تحقیق مقاله جزوه درس ساختار و زبان ماشین

پیشگفتار  

       در اوایل دهه  60 میلادی ایالات متحده در آستانه شکل گیری تکنولوژی نوینی در مهندسی برق بود. ترانزیستور که کمی پس از پایان جنگ جهانی دوم توسط سه دانشمند در آزمایشگاههای کمپانی بل ابداع شده بود، کم کم جایگزین رقیبش لامپ خلا می شد.

در سال 1968 رابرت نویس و گوردون مور، دو نفر از پایه گذاران اصلی کمپانی فیرچایلد شرکت جدیدی موسوم به اینتل  تاسیس نمو دند. در سال 1969 یک شرکت ژاپنی سازنده ماشین حساب, به آنها سفارش یک آی سی خاص برای ماشین حسابهای جدید خود داد و یک پردازنده مرکزی (CPU)  چهار بیتی بر روی یک تراشه ساخته شد و بدین ترتیب خانواده   IC های اینتل 4000 متولد گردید. این روند ادامه پیدا کرد و در سال 1972, آی سی هشت بیتی 8008 , پس از آن 8080 , 8085 ودر اواخر دهه1970 چند میکروپروسسور 16 بیتی به بازار عرضه شد .

این تحول تا امروز ادامه داشته است و میکروپروسسورهای 32 بیتی و 64 بیتی(پنتیوم) پا به عرصه وجود گذاشته‏اند.  اکثر میکروکامپیوتر های اولیه به صورت کیت فروخته می شدند و برای انجام کاری خاص, باید به زبان ماشین برنامه ریزی می شدند و قابلیت تولید انبوه را نداشتند, تا اینکه در1982 شرکت IBM  برای اولین بار شروع به فروش کامپیوترهای شخصی  نمود و امروزه شاهد جهش های ناباورانه ای در زمینه رشد تکنولوژی وقا بلیت های کامپیوترهای شخصی هستیم.

       مقدمه

این مجموعه به بررسی مبانی تکنولوژی ریز پردازنده‏ها  می پردازد و به عنوان یک منبع درسی, برای درس ساختار و زبان ماشین در نظر گرفته شده است. تمرکز ما در این کتاب، فهم اجزاء سخت افزاری یک سیستم میکروکامپیوتر و نقش نرم افزار در کنترل سخت افزار است. 

   قسمت عمده آنچه در این مجموعه ملاحظه می شود, از بخش های مختلف چند کتاب و نیز جزوه درس ساختار و زبان ماشین گردآوری شده است. در این مجموعه به بررسی میکروپروسسور هشت بیتی" شریف"، میکروپروسسور هشت بیتی 8085 , میکروکنترلر  هشت بیتی 8051 و در انتها به اختصار به میکروکنترلر AVR می پردازیم. البته در مورد میکروپروسسور" شریف"، به دلیل آنکه صرفا یک مدل برای یادگیری و آشنایی اولیه است, به سخت افزار چندانی پرداخته نمی شود. دو مورد بعدی که از میکروپروسسور های واقعی و ساخت شرکت اینتل هستند بطور مفصل تر مورد بررسی قرار می گیرند. یادآوری می نمایدکه تاکید بر ساختار سه باسه(  CPU  های استفاده کننده از سه باس) است که در فصل های بعدی بهنگام افزودن حافظه و I/O  به کار می آید،  به همین منظور,  در فصل اول به معرفی باس می پردازیم. همچنین،  در این درس به آی‏سی‏های پشتیبان  ویژه 8085  و روشهای I/O  ی سری خواهیم پرداخت. همچنین،  به اختصار به معرفی فلسفه و توری پایه DMA و AVR می پردازیم.

                                         فصل اول

                                   باس‏‏ها و اجزای داخلی یک کامپیوتر

در این فصل ابتدا با باس‏ها  و زمان‏بندی  عملکرد صحیح آنها, مطالبی از قبیل سه‏حالته  و امکان اتصال خروجی‏های چند گیت  به یکدیگر آشنا خواهیم شد. ادامه این فصل به سایر اجزای اصلی کامپیوتر(CPU)  اختصاص دارد.

