Mikroszámítógépek

Általános felépítés Sínrendszer Központi logikai egység (CPU) Memória egység (programtár, adattár, stb.) Be- és kiviteli egységek (billentyűzet, monitor, stb.)

Központi logikai egység (CPU) Mikroprocesszor –Fontosabb feladatai: Utasítás végrehajtás Műveletvégzés Vezérlés Perifériák kezelése Megszakítások kezelése Szinkronizálás

Általánosságok A ’70-es évek elején - az integrált áramkörös technológia magas fokú fejlődése Mikroprocesszor - olyan áramkör amely egy tokozaton belül egy valóságos mikroszámítógépet tartalmaz Jelenleg több millió tranzisztor 1 cm 2 szilícium felületen Programutasítások végrehajtására alkalmas. I4004 – az első sorozatban gyártott 4 bites mikroprocesszor (INTEL, 1971)

Az INTEL mikroprocesszorok fejlődése TípusAdatsín szélessége Címsín szélessége Címezhető tár mérete Gyártási év I k1971 I k1972 I k1973 I k1974 I M1978 I M1982 I M1983 I G1985 I G1989 Pentium32 4G Többmagos G2005-….

Egy mikroprocesszor általános felépítése - ALU – műveletvégző egység - Akkumulátor regiszter (ACC) - Utasítás regiszter – a végrehajtás alatt álló utasítást tartalmazza - Utasítás számláló – a soron következő utasítás címét állítja be - I/O puffer – az adatsínre kitett utasítás vagy adat átmeneti tárolását biztosítja – kapcsolat a külső és belső sín között - Címpuffer – hasonló feladat - Utasítás dekódoló – értelmezi az utasítás műveleti kódját - Vezérlő – a μP legbonyolultabb része. A műveleti kód alapján előállítja az ALU számára a szükséges vezérlő jeleket, összehangolja a belső működést, szinkronizál az órajel alapján - Állapotregiszter – bitjei az eredmény állapotáról informálnak

A mikroprocesszor működése Az utasítás végrehajtás elvi működése –Két fázis: - utasítás lehívás (FETCH) - végrehajtás (EXECUTION) -Lehívás alatt az utasítás számláló (PC) által megcímzett utasítás bekerül az utasítás regiszterbe (IR), az operandus címe pedig a címpufferbe. -A végrehajtás alatt az utasítás dekódoló értelmezi a műveletet, a cím alapján az operandus bekerül az adattárból az ACC-ba, a vezérlő előállítja a vezérlőjeleket, melynek alapján az ALU elvégzi a műveletet, az eredményt pedig az ACC-ban tárolja. Ezalatt a PC inkrementál és megcímzi a soron következő utasítást.

Az INTEL 8080-as mikroprocesszor Fontosabb jellemzők: –TTL kompatibilis –16 bites címsín: A 0 – A 15, 64 kB memória címezhető –8 bites adatsín: D 0 – D 7 –Belső busz is 8 bites –256 I/O periféria címezhető –72 utasításból álló utasításkészlet –Változó hosszúságú utasítások –Alapvető aritmetikai (összeadás, kivonás) műveletek végzése

Az INTEL 8080-as felépítése

INTEL 8080 regiszterei 6 db. 8 bites regiszter: B, C, D, E, H és L Párban is használhatók, pl. B-C, 16 bites 2 db. W és Z munkaregiszterek, amelyek a felhasználó számára nem elérhetők – a μP használja B – C: – báziscím-regiszterként H – L: - indexcím-regiszterként használja 16 bites regiszterek: - PC programszámláló - SP veremmutató regiszter FLAG regiszter (5 bit): - Z null bit - CY átvitel (CARRY) - S előjel bit - P paritás bit - AC aux. Átvitel (túlcsordulás)

Veremkezelés és a veremmutató regiszter SP – veremmutató regiszter (stack pointer) SP = SP – 1; - dekrementál PUSH utasításra SP = SP + 1; - inkrementál POP utasításra SP = 0; - a verem megtelt (Túlcsordulás)

ALU műveletvégzés Aritmetikai –Összeadás (ADD) –Kivonás (SUB) –Összehasonlítás (CP) –Incrementálás (INC) –Dekrementálás (DEC) Logikai –És (AND) –Vagy (OR) –Kizáró vagy (XOR) –Léptetés balra, jobbra (SLA, SRA) –Forgatás balra, jobbra (RLA, RRA) –Értékadás (SET) –Törlés (RES)

