Учебный курс Введение в цифровую электронику Лекция 5 Обмен информацией в микропроцессорной системе кандидат технических наук, доцент Новиков Юрий Витальевич

2 Схема включения процессора

3 Методы ускорения работы процессора Повышение тактовой частоты совершенствование технологии; Уменьшение времени выполнения одной команды; Оптимизация системы команд уменьшение количества команд и добавление сложных команд (например, мультимедийных); Распараллеливание выполнения команд: два и более арифметическо-логических устройств (АЛУ); Распараллеливание процессов выборки команд и их выполнения: Конвейер команд (быстрая FIFO- память); Кэш-память.

4 Назначение регистров процессора Регистры данных временное хранение кодов данных. Регистры адресные коды адресов в памяти для работы с массивами информации. Могут работать как реверсивные счётчики с параллельной записью информации. Постинкремент и предекремент. Регистры универсальные могут хранить как адрес, так и данные. Регистр состояния процессора (PSW) флаги состояния. Регистр-счётчик команд хранит адрес текущей команды, параллельная запись и постинкремент. Регистр-указатель стека хранит адрес в специальной зоне памяти стеке. Постинкремент и предекремент.

5 Методы ускорения работы памяти Уменьшение внутренних временных задержек в памяти совершенствование технологии; Использование статической оперативной памяти вместо динамической только в небольших микропроцессорных системах (дороже) ; Добавление небольшой быстрой статической памяти к большой медленной динамической кэш-память; Использование копии содержимого постоянной памяти в оперативной памяти; Оптимизация структуры модулей памяти и способов обмена с модулями памяти.

6 Особые области памяти микропроцессорной системы Память программы начального запуска (ROM) содержит программу, которая выполняется при включении питания или при подаче сигнала сброса; Память для стека или стек используется для временного хранения данных в режиме LIFO. Необходима при обслуживании прерываний и при работе подпрограмм. Память с таблицей векторов прерываний содержит список начальных адресов программ обработки прерываний. Память устройств ввода/вывода (УВВ) даёт возможность процессору общаться с внутренней памятью УВВ как со своей собственной.

7 Принцип работы стека

8 Механизм обработки прерывания

9 Адресные пространства памяти и устройств ввода/вывода Общее (разделённое) адресное пространство памяти и УВВ часть адресов отводится под память, часть под УВВ. Общие стробы обмена. Процессор может обращаться к памяти и УВВ совершенно одинаково, используя те же команды удобно. Но уменьшается адресное пространство памяти, сложнее ПДП (медленнее). Отдельные адресные пространства для памяти и УВВ. Разные стробы обмена для УВВ и для памяти. Специальные команды обмена с УВВ (ввод и вывод), отличные от команд обмена с памятью. Не уменьшается адресное пространство памяти, проще организовать ПДП (быстрее).

10 Мультиплексирование шин адреса и данных Достоинство мультиплексирования уменьшение количества линий магистрали; Недостаток мультиплексирования снижение скорости обмена по магистрали; Возможно частичное мультиплексирование (часть данных по отдельной шине, часть по шине адреса/данных)

11 Синхронный и асинхронный обмен Строб записи определяет момент проведения операции записи. Говорит исполнителю, что он может принять данные от задатчика (процессора). Строб чтения определяет момент проведения операции чтения. Говорит исполнителю, что он может выдать свои данные для задатчика (процессора).

12 Сравнение синхронного и асинхронного режима Синхронный режим более простой (не требует сигнала подтверждения), но не даёт гарантии того, что исполнитель успеет завершить операцию к концу цикла. Циклы обмена всегда одинаковой длительности. Асинхронный режим более сложный (требует сигнал подтверждения), но даёт гарантию того, что исполнитель успел завершить операцию к концу цикла. Циклы обмена разной длительности в зависимости от быстродействия исполнителя. Скорость обмена при синхронном режиме постоянна, определяется задатчиком. При асинхронном режиме может быть быстрее или медленнее.

13 Распространение сигналов по шинам Задержка распространения и разброс задержек; Разброс фронтов на разных линиях шины; Отражения сигналов от концов линий, искажения фронтов.

14 Цикл чтения из устройства ввода/вывода на магистрали ISA

15 Цикл записи в устройство ввода/вывода на магистрали ISA

16 Цикл чтения из памяти на магистрали ISA

17 Цикл записи в память на магистрали ISA

18 Цикл ПДП на магистрали ISA

19 Структура устройства ввода/вывода

20 Основные типы устройств ввода/вывода Устройства интерфейса пользователя (ввод клавиатура, мышь, джойстик; вывод дисплей, индикаторы); Звуковые устройства (ввод микрофон, линейный вход; вывод динамик, линейный выход); Устройства долговременного хранения информации (диски) в простейших системах отсутствуют; Таймерные устройства могут не иметь выхода наружу, но необходимы для контроля времени (часы, интервалы); Контроллеры связных интерфейсов USB, локальная сеть, Wi-Fi для связи с удалёнными внешними устройствами и другими микропроцессорными системами.

21 Структура модуля памяти

22 Методы повышения скорости обмена по магистрали Уменьшение длины линий магистрали снижение задержек распространения; Улучшение фронтов сигналов магистрали согласование, увеличение токов, снижение паразитных емкостей и т.д.; Оптимизация протоколов обмена; Оптимизация количества линий и мультиплексирования; Применение блочных режимов обмена (на одну адресную фазу несколько передач данных); Использование нескольких магистралей для обмена с разными устройствами: УВВ, память, видеоконтроллер и т.д.