2-mavzu: mikroprotsessorli tizimlarni turlari, tuzilishi va ishlash asoslari

Dasturiy ta'minot almashinuvi har qanday mikroprotsessor tizimida zarurdir. Har doim ko'zda tutilgan, shu bilan boshqa turdagi almashinish mumkin emas. Ushbu rejimda protsessor tizim magistralining yagona egasi (yoki usta, Master) hisoblanadi. Bu holda ma'lumot almashishning barcha operatsiyalari (sikllari) faqat protsessor tomonidan amalga oshiriladi, ularning barchasi qat'iy bajariladigan dasturda belgilangan tartibda amalga oshiriladi.
Protsessor xotiradan buyruq kodlarini o'qiydi (tanlaydi) va ularni bajaradi, xotiradan yoki kirish/chiqish qurilmasidan ma'lumotlarni o'qiydi, ularni qayta ishlaydi, ma'lumotlarni xotiraga yozadi yoki kirish/chiqish qurilmasiga uzatadi. Dasturdagi protsessor yo'li chiziqli, siklik bo'lishi mumkin, u o'tishlarni (o'tishlarni) o'z ichiga olishi mumkin, ammo u doimo doimiy va to'liq protsessor nazorati ostida. Protsessor dastur bilan bog'liq bo'lmagan tashqi hodisalarga javob bermaydi (Rasm 1.6). Ushbu holatda magistraldagi barcha signallar protsessor tomonidan boshqariladi.
Uzilishlar almashinuvi mikroprotsessor tizimi ba'zi tashqi hodisalarga, tashqi signalning kelishiga javoban kerak bo'lganda ishlatiladi. Kompyuter holatida tashqi voqea, masalan klaviatura tugmachasida yoki mahalliy tarmoq orqali keladigan ma'lumotlar paketida bo'lishi mumkin. Bunga kompyuter tegishli ravishda ekranda belgi ko'rsatish yoki tarmoq orqali olingan paketni o'qish va qayta ishlash orqali javob berishi kerak.

Buyruq 1
Buyruq 2
Buyruq 3
•
Buyruq N
Buyruq N+1
Buyruq N+2
Buyruq N+3 Buyruq N+4 Buyruq N+5

Rasm 1.6. Dasturda ma'lumot almashish

Umuman olganda, tashqi hodisaga reaktsiyani uch xil usulda tashkil qilishingiz mumkin:

1. 
   voqea sodir bo'lishining doimiy dasturiy nazorati yordamida
   

(bayroq bilan so'roq qilish yoki polling berish usuli);

2. 
   uzilishlardan foydalanish,
   

ya'ni protsessorni joriy jarayondan majburan o'tkazish;

3. 
   shoshilinch zarur bo'lgan dasturni ishga tushirish uchun, to'g'ridan-to'g'ri xotira kirishidan foydalanish,
   

ya'ni protsessor tizim magistralidan uzilganda.
Bayroqlarni so'rash bilan bog'liq birinchi holat mikroprotsessor tizimida protsessor tomonidan tashqi qurilmaga ulangan kirish / chiqish qurilmasidan doimiy ravishda ma'lumotni o'qish orqali amalga oshiriladi, uning harakatlariga zudlik bilan javob berish kerak.
Ikkinchi holda, uzilishlar rejimida protsessor tashqi qurilmadan (ko'pincha IRQ - Interrupt ReQuest deb nomlanadi) so'rovni qabul qilib, joriy buyruqni bajarishni tugatadi va uzilishni qayta ishlash dasturiga o'tadi. To'xtatib qo'yish dasturini tugatgandan so'ng, u to'xtatilgan dasturga u to'xtagan joydan qaytib keladi
(Rasm 1.7). Barcha ish, dastur holatida bo'lgani kabi, protsessorning o'zi tomonidan amalga oshirilishi juda muhim, tashqi voqea uni vaqtincha chalg'itadi. Tashqi uzilish hodisasiga javob berish odatda dastur rejimiga qaraganda sekinroq. Dastur almashinishidagi kabi, bu erda magistraldagi barcha signallar protsessor tomonidan o'rnatiladi, ya'ni magistralni to'liq boshqaradi. Interaktiv uzilishlar uchun ba'zida tizimga to'xtatuvchi boshqaruvchining maxsus moduli kiritiladi, ammo u ma'lumot almashishda qatnashmaydi. Uning vazifasi protsessorning ishini tashqi kesish so'rovlari bilan soddalashtirishdir. Ushbu tekshirgich odatda dasturiy jihatdan tizimning orqa miya ustidagi protsessor tomonidan boshqariladi.
Tabiiyki, uzilishlar tizimning tezlashishiga olib kelmaydi. Uning ishlatilishi faqat tashqi voqea bayrog'ini doimiy so'rashdan voz kechishga va vaqtincha, tashqi voqea boshlanishidan oldin boshqa vazifalarni bajarib, protsessorni egallashga imkon beradi.
Asosiy dastur