ALU egység 8 bites összeadó áramkört és 3 db. regisztert tartalmaz, amelyek közül a legfontosabb az akkumulátor (ACC) regiszter. Műveletvégzéskor az egyik operandus mindig az ACC-ban, a másik pedig a TEMP regiszterben található. A művelet eredménye szintén az ACC-ba kerül és a FLAG regiszter aktualizálódik. ACC TEMP A B A+B

A 8080-as vezérlőjelei DBIN – data bus input – a μP jelzi, hogy készen áll az adatok fogadására a perifériák felől - a μP jelzi, hogy a sínen lévő adat írásra kész READY – a periféria készen áll WAIT - a μP adatot vár a perifériák felől HOLD – a periféria sínhasználatot kér pl. DMA művelethez HLDA - a μP nyugtázza a sínhasználatot INT – a periféria megszakítást kér INTE - a μP engedélyezi a megszakítást RESET – alaphelyzetbe állítás Ф1, Ф2 – külső órajelek SYNC – a μP által létrehozott szinkronjel

A 8080-as μP órajelei T0T0 T - Ciklus idő - Ф1 - Ф2 - alapórajel -SYNC jel - Elemi ciklusidő T = 2 T 0

Z80-as mikroprocesszor Intel 8080-asból fejlesztették Tápfeszültség: +5V Teljesítményfelvétel: 650mW Adatsín/címsín: 8/16 bit Adatregiszter: 8 db. 8 bites Címregiszter: 4 db. 16 bites Utasítások száma: 158 Órajel frekvencia: 2,5 – 4 MHz, egyfázisú

Z80 felépítése

Z80 vezérlőjelek MREQ – CPU memóriaigénylés írás vagy olvasáshoz, IORQ – a CPU perifériát címzett; adatot vár vagy küld a perifériának, RD – a CPU adatot olvas az adott címről (memória vagy periféria), WR – a CPU adatot ír a memóriába vagy perifériára, M1 – OPCOD olvasása a memóriából, RFHS – dinamikus tárak frissítését szinkronizálja HALT – a CPU jelzi, hogy megállította a program futását WAIT – a CPU perifériára várakozik (tartja a cím és vezérlő jeleket) RESET – alaphelyzetbe állítás INT – a periféria megszakítást kér NMI – nem maszkolható megszakítás; programból nem lehet letiltani BUSRQ – periféria sínhasználatot kér (pl. DMA műveletek) BUSAK – a CPU engedélyezi a sínhasználatot

Mikrokontrollerek

Egytokos mikroszámítógép Főleg vezérlési célokra fejlesztették ki Fontosabb egységei: –Műveletvégző egység –Tároló-áramkörök (programtár, adattár) –Periféria-áramkörök –Időzítő- és számláló-áramkörök –Felügyeleti áramkörök (watchdog) –Sorosvonali illesztő áramkör

A mikrokontroller felépítése INTEL 80C51-es mikrokontroller

A 8051 mikrokontroller család Belső és külső tárolók: - 64 Kbájt külső adatmemoria - 64 Kbájt külső programmemória - egyes típusokban belső programmemória (ROM/EPROM )

A 8051-es mikrokontroller CPU: - utasítás-végrehajtás, műveletvégzés, funkcióvezérlés Tárolóegység: - 4kB belső ROM (programtár) bájt RAM (adattár) bájt SFR (funkcióregiszterk) 4 db. 8 bites I/O Port (P0, P1, P2, P3) 2 db. 16 bites időzítő/számláló: T0, T1 RS232-es soros vonalillesztő Megszakítás vezérlő Watchdog számláló áramkör

A 8081-es mikrokontroller tárfelosztása -4 db. egyenként 8 bájtos Regiszter BANK -Bitenként címezhető memóriaterület -Általános felhasználású memóriaterület -Speciális funkcióregiszterek BANK 0 BANK 1 BANK 2 BANK 3 Bit címzésű memóriaterület Általános célú memóriaterület SFR FF H 80 H 7F H 30 H 2F H 20 H 1F H 00 H R7R6R0R1………. - Bank kiválasztás: a PSW funkcióregiszter R0, R1 bitek beállításával - RESET után mindig a BANK0 aktív

Speciális funkcióregiszterk (SFR) CPU regiszterei: ACC, B, PSW, SP Címző regiszterek: PC, DPTR Portok regiszterei: P0, P1, P2, P3 Belső perifériák regiszteri: –Időzítő/számláló: TMOD, TCON, TH0, TL0, TH1, TL1 –Soros vonal: SCON, SBUF –Megszakítás: IP, IE

