Реферат: Бакалаврская работа. Программная модель 32-разядной МЭВМ фирмы Motorola

Реферат: Бакалаврская работа. Программная модель 32-разядной МЭВМ фирмы Motorola

Министерство образования РФ

Курский государственный технический университет

Кафедра вычислительной техники

                                                                  Утверждаю

                                                                  зав. Кафедрой профессор

                                                                  __________________Титов В. С.

                                                                  ____________________________

                                                                  ____________________________

Выпускная квалификационная работа

бакалавра

Программная модель 32-разрядного микропроцессора фирмы Motorola

Автор выпускной квалификационной работы:                 Денисов А. Н.

Обозначение выпускной квалификационной работы________________

_______________________________Группа ВМ-81

Направление____________________________________________________

Руководитель работы:        __________________  к.т.н. Жмакин А.П.

Нормоконтроль                              __________________   Чернецкая И. Е.

Со всеми вопросами обращайтесь Denisov_Alex@rambler.ru

Аннотация

         Целью данной работы являлось изучение организации 32-разрядного микропроцессора фирмы Motorola. Данная цель может быть достигнута посредством написания программной модели данного микропроцессора.

В ходе работы большое внимание уделено функциональным особенностям объекта разработки, способам организации, системе команд. Данное программное изделие может быть использовано при обучении студентов. Пояснительная записка состоит из 45 страниц, в их состав входит 7 таблиц и 4 рисунка.

Summary.

          The purpose of the given work was the study of organization of the 32-bit microprocessor of firm Motorola. The given purpose was achieved by means of a spelling of program model of the given microprocessor.

During work the large attention is given to functional features of object of development, ways of organization, command system. The given program product can be used at training the students. The explanatory slip consists of 45 pages, their structure includes 7 tables and 4 figures.

Содержание

Введение. 5

Техническое задание. 7

2. Постановка задачи.. 9

3.    Выбор средств реализации.. 10

4.    Описание машины пользователя. 11

5. Интерфейс, органы управления. 33

6. Применение программной модели. 37

7. Описание интерпретатора. 39

Заключение. 44

Список использованных источников. 45

В современной технике роль микро-ЭВМ весьма значима. Сфера их применения широка. Достаточно назвать лишь несколько областей, в которых применение 16- и 32-разрядных МК стало обыденным явлением, чтобы понять, почему производители МК уделяют им такое внимание:

• цифровые устройства проводной и беспроводной связи;
• промышленные контроллеры, системы управления двигателями;
• портативные вычислительно-коммуникационные цифровые средства;
• цифровые бытовые устройства;
• системы передачи информации, и т.д.

 Это делает удобным технику в эксплуатации, экономит человеку время, позволяет более рационально расходовать электроэнергию.

Для изучения микро-ЭВМ в Курском Государственном Техническом Университете отсутствуют лабораторные установки, которые позволяли бы студентам ознакомиться с новыми перспективными моделями различных микропроцессоров фирмы Motorola .

Практика работы с существующими лабораторными установками, свидетельствует о том, что студенты вынуждены тратить большую часть времени на рутинные операции (ассемблирование, дизассемблирование и др.). Это объясняется тем, что лабораторные установки обладают не удобным, малофункциональным и не наглядным интерфейсом. Например, в качестве устройства вывода используются шесть семисегментных индикаторов, а программный код вводится побайтно в шестнадцатеричном формате. С целью упрощения работы путём автоматизации рутинных операций и изучения элементной базы новых микропроцессоров и была разработана данная программная модель.

Программная модель дает широкие и удобные возможности для набора и отладки программ (к примеру, может быть возможен одновременный просмотр всех регистров, памяти, ввод команд в мнемонических обозначениях, ассемблирование команд и т. д.).

Применение программной модели дает значительную экономию времени и сил, за счет более удобной отладки и набора программы. Посредством разработанной программы студентам предоставляется возможность изучить различные способы адресации, систему команд и устройство MC 68300.

1.Назначение и  цели разработки.

  1.1. Смоделировать 32-разрядый микропроцессор фирмы Motorola МС 68300 на уровне программно-доступных объектов.

