osnove mikroprocesorske elektronike - lpvo:...

Osnove mikroprocesorske elektronikedoc. dr. Marko Jankovec

Arhitekture mikroprocesorjev

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E 2

Mikroprocesor (CPU)

ALU

REGISTRI

KONTROLNA ENOTA

POD

ATKO

VN

O V

OD

ILO

NA

SLOV

NO

VO

DILO

KON

TROLN

O V

OD

ILO

CENTRALNA PROCESNA ENOTA

27.2.2013Arhitekture mikroprocesorjev

Integrirano vezje, ki sprejema in izvaja kodirane inštrukcije z namenom manipulacije s

podatki in kontroliranja vezij, priključenih na vodila.

O S N O V E M I K R O P R O C E S O R S K E E L E K T R O N I K E

Mikroračunalnik (microcomputer)

• Je sistem računalniških komponent, povezanih z vodili 3

CPU Spomin I/O

Naslovno vodilo

Podatkovno vodilo

27.2.2013 Arhitekture mikroprocesorjev

Kontrolno vodilo


Mikroračunalnik


http://www.mattjonesblog.com/2006/11/17/building-a-microcomputer/



Mikroračunalnik





Mikrokrmilnik (microcontroller)

• Mikrokontroler je integriran mikroračunalnik.



Mikrokrmilnik AT90S1200



Vgrajeni sistem (embedded system)

Računalniški sistem, ki je zgrajen namensko za opravljanje določene naloge, pogosto za izvajanje v realnem času. Običajno del večjega sistema, ki vključuje tudi druge strojne in mehanske komponente http://www.eeherald.com/section/design-guide/esmod1.html


http://www.eeherald.com/section/design-guide/esmod1.html


Integrirani sistem (System On Chip)


• Mikrokrmilnik + razni analogni/digitalni bloki skupaj na enem integriranem vezju

www.cypress.com/psoc

http://www.cypress.com/psoc


Arhitektura vs. organizacija


• Arhitektura mikroprocesorja je funkcionalna slika, kot jo vidi načrtovalec programske opreme.▫ nabor ukazov▫ število bitov za predstavitev vrst podatkov▫ načini naslavljanja pomnilnika▫ načini dostopa do vhodno-izhodnih naprav

• Organizacija mikroprocesorja je način, s katerim je arhitektura izvedena. Je transparentna za programerja in uporabnike.▫ kontrolni signali,▫ vmesniki,▫ tehnologije


Von Neumannov model računalnika


kontrolno vodilo

naslovno vodilo

podatkovno vodilo

pomnilnikjedro mikroprocesorja

ALUregistri

krmilna enota

vm

esnik

za po

mn

ilnik


Pomnilnik


0

1

2

3

4

5

n

naslovno vodilo

po

dat

ko

vn

o v

od

ilo

dekoder

polje pomnilniških celic

vmesnik kontrolno vodilo


Pomnilnik HM62256B - 256k SRAM



Vrstni red zapisa več-bytnih števil v pomnilniku

Little endian Big endian

27.2.2013

14Arhitekture mikroprocesorjev


Načini organizacije pomnilnikov

Ločeni naslovni prostori Skupni naslovni prostor

27.2.2013



Harward vs. Princeton

Princetonska arhitektura (Von Neumann) Harvardska arhitektura

• Program in podatki v skupnem pomnilniku

• Koda se izvaja zaporedno in zahteva več ciklov

• Program je lahko bolje optimiziran po velikosti

• Intel x86, Pentium, Motorola 68HC11, ARM

• Program in podatki se nahajajo ločeno v vsak svojem pomnilniku

• Koda se lahko izvaja sočasno

• Program ima manj možnosti optimizacije velikosti

• Intel 8051, Atmel AVR, TexasInstruments MSP430, PIC

27.2.2013


PODATKIPROGRAMSKI

POMNILNIK

CENTRALNA

PROCESNA

ENOTA

PODATKOVNI

POMNILNIK

NASLOVI

UKAZI

NADZOR NADZOR

NASLOVI

PODATKI

CENTRALNA

PROCESNA

ENOTA

PROGRAMSKI

IN

PODATKOVNI

POMNILNIK

NADZOR

NASLOVI


Sklad (Stack)

• Del delovnega pomnilnika▫ namenjen začasnemu

shranjevanju registrov• Sistem pomnilnika LIFO▫ Last-In -> first out▫ Ukaza PUSH in POP

• Kazalec na sklad▫ SP (Stack pointer)▫ Vsebuje prvo prazno lokacijo

sklada• Uporaba▫ Klicanje podprogramov▫ Prekinitve


17

R0


ALU


wikipedia.com

A B

R

F S


Statusni register


• Vsebuje informacije o zadnji izvedeni aritmetični operaciji▫ Z – rezultat je bil 0

▫ N – rezultat je negativen

▫ O – prišlo je do preliva (sprememba predznaka)