Rasm 1.7. Uzilishlar almashinuvi
Xotiraga to'g'ridan-to'g'ri kirish (XTTK, DMA) - bu oldindan ko'rib chiqilgan ikkita rejimdan tubdan farq qiluvchi tizim, bu tizim shinasi orqali almashish protsessorsiz amalga oshiriladi. Ta'minotni talab qiladigan tashqi qurilma protsessorga DMA rejimi zarurligi to'g'risida signal beradi, bunga javoban protsessor joriy buyruqni bajarishni tugatadi va barcha Shinalardan uziladi, talab qilinadigan qurilmaga DMA rejimida almashinuvni boshlashi mumkinligini bildiradi.
D
MA ishlashi kirish/chiqish qurilmasidan xotiraga yoki xotiradan kirish / chiqish qurilmasiga ma'lumot yuborish uchun kamayadi. Ma'lumotni uzatish tugagach, protsessor yana uzilgan dasturga qaytadi va uni to'xtagan joyidan davom ettiradi (Rasm 1.8). Bu uzilish xizmati rejimiga o'xshaydi, ammo bu holda protsessor almashishda qatnashmaydi. Uzilishlar holatida bo'lgani kabi, DMA bilan tashqi hodisaga reaktsiya dastur rejimiga qaraganda ancha sekinroq.
Rasm 1.8. DMAga xizmat ko'rsatish
Bunday holda, tizimga biron bir protsessor ishtirokisiz to'liq almashinuvni amalga oshiradigan qo'shimcha qurilmani (DMA kontrolleri, tekshiruvchi) kiritish talab qilinadi. Bundan tashqari, protsessor birinchi navbatda ushbu boshqaruvchi haqida ma'lumot olishi kerak va u qayerdan ma'lumot olishi kerak va / yoki qaerga. DMA kontrolleri ixtisoslashgan protsessor deb hisoblanishi mumkin, chunki u almashishda qatnashmaydi, ma'lumotni qabul qilmaydi va uni bermaydi (Rasm 1.9).

Rasm 1.9. DMA rejimida ma'lumotlar oqimi
Aslida, DMA tekshiruvchisi DMA rejimiga muhtoj bo'lgan kirish / chiqish qurilmasining bir qismi yoki hatto bir nechta kirish / chiqish qurilmalarining bir qismi bo'lishi mumkin. Nazariy jihatdan, to'g'ridan-to'g'ri xotira kirishidan foydalanadigan almashinuvlar dasturiy ta'minot almashinuviga qaraganda yuqori ma'lumot uzatish tezligini ta'minlaydi, chunki protsessor ma'lumotni ixtisoslash- tirilgan DMA kontrolleriga qaraganda sekinroq uzatadi. Biroq, amalda bu ustunlik har doim ham amalga oshirilmaydi. DMA rejimida almashuv tezligi odatda magistralning imkoniyatlari bilan cheklanadi. Bundan tashqari, DMA kontrollerini rejimlarini dasturiy ravishda sozlash zarurati DMA rejimida ma'lumotlar uzatish tezligining yuqori bo'lishiga olib kelishi mumkin. Shuning uchun DMA rejimi kamdan kam ishlatiladi.
Agar tizimda allaqachon mustaqil DMA tekshiruvchisi bo'lsa, bu ba'zi hollarda DMA rejimida ishlaydigan kirish / chiqish qurilmalarining jihozlarini sezilarli darajada soddalashtirishi mumkin. Bu, ehtimol, DMA rejimining yagona shubhasiz afzalligi.
Mikroprotsessor tizimining arxitekturasi
Hozirgacha biz mikroprotsessor tizimlari arxitekturasining faqat bitta turini ko'rib chiqdik - ma'lumotlar va buyruqlar uchun umumiy, bitta shinali arxitektura (bitta-shinali, yoki Prinston, Fon Neimann arxitekturasi). Shunga ko'ra, tizimda, bu holda ma'lumotlar va buyruqlar uchun bitta umumiy xotira mavjud (Rasm 1.10).

