Микропроцессорлық жүйені жобалау

Синхронды тәсіл 

Синхронды тәсілде ақпаратты  беру изохронды тәсілді ерекшелейді.

-ішкі

-сыртқы

Ішкі синхронизациялау

Тиімділігі :

-жеткілікті екі жүйе: сигнал және жер 

-жоғарғы жиілік

-байланыстың жоғарғы  сенімділігі 

Пакеттің ұзындығы берушімен және қабылдаушының қарым-қатынасты синхронизациясынан анықталады.

Ішкі синхронизациялауды ұйымдастыру кезінде сигнал алғашында BD беру берушімен генерацияланады және қабылдаушыға арнайы жүйе бойынша беріледі.  Ішкі синхронизация жүйелерінде BD жүйесі болмайды, ал негіздер жүйесіне 1-2 байт ұзындығымен «синхронизация символы» арнайы коды генераланады. Әр қабылдаушыға шамамен арнайы синхросимволдар анықталады, осыған байланысты бір жүйеде жұмыс жасайтын бірнеше нақты абоненттердің адресациясын жүзеге асыруға болады. Әр қабылдаушы әрқашан R хD битін қабылдайды, символдарды қалыптастырады және жеке синхросимволдармен салыстырады. Синхросимволдар сәйкес келген жағдайда келесі биттер негіздер қабылдау  каналына түседі.

Асинхронды-синхронды тәсіл

Біз әр байтты бірлік және нөл ағымына , яғни байланыс ортасы арқылы беріле алатын  биттерді өзгерте аламыз дейік. (мысалы телефон жүйесін) . Шындығында біз төменде көретіндей әмбебап асихронды қабылдаушы осындай нақты функцияны орындайды.   Жүйе күту режимінде болған кезде жүйеде бари жақсы деп демонстрациялау үшін  олар арқылы единица беріліп жүйе бос екенін білдіреді. Бір жағынан жүйе логикалық нөл болған жағдайда ол интервалдардың ұстау режимінде тұруын айтады. Осыған байланысты логикалық единица жәнее нөл MARK және SPACE сәйкес қарастырылады.

Асинхронды байланыста   MARK және SPACE жүйелерінің жағдайының өзгеруі символдың басталуын  сипаттайды. (3.1. сурет) . Бұл старттық бит деп аталады. Старттық биттерден  символ, содан кейін бақылау биті ұсынылатын биттің комбинациялануы  болады. Ақырында жүйе MARKкүту жағдайына  ауысады, және ағымды симводың соңын  көрсетеді. Символды ұсыну үшін қолданылатын биттер саны жетіге және сегізге тең  болады. Бақылау биті қателерді тексеруді  орындау үшін қолданылады.

Сурет Ақпаратты берудің асинхронды-синхронды тәсілі

 

 Әр биттің ұзақтығы қабылдау және беруші такталық импульс генераторларымен анықталады. Атап кететін жайт қабылдаушыда және берушіде генераторлар бір жиелікте болуы қажет., бірақ олар синхронды болуы талап етілмейді. Генраторлар жиелігін таңдау әр секундта жүйе жағдайының өзгеруіннің санын сипаттайтын бодта беру жылдамдылығына тәуелді. такталық жиелік «бодта 16   беру жылдамдығы» старттық бит үшін тану үшін жүйе тексеріледі.

Қарастырылған асинхрондық  принциптерге байланысты ақпаратты  беру үшін таратылған, олардың ішінде RS -232 ең танымал болып табылады.

Бұл тізбектілік  байланыс принциптері БИС  түрінде таратылған, олардың ішінде ең танымал : 6850, Intel 18251 ( КР 580ВВ51А) Z80- S ІО , 8250, 16450, 16550, 16550А.

Енгізу/қорытынды жүйелерін ұйымдастыру және олардың классификациясы 

Енгізу/қортынды жүйе МП ішкі құралдарымен байланысты қамтамасыз етеді, оларға мыналар жатады:

-енгізу/қорытынды (УВВ) : клавиатура, дисплей, принтер, датчик және орындаушы механизмдер, АЦП, ЦАП, таймерлер .

-ішкі сақтаушы құралдар, магниттік дискілердегі жинақтаушылар,  «электрондық дискілер» және  тағы басқалары.

ПВВ қарастыру аясында  «УВВ» , «ВУ» терминін синонимдермен  қараймыз және олармен процессор  жағынан қарым-қатынас бір заңмен жүзеге асырылады.

