Procesni sistemi vodenja

Procesni sistemi vodenja - Komponente mikroprocesorskih sistemov 11

http://www.ro.feri.uni-mb.si

Procesni sistemi vodenjaProcesni sistemi vodenja

Komponente mikroprocesorskih sistemov



Vsebina poglavjaVsebina poglavja

• Model in delovanje mikroprocesorja

• Pomnilniki

• Vodila

• CISC, RISC, mikrokrmilniki, DSP

• Aritmetika: celoštevilčna in s plavajočo vejico



Model in delovanje mikroprocesorjaModel in delovanje mikroprocesorja

• Model mikroprocesorja

• Registri

• Centralna procesna enota

• Aritmetična logična enota (ALU)



Model mikroprocesorjaModel mikroprocesorja



RegistriRegistri

• S podatki običajno manipuliramo v registrih CPE. Manipulacija pomeni:– Seštevanje števil– Komplement števila– Pomik– ...

• Registri so skupine flip-flopov

• Nekateri procesorji lahko manipulirajo s podatki v pomnilniku.



Registri Registri

• Preprost register

• Register z omogočitvijo in brisanjem



Registri Registri

• podatkovni – tukaj se izvaja seštevajne, odštevanje, ...

• naslovni ali indeksni – nam kažejo kje so podatki

• kontrolni registri– Z njimi nadzorujemo delovanje procesorja in njegovih enot.

• statusni register– Nam kaže stanje enote procesorja.

• vmesni register (Buffer) – je register ki nam pospeši prenos podatkov. Podatek gre

najprej v buffer potem pa v posamezno enoto.



Centralna procesna enota (CPU)Centralna procesna enota (CPU)

NV- naslovno vodiloKV- kontrolno vodiloPV- podatkovno vodiloPC- Program Counter

(programski števec nam kaže na lokacijo kjer se izvaja program)

ALU- Aritmetic Logic Unit



Pipeline: Fetch & execute, prefetchPipeline: Fetch & execute, prefetch

Fetch(Pridobi)

Execute(Izvedi)

Decode(Dekodiraj)

Bit patternBitni vzorec

Microcode programProgram v mikrokodi

Lahko tudi več ciklov zaEno instrukcijo

Machine code (Assembler)Strojni jezik (Zbirni jezik)



Aritmetična logična enota (ALU)Aritmetična logična enota (ALU)

• Izvaja aritmetične in logične operacije– Aritmetične: seštevanje, odštevanje, množenje, ...– Logične: IN, ALI, XOR, NE, ...– Testiranje bitov– Rotacije in pomike

• Uporablja enega ali več akumulatorjev– Akumulator je register, ki ga ALU uporablja za

manipulacijo s podatki.



Število bitov procesorjaŠtevilo bitov procesorja

• 8b– Preprosti krmilniki, binarni vhod in izhod, uporabno

za krmilja.

• 16b– Preproste regulacije, analogni vhodi in izhodi.

• 32b– Kompleksne regulacije in obdelave podatkov.

• >32b– Grafične aplikacije ipd.



PojmiPojmi• PROGRAM

– Zaporedje ukazov ki jih CPE bere iz pomnilnika in jih izvaja.

• POMNILNIK – vsebuje program in podatke.

• POMNILNIŠKA CELICA– vsebuje podatek ali program, pomembna je njena dolžina(v našem

primeru 8-bitov, lahko pa tudi tudi več 16-, 24-, 32-, i-bitov). En bit pomnilnika lahko zavzame vrednost 0 ali 1.

• PODATKOVNO VODILO – Preko njega dostopamo do vsebine.

• VSEBINA – je lahko program ali podatek.

• NASLOVNO VODILO – določa naslov pomnilniške celice ali lokacijo



PomnilnikiPomnilniki

• ROM• RAM

– DARAM (Dual Access RAM)• 2 dostopa (pisanje/branje) na cikel

– SARAM (Single Access RAM)• 1 dostop (pisanje/branje) na cikel

• PROM• EPROM• EEPROM• Flash-ROM



Pomnilnik - modelPomnilnik - model



Big Endian / Little EndianBig Endian / Little Endian• Primer shranjevanja 4-

byte BCD števila 12345678 z začetkom na spominski lokaciji $0400.

• Big endian– Najmanj pomemben bit

(LSB) ima najvišji naslov.

• Little endian– Najmanj pomemben bit

(LSB) ima najnižji naslov.



Izvor Big Endian / Little EndianIzvor Big Endian / Little Endian

V knjigi “Gulliverjeva potovanja” Jonathana Swifta nastopata dva naroda, ki sta se razlikovala:

• Liliputianci so razbijali jajca na tanjšem koncu - little endian.

• Blefasko je narod, ki je razbijal jajca na širšem koncu – big endians.

• Naroda sta se zaradi spora o boljšem načinu razbijanja jajc vojskovala v dolgi vojni.



