Цифровые устройства и микропроцессоры Лекция 1 Электронная система⁠⁠

Материалы ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»

взято здесь https://courses.openedu.ru/courses/course-v1:spbstu+CUMICR+f...

Специально для ЛЛ

Электронная система – это блок, который состоит из электронных компонентов, на вход которого поступают электрические сигналы и в котором производится обработка и хранение этих сигналов.

Электронная система может формировать выходные сигналы в зависимости от входных сигналов в данный момент времени, в предыдущие моменты времени и собственно от момента времени. Электрические сигналы могут быть следующих видов: аналоговые сигналы, цифровые сигналы и цифровые шины.

Аналоговый сигнал – это сигнал, уровень напряжения которого может принимать любое значение из некоторого диапазона, например, от 0 до 5 Вольт.

Цифровой сигнал – это частный случай аналогового сигнала, который может принимать только два значения – высокий и низкий уровень, например, высокий уровень – 5 Вольт, низкий уровень – 0 Вольт. Цифровой сигнал в один момент времени может передавать один бит информации – 0 или 1. Обычно высокому уровню соответствует 1, низкому – 0.

Цифровая шина – это набор цифровых сигналов, объединенных общей функцией. По цифровой шине в один момент времени может быть передано двоичное число, количество разрядов которого равно количеству проводов в шине. Исторически электронные системы разрабатывались для решения какой-то одной задачи. Для каждой новой задачи, даже если изменения были незначительными, приходилось заново разрабатывать и изготавливать систему, что дорого и занимает много времени. Поэтому было решено создать некий универсальный блок, который можно использовать для решения широкого круга задач.

Так появились микропроцессорные системы.

Микропроцессор – это микросхема, которая может выполнять одно из определенных действий, в зависимости от управляющей программы. То есть микропроцессор обладает универсальностью – при изменении условий задачи в ряде случаев можно внести изменения в программу, а конструктивно система не поменяется. Микропроцессор работает только с цифровыми шинами, для подключения аналоговых и цифровых сигналов необходимо использовать согласующие устройства. Микропроцессор состоит из арифметико-логического устройства, в котором и выполняются действия, указанные в программе. Это арифметические и логические действия с числами, которые передаются по цифровым шинам, подключенным к

микропроцессору. Схема управления выборкой команд определяет то действие, которое будет

выполнять арифметико-логическое устройство в данный момент в зависимости от программы. Логика управления осуществляет синхронизацию работы всех блоков.Регистры – это ячейки памяти, в которых хранятся данные для выполнения программы и некоторая служебная информация, необходимая для корректной работы микропроцессора.

Рассмотрим схему подключения микропроцессора.

Микропроцессору необходимо питание, напряжение лежит в диапазоне от 1,5 до 5 вольт. Общий провод или земля – это нулевой уровень напряжения, т.е. такой уровень, относительно которого отсчитываются все напряжения в системе. Тактовый сигнал представляет собой набор импульсов. После появления очередного импульса микропроцессор начинает выполнение очередного действия, указанного в программе и должен завершить его до прихода следующего импульса. Также тактовый сигнал обеспечивает синхронную работу всех блоков внутри микропроцессора. Сигнал сброса переводит микропроцессор в начальное состояние – т.е. в такое состояние, в котором микропроцессор оказывается при включении питания. Обмен информацией микропроцессора с другими устройствами в системе производится по трем шинам – шине адреса, шине данных и шине управления, которые через согласующий буфер объединяются в магистральную шину для удобства подключения других устройств. Шина адреса используется для выбора источника или получателя данных, по шине данных передаются собственно данные, шина управления обеспечивает синхронизацию и определяет, что именно происходит – запись или чтение данных.

Рассмотрим процесс обмена данными более подробно. Например, подключение

блока памяти к микропроцессору. Память состоит из ячеек, каждая из которых имеет собой уникальный адрес и в которую можно записать какое-либо число. Для того, чтобы записать число в память, микропроцессор выставляет на шине управления сигнал, соответствующий циклу записи, на шине адреса – адрес ячейки, к которую необходимо записать данные, а на шине данных – те данные, которые нужно записать. Блок память производить запись данных в соответствующую ячейку. Для того, чтобы считать данные, микропроцессор выставляет на шине управления сигнал, соответствующий циклу чтения, а на шине адреса – адрес ячейки памяти, из которой нужно считать данные. После этого блок памяти выдаст на шину

данных содержимое запрашиваемой ячейки.