ПВВ жалпы алғанда төмендегі  функциялардың орындалуын қамтамасыз етуі қажет:

1. негіздер форматын келісу процессор әрқашан параллельді формада негіздерді береді/қабылдайды , ал кейбір ВУ (мысалы НМД) тізбектілік. Бұдан параллельді және тізбектілік алмасу құралдарын анықтайды. Параллельді алмасу аясында сөздер берілетін форматтарды қайта өзгерту жүргізілмейді, ол кезде тізбекті алмасу кезінде параллельді кодтың өзгеруі жүзеге асырылады. Барлық варианттар сөздің ұзындығы ВУ (1 биттен көп) болғанда МП сөздің ұзындығына сәйкес келмейді.
2. алмасу режимін ұйымдастыру басқарушы сигналдарды , әртәүрлі шиналарға қолда бар ақпараттарды , олардың типтерін, алмасудың уақытша папрметрлерін реттеуші ВУ жағдайын (дайын, бос емес, авария) қалыптастыру және қабылдау. Процессордың және ВУ (активті және пассивті) байланыстардың тәсілері бойынша синхронды және асинхронды алмасуды айырады. Синхронды алмасу кезінде уақытша сипаттар толықтай МП анықтайды, Синхронды алмасудың әрқашан оларға дайын құралдармен мүмкін дігі бар. (мысалы екілік индикация). Асинхрондық алмасу кезінде МП ВУ немесе алмасудың аяқталу сәтінің жағдайын талдайды. Алмасудың уақытша сипаттамалары бұл жағдайда ВУ анықталуы мүмкін:
3. ішкі құралдың адрестік селекциясы  

Енгізу/қортынды әдістердің классификациясы 

І. ЦП басқарумен

-сұрақтар бойынша 

-тоқтату бойынша 

ІІ. Ішкі құралдарды басқаруымен (жадқа тікелей қол жеткізу)

Кемшілігі :

-тез әрекет етуі өте төмен

-процессор әрдайым сұрақтармен  жұмыс істейді

Артықшылығы :

-қосымша аппаратты қажет  етпейді

-бірнеше көздерді қолдануға  болады.

МПС тоқтатудың қосалқы  жүйесі

Тоқтатудың қосалқы  жүйесі -  жағдайға бағдарламаның әсерін қамтамасыз ететін, бағдарламадан тыс жүргізілетін аппараттық және бағдарламалық құралдар жиынтығы. Бұл жағдайлар бағдарламаға қарым-қатынас бойынша асинхронды және кездейсоқ пайда болады және ағымды бағдарламаның орындалуын және болған жағжайға сәйкес басқа бағдарламаның орындалуына көшуге орындалуын тоқтатуды талап етеді.

Ішкі және сыртқы тоқтату 

Ішкі және сыртқы жағдайларды (процессорға қатысты) талап етуші  тоқтату жүйесінің реакциялары  анықтайды. Ішкі жағдайларға арифметикалық  операцияларды орындау кезінде  разрядттық сеткалардың толуы, команданың әрекет етпеуші кодының пайда  болуы, бағдарламаның зерде аясына қатынасы жатады, Ішкі тоқтату процессордың жүйелі аппараттық бақылауының дамуымен қамтамасыз етілуі қажет, сондықтан  олар жай 8 және 16 разрядтық МП  кең  дамуды ала алмады.

Ішкі тоқтату процессорға  қатысты ішінде пайда болуы мүмкін және авариялық жағдай , уақыттың кездейсоқ  кездерінде болатын жай  жағдай, ретінде ерекшеленуі мүмкін. (клавиатурада клавишаны басу, ВЗУ немесе принтердің буфері түгесілген) Осы жағдайлардың барлығында ағымды бағдарламаның орындалуын тоқтатуды және басқа бағдарламаның  орындалуын көшуді талап етіледі.

