Микропроцессорлық жүйенің магистралі

Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі

Е. А. Бөкетов атындағы Қарағанды мемлекеттік университеті

Тақырыбы: «Микропроцессорлық жүйелерінің негізгі түйіндері»

Орындаған: РТК-311 тобы

Ешетай Е, Б,

Қабылдаған:Мусина Г, И,

Қарағанды 2020 жыл

Жоспар

1. Микропроцессорлық жүйелер жөніндегі жалпы түсініктер

2. Микропроцессорлық жүйенің негізгі түйіндері

3. Микропроцессорлық жүйенің орталық процессоры

4. Микропроцессорлық жүйенің байланыс жүйесі

5. Микропроцессорлық жүйенің жұмыс режимдері

6. Микропроцессорлық жүйелердің түрлері

Кіріспе

Микропроцессорлық жүйе (МПЖ) - есептеу, бақылау-өлшеу және басқару жұмыстарын атқаруға арналған, микропроцессор негізіндегі электрондық құрылымдардың жалпылама аталымы. Олардың кіріс және шығыс сигналдары ретінде аналогты сигналдар, жеке цифрлық сигналдар, цифрлық кодтар, цифрлық кодтардың тізбелері пайдаланалуы мүмкін. Микропроцессорлық жүйелерде информацияның өңделуі және сақталуы цифрлық түрде жүргізіледі.

Микропроцессорлық жүйенің ядросы микропроцессор (МП) немесе тек процессор болып табылады. Микропроцессор үлкен интегралды сұлбалар (ҮИС) технологиясын қолданып жасалынған, программалық басқару көмегімен ақпаратты өңдеу (сонымен қатар, енгізу-шығару) мүмкіндігіне ие, өңдеуші құрылғы. Басқа түйіндері тек қосымша функцияларды ғана орындайды: ақпаратты сақтау, сыртқы құрылғылармен байланыс орнату, қолданушымен байланыс орнату және т. б.

Сонымен, микропроцессор көптеген операцияларды орындай алады және бұл жағдайда басқару ақпараты, программа дәл осы кезде қандай ақпаратты өңдеу керек екенін анықтайды. Команда программасы инструкциялар жиынтығынан, яғни цифрлық кодтардан тұрады. Процессор оларды қайта шифрлап, өзіне не істеу керектігін анықтайды.

Соңғы кезде шығарылған микропроцессорлық жүйелердің тезәрекеттілігі аса (бірнеше дәрежеге) көтерілді және бұндай жүйелерге арналған микросхемалардың шығарылым көлемінің ұлғаюы олардың құнының төмендеуіне әкелді. Бұған қоса, қазіргі заманда ішкі құрылымын бағдарламалы тәсілмен өзгерту арқылы жеке мәселелерді шешуге тез икемделетін микросхемалардың шығарылым технологиясы аса қарқынды дамып келе жатыр.

Микропроцессорлық жүйелер (МПЖ) - есептеу, өлшеу-бақылау, басқару жүйелерінде және тұрмыстық техникада кеңінен қолданылатын, микропроцессорлар негізіндегі күрделі электрондық құрылымдардың жалпылама аталымы.

Микропроцессорлық жүйенің құрамына микропроцессормен қатар жады құрылымдары және информацияны енгізу/шығару құрылғылары (сыртқы құрылғылар) кіреді.

Микропроцессорлық жүйелердің (МПЖ) құрылым негізіне үш принцип алынған:

- модулдік;

- магистралдік;

- микробағдарламалы басқару.

Модулдік принцип жүйенің, қызметі жағынан толықтай бітірілген, жеке блоктар негізінде құрылатындығын сипаттайды. Әрбір модулдің, оны іске қосатын, рұқсат кірісі болады; ондағы сигнал деңгейі модулдің үшінші (жоғары кедергілі) жағдайын, яғни оның жүйе желісіне қосылу/қосылмауын басқарады.

Магистралдік принцип МПЖ-нің қызмет блоктарының арасындағы байланыс сипатын анықтайды; жүйенің барлық блогы өзара жүйелік магистраль (жүйе желісі) арқылы жалғанады және сол арқылы информация алмасады.

Микробағдарламалы басқару принципі жүйе бағдарламасын құруға пайдаланылатын командалардың әрбіреуінің қарапайым операциялар - микрокомандалар (информация жіберілімі, арифметикаық операциялар, ығыстырымдар және т. б. ) арқылы жүзеге асырылу мүмкіндіктерін сипаттайды.

Микропроцессорлық жүйелер жөніндегі жалпы түсініктер

1-сурет. Микропроцессорлар

Микропроцессорлық жүйенің негізгі түйіндері

Микропроцессорлық жүйенің құрамына міндетті түрде енгізілетін негізгі түйіндеріне процессор, жады, енгізу/шығару құрылғылары жатады.