1-1  باس‏ها و عملکردشان

باس را می‏توان یک مجموعه خط(سیم) برای انتقال داده بین یک ارسال کننده داده و یک گیرنده تعریف کرد. معمولا  خطوط سیگنالی را که با یکدیگر وجه مشترکی دارند پهلوی هم گذاشته و آن را یک باس می نامیم. به این ترتیب باس داده,  باس آدرس و باس کنترل و غیره را به دست می‏آوریم. در یک طراحی مناسب,  باید مسائلی از قبیل مصونیت در مقابل نویز, اثرهای بارگذاری ac و dc,  انعکاس ناشی از پالس های منطقی سریع و نیز تداخل بین هادی‏‏های موازی باید در نظر گرفته شوند.  ولی،  از آنجا که ما در این درس درصدد پرداختن به جنبه الکترونیک عناصر نیستیم،  از بحث در باره این مسائل صرف نظر می کنیم.

1-1-1  باس نوع اول

روی باس نوع 1, یک فرستنده سیگنال و یک گیرنده داریم. از آنجا که میکروپروسسورها با استفاده از تکنولژی  MOS  ساخته شده اند و توانایی جریاندهی شان بسیار محدود است, به عنوان یک قاعده کلی هرگاه بار روی باس از توانایی جریاندهی میکروپروسسور بیشتر باشد, یا گیرنده در برد اصلی نباشد بافر لازم است. منظور از بافرکردن باس, اتخاذ روشی برای اطمینان از انتقال سطوح منطقی معتبر بر روی باس است.

شکل 1-1 چند نوع بافر  متداول را نشان می دهد. آی سی هایی از خانواده  TTL  مانند 74LS245  و 4LS244 این جنبه گیرا را دارند که در هر آی‏سی هشت بافر وجود دارد. معمولا نه تنها بافر کردن فرستنده, که بافر کردن ورودی گیرنده ها نیز سودمند است,  زیرا این کار مقدار بارهایی را که می توانند روی باس قرار بگیرند بسیار زیاد می‏کند. در مورد این دو آی‏سی در بخش 1-1-3 بیشتر توضیح داده شده است.

 باس نوع یک    

تمام بافرهای شکل 1-2 توانایی سه حالته بودن را دارند, به این معنی که علاوه بر دو حالت 0 و1 منطقی, یک حالت سوم هم می‏توانند داشته باشند. این حالت سوم در واقع حالت امپدانس بالا  یا مدار باز است. بافرهای سه حالته اجازه می‏دهند چند فرستنده یک خط باس را کنترل کنند. اگر تمام فرستنده‏ها بجز یکی در حالت  امپدانس بالا قرار گیرند هیچ تداخلی پیش نمی‏آید. این خاصیت در مورد باس نوع سوم مورد استفاده قرار می‏گیرد.

1-1-2  باس نوع دوم

       در باس نوع 2, چند فرستنده و یک گیرنده سیگنال داریم. این نوع باس را نمی‏توان با گیت‏های TTL  استاندارد ساخت. شکل 1-2 دلیل این امر را نشان می‏دهد. تا وقتی هر دو فرستنده می‏خواهند مقدار منطقی یکسانی روی خط قرار دهند, اشکالی پیش نمی‏آید. ولی همین که خروجی یکی 1 و یکی 0 باشد, باس وضعیت مبهمی پیدا می‏کند و بدتر اینکه امکان دارد از گیتی با خروجی 1 جریان زیادی وارد گیتی با خروجی 0 شود و هر دو گیت آسیب می ببینند. این وضعیت, نزاع بر سر باس نام دارد.

                                                                   شکل 1-2 باس نوع دو

یک راه برای حل این مشکل استفاده از گیت‏های سه حالته   به عنوان فرستنده است. با فعال کردن تنها یک فرستنده در هر زمان, نزاع بر سر باس ختم می‏شود. مساله‏ای که این راه حل به وجود می‏آورد یک مدار منطقی اضافه‏ای است که برای اطمینان از فعال کردن فقط یک فرستنده در هر زمان باید به کار برده شود.