  1.2. Цель работы – создать программную модель, используемую для начального знакомства с архитектурой МС 68300 и его системой команд, позволяющей отлаживать простые программы на языке мнемокодов (Ассемблера).

Характеристики объекта разработки.

2.Требования к изделию.

   2.1. Функциональные требования.

      2.1.1. Не квалифицированные пользователи могут вводить данные  по запросу        компьютера.

      2.1.2. Диалоговый режим.

      2.1.3. Выполнение функций:

2.1.3.1. Запрет редактирования результатов обучения пользователям.

2.1.3.2. Возможность просмотра и непосредственного редактирования регистров данных и адреса, а также дампа ОЗУ.

2.1.3.3. Развитая система помощи, включающая информацию по процессору МС 68300 и его языку, а также информацию по программной модели.

2.1.4.Разработанная система отладки, позволяющая пользователю легко определить ошибку ввода данных.

2.1.5. Возможность трассировки программ.

2.1.6.          Поддерживание различных систем исчисления (двоичная, десятичная, шестнадцатеричная).

2.1.7. Наглядность и доступность интерфейса.

    2.2. Требования к надежности.

 2.2.1.Обеспечение сохранности данных в файле.

 2.2.2. Надёжная работа программы, при условии стабильной работы        операционной системы и соблюдении минимальных требований к аппаратным ресурсам.

   2.3. Стандартный интерфейс WINDOWS - приложений.       

3.Состав и содержание работ по созданию (развитию) системы.

      3.1. Граф-дерево структуры системы.

      3.2. Составление алгоритма будущей программы.

      3.3. Написание текста программы по алгоритму.

      3.4. Тестирование программы.

      3.5. Компоновка всех документов в единое руководство.

4.Требования к документированию.

4.1. Техническое задание.

4.2. Текст программы – распечатка листинга программы.

4.3. Текст программы в объектно-ориентированной форме. 

5. Источники разработки.

5.1. Internet. Сайты, посвящённые микроэлектронике, в частности www.Gaw.ru, раздел посвящённый микропроцессорам.

5.2. Жмакин А.П. Курс лекций по микропроцессорам.

5.3. Фаронов В.В. Delphi 5. Учебный курс, М., “Knowledge”, 2001 год.

5.4 Юров. В. Assembler., Санкт-Петербург, “Питер” 2000 г.

Целью данной работы является уяснение организации, принципов работы, системы команд микропроцессоров. Цель должна быть достигнута путём разработки программной модели микро-ЭВМ на базе 32 разрядного микропроцессора фирмы Motorola.

Программная модель должна продемонстрировать работу 32 разрядной ЭВМ фирмы Motorola. Программа работает в диалоговом режиме с пользователем, то есть существует возможность ввода исходных данных, просмотр промежуточных и конечных результатов.

         Данное программное изделие должно наглядно моделировать процесс работы процессора, т.е. позволять вводить ассемблерный код программ с применением системы команд микропроцессора и допустимых способов адресации, и выводить результат обработки. Должна быть предусмотрена защита от некорректного ввода данных. Программное изделие должно обеспечить наглядную работу объекта моделирования, с возможностью изменения промежуточных результатов.

В функциональном отношении программное изделие должно представлять собой программу, разработанную с применением стандартов интерфейса операционной системы Microsoft Windows.

При постановке задачи на разработку данного программного изделия была выбрана система Windows в связи с широчайшим распространением, доступностью и наличием гибких средств разработки программного обеспечения под эту платформу, и отсутствием таковых под другие программные платформы в наличии.

При выборе средства разработки любой компилятор для системы Windows мог быть использован для написания модели. Из наиболее распространенных, таких как Microsoft Visual C++, Borland C++, Borland C++ Builder, Watcom C++, Borland Delphi, Symantec C++, Power Builder, был выбран компилятор Borland Delphi. Выбор обоснован широким распространением, удобством использования, высоким качеством генерируемого кода данной среды. Кроме того, несмотря на то, что Delphi является компилятором расширенного языка Pascal, программы, написанные на Delphi полностью совместимы с компилятором Borland C++ Builder, который не был применен из-за более высоких требований к аппаратным ресурсам.