Процессор

Процессор (2-сурет), микропроцессорлық жүйенің негізін қалаушы, яғни оның жұмысын басқарушы, басты буыны. Ол, әдетте, жеке микросхема түрінде (микропроцессор) немесе микросхеманың (мысалы, микроконтроллердің) құрама бөлігі ретінде шығарылады. Процессор микросхемасының сәйкесті желі топтарына біріктірілген үш түрлі шықпалары болады, олар: адрес желісі, дерек желісі және басқару желісі. Кейде, микросхеманың шықпа санын кеміту үшін, кейбір сигналдар мен желілер кезектестіріледі.

2-сурет

Процессордың басты сипаттамалары - оның дерек, адрес және басқару желілерінің разряд саны. Дерек желісінің разряд саны жүйенің жұмыс жылдамдығын анықтайды. Адрес желісінің разряд саны жүйенің дерек жеткізу күрделілігін анықтайды. Басқару жолдарының саны ауыстыру режимдерінің түр-түрлігін және процессордың, оған сәйкесті, өзге құрылғылармен байланыс тиімділігін анықтайды.

Процессордың негізгі үш желісінің сигналдық шықпаларынан басқа, сыртқы тактілік сигналдар (CLK) генераторын қосуға арналған бір (немесе екі) шықпасы болады. Процессордың тактілік жиілігі жоғары болған сайын, ол тезірек істейді, яғни командаларды тезірек орындайды.

Кез келген процессорда болатын тағы бір маңызды сигнал - бастапқы тазарту сигналы RESET. Қорек көзінің қосылғанында немесе ахаулық жағдайда бұл сигналдың берілуі арқылы процессор бастапқы қойылым бағдарламасын орындауға кіріседі. Бұл сигнал - радиалды үзілістің ерекше бір түрі.

Процессорды магистралға қосу үшін буферлік микросхемалар пайдаланылады. Олар жүйе магистралы мен процессор желілерінің ауыстыру хаттамаларын келістіру қызметін атқарады. Кейде микропроцессорлық жүйеде бірнеше магистраль (жүйелік және жергілікті) пайдаланылуы мүмкін, бұндай жағдайда бұл магистралдардың әрбіреуінің өзінің жеке буферлік буыны болады. Бұндай құрылым, мысалы, дербес компьютерлерде қолданылады.

Сонымен, кез келген процессордың негізгі қызметтері:

- орындалушы команданы таңдау (оқу) ;

- жадыдан немесе енгізу/шығару құрылғысынан дерек енгізу (оқу) ;

- жадыға немесе енгізу/шығару құрылғысына дерек шығару (жазу) ;

- деректерді (операндтарды) өңдеу, яғни оларға арифметикалық және логикалық операциялар жүргізу;

- жадыға сілтеу, яғни дерек ауыстыруға қатысты жады адресін беру;

- үзіліс және жадыға тура шығу жұмыстарын жүзеге асыру.

Микропроцессордың қарапайым түріндегі құрылымы

3-сурет

Жады

Микропроцессорлық жүйенің жадысы деректер мен командалардың уақытша немесе тұрақты сақталуын қамтамасыз етеді. Жады көлемі жүйенің орындайтын алгоритмдерінің күрделілік шегін анықтайды. Жады модулдері жады микросхемаларының (тұрақты немесе өзгетілімді) негізінде құрылады.

Информация жады ұяшықтарында сақталады, олардың разряд саны процессордың дерек желісінің разряд санына тең болады. Жады ұяшығының саны адрес желісінің разряд санымен 2N түрінде анықталады, бұндағы N - адрес желісінің разряд саны. Көбіне жады көлемі (жады ұяшығының разряд санына тәуелсіз) байтпен өлшенеді. Мысалы, 16-разрядты 65 536 ұяшығы бар жадының көлемі 128 Кбайт деп айтылады. Жады ұяшықтарының жинамы, әдетте, жүйенің жады кеңістігін құрады.

Жады модулін жүйе магистралына қосу үшін, құрамына адрес дешифраторы (селекторы), магистралдың басқару сигналдарын өңдеу схемасы және дерек буферлері кіретін, ұштастыру блоктары пайдаланылады (4-сурет) .

4-сурет

Енгізу/шығару құрылғылары

Енгізу/шығару құрылғыларының магистралмен информация ауысуы жадымен ауысу тәртібімен жүргізіледі. Бірақ жүйенің жады модулдері магистралмен және процессормен ғана информация ауыстырады, ал енгізу/шығару құрылғылары олармен қатар өзге сыртқы (цифрлық немесе аналогты) құрылғылармен де әрекеттеседі. Көбіне енгізу/шығару құрылғылары ұштастыру құрылғылары, контроллерлер, кеңейту карталары, интерфейстік модулдер деп те атала береді.

