Микропроцессоры универсальные

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ           2

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ        5

1.1.Архитектура МК attiny13         6

1.2.Процессорное ядро МК attiny13        11

1.3.Способы адресации          15

1.4.Энергонезависимая память данных       15

1.5.Порты ввода/вывода         20

2.РАЗРАБОТКА МК УСТРОЙСТВА       22

2.1.Индикатор температуры тела        32

2.2. Принципиальная схема         33

3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МКУ   36

3.1.Интегрированная среда программирования      38

3.2.Программа на языке Ассемблера       42

Список используемой литературы        45

ЗАКЛЮЧЕНИЕ           50

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 (Принципиальная электрическая схема)

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 (Спецификация)

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ.

Современная элементная база - сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), характеризуется большим числом транзисторов на кристалле и относительно малым числом выводов у корпуса. Поэтому БИС адекватны построению логически законченных устройств.

Различные выполняемые функции и сферы применения обусловили специализацию СБИС. По данному признаку достаточно условно их можно разделить на следующие классы:

• СБИС с аппаратной реализацией алгоритмов обработки данных;
• микропроцессоры универсальные;
• микропроцессоры сигнальные;
• микроконтроллеры, включая интерфейсные схемы для образования мультипроцессорных систем;
• микросхемы памяти: статические и динамические;
• программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).

Микропроцессоры универсальные (МУ)

Микропроцессором называется программно-управляемое устройство для обработки цифровой информации и управления процессом обработки, реализованное в виде большой (БИС) или сверхбольшой (СБИС) интегральной микросхемы. Таким образом, микропроцессор играет роль процессора в цифровых системах различного назначения. Это могут быть системы обработки информации (компьютеры), системы управления объектами и процессами, информационно-измерительные системы и другие виды систем, используемых в промышленности, бытовой технике, аппаратуре связи и многих других областях применения.

Десятки компаний-производителей выпускают несколько тысяч типов микропроцессоров, имеющих разные характеристики и предназначенных для различных областей применения. Выпускаемые микропроцессоры делятся на отдельные классы в соответствии с их архитектурой, структурой и функциональным назначением. В данном разделе дается обзор основных архитектурных и структурных вариантов реализации современных микропроцессоров, используемых в различных сферах применения.

Архитектура МУ.

Архитектурой процессора называется комплекс его аппаратных и программных средств, предоставляемых пользователю. В это общее понятие входит набор программно-доступных регистров и исполнительных (операционных) устройств, система основных команд и способов адресации, объем и структура адресуемой памяти, виды и способы обработки прерываний.  
При описании архитектуры и функционирования процессора обычно используется его представление в виде совокупности программно-доступных регистров, образующих регистровую или программную модель. В этих регистрах содержатся обрабатываемые данные (операнды) и управляющая информация. Соответственно, в регистровую модель входит группа регистров общего назначения, служащих для хранения операндов, и группа служебных регистров, обеспечивающих управление выполнением программы и режимом работы процессора, организацию обращения к памяти (защита памяти, сегментная и страничная организация и др.).

Регистры общего назначения образуют РЭУ - внутреннюю регистровую память процессора. Состав и количество служебных регистров определяется архитектурой микропроцессора. Обычно в их состав входят: 
программный счетчик PC (или CS + IP в архитектуре микропроцессоров Intel);

• регистр состояния SR (или EFLAGS);
• регистры управления режимом работы процессора CR (Control Register);
• регистры, реализующие сегментную и страничную организацию памяти;
• регистры, обеспечивающие отладку программ и тестирование процессора.

Кроме того, различные модели микропроцессоров содержат ряд других специализированных регистров. Архитектура и структура микропроцессора тесно взаимосвязаны. Реализация тех или иных архитектурных особенностей требует введения в структуру микропроцессора необходимых аппаратных средств (устройств и блоков) и обеспечения соответствующих механизмов их совместного функционирования.

Варианты архитектуры МУ по набору команд и способу адресации.

По данному функциональному признаку в современных микропроцессорах реализуются следующие варианты архитектур.