Тоқтатудың қосалқы  жүйесінің функциялары және оны  тарату

Тоқтатудың қосалқы жүйесі төмендегі функциялардың орындалуын қамтамасыз етуі қажет:

1. ішкі орта жағдайының өзгеруін анықтау
2. тоқтату көзін иденфикациялау
3. бірнеше сұрақтардың бір мезетте тууына байланысты  жанжалдық  жағдайларды шешу
4. ағымды бағдарламаны тоқтату мүмкіндігін анықтау (бағдарлама басымдылығы)
5. тоқтатылатын бағдарламаныың жағдайын тіркеу
6. қызметкөрсетуші тоқтатуға сәйкес бағдарламаға көшу
7. тоқтату бағдарламасы аяқталғаннан кейін тоқтатылған бағдарламаға оралу

Жеке адрестік кеңістікті бөлу мысалы

Жад диспетчері

Адрестік кеңістік шегінде  жад көлемін арттыру қажеттілігі кезінде  «жад диспетчерін» қолдануға болады. Жай жағдайларда ол енгізу/қортынды кеңістігінде орналасатын бағдарламалық-қол жеткізушілік регистрді ұсынады. Одан осы кездегі банк жады шығады , сонымен қатар банк көлемі адрестік кеңістік көлеміне тең болуы мүмкін.

Сақтау құрылғылары

Жад ішкі және сыртқы болуы мүмкін. Ішкі жад магниттегі , оптикалық дискіде, лентадағы жадты айтады. Ішкі жад көбінесе микросхемада орындалады. Ішкі немесе негізгі жад екі типті болуы мүмкін: оперативті сақтаушы құрал (ОЗУ) немесе  ЗУ және беталды таңдаумен (ЗУПВ) және әрдайым ЗУ (ПЗУ). сонымен қатар –( RAM Random Access Memory) ал ПЗУ – ( ROM Read Onli Memory) . Сонымен қатар ОЗУ және ПЗУ және батарейкалы энерготәуелді жады бар Флеш ( Flash )  тарату алды. ОЗУ кодтар шешілетін тапсырмаларға сәйкес үнемі өзгереді және қоректі сөндіру кезінде толықтай жоғалады. ПЗУда ЭВМ басқарушылық жұмыстары компьютерді сөндірген кезде сақталатын  стандарттық бағдарламалар, константтар, символдар таблицалары және басқа ақпараттар сақталады. ОЗУ статикалық жадқа (SRAM) динамикалық (DRAM), регистрлік ( RG)болып бөлінеді. ПЗУ завод дайындаушыларында масалық бағдарламаланған ( ROM ), ППЗУ қолданушылармен біртекті бағдарламаланған (PROM немесе ОТР)  , РПЗУ қолданушылармен көп рет бағдарламаланған  электрлік сүрткішпен (EEPROM )немесе  ультрофиолетті сүрткішпен . Бір кристалда логикалық құралдарды және элементтерді таңдаумен бағдарламаланған логикалық матрицаларды және құралдарды тапты. (EPROM  PLM PML PLA PAL PLD FPGA).

ЗУ типіне тәуелді (ЭП) жад элементіне болуы мүмкін: триггер, миниатюрлы конденстор, транзистор. Ұядағы жад элементтерінің саны 2 n(1,4,8,16,32,64) .

 

 

 

 

 

Микропроцессорлар және микробақылаушылар 

Процессор  программистпен ойластырылған және бағдарламалық  кодтың модулі ретінде ресімделген  бағдарламаны орындайтын құрал болып  табылады. Процессор не істейтінін түсіну үшін ІВМ РС-біріккен компьютер  жүйелік компоненттер аясын қарастырамыз. Бұл компьютерлік архитектурамен процессорларды қолдану аясы шектеледі. ІВМ РС-біріккен компьютер фон-нейман архитектурасы  деп аталатынды таратуды ұсынады. Машина басқару блогынан, арифметикалық-логикалық  құралдан, (АЛУ), зердеден және енгізу/қортынды құралдан тұрады. Орындалатын әрекеттер  орталық процессордың негізі болып  табылатын басқару блогымен және АЛУ анықталады. Орталық процессор  зердеден командаларды орындайды және басқару блогында «адрес счетчигімен» кезекті командалар беріледі. Бұл  принцип басқарудың берілуі деп  аталады. Бағдарлама жұмыс істейтін негіздер алдағы уақытта қолдану  мақсатында   мағыналар  сақталатын өзгертілген/аталған зерде аясында  енгізе алады. Фон-нейманды архитектура  –құрудың ерекше варианты, сонымен  қатар көрсетілген принциптерге сәйкес келмейтін басқалары да бар. Қазіргі заманғы компьютерлер осы  принциптерге негізделген. Архитектуралық процессор мағынасында оның бағдарламалық  моделі, яғни бағдарламалық-көрінгіш құралдары  түсіндіріледі. Микроархитектура мағынасында  осы бағдарламалық модельдің  ішкі таратылуы түсіндіріледі. Қазір  процессорлардың екі әмбебап  категорияға бөлінетін  RISC CISC RISC Reduced Instruction Set әмбебап Computer  көптеген архитектуралары әрекет етеді. Бұл  процессорлар әмбебап тағайындау регистрлерінің жинақтауы болады және олардың сандары  үлкен болуы мүмкін. Команда жүйелері жайлылығымен  ерекшеленеді , инструкция кодының нақты құрылымы бар,. Нәтижесінде  аппараттық тарату мұндай архитектурамен шығындармен осы инструкцияларды  орындауға жол береді. Анықталған артық жерін береді және  регистрлерді сәйкестендіреді. CICS-Complete Instruction Set Computer инструкцияға толық  х86 отбасына жататын  процессорлар. Инструкцияларды орындау  үшін қажет такталардың саны өсіп келеді. х86 процессорлары дүниежүзінде ең күрделі команда жүйесіне ие. Регистрлердің құрамы және тағайындаулары біртекті емес, команданы кең көлемде  жинау инструкцияларды кодтандыруды күрделендіреді. Инструкцияларды орындау  үшін қажет такталар саны көбейеді. х86 процессорларының  дүниежүзіндегі ең қиын команда жүйесі бар . х86 отбасы процессорларында 486 бастап CICS процессор RISC ядро бар құрама архитектура қолданылады.