Енгізу/шығару құрылғыларының қарапайым түрлерінде дерек кодтарын сыртқы құрылғыға жіберу немесе одан қабылдау параллель түрінде жүзеге асырылады. Бұндай енгізу/шығару құрылғылары көбіне параллель енгізу/шығару порттары деп аталады.

Кіріс порты (енгізу порты) қарапайым жағдайда, процессордың сыртқы құрылғыға жіберген информациясы жазылатын, регистр түрінде болады. Шығыс порты (шығару порты), әдетте, процессордың сыртқы құрылғыдан жіберілген информацияны оқитын, бірбағытты буфер түрінде құрылады (5-сурет)

5-сурет

Кез келген микропроцессорлық жүйенің орталық түйіні - микропроцессор (Microprocessor), яғни жүйедегі информация өңделуі мен оның жан-жақты жіберілуі түгелдей осы микропроцессордың басқаруымен жүзеге асырылады. Микропроцессорлық жүйенің өзге түйіндері қосалқы қызметтер атқарады, олар: информацияны сақтау (оның ішінде басқару информациясын да, яғни жұмыс бағдарламасын да), сыртқы құрылғылармен байланыс, пайдаланушымен байланыс және т. б. Сонымен, процессор арифметикалық (қосу, алу және т. б. ), және логикалық (ығыстыру, салыстыру, кодтарды жасыру және т. б. ) функциялардың орындалуын, кодтардың уақытша сақталуын (оның ішкі регистрлерінде), кодтардың микропроцессорлық жүйенің құрама буындары арасында жіберілуін және т. б. жұмыстарды жүзеге асырады. Процессор орындайтын, бұндай қарапайым операциялардың саны жүздеген болуы мүмкін.

Процессордың орындай алатын командалары оның командалар жүйесін құрады. Процессордың командалар жүйесінің құрылымы мен көлемі оның тезәрекеттілігін, икемділігін, пайдаланылу ыңғайлылығын анықтайды. Командалар жүйесі, микропроцессордың түріне байланысты, жеке мәселелерді ғана шешуге икемделген (арнайы процессорларда) немесе алуан түрлі мәселелерді шешуге (әмбебап процессорларда) бағытталған болуы мүмкін. Команда кодтарының разряд саны әртүрлі болуы мүмкін (бір байттан бірнеше байтқа дейін) . Командалардың орындалу ұзақтығы әртүрлі, сондықтан командалар жинамы түріндегі жеке бағдарламаның түгелдей орындалу ұзақтығы бағдарламадағы командалар санына ғана емес, онда қандай командалардың пайдаланылғандығына да тәуелді болады.

Командалардың орындалуын қамтамасыз ету үшін процессордың құрамына келесі буындар енгізілген, олар: жалпы қызмет регистрлерінің жинағы, арифметикалық-логикалық құрылғы (АЛҚ, ALU - Arithmetic Logic Unit), арнайы регистрлер, мультиплексорлар, буферлер және т. б. қызмет буындары. Микропроцессор буындарының жұмысы процессордың жалпы сыртқы тактілік сигналдары арқылы сәйкестіріледі.

Микропроцессорлық жүйенің орталық процессоры

Микропроцессорлық жүйені құрушының процессордың ішкі құрылымы жөнінде, оның нақтылы кіріс сигналдарына және басқару кодтарына жауап ретінде қандай операция орындайтыны және қандай шығыс сигналдарын шығаратындығы туралы толық түсінігі болу керек. Олармен қатар, ол міндетті түрде, процессордың командалар жүйесін, оның жұмыс режимдерін және процессордың сыртқы әлеммен байланыс тәртібін (яғни, дерек алмастыру хаттамасын) білу керек.

6-сурет. Процессордың енгізу және шығару құрылғылары

Дәстүрлі байланыс құрылымында жүйе құрамындағы әрбір құрылғы өзінің сигналдары мен кодтарын өзге құрылғыларға тәуелсіз, жеке байланыс жолдары арқылы жібереді. Бұл жағдайда жүйедегі байланыс жолының саны да, ондағы дерек алмастыру хаттамасы да (шешілетін мәселеге байланысты) әртүрлі болады.

Микропроцессорлық жүйелердің құрамындағы әртүрлі құрылғылардың арасындағы дерек алмастырылу хаттамаларының әмбебаптылығы мен қарапайымдылығын қамтамасыз ету үшін желілік байланыс жүйесі деп аталатын құрылым қолданылады.

Микропроцессорлық жүйенің байланыс жүйесі

7-сурет. Микропрцессорлардың желілік байланыс жүйесі