▫ C – prišlo je do prenosa bita

• Uporablja se za preusmerjanje toka programa▫ Posebni ukazi, ki preverjajo posamezen statusni bit in

vpišejo zahtevano lokacijo v PC


Krmilna enota


jedro krmilne enote

ukazni registerukazni dekoder programski števec

krmilni signalip

od

atko

vno

vod

ilo

naslo

vno

vod

ilo


Arhitektura akumulatorja


ukaz akcija

LOAD A akum<-A

ADD B akum<-akum+B

MUL C akum<-akum*C

akumulator = (A+B)*C

ALU

Akumulator

pomnilnik

A

B

C


Arhitektura registrov


ALU

pomnilnik

A

B

C

R1

R2

R3

R4

ukaz akcija

LOAD R1, A R1<-A

LOAD R2, B R2<-B

ADD R1, R2 R1<-R1+R2

LOAD R2, C R2<-C

MUL R1, R2 R1<-R1*R2

R1=(A+B)*C


Princip delovanja mikroprocesorja


http://courses.cs.vt.edu/~csonline/MachineArchitecture/Lessons/CPU/index.html

http://courses.cs.vt.edu/~csonline/MachineArchitecture/Lessons/CPU/index.html


Enostaven strojni jezik


OP koda Mnemonik Funkcija Primer

001 LOAD Naloži vrednost v akumulator LOAD 10

010 STORE Shrani vrednost akumulatorja na dani naslov

STORE 8

011 ADD Sešteje operand z vrednostjo akumulatorja ADD #5

100 SUB Odšteje operand z vrednostjo akumulatorja SUB #1

101 EQUAL Če je vrednost operanda enaka akumulatorju, preskoči naslednji ukaz

EQUAL #20

110 JUMP Skoči na določeno lokacijo izvajanja JUMP 6

111 HALT Ustavi program HALT

OP koda Vir Operand/naslov

X X X X X X X X X


Program, ki sešteje dve števili (2+5)


# Strojni jezik Zbirniški jezik Opis

0 001 1 000010 LOAD #2 Naloži vrednost 2 v akumulator

1 010 0 001101 STORE 13 Shrani vrednost akumulatorja na spominsko lokacijo 13

2 001 1 000101 LOAD #5 Naloži vrednost 5 v akumulator

3 010 0 001110 STORE 14 Shrani vrednost akumulatorja na spominsko lokacijo 14

4 001 0 001101 LOAD 13 Naloži vrednost lokacije 13 v akumulator

5 011 0 001110 ADD 14 Sešteje vrednost akumulatorja z lokacijo 14

6 010 0 001111 STORE 15 Shrani vrednost akumulatorja na lokacijo 15

7 111 0 000000 HALT Ustavi izvajanje programa


Program, ki šteje do neke vrednosti (5)


# Strojni jezik Zbirniški jezik Opis

0 001 1 000101 LOAD #5 Nastavi maksimalno vrednost štetja na 5 v spremenljivki, ki se nahaja na pomnilniški lokaciji 15.1 010 0 001111 STORE 15

2 001 1 000000 LOAD #0 Nastavi števec na 0 (števec je kar akumulator)

3 101 0 001111 EQUAL 15

Primerjaj vrednost akumulatorja s spremenljivko na pomnilniški lokaciji 15. Če sta enaka, bo preskočil

naslednji ukaz in pristal na lokaciji 5.

4 110 1 000110 JUMP #6Nastavi PC na 6. To pomeni, da izvajanje programa

skoči na lokacijo 6.

5 111 0 000000 HALT Ustavi izvajanje.

6 011 1 000001 ADD #1 Povečaj vrednost akumulatorja za 1.

7 110 1 000011 JUMP #3Nastavi PC na 3. To pomeni, da se nadaljuje izvajanje

na lokaciji 3.


CISC vs. RISC

CISC – Complex Instruction Set Computing RISC – Reduced Instruction Set Computing

• Dolžine ukazov so različne

• Ukaz se izvede v več ciklih

• Velik nabor ukazov, ki lahko izvajajo kompleksne naloge - mikrokoda

• Kompleksna zgradba procesorja

• Enostavnejše programiranje

• Intel x86, Motorola 68HCxx

• Fiksna dolžina ukaza

• Večina ukazov se izvede v enem urinem ciklu

• Lažja implementacija cevovodov

• Enostavnejša zgradba procesorja, manj tranzistorjev, več prostora za naprednejšo logiko

• Uporaba splošnih registrov za hitri dostop

• Kompleksnejše funkcije se sestavljajo iz osnovnih ukazov

• Kompleksnejše programiranje

• Power PC, Atmel AVR, PIC, ARM

27.2.2013



Primer v register naloži vrednost iz RAM-a na naslovu: 24+x+4*y

CISC (potrebuje 14 ciklov) RISC (potrebuje 13 ciklov)

• MOVE D1, ([24,A0,4*D0]) • LD R1, X

• LSL R1

• LSL R1

• MOV X, R0

• LD R0, X

• ADD R0, R1

• LDI R1, $24

• ADD R0, R1

• MOV X, R0

• ST X, R2

27.2.2013


osnove mikroprocesorske elektronike - lpvo:...

Documents