| Микропроцессорные и цифровые устройства полиграфического оборудования |
|
Страница 2 из 7
Архитектура фон Неймановского типа Одним из первых массовых микропроцессоров фон Неймановского типа был i8080 (отечественный аналог 580ВМ80). Кроме центрального процессора в состав серии были включены дополнительные модули (интегральные схемы), которые вместе с центральным процессором могли образовывать структуру, аналогичную современным 8-ми разрядным микроконтроллерам, но собранную из нескольких интегральных схем в виде единого конструктивного блока – т.н. одноплатного микроконтроллера. В лабораторном курсе по дисциплине “Микропроцессорные и цифровые устройства полиграфического оборудования” микропроцессор i8080 используется как базовый при изучении принципов построения микропроцессорных контроллеров, их схемотехники и программирования. Первым массовым микропроцессором фон Неймановского типа, в котором была в существенном объеме реализована регистровая архитектура, является микропроцессор Z80 фирмы Zilog (80-е годы) (Рис.1). Микропроцессор Z80 имеет в дополнение к основному набору регистров общего назначения второй комплект аналогичных регистров, что значительно упрощает работу при вызове подпрограмм или процедур обслуживания прерываний, поскольку для этого может использоваться альтернативный набор регистров, без сохранения в стеке их содержимого с помощью операций PUSH. Регистровая архитектура, широко используемая в современных микроконтроллерах, определяется наличием достаточно большого регистрового файла внутри микропроцессора, к каждому регистру которого можно обратиться непосредственно при выполнении любых операций. Предельный и наиболее совершенный вариант регистровой архитектуры – наличие файла из регистров-аккумуляторов, взаимодействующих непосредственно с АЛУ. Для своего времени 8-ми разрядный микропроцессор Z80 был одним из самых совершенных и широко применяемых. Его архитектура лежит в основе многих современных микроконтроллеров, выпускаемых фирмой Zilog и другими производителями. Микропроцессор Z80 применялся в машинах Sinclair ZX, Sinclair Spectrum, распространенных в мире и на территории России в конце 80-х и начале 90-х годов, а также в большом числе одноплатных микроконтроллеров, АОНов и другой микропроцессорной техники.
Рис. 1
Наряду с Intel и Zilog фирма Motorola примерно в тоже время создала свою базовою архитектуру микропроцессора фон Неймановского типа МС6800 (Рис.2), которая легла в основу большого ряда однокристальных микроконтроллеров Motorola. Микропроцессор МС 6800 содержал два аккумулятора, и результат операции, выполненной в АЛУ, мог быть помещен в любой из них. В МС6800 было предусмотрено автоматическое сохранение в стеке и восстановление из стека содержимого всех регистров процессора при обработке прерываний. Признаки фон Неймановской архитектуры в микропроцессорах MC6800 были выражены в еще большей степени, чем в Intel и Zilog, т.к. в общее пространство физических адресов, кроме всех видов памяти, были включены устройства ввода-вывода, обращение к которым выполнялось также, как к ячейкам памяти.
Рис. 2
Гарвардская архитектура Практически все микропроцессоры фон Неймановского типа: Motorola, Intel, Zilog и другие, принятые в качестве ядра для однокристальных микроконтроллеров, были преобразованы в Гарвардский тип архитектуры. Эта архитектура является доминирующей в настоящее время для однокристальных микроконтроллеров, что связано с преимуществами физического разделения памяти программ и памяти данных при выполнении алгоритмов управления, для которых основной объем хранимой информации относится к выполняемой программе, а для хранения данных требуется значительно меньший объем памяти, который может быть реализован в виде регистрового файла с отдельным механизмом доступа. На рис.3 показан пример обобщенной архитектуры Гарвардского типа для однокристальных микроконтроллеров корпорации Zilog. В однокристальном микроконтроллере фирмы Intel i8051 (80-е годы) (Рис.4), который стал прототипом для многих современных микроконтроллеров и основой для отдельной классификационной группы, впервые была применена архитектура, ставшая в настоящее время одной из самых распространенных для микроконтроллеров и близкая к классическому Гарвардскому типу. Принадлежность к этому семейству, имеющему “де факто” статус индустриального стандарта с принятым обозначением MCS-51 (Intel 8x51), определяется несколькими архитектурными признаками:
Последний признак позволяет отнести микроконтроллеры с архитектурой MCS-51 к смешанному типу, т.к. использование общей шины не позволяет одновременно обращаться к физически разделенным массивам памяти, что снижает эффективность Гарвардской архитектуры, но дает преимущества, свойственные общей шине.
Рис. 3 В состав схемы базовой модели i8051, приведенной на рис.4, входят следующие функциональные узлы:
Рис. 4 Все узлы связаны между собой общей восьмиразрядной шиной, по которой осуществляется обмен информацией между ЦПУ и остальными устройствами.
Современные микроконтроллеры, относящиеся к семейству MCS-51, содержат, дополнительные элементы по сравнению с архитектурой прототипа:
Система запоминающих устройств у современных представителей семейства MCS-51, кроме традиционной статической оперативной памяти (SRAM – Static Random Access Memory) и постоянной памяти с масочным программированием или УФ стиранием (ROM – Read Only Memory), содержит электрически перепрограммируемую память данных долговременного хранения EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) и Flash память программ. Создание Flash микроконтроллеров позволило упростить процесс программирования (записи программы в память) и перепрограммирования микроконтроллера. Программаторы для Flash памяти доступны любому разработчику микроконтроллеров и иногда встраиваются непосредственно в микроконтроллер. Впервые технологию Flash для микроконтроллеров применила корпорация Atmel именно в семействе MCS-51. Само слово Flash (флэш) относится к многозначным терминам и в зависимости от контекста может означать:
Кроме компании Atmel большое количество фирм приобрело лицензии на выпуск и модернизацию микроконтроллеров MCS-51: Philips, Siemens, Dallas, Winbond и многие другие. Все компании стремятся, с одной стороны, сохранить совместимость со стандартной архитектурой MCS-51, в т.ч. на программном уровне, а с другой стороны – привнести в неё усовершенствования, позволяющие этой линии микроконтроллеров оставаться конкурентно способными на современном уровне требований.
|
