Обрабатывающая часть микропроцессора

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Иркутский государственный технический университет Кафедра электропривода и автоматики промышленных установок Лабораторная работа № 1

«ОБРАБАТЫВАЮЩАЯ ЧАСТЬ МИКРОПРОЦЕССОРА»

Выполнил студент гр. ЭАПУ-06−1

Голубев С. А Проверил преподаватель Сартаков В.Д.

Иркутск 2009 г.

Цель работы: изучение основных элементов микропроцессора и их взаимодействие в процессе его работы.

Программа лабораторной работы

Рассмотреть работу ОЧМ по структурной схеме.

Изучить работу элементов принципиальной схемы ОЧМ, используя справочные данные по интегральным микросхемам;

проанализировать назначение элементов;

начертить принципиальные схемы элементов и таблицы истинности.

Рассмотреть работу ОЧМ по принципиальной схеме.

Ознакомиться с таблицей арифметических и логических операций, выполняемых АЛУ.

Исследовать работу ОЧМ для всех арифметических и логических операций для операндов, А и В, определяемых по варианту задания в табл. 2. Значения, А и В даны в десятичной системе счисления. Результаты исследования привести в виде табл.2.

Сначала рекомендуется записать в таблице ожидаемый результат, а затем проверить его на макете.

Определить число тактов и машинных циклов, необходимых для выполнения следующей арифметической операции:

F=A1+(B1-C)-D

(операнды А1, В1 и С хранятся в РОН1, РОН2 и РОН3; соответственно А1=5, В1=12, D=6).

Операнд D набирается с внешнего входа.

Результат F занести в РОН3

Все циклы реализовать на макете, записав предварительно А, В и С в РОН.

Сделать выводы по работе.

Основные понятия

Микропроцессор (МП)-это программно управляемое устройство, служащее для обработки и управлением этим процессом и выполненное на одной или нескольких больших интегральных схемах (БИС).

Блок-схема МП представлена на рис.1

Рис. 1 Блок-схема МП

МП состоит из 3 блоков: арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок регистров (БР), блок управления (БУ).Блоки связаны друг с другом внутренней магистралью. Микропроцессор не является законченным устройством. Для функционирования МП необходимо «оснастить» блоками памяти и устройствами ввода-вывода. Для связи с

внешними устройствами имеются шина данных (ШД), шина адреса (ША) и шина управления (ШУ).

На рис. 2 приведена одна из типовых структурных схем МП, поясняющая взаимодействие его элементов.

Рис. 2 Структурная схема МП

АЛУ является основой и предназначено для обработки информации. АЛУ представляет собой комбинационную схему и выполняет арифметические и логические операции над содержимым буферных регистров БР1 и БР2, служащих для кратковременного хранения данных (операндов), с которыми проводит операции АЛУ.

Блок регистров МП включает в себя как универсальные регистры, так и регистры специального назначения. В первую группу можно включить главный регистр микропроцессора — аккумулятор (А) и регистры общего назначения (РОН). Аккумулятор подключен к выходному порту АЛУ и служит для запоминания результатов операции АЛУ.

Регистры общего назначения являются сверхоперативным запоминающим устройством МП и допускают запись и считывание информации. В РОН могут храниться операнды (информационные слова), подлежащие обработке в АЛУ, результаты обработки информации в АЛУ и другая информация.

В группу специальных регистров входят:

буферные регистры БР1 и БР2 для кратковременного хранения данных перед операцией в АЛУ;

регистр состояния микропроцессора (РСП) для запоминания некоторых проверок результатов операций в АЛУ, что позволяет реализовать разветвленные программы работы микропроцессорной системы (МПС);

регистр команд (РК) для кратковременного хранения двоичного кода выполняемой команды МП;

счетчик команд (СК) для хранения адреса ячейки памяти, в которой хранится следующая команда программы;

регистр адреса (РА) для хранения адреса ячейки памяти, в которой хранится выполняемая команда.

блок микропроцессор лабораторный установка

Рис3. структурная схема ОЧМ

Блок управления — наиболее сложная часть МП. Его часто называют микропроцессором МП (это совокупность комбинационных элементов памяти). В блок управления входят регистр команд РК, дешифратор команд ДК и схемы управления, которые, как правило, реализуются в виде программируемой логической матрицы вместе с другими элементами.

Этот блок управляет работой АЛУ, блоком регистров и всеми внешними компонентами микропроцессорной системы (МПС), например, устройствами памяти, ввода и вывода.