راه حل دیگر استفاده از باس کلکتور باز (درین باز)  شکل 1-3 است. در این طرح خروجی فرستنده‏ها, کلکتور باز است.یعنی اینها می‏توانند با اشباع کردن ترانزیستور خروجی‏شان, ولتاژ باس را به صفر بکشند, ولی برای رساندن ولتاژ باس به 1, به یک مقاومت بالابر(ولتاژ)  خارجی احتیاج داریم. مثالی از این دست, NAND کلکتور باز 7401 است.

عیب این نوع باس این است که نمی‏توان تعیین کرد که کدام فرستنده باس را صفر کرده است. به این ترتیب پروسسور مجبور است وضعیت  (خروجی ها) را بخواند تا بتواند وسیله فعال کننده را بیابد, این روش, همه‏پرسی  نام دارد.

                                   شکل 1-3 باس نوع 2 با دروازه های کلکتور باز

البته در بسیاری حالات لازم نیست CPU بداند چه وسیله‏ای باس را صفر کرده است, مثلا حالت انتظار  که از طرف یک حافظه کند که نمی‏تواند به سرعت داده مورد تقاضای CPU را فراهم آورد درخواست می‏شود.  در این حالت اینکه کدام حافظه تقاضای انتظار کرده مهم نیست.

1-1-3 باس نوع سوم

 باس نوع3, یک باس دو جهته است که روی آن چند ین فرستنده وچند گیرنده قرار دارد.

متداولترین مثال, باس داده  در یک سیستم  میکروپروسسوری است.  شکل 1-4 جهت عبور داده از یک وسیله ورودی به CPU را نشان میدهد. توجه کنید که تمام فرستنده‏ها به صورت گیت‏های سه حالته وتمام گیرنده‏ها به صورت لچ   شامل فیلیپ‏ فلاپهای D نشان داده شده‏اند.

لزوم سه حالته بودن فرستنده‏ها باید روشن باشد. در هر زمان تنها باید یک فرستنده, کنترل باس را در دست داشته باشد، اما ممکن است لزوم لچ داشتن گیرنده چندان واضح نباشد. چیزی که باید به یاد داشته باشیم این است که داده برای مدت کوتاهی روی باس قرار می‏گیرد. به عنوان مثال،  هنگام اجرای یک دستور ورودی در سیکل M1 روی باس 

                                  شکل 1-4 جهت عبور داده بر روی یک باس دو جهته

داده آپ کد دستور IN وجود دارد. (مراحل اجرای یک دستور در فصل‏های بعدی به تفضیل شرح داده خواهد شد)  در سیکل ماشین بعدی این باس آدرس دریچه ورودی/خروجی را دارد. در سیکل ماشین سوم وسیله ورودی فعال شده و داده را روی باس قرار می‏دهد. چون هر سیکل ماشین تنها چهار یا پنج سیکل ساعت طول می‏کشد, هر گیرنده باید موقعی که نوبتش است داده را سریعا در لچ خود قرار دهد.

مساله اصلی باس3 همین است؛ چطور یک گیرنده یا فرستنده می‏فهمد که نوبتش رسیده است؟

پاسخ این سوال به روشهای کدگشایی  باس آدرس وکنترل برمی‏گردد, این روشها را در آینده به تفضیل خواهیم دید؛ ولی ایده به حد کافی ساده است. در واقع زمان‏بندی عملکرد این باس از این قرار است : اگر خط خواندن I/O باس کنترل فعال است, و آدرس ما روی باس آدرس قرار دارد, نوبت ماست که داده را روی باس قرار دهیم و باید فرستنده سه حالته خود را فعال کنیم. البته باز هم بافر نیاز است. روش کار را نشان می‏دهد. برای هر خط دو گیت سه حالته با خطوط Enable, READ و WRITE مجزا لازم است. سیگنالهای فعال کننده را باید از باس کنترل میکروپرسسور گرفت

(نمودار و تصاویر در فایل اصلی موجود است )