Cap.01. Introducere

7/24/2019 Cap.01. Introducere

1/58

Microprocesoare i microcontrolere Cap1. Introducere 1

Cap.1. Introducere

Curs: Microprocesoare i microcontrolere

Prof. Dr. Ing. Istvan SZTOJANOV


2/58

Cap1. Introducere 2Microprocesoare i microcontrolere

Cuprins

1.1 Modelul simplificat al unui calculator1.2 Terminologie utilizat#

1.3 Obiectivele generale ale cursului

1.4 Con&inutul cursului

1.5 Exemplu de structur#HW programabil#1.6 Structura de principiu a unui microprocesor

1.7 Modul de func&ionare al unui microprocesor elementar

1.8 Bibliografie minimal#

1.9 Aspecte privind istoria dezvolt#rii microprocesoarelor


3/58


Obiective

n

Prezentarea modelului simplificat al unui calculatorn n&elegerea principiului de lucru al unui circuit

programabil

n Prezentarea componentelor de baz#ale unuimicroprocesor

n Prezentarea structurii unui microprocesor elementar

n Urm#rirea fazelor de execu&ie al unei instruc&iuni


4/58


1.1 Modelul simplificat al unui calculator

Interfa&acu exteriorul

Memoriaextern#

Unitatea

central#deprelucrare


5/58


1.1 Modelul simplificat al unui calculator

n

Memoria extern#stocheaz#datele i programul deprelucrare

n Unitatea Central#de prelucrareexecut#instruc&iunileprogramului n vederea prelucr#rii datelor

n Interfa&a cu exteriorulasigur#leg#tura cu mediul

exterior prin: tastatur#, mouse, ecran, re&ea local#,internet etc.

n Pentru transferul datelor i a instruc&iunilor toatecomponentele unui microcalculator sunt interconectate

ntre ele prin intermediul unor magistrale (BUS)


6/58


1.2 Terminologie utilizat#

n

Super computer calculator de nalt#performanspecial conceput pentru rezolvarea unor probleme demare complexitate din domeniul cercet#rii tiin&ifice

n Mainframe computer calculator universal de nalt#performan. Exemplu tipic de utilizare: server de re&ea

la companii marin Microcomputer calculator universal folosit la

realizarea de calculatoare personale (PC) i sta&ii delucru.

n Microcontroler calculator universal realizat pe unsingur chip proiectat special pentru aplica&ii de comand#i control


7/58


1.3 Obiectivele generale ale cursului

n

Prezentarea componentelor de baz#i a tipurilor dearhitecturi ale microprocesoarelor

n Structura, modul de organizare precum i func&iilendeplinite de blocurile componente ale unuimicrocalculator

n Prezentarea schemei bloc, a modului de func&ionare ide programare a unui microcontroler

n Exemple reprezentative de utilizare i direc&ii dedezvoltare


8/58


1.4 Con&inutul cursului

n

Recapitularea unor no&iuni fundamentale i a unorcircuite de baz#.

n Arhitectura microprocesoarelor

n Structura i modul de organizarea al unui microcalculator

n Microcontrolerul

n Sisteme dedicate (Embedded Systems)

n Direc&ii de dezvoltare


9/58


1.5 Exemplu de structur#HW programabil#

Sumatorul paralel de patru bi&i

n Not#m cei doi operanzi de patru bi&i cu X respectiv Y iarsuma cu S = X+Y:

X = x3 23 + x2 22 + x1 21 + x0 20

Y = y3

23 + y2

22 + y1

21 + y0

20

S = s3 23 + s2 22 + s1 21 + s0 20


10/58



SUMATOR PARALELDE PATRU BITI

C4

x3 y3

C2

s3

x2 y2

C1

s2

x1 y1

s1

x0 y0

s0

SE SE SE SEC

0

C3

4 4

y30

s30

C4

4

x30

C0

Schema bloc a sumatorului paralel de patru bi&i


11/58



ic c

i-1

is

yii

x

pi

gi

Schema sumatorului elementar


12/58



a

OperandA

OperandB

Functiarealizata

Transport de iesire

Sumatorparalelde 4 biti

3

a

a

a

b

b

b

b

s s s s

x

x

x

x

c

f

f

f

f3

43

3

3

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

22

2

2

2

2

11

1

1

1

1

2

1

0

0

0

0

0

00

4 3

5

4

3

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

s

c

y

y

y

y

Structura HW

programabil#


13/58



s4s

3s

2s

1s

0 Funcia realizat! MNEMONICA

folosit!

0 0 0 0 0 0 constanta zero

0 0 0 0 1 1 constanta unu

1 1 0 0 0 A + B adunare ADD

1 1 0 1 1 A B scdere SUB

1 0 0 0 1 A + 1 incrementare INC

1 0 0 1 0 A 1 decrementare DEC

Comenzi i func&ii realizate


14/58



a) Poarta 'I b) Poarta XOR

Func&ionarea por&ilor

0

c=0

c=1

x

xx

c=0

c=1

xx

00

0

000

0

0 00

0

00

111 1 1

111 1

11

c x c x

x

xcxc x+

b.a.


15/58


1.6 Structura de principiu a unuimicroprocesor

A B

ALU sALU

R0

R1

-

-

-

-

-

-

sALUtR0

tR1

tRn-1

tR0

tR1

tRn-1

Unitatea deComanda


16/58



SALU

Funcia realizat! Descriere

00 F = A + B Adunare

01 F = A Comutla ie#irea operand A

10 F = B Comutla ie#irea operand B

11 F = A + 1 Incrementare

Func&ii realizate de unitatea de execu&ie


17/58



a)

TactTact

b)

>

>

>

>

FF

FF

FF

d[ 0]

d[ 1]

d[ 15]

d[ 15-0]

r[ 0]

r[ 1]

r[ 15]

16

R -[ 15 0]

16

R[ 15-0]

---

a) cu bistabile b)schema bloc

Principiul de realizare a unui registru de memorie


18/58


1.6 Structura de principiu aunui microprocesor

>

d

b

r

a)

16

0

1

b)

b

Tact

r[15-0]

MUX

d[15-0]

16

a) schema bloc b) mod de realizare

Registrul de memorie comandat


19/58



m

i

mo

ar

Decodor

Memoria

Loca&ie adresat#

de cuvntul de codde adres#ai

R / W

do

din

ai

.

.

.

.

.

.

Schema bloc al unui circuit de memorie


20/58


1.7 Modul de func&ionare al unui microprocesorelementar

Procesorul de tip Acumulatorn Unul dintre registre, numit acumulator, con&ine unul

dintre operanzi iar dup#efectuarea opera&iei stocheaz#rezultatul

n Opera&ii tipice ntr-un limbaj formalLAC m Load Accumulatorncarc#acumulatorul cu operandul aflat la adresa mSAC m Store Accumulator

Stocheaz#con&inutul acumulatorului la adresa mADD m Add Accumulator

Adun#la con&inutul acumulatorului operandul aflat laadresa m din memorie


21/58


1.7 Modul de func&ionare al unuimicroprocesor elementar

Exemplu de opera&ie aritmetic#

n Fie opera&ia care urmeaz#a fi executat#

c: = a + b

n Programul aferent ntr-un limbaj formal ar fi urm#torul:

LAC a ac: = a ) atribuie acumulatorului variabila a

ADD b ac: = ac + b ) atribuie acumulatorului sumadintre con&inutul anterior al acestuia i operandul b

SAC c c: = ac ) atribuie variabilei c con&inutul curent alacumulatorului


22/58



LAC a 10 35

ADD b 7 34

SAC c 5 36

Codul opera&iei Adresa de memorie

Forma codificat#a instruc&iunilor


23/58



Exemplu de programn Programul surs#scris de programator va trebui s#

con&in#n mod explicit (sau simbolic) adreseleoperanzilor

n n consecinliniile program scrise, n asamblare, pentruprogramul de mai sus vor ar#ta astfel:Load A, mem [35]Add A, mem [34]Store mem [36], A

n Programul de asamblare va genera din acest programsurs#programul obiect (direct executabil) i va rezervaloca&iile de memorie precizate n program.


24/58



Exemplu numeric

n S#presupunem c#naintea execut#rii programului amnscris n loca&ia de memorie, de la adresa 35 valoarea

25 (am ales a = 25), iar la loca&ia de memorie 34valoarea 400 (am ales b = 400).

n Dup#rularea programului se va calcula sumac = 25 + 400 = 425 care se va nscrie la adresa 36.