• CISC-архитектура
• RISC-архитектура
• VLIW-архитектура

CISC (Complex Instruction Set Computer) - архитектура  реализована во многих типах  микропроцессоров, выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации. Эта классическая архитектура процессоров, которая начала свое развитие в 1940-х годах с появлением первых компьютеров. Типичным примером CISC-процессоров являются микропроцессоры семейства Pentium. Они выполняют более 200 команд разной степени сложности, которые имеют размер от 1 до 15 байт и обеспечивают более 10 различных способов адресации. Такое большое многообразие выполняемых команд и способов адресации позволяет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач. 
RISC (Reduced Instruction Set Computer) - архитектура отличается использованием ограниченного набора команд фиксированного формата. Современные RISC-процессоры обычно реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта. Также значительно сокращается число используемых способов адресации. Обычно в RISC-процессорах все команды обработки данных выполняются только с регистровой или непосредственной адресацией. При этом для сокращения количества обращений к памяти RISC-процессоры имеют увеличенный объем внутреннего РЗУ – от 32 до нескольких сотен регистров, тогда как в CISC-процессорах число регистров общего назначения обычно составляет 8–16. Обращение к памяти в RISC-процессорах используется только в операциях загрузки данных в РЗУ или пересылки результатов из РЗУ в память. При этом используется небольшое число наиболее простых способов адресации: косвенно-регистровая, индексная и некоторые другие. В результате существенно упрощается структура микропроцессора, сокращаются его размеры и стоимость, значительно повышается производительность. VLIW (Very Large Instruction Word) - архитектура появилась относительно недавно - в 1990-х годах. Ее особенностью является использование очень длинных команд (до 128 бит и более), отдельные поля которых содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций. Таким образом, одна команда вызывает выполнение сразу нескольких операций параллельно в различных операционных устройствах, входящих в структуру микропроцессора. 

Варианты архитектур МУ в зависимости от используемого варианта памяти и выборки команд и данных.

Кроме набора выполняемых команд и способов адресации важной архитектурной особенностью микропроцессоров является используемый вариант реализации памяти и организация выборки команд и данных. По этим признакам различаются процессоры с Принстонской и Гарвардской архитектурой. Эти архитектурные варианты были предложены в конце 1940-х годов специалистами соответственно Принстонского и Гарвардского университетов США для разрабатываемых ими моделей компьютеров.

Принстонская архитектура, которая часто называется архитектурой Фон-Неймана, характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ, данных, а также для организации стека. Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по которой в процессор поступают и команды, и данные. 

Гарвардская архитектура характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. В ее оригинальном варианте использовался также отдельной стек для хранения содержимого программного счетчика, который обеспечивал возможности выполнения вложенных подпрограмм. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении текущей команды

производить выборку и декодирование следующей команды. Благодаря такому разделению потоков команд и данных и совмещению операций их выборки реализуется более высокая производительность, чем при использовании Принстонской архитектуры.

Структура МУ.

Структура микропроцессора определяет состав и взаимодействие основных устройств и блоков, размещенных на его кристалле. В эту структуру входят:

• центральный процессор (процессорное ядро), состоящее из устройства управления (УУ), одного или нескольких операционных устройств (ОУ);
• внутренняя память (РЭУ, кэш-память, блоки оперативной и постоянной памяти);
• интерфейсный блок, обеспечивающий выход на системную шину и обмен данными с внешними устройствами через параллельные или последовательные порты ввода/вывода;
• периферийные устройства (таймерные модули, аналого-цифровые преобразователи, специализированные контроллеры);
• различные вспомогательные схемы (генератор тактовых импульсов, схемы для выполнения отладки и тестирования, сторожевой таймер и ряд других).

Состав устройств и блоков, входящих в структуру микропроцессора, и реализуемые механизмы их взаимодействия определяются функциональным назначением и областью применения микропроцессора.

Классификация МУ по функциональному признаку.

Хотя микропроцессор является универсальным средством для цифровой обработки информации, однако отдельные области применения требуют реализации определенных специфических вариантов их структуры и архитектуры. Поэтому по функциональному признаку выделяются два класса:

• микропроцессоры общего назначения;
• специализированные микропроцессоры (рис.1)

 

Рис.1. Классификация современных микропроцессоров по функциональному признаку

 

Среди специализированных микропроцессоров наиболее широкое распространение получили микроконтроллеры, предназначенные для выполнения функций управления различными объектами, и цифровые процессоры сигналов (DSP - Digital Signal Processor), которые ориентированы на реализацию процедур, обеспечивающих необходимое преобразование аналоговых сигналов, представленных в цифровой форме (в виде последовательности числовых значений).