Программа, по которой работает микропроцессор, хранится в блоке памяти микропроцессорной системы и представляет собой последовательность команд для обработки информации, ее ввода и вывода (обмена информации).

Выполнение команды в микропроцессоре занимает во времени интервал, называемый командным циклом. Командный цикл состоит из одного или нескольких машинных циклов. За один машинный цикл происходит один «внешний» обмен информацией МП с внешней средой, то есть один ввод или вывод информации. Машинный цикл, в свою очередь, состоит из нескольких машинных тактов. Машинный такт-это минимальное время микрооперации (элементарной операции), например, запись операции в буферный регистр.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка выполнена в виде макета, структурная схема которого приведена на рис. 3. Она содержит: арифметико-логическое устройство АЛУ; два буферных регистра БР1 и БР2; регистр результата операции в АЛУ, имитирующий аккумулятор МП; три регистра общего назначения РОН1-РОН3; мультиплексор М1; регистр команд, реализованный с помощью кнопочных переключателей с фиксацией (тумблеров); внешний вход, информация на который в двоичной форме выдается с кнопочных переключателей; дешифраторы команд ДШК1 и ДШК2; устройство управления выполнением операций УУВО, вырабатывающее тактовые сигналы с помощью двух кнопок; устройства двоичной индикации И1-И3 содержимого БР1, БР2 и РР, выполненные на светодиодах.

Переключатели, кнопки и индикаторы расположены на передней плате макета, а интегральные схемы, реализующие обрабатывающую часть МП, на печатной плате, размещенной внутри макета.

В макете применено стандартное четырехразрядное АЛУ на основе микросхемы К 155ИПЗ, схема которой представлена на рис.4

Микросхема содержит две входные (А и В) и одну выходную (F) четырехразрядные шины. Информация, поступающая со входных шин, А и В, обрабатывается в АЛУ в соответствии с кодом операции, поступающим на управляющие входы S0-S3, M и C1. Результат операции в двоичном коде появляется на выходной шине F почти мгновенно. Задержка выходных сигналов по отношению к входным не превышает нескольких десятков наносекунд. Перечень реализуемых рассматриваемой АЛУ логических и арифметических функций приведен на таблице 1, в которой приняты следующие обозначения: -операция логического сложения (или); -операция логического умножения (и);-операция «исключающее ИЛИ"(сложение по модулю 2); «+"-операция сложения; «-"-операция вычитания.

Макет, структурная схема которого представлена на рис. 3, позволяет реализовать все логические и арифметические операции над данными, А и В. Операнд, А поступает в АЛУ с буферного регистра БР1, операнд В-с БР2. В буферные регистры информация заносится либо с внешнего входа, либо с выхода любого РОН. Это достигается благодаря мультиплексору М1. Входы буферных регистров БР1 и БР2 соединены со входами мультиплексора М1, а на входы М1 поступает информация от четырех источников: РОН1-РОН3 и внешнего входа.

Блок управления в лабораторном макете имитируется с помощью двух кнопок («2⁰» и «2¹») для выбора номера РОН, с помощью кнопки «БР"-для выбора номера БР, с помощью шести кнопок-для выбора кода операции (четыре кнопки S₀, S₁, S₂, S₃, кнопка M и кнопка C1). Все указанные кнопки работают с фиксацией положения. В блоке управления для выполнения операций УУВО имеются две кнопки (Т1 и Т2) без фиксации. Результат операции АЛУ хранится в регистре результата и может быть записан в любой из РОН.

Принципиальная схема макета выдается студентам во время проведения лабораторной работы. В лабораторном макете устройство управления выполнением операций УУВО вырабатывает два тактовых сигнала после нажатия кнопок «Запись в БР» или «Операция АЛУ и запись в РОН» Кнопка «Запись в РОН» (Т1-на принципиальной схеме) вырабатывает тактовый сигнал, который поступает на дешифратор команд ДШК2 и затем воздействует на вход синхронизации буферного регистра БР1 или БР2. Кнопка «операция АЛУ и запись в РОН» (Т2-на принципиальной схеме) вырабатывает тактовый сигнал второго типа, воздействующий на входы РОН (через дешифратор ДШК1) и вход регистра результата РР.