Есептеуіш процессін ұйымдастыруда  төмендегі тәсілдер ерекшеленеді:

• команданың бір ағымы-негіздердің бір ағымы (Simple Instruction – Simple Data SISD) фон-неймандық архитектура дәстүрі үшін сипаттамалы (кей кезде Simple орнына Single деп жазады)
• команданың бір ағымы-негіздердің көптеген ағымы (Simple Instruction-Multiple Data SIMD)  MMX  технологиясы
• команданың көптеген ағымы-негіздердің бір ағымы  (Multiple Instruction - Simple Data МISD)
• команданың көптеген ағымы-негіздердің көптеген ағымы (Multiple Instruction Multiple Data MIMD)

Бір кристалды МК51 типті  микро-эвм 

80С51В ядромен МК51 сериясы.  СНГ елдерінде МК51 базада МОП  технологиясы (1816) және КМОП технологиясы  (1803) шығарылады.

МК51 құрылым 

 

6.1. Сурет МК 51 құрылымы 

МК 51  төмендегі сигналдар  қолданылады:

ALE – адрес стобы 

PSEN- бағдарламаның ішкі  жадын оқу стробы

RD/WR- негіздер жадының ішкі жазуы және оқу стробы

EA-бағдарламаның ішкі  жадына қатынасқа рұқсат

TOT1- ішкі жағдайларға счетчиктердің  енуі

INTO INT1-ішкі радиальды тоқтатулардың  сұраныстары 

RxD-ақырғы каналдың негіздерге  енуі

TxD- ақырғы каналдың негіздерге  енуі

МК51 архитектуралық ерекшеліктері 

МК51 жадының бес адрестік  кеңістігін  басқаруға мүмкіндік береді, оның төртеуі негіздер облысы болып табылды.

RSEG-регистрлер кеңістігі

DSEG-негіздердің ішкі жад кеңістігі

BSEG-негіздердің биттік  кеңістігі

XSEG-негіздердің ішкі жадының кеңістігі

CSEG-бағдарламалық кодтың  кеңістігі 

RSEG және BSEG кеңістігі бөлек-бөлек  тиеді, DSEG физикалық бірігеді және  негіздерді сақтау үшін жеке  ішкі ортаны қалыптастырады. Бұл   әртүрлі позицияда сол негіздерді  қарастыруға мүмкіндік береді (жад ұясы, регистр, битті алаң, енгізу/қортынды порты) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Микропроцессорлық жүйелердің өндірістілігін арттыру  әдісі 

Үш шиналы Гарвардтық архитектура 

Оның ерекшелігі адрес  шинасынан және негіздер шинасынан  айырмашылығы DSP кем дегенде 6-7   әртүрлі шинасы және 2-3 жад банкасы  бар. Бұл ерекшелік нәтижелерді  сақтау операцияларын  жылдамдатуға әсер етеді және сигналдарды дайындау кезінде қолданбалы болып табылады. DSP архитектурасы бір машиналық циклда жүргізуге мүмкіндік береді: