Обрабатывающая часть микропроцессора
Анализ обрабатывающей части микропроцессора. Основные элементы микропроцессора, их взаимодействие в процессе его работы. Методы решения примеров в двоичной системе исчислений. Назначение блоков микропроцессора. Принцип работы лабораторной установки.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | лабораторная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 26.09.2011 |
| Размер файла | 2,6 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
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.
|
Номер варианта |
А |
В |
Номер варианта |
А |
В |
|
|
1 |
3 |
8 |
9 |
8 |
6 |
|
|
2 |
4 |
7 |
10 |
7 |
6 |
|
|
3 |
5 |
6 |
11 |
6 |
7 |
|
|
4 |
6 |
5 |
12 |
5 |
8 |
|
|
5 |
7 |
4 |
13 |
4 |
10 |
|
|
6 |
8 |
3 |
14 |
9 |
8 |
|
|
7 |
9 |
2 |
15 |
8 |
10 |
|
|
8 |
10 |
5 |
16 |
3 |
12 |
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
Размещено на http://www.allbest.ru/
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.
Размещено на http://www.allbest.ru/
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
Размещено на http://www.allbest.ru/
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
|
C1 |
AL |
||
A0B0 |
|||
F0F1F2F3 |
|||
A1B1 |
|||
A2B2 |
|||
A3B3 |
|||
|
P0 |
|||
MS0S1S2S3 |
|||
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.
|
Код операции (выбор функции) |
Арифметические операции М=0 |
Логические операции М=1 |
|||||
|
S3 |
S2 |
S1 |
S0 |
C1=1 |
C1=0 |
||
|
1 |
1 |
1 |
1 |
F=A-1=0100 |
F=A=0101 |
F=A=0101 |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
F=A=0101 |
F=A+1=0110 |
F=A=1010 |
|
|
1 |
0 |
1 |
0 |
F= =1001 |
F= =0100 |
F=B=0110 |
|
|
0 |
1 |
0 |
1 |
F= =1000 |
F= =1001 |
F= =1001 |
|
|
0 |
0 |
1 |
1 |
F=1111 |
F=0000 |
F=0000 |
|
|
1 |
1 |
0 |
0 |
F=A+A=1010 |
F=A+A+1=1011 |
F=1111 |
|
|
1 |
0 |
1 |
1 |
F=(AB)-1=0011 |
F=AB=0100 |
F=AB=0100 |
|
|
0 |
1 |
0 |
0 |
F= =0110 |
F= =0111 |
F= =1011 |
|
|
0 |
1 |
1 |
1 |
F= =0000 |
F= =0001 |
F= =0001 |
|
|
0 |
0 |
1 |
0 |
F= =1101 |
F= =1110 |
F= =0010 |
|
|
1 |
1 |
1 |
0 |
F= =0010 |
F= =0011 |
F=AB=0111 |
|
|
0 |
0 |
0 |
1 |
F=AB=0111 |
F=(AB)+1=1000 |
F= =1000 |
|
|
1 |
1 |
0 |
1 |
F=(AB)+ A=1100 |
F=(AB)+ A+1=1101 |
F= =1101 |
|
|
1 |
0 |
0 |
0 |
F=A+(AB)=1001 |
F=A+(AB)+ 1 =1010 |
F= =1110 |
|
|
0 |
1 |
1 |
0 |
F=A-B-1=1110 |
F=A-B=1111 |
F=AB=0011 |
|
|
1 |
0 |
0 |
1 |
F=A+B=1011 |
F=A+B+1=1100 |
F= =1100 |
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», то -регистр 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=2^3+2^1+2^0.
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.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Порядок и обоснование выбора микропроцессора, схема его подключения. Организация ввода-вывода и памяти микропроцессора. Разработка и апробация программного обеспечения на базе восьмиразрядного МП Z80. Методы повышения частоты работы микропроцессора.
курсовая работа [735,7 K], добавлен 03.01.2010Арифметико-логическое устройство микропроцессора: его структура и составные части, назначение, функции, основные технические характеристики. Организация системы ввода/вывода микро ЭВМ. Реальный режим работы микропроцессора, его значение и описание.
контрольная работа [201,1 K], добавлен 12.02.2014Разработка структуры аппаратных средств на основе алгоритма функционирования микропроцессора. Распределение переменных по внутренним регистрам МП. Организация условных переходов. Формат микрокоманды и ее общая длина. Расчёт времени работы программы.
реферат [128,9 K], добавлен 19.03.2011Характеристика микропроцессора Z80, его достоинства и система команд. Проектирование интерфейса, структурной схемы и алгоритма работы управляющей микро-ЭВМ. Разработка модулей памяти, генератора тактового импульса, контроллера, ввода/вывода и индикатора.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 17.02.2014Алгоритм работы схемы микропроцессорного устройства и протокол обмена информацией между ним и объектом управления. Составление карты памяти для микропроцессора. Разработка программы на языке Ассемблера для выбранного микропроцессора и микроконтроллера.
контрольная работа [207,8 K], добавлен 29.06.2015Исполнение программного кода (команд) как задача микропроцессора. Структура микрокомпьютера с шинной организацией. Использование гипотетического микропроцессора с набором команд и массив из элементов. Перечень операций подлежащих программированию.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 22.01.2015Разработка и обоснование общего алгоритма функционирования устройства. Выбор однокристального микропроцессора повышенной производительности. Написание управляющей программы на языке микропроцессора. Расчет амплитудно-частотной характеристики фильтра.
курсовая работа [113,8 K], добавлен 04.12.2010Определение основных параметров микропроцессора. Разработка структурной, функциональной и принципиальной схемы, расчет временных параметров. Принципы формирования структуры программного обеспечения и определение основных требований, предъявляемых к нему.
курсовая работа [788,6 K], добавлен 14.06.2014Разработка структурной схемы устройства. Изучение принципиальной электрической схемы устройства с описанием назначения каждого элемента. Характеристика программного обеспечения: секции деклараций, инициализации микропроцессора и основного цикла.
курсовая работа [260,3 K], добавлен 14.11.2017Структурная схема устройства. Общая характеристика микропроцессора Z80, его особенности. Описание выводов. Схемотехника и принцип работы блоков. Схема микропроцессорного блока и памяти. Программное обеспечение микроконтроллера. Расчёт блока питания.
контрольная работа [355,3 K], добавлен 07.01.2013