В лабораторном макете машинный цикл состоит из одного или из двух тактов, причем цикл, состоящий из одного такта, может включать любой из них, а цикл из двух тактов выполняется в следующей последовательности: «Запись в БР», «Операция в АЛУ и запись в РОН», то есть в одном цикле каждая кнопка (Т1 или Т2) может включаться только один раз. Для примера рассмотрим выполнение команды «Сложить содержимое РОН1 и РОН2 с занесением результата в РОН3». Такт 1 — выбор регистра РОН1, чтение содержимого РОН1, то есть прием этой информации на БР1. При выборе регистра РОН1 нажимается только кнопка «2⁰», кнопка «2¹» отжата. Для чтения содержимого РОН1 и пересылки его в БР1 нажимается кнопка БР. Затем нажимается кнопка Т1. Содержимое БР1 отображается на индикаторе И1. Такт — 2 выбор регистра РОН2, чтение содержимого РОН2, то есть прием этой информации на БР2. При выборе регистра РОН2 нажимается только кнопка «2¹». Кнопка «2⁰» отжата. Для чтения содержимого РОН2 и пересыпки его в БР2 добиваются, чтобы кнопка БР находилась в верхнем (отжатом) состоянии. Затем посылается тактовый импульс записи в буферный регистр при нажатии кнопки Т1. Такт 3 — сложение в АЛУ содержимого БР1 и БР2, то есть прием результата операции в РР выбор регистра РОН3, запись в РОН3 содержимого РР. Результат сложения появляется на выходе АЛУ практически мгновенно, как только будет набран с помощью четырех кнопок, S₃, S₂, S₁, S₀, код операции (S₃, S₂, S₁, S₀ =1001) и отжаты кнопка М (М=0) и кнопка С1(С1=0). Для записи результата сложения в РР и в РОН3 нажимаются обе кнопки «2⁰» и «2¹» и подается тактовый сигнал записи информации в РР и в РОН3 с помощью кнопки Т2. Результат операции можно было бы записать в любой РОН, например в РОН2 или в РОН1. При этом прежнее содержимое этого РОН стирается и заменяется новым результатом операции АЛУ.

Анализируя рассматриваемую команду сложения двух операндов, можно отметить, что для ее выполнения требуются два машинных цикла: первый включает в себя такт 1, второй такты 2 и 3. Микропроцессора по принципиальной схеме.

Анализ работы обрабатывающей части

Элементы схемы ОЧМ. ОЧМ содержит арифметически-логическое устройство (АЛУ), реализованное на микросхеме Д13, три регистра общего назначения на микросхемах Д4… Д6 (каждый регистр на четыре разряда на Д-триггерах), два буферных регистра на микросхемах Д7 и Д8 (каждый регистр на четыре разряда параллельного типа на Д-триггерах), регистр результата (аккумулятор), выполненный на микросхеме Д9 (параллельный регистр на четыре разряда на Д-триггерах), триггер переноса «G» на микросхеме Д14, четыре селектора мультиплексора Д10, Д11 (комбинационные схемы на четыре разряда выполняющие роль переключателя для четырех сигналов) схемы И-НЕ на микросхемах Д2, Д3, Д13, дешифратор на микросхеме Д1, три комплекта светодиодов на четыре разряда каждый, отражающие состояние 2-х буферных регистров и регистра результата.

Селекторы-мульиплексоры, число которых равно 4 (по два на каждую из микросхем Д10, Д11), предназначены для выбора одного из четырех входных сигналов, приходящих на его вход: три сигнала от регистров общего назначения, а один от — внешнего входа. Число селекторов равно 4, так как в исследуемой ОЧМ операнды (данные) 4-разрядные. Выходы селекторов подключены ко входам буферных регистров (БР1 и БР2).

В лабораторной работе регистры общего назначения (РОН) могут хранить как внешние данные, посылаемые в них через АЛУ, так и результаты операций АЛУ. Минуя АЛУ, внешние данные в РОН загрузить в данной ОЧМ нельзя.

Операнды (данные) поступающие с внешнего входа, задаются с помощью четырех фиксирующих кнопок (тумблеров), позволяющих подать на вход ОЧМ 4-разрядное двоичное число.

Режим работы АЛУ (вид операции) задается с помощью 6-ти фиксирующих кнопок (тумблеров): S₀, S₁, S₂, S₃, M и C1.

Два тумблера, обозначенные как «2⁰» и «2¹», задают номер РОН.

Если включен тумблер «2⁰», то выбирается РОН1 (Д4);если вкюлчен тумблер «2¹», торегистр РОН2.

Если нажаты обе кнопки 2⁰ и 2¹, то выбор остановлен на 3-ем регистре РОН.

Если кнопки 2⁰ и 2¹ не нажаты, то входы и выходы всех РОН отключены от ОЧМ.

Фиксирующая кнопка (БР) предназначена для выбора буферного регистра. Если БР находится в верхнем положении (т. е. не нажата), то будем считать выбранным 2-ой буферный регистр БР2 (Д8); если БР нажата, то выбирается БР1 (Д7).

Т1 и Т2 являются нефиксирующими кнопками, которые после снятия усилия возвращаются в исходное положение. Они предназначены для имитации формирования тактов машинного цикла, т. е. являются моделями управляющих тактовых сигналов.

Т1 служит для подачи сигнала, который управляет загрузкой буферных регистров, а именно поступлением данных в АЛУ.

Т2 служит для подачи управляющего сигнала на РОН, служит сигналом загрузки РОН и регистра результата.

Микросхемы Д2 и Д3 являются буферными устройствами между соответствующими линиями внешнего входа и входами мультиплексоров. Входные элементы И-НЕ замкнуты и следовательно элементы микросхем Д2 и Д3 при этом выполняют роль инверторов. Элементы микросхемы Д12 также являются формирователями сигнала управления, задаваемого нажатием кнопки Т1.

Работа ОЧМ. В ОЧМ могут быть реализованы следующие операции с данными:

запись внешних данных в один из буферных регистров;

пересылка данных из РОН в выбранный буферный регистр;

выполнение арифметических или логических операций с заданными операндами;

пересылка операнда из одного РОН в другой;

запись внешних данных в любой РОН;

Процесс записи внешних данных в один из буферных регистров выполняется в следующей последовательности:

Выбирается номер буферного регистра БР (если кнопка «БР» нажата то БР1, если «БР» не нажата, то БР2).

НА шине данных (клеммы разъема 1.18−1.21) выставляются данные в двоичном коде. В ОЧМ оперируют с 4-разрядными числами (данными, операндами). Для задания такого числа с внешнего входа предусмотрены в макете четыре кнопки («3», «2», «1», «0»). Каждая кнопка имеет свой десятичный эквивалент. Кнопке «0» соответствует 1;кнопке «1"-2; кнопке «2"-4; кнопке «3"-8.

Таким образом, когда все кнопки нажаты, то двоичному коду числа на внешнем входе 1111₂ соответствует максимальное число 15₁₀. Если задано число 1110, то его двоичный код можно получить как

11₁₀=8+2+1=2³+2¹+2⁰.

Следовательно, на внешнем входе необходимо нажать кнопки: «3», «1», «0».

Нажимается кнопка Т1 и при этом внешние данные с шины данных поступают на вход выбранного БР и запоминаются в нем; об этом говорит свечение соответствующих светодиодов на выходе БР. Внешние данные непосредственно в РОН в этом варианте ОЧМ записать нельзя.

Процесс пересылки данных из РОН в буферный регистр выполняется в следующей последовательности:

С помощью кнопки (тумблера) «БР» выбирается нужный буферный регистр.

С помощью кнопок (тумблеров) «2⁰» и «2¹» задается номер РОН; при этом на управляющих входах (А1, А2) селекторов появляются соответствующие номеру РОН сигналы, и селектор пропускает сигналы, соответствующие четырем разрядам выбранного РОН, ко входу БР.

Нажимается кнопка Т1, в результате чего происходит запись входных сигналов в выбранный БР.

Для того, чтобы выполнить арифметическую или логическую операцию над операндами, А и В, необходимо перед операцией записать операнд, А в БР1, а операнд В — в БР2.

Процесс выполнения арифметических или логических операций с заданными величинами выполняется в следующей последовательности:

так как АЛУ является комбинационной схемой, то на его выходе результат операции появляется сразу же после загрузки буферных регистров, однако проверить результат операции можно лишь с помощью регистра результата, выходы которого инициализируются светодиодами;

для того, чтобы узнать результат операции АЛУ, нажимается кнопка Т2; при этом на синхровводах микросхем Д9 и Д14 появляется логическая «1», и данные, поступившие на вход Д-триггеров регистра результата (РР), запоминаются в нем, о чем свидетельствуют светодиоды на выходе РР;

если при этом были включены тумблеры «2⁰» или «2¹» или оба вместе, то результаты операции АЛУ будут записаны в одном из РОН;

вид операции АЛУ задается с помощью 6-ти кнопок (тумблеров) S0… S3, М и С1 в соответствии с таблицей операций АЛУ.

Принципиальные схемы элементов и таблицы истинности

Вывод: Изучил основные элементы микропроцессора и их взаимодействие в процессе его работы. Научился пользоваться лабораторной установкой и изучил принцип ее работы. Изучил методы решения примеров в двоичной системе исчислений. Изучил назначение всех блоков микропроцессора.