25/58



Adrese Memoria extern#

Adrese atribuite deasamblor

3435

40025

56

81

82

83

10

7

5

35

34

36

ba

c

b

a

c

L A C

ADD

SAC

Memoria program cuinstructiuni executabile

36

Con&inutul memoriei program i a memoriei de date


26/58



n Aceast#organizare a memoriei va impune i o anumestructur#HW a procesorului i anume existen&a n setulde registre ale acestuia pe lng#acumulator i a altordou#registre cu func&ii speciale i anume:

n contorul de instruc&iuni PC (Program Counter) care va

con&ine n permanenadresa instruc&iunii ce urmeaz#afi executat#

n registrul de instruc&iuni IR (Instruction Register) ncare se va nc#rca forma codificat#a instruc&iunii citit#din memorie. Forma codificat#a instruc&iunii va fi folosit#de microprocesor pentru a forma adresa operanzilor i aexecuta opera&ia indicat#de codul opera&iei prezent ninstruc&iune.


27/58



Microprocesor

ACCACCACCACCACC

81

PCPCPCPCPC

IRIRIRIRIR

b

a

c

34

35

35

34

36

LAC a

ADD b

SAC c

7

81

82

83

10

5

36

400

25

56

- - -- - -

- - -

Ansamblul procesor-memorie


28/58



34

3536

b

ac

SAC c

LAC a

ADD b

ACC

25

82

35

PC

IR

10

LAC a

400

2556

35

34

36

10

5

7

81

82

83

Executarea instruc&iunii LAC a


29/58



34

35

36

b

a

c

SAC c

LAC a

ADD b

ACC

425

83

34

PC

IR

7

LAC a

ADD b

400

2556

35

34

36

10

5

7

81

82

83

Execu&ia instruc&iunii ADD b


30/58



34

35

36

b

ac

SAC c

LAC a

ADD b

ACC

425

84

36

PC

IR

5

SAC c

LAC a

ADD b

400

25

425

35

34

36

10

5

7

81

82

83

Execu&ia instruc&iunii SAC c


31/58



Fazele de execu&ie ale unei instruc&iuni:

n extragere cod opera&ie (Instruction Fetch = IF)

n decodare (Instruction Decoding = ID)

n extragere operand (Operand Fetch = OF)

n execu&ie instruc&iune (Instruction Execution = IE)

Vom urm#ri aceste faze de execu&ie pe exemplulinstruc&iunii ADD b codificat#7 34


32/58



Structura microprocesorului elementar

tmo

tar

mo

ar

mi

ir

2sALU ALU

tmi

tir

tm

Decodo

r

34

82 7 34

400

Memoria

tpc

pc Acc

MUX

1 0

s

tac


33/58



Prima parte a fazei IF

tmo

tar

mo

82

m

i

ir

2sALU ALU

tmi

tir

tm

Decodor

34

82 7 34

400

Memoria

tpc

82 Acc

MUX

1 0

s

tac


34/58



Partea a doua a fazei IF

tmo

tar

mo

82

34

7

2sALU ALU

tmi

tir

tm

Decodo

r

34

82 7 34

400

Memoria

tpc

82 Acc

MUX

1 0

s

tac


35/58



Decodificare cod instruc&iune ID

tmo

tar

mo

82

34

7

2sALU ALU

tmi

tir

tm

Decodo

r

34

82 7 34

400

Memoria

tpc

82 Acc

MUX

1 0

s

tac

Decodor


36/58



Prima parte a fazei Extragere operand OF

tmo

tar

mo

34

3

4

7

2sALU ALU

tmi

tir

tm

Decodor

34

82 7 34

400

Memoria

tpc

82 Acc

MUX

1 0

s

tac


37/58



Partea a doua a fazei Extragere operand OF

tmo

tar

mo

34

400

7

2sALU ALU

tmi

tir

tm

Decodor

34

82 7 34

400

Memoria

tpc

83 Acc

MUX

1 0

s

tac

+1


38/58



Faza de execu&ie a instruc&iunii IE

tmo

tar

mo

34

4

00

7

2sALU ALU

tmi

tir

tm

Decodor

34

82 7 34

400

Memoria

tpc

83 425

MUX

1 0

s

tac

+


39/58

t =0mo

t =0ar

mo

34

400

7

2s =11ALU ALU

t =1mi

t =0ir

t =0m

Decodor

34

82 7 34

400

Memoria

t =1pc

84 425

MUX

1 2

s=0

t =0ac



Comenzile necesare increment#rii contorului de instruc&iuni

83


40/58


1.7 Modul de func&ionare alunui microprocesor elementar

s sALU

tac

tpc

tir

tar

tmi

tmo

tm

0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 ar: = pc IF

0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 mi: mem [ar], ir: mem [ar] IF

