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
Procesor I80486 Skutečné rozměry 12 x 6.75 mm = 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
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
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
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 D 0 až D x-1 o Adresová sběrnice A 0 až A n-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
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
ALU Řadič RI DI provádí aritmetické a logické operace nad vstupními daty šířka slova Řídí činnost CPU Obsahuje aktuální, právě vykonávanou instrukci. Podle jejího obsahu řídí dekodér instrukcí činnost procesoru dekóduje obsah registru instrukcí 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
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
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
10