VodilaVodila

• podatkovno vodilo

• naslovno vodilo

• kontrolno vodilo

• fetch & execute, prefetch

• Von Neumanova in Harvardska arhitektura

• DMA



Podatkovno in naslovno vodiloPodatkovno in naslovno vodilo



Fizični izgledFizični izgled



NNadzorna logika CS (Chip Select)adzorna logika CS (Chip Select)



NNadzorna logika CS (Chip Select)adzorna logika CS (Chip Select)

• KONTROLNO VODILO – krmili delovanje sistema, vpisujemo ali beremo podatke.

• NADZORNA LOGIKA – nam pove katero enoto naslavljamo.



Von Neumannova arhitekturaVon Neumannova arhitektura

• Podatki in ukazi se pošiljajo po istih vodilih. Klasično vezje dela paralelno, vse hkrati. Karakteristično izvajanje ukaza prefetch za cache. Za izvršitev ukaza sta potrebna 2 pulza:– 1. pulz za prevzem ukaza

(fetch), prebere

– 2. pulz za izvršitev ukaza (execute)



Harwardska arhitekturaHarwardska arhitektura



Harwardska arhitekturaHarwardska arhitektura

• podatkovno vodilo + podatkovno naslovno vodilo

• vodilo za ukaze + ukazno naslovno vodilo

• ločen pomnilnik za podatke (1. IC)

• ločen pomnilnik za program (2. IC)

• hitrejši procesi

• dražji

• kompleksnejši



PrimerjavaPrimerjava

DSP Procesor• Harvardska arhitektura• 2-4 dostopa do

pomnilnika v enem ciklu• Ni cache-ja ali SRAM

na čipu

Splošno namenski μP• Von Neumannova

arhitektura• Tipčno 1 dostop/cikel• Lahko uporablja

cache-je



DMADMA

• Direct memory access – Neposredni dostop do pomnilnika, brez obremenjevanja

CPE.



CISC, RISC, Mikrokrmilniki, DSPCISC, RISC, Mikrokrmilniki, DSP

• CISC– Complex Instruction Set Computer

• RISC– Reduced Instruction Set Computer

• Mikrokrmilnik– Mikroprocesor z vgrajenimi V/I enotami.

• DSP– Digital Signal Processor / Processing



Mikrokrmilnik – osnovno delovanjeMikrokrmilnik – osnovno delovanje

• Program (instrukcije) in podatki so shranjeni v pomnilniku

• Vsaka instrukcije je prebrana (fetched) iz pomnilnika, interpretirana (decoded) in izvedena– Arithmetična Logična Enota (ALU) izvaja operacije nad

podatkih

– Podatki se prenašajo (registri, pomnilnik, I/O)

• Programski števec (PC) kaže na trenutno lokacijo v programskem pomnilniku in se samodejno poveča po izvedbi vsake instrukcije

• Instrukcija lahko traja več urinih ciklov



Model mikrokrmilnikaModel mikrokrmilnika



Model mikrokrmilnikaModel mikrokrmilnika• Razen CPE vsebuje še vsaj RAM, ROM, periferije• Zunanje vodilo

– DA ali NE (enostavni) - zunanje vodilo je dobro imeti za razvoj.• V/I enote so programirljive• ROM, EPROM, EEPROM, FLASH-PROM • RAM• Serijski vmesniki • Binarni vmesniki (lahko vhodi ali izhodi).• Splošno namenski časovniki• WATCH DOG

– je programabilni časovnik za nadzor sistema. Če nam sistem obstoji in se nekaj časa ne odziva nam ga watch dog resetira in se sistem znova naloži.

• A/D pretvorniki: – 8-, 10- ali 12- bitni (1, 2 ali 3 takih pretvornikov z uporabo multiplekserja

razširimo na več vhodov).• PWM:

– generiramo pulze z različno širino (različna dolžina in različna frekvenca). Z uporabo filtra( kondenzatorja) pa dobimo zvezni signal.



DSP : Splošno namenski mikroprocesorDSP : Splošno namenski mikroprocesor• DSP so v osnovi narejeni za izvajanje posameznih

aplikacij.– Njihov operacijski sistem je bistveno preprostejši, ni

virtualnega pomnilnika ali zaščit, ...

• DSP pogosto poganjajo operacije v strogem realnem času (hard real-time).– Program mora biti napisan tako, da se vedno izvede

znotraj določenega časovnega okna. – Vse možne prekinitve morajo biti vnaprej predvidene in

njihovo trajanje upoštevano.– Vse dodatne prekinitve so torej SLABE!

• DSP imajo neskončni zvezni pritok podatkov.



DSP : Splošno namenski mikroprocesorDSP : Splošno namenski mikroprocesorDSP

• Specializirana strojna oprema izvaja vse ključne operacije v enem ciklu.