1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 ar: mi OF

0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 mi: mem[ar], pc: pc+1 OF

1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 ac: = ac+mi IE

Secven&a de comenzi necesar#execut#rii instruc&iuni ADD b


41/58



Concluziin n concluzie, vom putea spune c#unei instruc&iuni scrise

ntr-un anume limbaj de programare (ca de exempluADD b n asamblare), i va corespunde, la nivel de

execu&ie HW, un cuvnt de cod binar de o structur#icon&inut corespunz#tor instruc&iunii numit#formacodificat#a instruc&iunii.

n n exemplul prezentat aceasta este:ADD b codificat#7 34


42/58



Concluziin Execu&ia propriu zis a instruc&iunii se face n patru faze i

pentru fiecare dintre aceste faze unitatea de comand#amicroprocesorului va trebui s#genereze, la momentelede timp potrivite, comenzile necesare c#trecomponentele HW ale microprocesorului implicate nexecu&ia fazei respective.

n Secven&a de comenzi necesar#execut#rii instruc&iuniiADD b este prezentat#n Tabelul de mai sus i este

cunoscut#sub numele de micro program de comenziasociat instruc&iunii.


43/58


1.8 Structura cursului i Bibliografia

n Cap.01 Introducere

n Cap.02 Arhitectura CISCn Cap.03 Formate de date

n Cap.04 Arhitectura RISC

n Cap.05 Arhitectura superscalar

n Cap.06 Memoria extern#

n Cap.07 Managementul memoriei

n Cap.08 Microcalculatorul

n Cap.09 Circuite care asigur#func&ii periferice

n Cap.10 Microcontrolerele familiei INTEL

n Cap.11 Circuite configurabilen Cap.12 Sisteme hibride

n Cap.13 Sisteme dedicate


44/58


1.8 Structura cursului i Bibliografia

n [1] Randy Katz, Contemporary Logic Design, TheBenjamin Cummings Publishing Company, 1994

n [2] John Hennessy, David Patterson, ComputerArchitecture a Quantitative Approach, MorganKaufmann Publisher, San Francisco,1996

n [3] Istvan Sztojanov, Sever Paca, Niculae Tomescu,Electronic#Analogic#i Digital#, vol II, Ed. Albastr#,Cluj, 2005

n [4] Istvan Sztojanov, Microcalculatoare, Ed. Politehnica

Press, Bucureti, 2007


45/58


1.9 Aspecte privind istoria microprocesoarelor

n Dezvoltarea microprocesoarelor i a micro-calculatoarelor este un proces evolutiv la baza c#ruia austat tehnologia microelectronic#i mbun#t#&irilearhitecturale

n Tehnologia a evoluat de la tuburi electronice la

transistoare iar apoi la circuite integrate cu diverse gradede complexitate (SSI, MSI, LSI, VLSI)

n mbun#t#&irile arhitecturale au vizat: microprogramarea,Pipelining, RISC, Cache, VLIW.

n Raportul performan

cost a cunoscut o mbun#t#&

irecu cinci ordine de m#rime n ultimii 40 de ani!


46/58



n Istoria ncepe n anul 1971 cnd INTEL realizeaz#ostructur#revolu&ionar#pentru o aplica&ie clasic# casade marcat

n n locul unei solu&ii cu logic#cablat#introduce conceptulde logic#programat#

n Ideea de logic#programat#a condus la o structur#HWformat#din trei blocuri de baz#: Unitate Central#dePrelucrare (CPU), memorie program (ROM) i memoriede date (RAM).

n Unitatea Central#de Prelucrare a fost denumit#Intel 4004 i a fost componenta central#n jurul c#reias-a construit microsistemul de calcul.


47/58



Intel 4004

n Magistral#intern#de 4 bi&i

n 16 registre interne

n 8KB memorie ROM

n 640 Bytes memorie RAM

n Tehnologie PMOS

n 2300 de transistoare


48/58



n n 1972 Intel ncepe comercializarea unei variante de

CPU de 8 Bi&i cu denumirea Intel 8008 avnd 45 deinstruc&iuni executabile i posibilitatea adres#rii unuispa&iu de memorie de 16 KB.

n ncepnd cu anul 1975 se impune termenul de

microprocesor pentru aceste circuite programabilen Apar i alte companii care se lanseaz#n produc&ia de

microprocesoare (Rockwell, National Semiconductor,Motorola etc.)

n Se impune un trend de dezvoltare extrem de intens attla Intel ct i la celelalte firme.