Примеры производителей МУ.

Из МУ общего назначения необходимо выделить CISC-процессоры Pentium компании «Intel», K7 - компании «Advanced MicroDevices» (AMD), 680x0 - компании «Motorola», RISC-процессоры PowerPC, выпускаемые компаниями «Motorola» и IBM, SPARC - компании «Sun Microsystems» и ряд других изделий различных производителей. Их основной областью использования являются персональные компьютеры, рабочие станции, серверы и другие цифровые системы массового применения. В некоторых типах современных микропроцессоров (РА8500 компании «Hewlett-Packard», Itanium - совместная разработка «Intel» и «Hewlett-Packard») реализована VLIW-архитектура, которая

является весьма перспективной для создания нового поколения сверхвысокопроизводительных процессоров.

 

Микросхемы памяти.

Увеличение быстродействия микропроцессоров повышает требования к пропускным способностям остальных подсистем компьютера и, прежде всего, к быстродействию подсистемы памяти [3]. Разработчики используют более быстродействующую и, соответственно, более дорогую память в наиболее "ответственных" узлах системы. Широко применяется многоуровневая иерархическая архитектура памяти, где на верхнем уровне иерархии расположена более быстродействующая кэш-память, в которую в процессе вычислений помещаются интенсивно используемые фрагменты программного кода и обрабатываемых данных. В реальных системах используется до 2 уровней кэш-памяти. Причем, кэш-память первого уровня, как правило, располагается на кристалле микропроцессора и работает с его же тактовой частотой, а кэш-память второго уровня обычно располагается вне кристалла микропроцессора и строится на базе быстродействующих микросхем памяти.

В настоящее время наиболее распространенными являются энергозависимые, теряющие запомненную информацию при снятии питания, статические и динамические микросхемы памяти. Статические микросхемы памяти запоминают биты данных в триггерах, что требует 4-6 транзисторов для хранения бита. Динамическая память использует для запоминания бита информации состояния конденсатора "заряжен - не заряжен". Так как при этом необходим только электронный ключ для управления разрядом и зарядом конденсатора, объем оборудования для хранения бита в четыре раза меньше, чем в статической памяти. Однако динамическая память, в отличие от статической, требует регенерации, предотвращающей потерю информации из-за разряда конденсатора током утечки. Регенерация заключается в считывании состояния заряда конденсатора и восстановлении этого состояния посредством последующей записи. Регенерация требует дополнительного времени в цикле обращения к памяти, что снижает ее пропускную способность.

Программируемые логические интегральные схемы.

ПЛИС - это матричные большие интегральные схемы, позволяющие программно скомпоновать в одном корпусе электронную схему, эквивалентную

схеме, включающей от нескольких десятков до нескольких сотен ИС стандартной логики [4]. По сравнению с другими микроэлектронными технологиями, в том числе базовыми матричными кристаллами (БМК), технология ПЛИС обеспечивает рекордно короткий проектно-технологический цикл (от нескольких

 часов до нескольких дней), минимальные затраты на проектирование, максимальную гибкость при необходимости  модификации аппаратуры. 
В настоящее время на мировом рынке можно отметить несколько основных компаний-производителей ПЛИС – XILINX, ALTERA, LATTICE, AT&T, INTEL, выпускающих микросхемы с архитектурой EPLD (EPROM technology based complex Programmable Logic Device) - многократно программируемые, и FPGA (Field Programmable Gate Array) - многократно реконфигурируемые. 
В качестве памяти для хранения конфигурации в ПЛИС EPLD используется ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием, а у ПЛИС FPGA - статическое ОЗУ.

Интерфейсы микропроцессорных систем.

Микропроцессорные системы содержат основные устройства, подразделяемые на четыре класса: процессоры, память, периферийные устройства (дисплеи, принтеры, сканеры, клавиатура, мышь и т. п.) и интерфейсы. Интерфейсы объединяют различные устройства в систему. 
В вычислительной технике под интерфейсом понимается логическая или физическая структура, соединяющая устройства с разными логическими протоколами или конструкциями и служащая для передачи информации между устройствами, нередко разнородными. Интерфейс может быть определен более кратко как совокупность средств, обеспечивающих взаимодействие компонентов системы или сети.