• Strojna podpora za zagotavljanje numeričnega delovanja:– Pomiki (Shifters)

– Zaščitni biti (Guard bits)

– Omejitve (Saturation)

Splošno namenski μP

• Množenja pogosto trajajo več ciklov.

• Pomiki pogosto trajajo več ciklov.

• Druge operacije (pomiki, zaokroževanja, ...) pogosto trajajo več ciklov.



Zakaj Multiply/Add?Zakaj Multiply/Add?

Digitalno tipanje analognega signala

A

tt

Večino algoritmov digitalne obdelave signalov lahko

predstavimo kot:

4040

i = 1i = 1Y = ai * xi

DACxx YY

ADC DSP

(Digitalni filtri, regulatorji, ...)



DSP - MACDSP - MAC

Izračun algoritma FIR



DSP - MACDSP - MAC



DSP – primer aplikacije – FIR filterDSP – primer aplikacije – FIR filter



Aritmetika procesorjaAritmetika procesorja

• Numerični formati– Celoštevilčna aritmetika– Aritmetika s plavajočo vejico



Celoštevilčna aritmetikaCeloštevilčna aritmetika

• Opis desetiškega števila:123410 =

1 * 103 +

2 * 102 +

3 * 101 +

4 * 100

• Opis dvojiškega števila:10112 =

1 * 23 +

0 * 22 +

1 * 21 +

1 * 20

• Nepredznačena števila: • Predznačena števila:

1 0 1 1 1 0 1 1

Unsigned SignedPredznak



Zapis negativnih števil (4b števila)Zapis negativnih števil (4b števila)

• Eniški komplement-1 = 1110

-3 = 1100

• Dvojiški komplement-1 = 1111

-3 = 1101

• Za računske operacije se uporablja dvojiški komplement

0 0 0 1

NOT

1 1 1 0

0 0 0 1

NOT

1 1 1 0

+1

1 1 1 1



Opis desetiškega števila z decimalno vejicoOpis desetiškega števila z decimalno vejico

19.99(10) 1*101+9*100+9*10-1+9*10-2

stolpec z deseticami (101) stolpec z enicami (100)

stolpec z desetinkami (10-1) stolpec s stotinkami (10-2)



Opis dvojiškega števila z decimalno vejicoOpis dvojiškega števila z decimalno vejico

10.01(2) 1*21+0*20+0*2-1+1*2-2

stolpec z 21 stolpec z 20 stolpec z 2-1 stolpec z 2-2



Računske operacije - seštevanjeRačunske operacije - seštevanje

Desetiško: Dvojiško:

1. 2 5 1. 0 1

+ 1. 5 0 + 1. 1 0

2. 7 5 1 0. 1 1



Računske operacije - množenjeRačunske operacije - množenje

Desetiško: Dvojiško:

1. 2 * 1. 5 1. 0 1 * 1. 0 1

1 2 1 0 1

6 0 0 0 0

1. 8 0 1 0 1

1. 1 0 0 1



Q – aritmetika – zapis s fiksno vejicoQ – aritmetika – zapis s fiksno vejico

• xQn = x * 2n – zapis števila v Qn aritmetiki– Primer – zapis števila 33,333 v Q8 aritmetiki

33.333 * 28 = 8533,248

= 0010000101010101

= 8533 / 28 = 33,33203125

– Ločljivost!!! - pojavi se razlika!

Predznak

0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1



Reprezentacija števil s plavajočo vejicoReprezentacija števil s plavajočo vejico

• S – predznak• E – eksponent• M – mantisa

• IEEE 754: – S = 1b, E = 8b, M=23b

S E M



Podatkovni tipi v programskem jeziku CPodatkovni tipi v programskem jeziku C

Velja za TMS320C2x/C2xx/C5xVelja za TMS320C2x/C2xx/C5x



Zmanjševanje porabe močiZmanjševanje porabe moči

Ena od pomembnih lastnosti mikrokrmilnika!



Domača nalogaDomača naloga

• Ni domače naloge.



Možna vprašanja na izpituMožna vprašanja na izpitu• Katere so glavne enote mikroprocesorja?• Opisi:

– CPE, ALE, registri, vodila• Naštej tipe registrov in opiši njihovo delovanje!• Opiši način izvajanja programa v mikroprocesorju (fetch, decode, execute)!• Katere tipe pomnilnikov poznaš? Opiši!• Katera vodila ima mikroprocesor in kaj so njihove naloge?• Opiši in primerjaja Harwardsko in Von Neumannovo arhitekturo procesorja!• Opiši razliko med mikrokrmilnikom in splošno namenskim

mikroprocesorjem!• Opiši princip in namen DMA!• Pojmi: CISC, RISC, mikrokrmilnik, DSP – kaj pomenijo?• Kaj loči DSP od splošno namenskega mikroprocesorja?• Pojasni razliko med aritmetiko s fiksno in plavajočo decimalno vejico!

Documents

Procesni sistemi vodenja