49/58



Perioada anilor 1973 1977 cu variante arhitecturale noi

n Procesoare cu magistrale de date de 8 Bi&i

n Magistrale de adres#de 16 Bi&i

n Prelucr#ri pe 16 Bi&i (calcule de adrese)

n Conceptul de memorie stiv#

n Frecven&a de lucru 1MHz

n Aplica&ie tipic#: comanda i controlul n timp real

n Programare exclusiv n limbajul de asamblare

n Exemple tipice de procesoare: Intel 8080, Motorola 6800

Zilog 80 etc.


50/58


1.9 Aspecte privind istoria microprocesoarelorIntel 8080

n primul procesor de nalt#performan

n Procesor de 8 Bi&i

n Spa&iul de adresare de64 KB

n 256 de loca&ii de adres#pentru circuite I/O

n Tehnologie NMOS cu5000 de transistoare

n A devenit un standard

pentru aplica&ii industriale


51/58


1.9 Aspecte privind istoria microprocesoarelorSfritul anilor 70 i nceputul anilor 80

n Apar procesoarele de 16 Bi&i

n Spa&iul de adresare este 16 MB

n Opera&ii pe 32 de Bi&i

n Lucru n virgul#mobil#

n Set complex de instruc&iuni

n Suport#programare i n limbaje de nivel nalt (de ex. C)

n Ex. Intel 80x86, Motorola 68000 etc.

n Utilizate la realizarea calculatoarelor PC i a sta&iilor delucru


52/58


1.9 Aspecte privind istoria microprocesoarelorMotorola 68000

n Prima arhitectur#de 32 de Bi&in Magistral#de date de 16 Bi&i

n Magistral#de adrese de 32 deBi&i

n 16 registre de 32 de Bi&i

n 68000 de transistoaren Frecven&a de tact de 8 MHz

n Puterea de calcul de 1 MIPS(Mega Instruction per Second)


53/58


Mijlocul anilor 80

n Extinderea CPU prin:

n Unitate de virgul#mobil#FPU conform standarduluiIEEE 754

n Unitate de gestionare a memoriei virtuale MMU

n Unitate de interfa&are cu exteriorul i de control antreruperilor ICU

Sfritul anilor 80

n Arhitectura RISC i ideea de a muta complexitatea c#tre

partea de SWn Ex. IBM 801, RISC I, RISC II, Intel i860



54/58



n Progresul din microelectronic#a fost folosit pentru:

n Sus&inerea unor sisteme de operare complexe

n Capabilitatea de a sus&ine concepte din limbajele denivel nalt cum ar fi: bucle, proceduri, adres#ri complexe

n S-a nchis pr#pastia dintre limbajele de nivel nalt i

codul main#n Set simetric de instruc&iuni


55/58



Intel Pentiumn Dynamic Branch

Prediction

n Dual five-stage Pipeline

n Cache 16-Kbyten 3,3 milioane tranzistoare

n Tehnologie CMOS

n Frecven de tact 200 MH


56/58



Evolu&ia num#rului de transistoare a procesoarelor Intel


57/58


1.9 Aspecte privind istoria microprocesoarelorEvolu&ia puterii de calcul a procesoarelor Intel


58/58


Tendin&e de dezvoltare

Ubiquitous computingn nsemnnd n esenaccesul oricnd i oriunde la informa&ie cu

prezen&a peste tot n mediul nostru nconjur#tor amicroprocesoarelor i a microcalculatoarelor nu numai ca sistemede sine st#t#toare ci i nglobate n obiectele care ne nconjoar#.

Organic computingn Elaborarea unor sisteme de calcul care s#aib#propriet#&ile

organismelor vii.

Ambient intelligence

n Un mediu de lucru i de petrecere a timpului liber cu componente

capabile a se autoadapta i interac&iona, ntr-un mod inteligent, cufiin&ele umane.

Date post:	21-Feb-2018
Category:	Documents
Upload:	andreea-udrea
View:	227 times
Download:	0 times

Cap.01. Introducere

Documents