Rasm 1.10. Umumiy ma'lumotlar va buyruq shinasiga ega bo'lgan
arxitektura
Ammo mikroprotsessor tizimlari arxitekturasining muqobil turi ham mavjud - bu alohida ma'lumotlarga va buyruq shinalariga ega arxitektura (ikkita shina yoki Garvard arxitekturasi). Ushbu arxitektura tizimda ma'lumotlar uchun alohida xotira va buyruqlar uchun alohida xotira mavjud deb taxmin qiladi (Rasm 1.11). Har ikki turdagi xotira bilan protsessor almashinuvi uning shinasida sodir bo'ladi.
Umumiy shina bilan arxitektura ancha keng tarqalgan, u, masalan, shaxsiy kompyuterlarda va murakkab mikrokompyuterlarda ishlatiladi.
Ikki shinali arxitektura asosan bitta chipli mikrokontrolerlarda qo'llaniladi.
Ikkala arxitektura echimning ba'zi afzalliklari va kamchiliklarini ko'rib chiqaylik. Umumiy shina bilan (Princton, Fon Neumann) yaratilgan arxitektura sodda, protsessor bir vaqtning o'zida ikkita shinaga xizmat ko'rsatishni va bir vaqtning o'zida ikkita shinada almashishni boshqarishni talab qilmaydi. Ma'lumotlar va buyruqlarning yagona xotirasi mavjudligi uning hajmini ma'lumotlar va buyruq kodlari o'rtasida moslashuvchan ravishda taqsimlashga imkon beradi. Masalan, ba'zi hollarda sizga katta va murakkab dastur kerak bo'ladi va siz juda ko'p ma'lumotlarni xotirada saqlashingiz shart emas. Boshqa hollarda, aksincha, dastur oddiy dasturni talab qiladi, ammo ko'p miqdorda saqlangan ma'lumotlar talab qilinadi. Xotirani qayta taqsimlash hech qanday muammo tug'dirmaydi, asosiysi dastur va ma'lumotlar tizim xotirasida birgalikda joylashtirilganligidir. Qoida tariqasida, bunday arxitekturaga ega tizimlarda xotira juda katta bo'lishi mumkin (o'nlab va yuzlab megabaytlarga qadar). Bu sizga eng murakkab muammolarni hal qilishga imkon beradi.

Rasm 1.11. Alohida ma'lumotlar va buyruq shinali arxitektura
Alohida ma'lumotlarga va buyruq shinalariga ega bo'lgan arxitektura yanada murakkab, protsessorni ikkita kodli oqim bilan bir vaqtning o'zida ishlashga, bir vaqtning o'zida ikkita shinada almashinuvni amalga oshirishga majbur qiladi. Dastur faqat buyruqlar xotirasida, ma'lumotlar - faqat ma'lumotlar xotirasida joylashgan bo'lishi mumkin. Bunday tor ixtisoslashtirish tizim tomonidan hal qilinadigan vazifalar doirasini cheklaydi, chunki bu xotirani moslashuvchan qayta taqsimlashga imkon bermaydi. Bu holda ma'lumotlar xotirasi va buyruq xotirasi juda katta emas, shuning uchun ushbu arxitekturaga ega tizimlardan foydalanish odatda juda murakkab bo'lmagan vazifalar bilan cheklanadi. Ikki shinalar (Garvard) bilan arxitekturaning afzalligi nimada? Birinchidan, tezlikda.Haqiqat shundaki, bitta buyruq va ma'lumotlar shinasi bilan protsessor ushbu shina orqali ma'lumotlarni (xotiradan yoki kirish/chiqish moslamasidan) qabul qilishga va ma'lumotlarni (xotiraga yoki kirish/chiqish qurilmasiga) uzatishga, shuningdek buyruqlarni xotiradan o'qishga majbur bo'ladi. Tabiiyki, bir vaqtning o'zida ushbu kodlarni magistral bo'ylab yuborish mumkin emas, ular navbat bilan bajarilishi kerak. Zamonaviy protsessorlar buyruqlarning bajarilishini va tizim shinasidagi almashinuv sikllarini o'z vaqtida birlashtirishga qodir. O'rnatilgan texnologiyalar va tez kesh-xotiradan foydalanish ularga nisbatan sekin tizim xotirasi bilan o'zaro ta'sir o'tkazish jarayonini tezlashtirishga imkon beradi. Takt chastotasini oshirish va protsessorlarning tarkibini takomillashtirish buyruqlarning bajarilish vaqtini qisqartirishga imkon beradi. Tizimning ishlashini yanada oshirishga faqat ma'lumotlarni uzatish va o'qish buyruqlarini birlashtirish, ya'ni ikki shinali arxitekturaga o'tish paytida erishish mumkin.
Ikki shinali arxitektura holatida ikkala shinada almashish vaqt o'tishi bilan mustaqil va parallel bo'lishi mumkin. Shunga ko'ra, shina konstruktsiyalari (manzil kodi va ma'lumotlar kodining bitlari soni, ma'lumot almashish tartibi va tezligi va boshqalar) har bir shina tomonidan hal qilinadigan vazifani eng maqbul tarzda tanlash mumkin. Shu sababli, ceteris paribus, ikki shinali arxitekturaga o'tish mikroprotsessor tizimining ishlashini tezlashtiradi, garchi bu qo'shimcha qo'shimcha xarajatlarni talab qilsa va protsessor tuzilishining asoratlari. Bu holda ma'lumotlar xotirasi o'z manzili taqsimotiga ega va buyruq xotirasi ham o'ziga xosdir.
Eng oson, ikki shinali arxitekturaning afzalliklari bitta chip ichida amalga oshiriladi. Bunday holda, siz ushbu arxitekturaning kamchiliklari ta'sirini sezilarli darajada kamaytirishingiz mumkin. Shuning uchun, uning asosiy qo'llanilishi juda murakkab muammolarni hal qilish uchun talab qilinmaydigan mikrokontrolorler- dadir, lekin ma'lum bir soat chastotasida maksimal tezlikni talab qiladi.