Přednáška č

IMTEE
Přednáška č. 1
Úvod
Předpokládané znalosti
•
•
•
•
Číslicová technika
Základy elektroniky
Programování ve VPJ (v C)
Pasivně angličtina
Literatura
•
•
•
•
•
Záznamy přednášek a Vaše poznámky
Firemní literatura a datasheety výrobců součástek.
Skalický P.: Mikroprocesory řady 8051, BEN – technická literatura, Praha 1997
Mann B.: C pro mikrokontroléry, , BEN – technická literatura, Praha 2003
AVR: bude upřesněno
Pojmy
Počítač
•
•
•
•
= stroj na automatizované zpracování informace
struktura je nezávislá od zpracovávaných problémů
nutné zvenčí zavést návod na zpracování – program
program zpracovává data = užitečná informace jako vstup i výstup (čísla, texty,
obrázky, apod.)
Integrovaný obvod
•
elektronická součástka sestávající z navzájem nedělitelně propojených
polovodičových součástek na jediném monolitickém čipu. Hustota prvků = dnes až
100-ky miliónů tranzistorů na jednom čipu.
1
IMTEE
Přednáška č. 1
I80486 – Skutečné rozměry 12 x 6.75 mm
Procesor
•
•
•
•
= základní jednotka počítače
je elektronická součástka, která tvoří výkonnou jednotku elektronického počítače.
Vykonává program a na jeho základě zpracovává data.
= počítač bez periférií a bez pamětí
Základem je řadič + ALU:
o Řadič podle programu dává pokyny ke zpracování dat a produkuje výstupní
data.
o ALU podle pokynů řadiče provádí jednotlivé výpočty a zpracovává data
Mikroprocesor
•
•
•
CPU = central processing unit
= integrace procesoru (řadič + ALU) na 1 čip (IO) vyráběný technologií velké
integrace
= 1 součástka, není však schopen samostatné funkce
Mikropočítač
= zařízení (počítač) s jedním nebo více procesory (CPU – mikro-), a pamětí a I/O obvody
Embedded systems
•
•
•
•
= vestavěné aplikace
= mikropočítač použitý ve specializované aplikaci pro řízení a specializované výpočty
typické příklady:
o Automotive app – Motor control, ABS apod.
o Spotřební elektronika
o GSM
Tyto systémy jsou navrženy a naprogramovány pro řešení jediné úloh = zásadní
odlišnost od PC – program, který mikropočítač zpracovává, je pevně definován a
během práce se nemění
2
IMTEE
Přednáška č. 1
Řídící jednotka spalovacího motoru v automobilu
1 – snímač atmosférického tlaku
2 – Zdroj napětí
3,6 – koncový stupeň
5 – CAN rozhraní
9 – uP + podpůrné obvody (RAM, Paměť programu)
Historie mikroprocesorové techniky
I generace
•
•
•
U Intelu nápad převést řešení úloh z jednoúčelových obvodů na programovatelné IO
1971 –Intel I4004 – 4b, 2300 tranzistorů, zvládal BCD kód a logické fce
1972 – Intel I8008 = 8b Intel I4004, 45 instrukcí
II generace
•
•
•
•
8b, P = 10x I. Generace díky nové výrobní technologii
1974 – Intel 8080 – světový standard, adresace 64kB paměti
1975 – Motorola MC6800
Vznikají i podpůrné obvody pro konstrukci uP:
o 8255 – prog. Paralelní I/O
o 8253 – čítač
o 8251 – UART
o Některé se stále používají, dnes integrovány do čipových sad na MB
3
IMTEE
Přednáška č. 1
III. generace
•
Nové instrukce, módy adresování, integrace některých podpůrných fcí na čip uP
(hodiny, I/O)
• 1976 – Zilog Z80 – stále 8b, rozvíjí architekturu I8080
• Po této generaci diferenciace:
1) uP pro PC
o přechod na 16b
o 1978 – Intel 8086, 29 000 tranzistorů, adresace 1M slabik
o Dále 32b 80386, 80486, Pentium…
2) uP pro řídící aplikace – Embedded systems
o Rozvoj 8b architektury (integrace všeho na 1 čip – mikrořadiče, jednočipové
mikrokontroléry) – I 8048, z něj I8051, řada PIC od Microchip.
o I zde další diferenciace a zlepšování:
- 8b – Atmel AVR
- 16b řídící uP – pro výpočetně náročnější aplikace I80196, 80C166
- DSP – digital signal processing (zvuk, video, GSM, radary, lékařství apod.) –
Texas Instruments řada TMS, Analog Device SHARC
Obecné schéma počítače
Vstupně/výstupní obvody (Input/output – I/O)
•
•
zajišťují výměnu informací mezi počítačem a okolím
převádějí informaci do číselné podoby (dvojková soustava) – vstupní zařízení a
obráceně z číselné podoby do podoby srozumitelné okolí
Sběrnice
•
•
= soustava vodičů propojujících jednotlivé části počítače a která přenáší data nebo
signál stejného charakteru
Může k ní být připojeno mnoho prvků s různými funkcemi, avšak s elektricky
shodným rozhraním.
4
IMTEE
•
•
Přednáška č. 1
Šířka sběrnice = počet současně přenášených bitů (obvykle rovna nebo menší než
šířka slova procesoru)
Většinou 3 skupiny vodičů (X je šířka sběrnice):
o Datová sběrnice D0 až Dx-1
o Adresová sběrnice A0 až An-1
o řízení (/WR, /RD, /ALE – platná adresa, /OE – CS, /INT)
Architektury mikropočítačů
•
•
•
Architektura = uspořádání jednotlivých komponent mikropočítače
Má zásadní vliv na výkon a možnosti práce systému (FFT na x86 vs. DSP)
Architektura CPU = architektura v užším slova smyslu, znalost vnitřní struktury CPU
(časování, instrukční soubor, způsoby práce s pamětí apod.)
Von neumannova architektura
•
•
1946 – matematik John von Neumann – schéma univerzálního počítacího stroje
základ architektury většiny současných „stolních“ počítačů (kategorie PC)
•
•
program + data = jedna paměť
Výhody:
o Možnost zpracovávat program jako data (modifikovat program) – možnost
samočinného vývoje (lze napsat program, jehož výstupem je jiný program)
o Možnost krátkých programů s velkým objemem dat, tak i dlouhých programů
s malým objemem dat – univerzální pro různé algoritmy
Nevýhody:
o možnost nechtěného přepsání programu daty
•
5
IMTEE
•
Přednáška č. 1
o Koncepce tvoří brzdu výkonu
- neustálé přesuny instrukcí a dat mezi rychlejším CPU a pomalou
RAM po téže sběrnici) – nelze přenášet najednou data i program
- pro zmírnění vyrovnávací paměť (cache)
Pozn.: V některých počítačích může být program ve fyzicky jiné paměti (ROM) než
paměť dat (RAM) – ale sdílejí jeden adresový prostor
Harvardská architektura
•
Zásadní znak – oddělené paměti pro program a data (a nelze je využít jinak)
•
•
•
Lze načítat data i program zároveň
Prakticky všechny CPU pro Embedded systems mají harvardskou architekturu
Moderní CPU pro PC představují kombinaci obou přístupů (z vnějšku se CPU chová
jako von Neumann, uvnitř harvard – oddělená cache pro instrukce a pro data)
Mikroprocesor
Obecné blokové schéma CPU
= zjednodušené blokové schéma I8080
6
IMTEE
Přednáška č. 1
ALU
•
•
provádí aritmetické a logické operace nad vstupními daty
šířka slova
Řadič
•
Řídí činnost CPU
•
Obsahuje aktuální, právě vykonávanou instrukci. Podle jejího obsahu řídí dekodér
instrukcí činnost procesoru
•
dekóduje obsah registru instrukcí
RI
DI
Blok řízení a časování
•
ve spolupráci s DI řídí činnost jak vnitřních částí procesoru, tak vnější sběrnice.
K tomu využívá synchronizace od generátoru hodin.
Registry
•
•
•
•
soubor registrů – register file
= zvláštní paměťové buňky, integrovány na čipu CPU.
Pracovní data pro vnitřní jednotky CPU. Integrace na čipu zvyšuje rychlost
prováděných operací
Nejznámější registry:
Všeobecné registry
•
•
GPR = general purpose register
Pro mezivýsledky a lokální proměnné (rychlejší přístup než do M), vstupy do ALU
pro realizaci aritmetických a přesunových operací
Akumulátor
•
•
= střadač (accumulator)
obvykle se používá pro uložení jednoho z operandů pro ALU a k uložení výsledku.
Některé procesory ho nemají, pak jeho fci nahrazuje kterýkoli univerzální registr
PC (program counter)
•
je v něm uložena adresa instrukce (dat), které mají být vykonány (načteny do
procesoru). Je automaticky inkrementován
SP (stack pointer)
•
Ukazatel na zásobník. Zásobník je spec místo v RAM kam jsou ukládána dočasná
data.
7
IMTEE
Přednáška č. 1
Stavové slovo procesoru
•
•
PSW = procesor status word)
jednotlivé bity (tzv. příznaky) nastavuje ALU podle výsledků předchozích operací.
Instrukce
•
•
= kódovaný příkaz (číslo) k vykonání strojové operace
úroveň abstrakce od CPU při programování
JSA = assembler (jazyk i překladač do SK)
• Musí obsahovat:
o Co se má provést (operační znak, operation code, opcode)
o S čím se to má provést (operandy)
o Kam se uloží výsledek
o Kde se bude pokračovat
• Příklady instrukcí
o 3 adresová instrukce
V = op1 + op2
o 2 adresová instrukce
op1 = op1 + op2
op1 <– op2
o 1 adresová instrukce
•
acc = acc + op
Instrukční soubor (instruction set) = množina všech instrukcí daného procesoru
o Aritmetické operace
ADD, SUBB, MUL, DIV
o Logické operace
8
IMTEE
Přednáška č. 1
AND, OR, NOT
o Přesunové operace
MOV, PUSH, POP
o Větvení
o Skoky
CALL+RET, JUMP
• Různá délka instrukcí
Základní módy adresování operandů
• = způsob, jak se dostat k vlastnímu obsahu operandu, nebo možné zdroje operandů, je
součástí instrukce (čísla!!!)
• Implied (Implicitní)
• Immediate (Konstantou)
• direct (Přímé)
• Indirect (nepřímé)
• Relative (relativní)
9
IMTEE
Přednáška č. 1
10