Обмен информацией в микропроцессорной системе

• 1 слайд

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

• 2 слайд

  2
  Схема включения процессора
  

• 3 слайд

  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 слайд

  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 слайд

  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 слайд

  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 слайд

  7
  Принцип работы стека
  

• 8 слайд

  8
  Механизм обработки прерывания
  

• 9 слайд

  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 слайд

  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 слайд

  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 слайд

  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 слайд

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

• 14 слайд

  14
  Цикл чтения из устройства ввода/вывода на магистрали ISA
  

• 15 слайд

  15
  Цикл записи в устройство ввода/вывода на магистрали ISA
  

• 16 слайд

  16
  Цикл чтения из памяти на магистрали ISA
  

• 17 слайд

  17
  Цикл записи в память на магистрали ISA
  

• 18 слайд

  18
  Цикл ПДП на магистрали ISA
  

• 19 слайд

  19
  Структура устройства ввода/вывода
  

• 20 слайд

  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 слайд

  21
  Структура модуля памяти
  

• 22 слайд

  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.