PSW regiszter CY átvitelbit. CY=1, műveletvégzéskor átvitel történt. AC – alsó négy bites túlcsordulás F0 – a felhasználó által használható jelzőbit RS0, RS1 – bank kiválasztására szolgál OV - aritmetikai túlcsordulás P - paritásbit CYACF0RS1RS0POV-

Bit címzésű memóriaterület A memóriaterület (20H-2FH) bitjei külön- külön is írhatók és olvashatók Kétféle módon címezhetők: –Bájtcím.bitszám (pl. 21.4, a 21H bájt 4. bitje, bitszám: 0-7 között) –Abszolút címzéssel (00H-7FH) – az összesen 128 bit (16*8) a legelső bájt első bitjével (20.0 ->00H) kezdődik, majd a legutolsó bájt legnagyobb helyértékű bitjével (2F.7 -> 7FH) fejeződik be.

PIC mikrovezérlők Programmable IC (programozható IC) Gyártó: Microchip Technology Inc. 8 bites PIC - három teljesítménykategória: –12 bites utasítások: kis teljesítményű (Base-Line) mikrovezérlők: PIC10Fxxx, PIC12x5xx, PIC16x5xx –14 bites utasítások: közepes teljesítményű (Mid- Range) mikrovezérlők: PIC12x6xx, PIC14000, PIC16xxx –16 bites utasítások: nagy teljesítményű (High-End) mikrovezérlők: PIC17xxx, PIC18xxx

PIC mikrovezérlők jellemzői: A PIC mikrovezérlők viszonylag nagy teljesítményüket a következő jellemzőknek köszönhetik: · RISC processor architektúra, külön program és adattár; · hosszú (14 bites) utasításkód; · egyszavas utasítások; · az utasítások egyetlen belső órajelciklus alatt végrehajtódnak; · átfedéses utasításvégrehajtás; · csökkentett utasításkészlet; · különleges regisztermező.

A 14 bites utasításos PIC 16XXX, memóriaelérési vázlata - Egyszavas (14 bites) utasítások, 35 darab - A beolvasás és a végrehajtás különválasztható (pipelining) - 1. utasítás lehívás/1. utasítás végrehajtás - 2. utasítás lehívás/2. utasítás végrehajtás - Egységes regiszterkialakítás - Minden regiszter közvetlen és közvetett címzéssel is elérhető. - Minden regiszter bitcímezhető, tehát bitenként is módosítható, illetve vizsgálható.

Egyéb fontosabb egységek - ALU - W munkaregiszter - d=0 az eredmény a W regiszterbe kerül - d=1 az eredmény memóriába kerül

Kapcsolat a külvilággal: I/O portok - kiválasztható adatirányú, általános digitális bemenet, kimenetként konfigurálva nyitott Drain-ű kimenet; - a mikroprocesszoros rendszerekkel való kommunikációt végző 8-bites párhuzamos Slave port; 8-bites párhuzamos Slave port - a soros kommunikációs egységek (szinkron soros port, USB, stb) bemenetei, kimenetei és vezérlő jelei;USB - belső számláló áramkörök bemenetei - belső PWM generátor (impulzusszélesség moduláció) kimenetei; - külső megszakításkérés bemenete; - belső A/D átalakító analóg bemenet; - belső komparátorok analóg be- és kimenetei; - belső műveleti erősítők analóg be- és kimenetei; - belső feszültség referencia kimenete; - külső feszültség referencia bemenete; - belső LCD meghajtó áramkör kimenetei; - belső kapcsolóüzemű vezérlő egység kimenetei.PWM generátorkülső megszakításkérésA/D átalakítókomparátorokműveleti erősítőkfeszültség referenciaLCD meghajtó áramkörkapcsolóüzemű vezérlő egység

Watchdog Timer WDT (Watchdog Timer) biztonsági időzítő áramkör Egy komplett, belső szabadonfutó RC oszcillátor és számláló, amelynek időkifutása ms A WDT időkifutása a mikrovezérlőben egy Reset-folyamat-ot indít meg. Reset-folyamat A felhasználói program tartalmaz egy WDT-t még időelőtt törlő utasítást (CLRWDT). Ha valamilyen oknál fogva a program futása megszakad, a WDT idő letelik, és a mikrokontroller RESET-el. RC oszcillátor Számláló CLRWDT RESET