью данных не может осуществляться одновременно с выборкой команды. Эта особенность называется фон-неймановским узким местом.
|
Рис. – Элементарная фон-неймановская машина (шина адреса не показана) |
Гарвардская архитектура (реализована в 1944 г. в ЭВМ Гарвардского университета) соответствует структуре с разделенными устройствами памяти команд и данных и отдельными шинами команд и данных.
В первое послевоенное десятилетие в Гарвардском университете было создано несколько компьютеров семейства "Марк", в которых память программ была полностью отделена от памяти данных (программа считывалась с бумажной перфоленты). Такая концепция была более эффективной, чем фон-неймановская (принстонская) архитектура, поскольку код программы мог считываться из памяти программ одновременно с обменом между ЦПУ и памятью данных или с операциями ввода/вывода. Однако такие машины были намного сложнее и дороже в изготовлении. А с учетом уровня технического развития 40 - 50-х годов, высоких экономических затрат, они не получили широкого распространения. Однако с развитием больших интегральных схем и технологии гарвардская архитектура снова оказалась в центре внимания.
Рис. – Элементарная гарвардская машина (шина адреса не показана) |
На Рис. показаны две физически разделенные шины, используемые для передачи информации между ЦПУ и неперекрывающимися областями памяти. Каждая память имеет собственную шину адреса, поэтому адрес ячейки памяти программ никоим образом не связан с адресом ячейки памяти данных. В таком случае говорят, что обе области памяти находятся в различных адресных пространствах. Память данных иногда называют файловой памятью, в этом случае n-я ячейка обозначается как файл n. |
Фоннеймановская архитектура более экономно расходует аппаратные ресурсы, а гарвардская позволяет реализовать большее быстродействие. |