Данный процессор реализует архитектуру, принятую в микропроцессорах семейства 68000, что позволяет использовать большой объем прикладного и системного программного обеспечения, созданного для этого семейства. Процессор CPU32 работает с 16-разрядной шиной данных и 24-разрядной шиной адреса (адресуемая память до 16 Мбайт), аналогично микропроцессорамМС68000.
  Основным архитектурным принципом функционирования процессоров семейства 68000 является разделение их ресурсов и возможностей в зависимости от класса решаемых задач. Архитектура процессоров ориентирована на раздельное выполнение двух классов задач: управление работой самой микропроцессорной системы с помощью системного программного обеспечения (операционной системы - супервизора) и решение прикладных задач пользователя. В зависимости от выполняемой задачи процессор CPU32 имеет два режима функционирования:

• режим супервизора,
• режим пользователя.

  В зависимости от режима при выполнении программ разрешается доступ ко всем ресурсам микроконтроллера или их части. В режиме супервизора разрешается выполнение любых команд, реализуемых процессором, и доступ ко всем регистрам. В режиме пользователя запрещается выполнение ряда команд и доступ к некоторым регистрам, чтобы ограничить возможности таких изменений состояния системы, которые могут помешать выполнению других программ или нарушить установленный супервизором режим работы процессора. Режим функционирования определяется значением бита S в регистре состояния процессора SR.

МП МС68300 имеет 32-битовую внутреннюю структуру и поэтому может выполнять арифметические и логические операции над 32-разрядными числами.

Технические средства МП 68300, используемые для программирования, показаны на рис. Регистры общего назначения объединены в два набора - регистры данных (D0-D7) и адресные регистры (A0-A7).

Регистры данных:

                      31                                  16  15                       8  7                          0

Регистры адреса:

  31                                 16  15                       8  7                          0

Два указателя стека:

                      31                                                            0

Программный счётчик:

                     31                                                             0

Регистр состояния:

                                                       15                  8 7             0

Регистры данных Dn

В МП МС68300 программно доступны восемь регистров данных, обозначенных D0-D7. Каждый из них может быть использован как источник операнда, приемник операнда или как сам операнд. Регистром данных можно оперировать как байтом (8 бит), словом (16 бит) или длинным словом (32 бита). При битовых операциях используются только младшие 8 бит, а при операциях со словами-младшие 16 бит. Старшие биты в этих операциях не участвуют.

Регистры адреса Аn

Регистры адреса главным образом используются для получения адреса операнда выполняемой команды. Большая часть операций манипулирования данными не может выполняться с помощью адресных регистров. В адресных регистрах операции с байтами не разрешены. 

Как показано на рисунке в набор регистров входят девять регистров адреса, два из которых используются как указатели стека: указатель стека супервизора (SSP-Supervisor Stack Pointer) и пользовательский указатель стека (USP-User Stack Pointer). Естественно, что в каждый момент времени процессор имеет доступ только к одному из регистров стека в зависимости от режима, в котором находится процессор. Таким образом адресный регистр А7 физически представляет собой два независимых регистра. В программах на ассемблере он может указываться как A7 и как SP.  Процессор автоматически формирует указатель стека при вызове подпрограмм и возврате из них, а также при обработке прерываний.

Программный счетчик РС (Program Counter)

Как и любой другой МП, МС68300 имеет в своем наборе регистров программный счетчик РС.

После выборки команды из памяти программный счетчик всегда указывает на следующую выполняемую команду. В отличие от регистров общего назначения он не может быть явно определен как операнд ни в какой из команд, исключение составляет использование РС в качестве базового регистра в командах с индексной адресацией. При выполнении команд переходов в РС загружается адрес новой команды, которой передается управление. Для всех остальных команд значение РС увеличивается на длину выполняемой команды.

Несмотря на то, что  счетчик команд и адресные регистры MC68300 32-разрядные, при обращениях к памяти на внешнюю адресную шину передаются только 24 младших бита адреса. По этой причине обеспечивается доступ только к 224 (16M) байт памяти. Модификации процессора  МС68020, МС68030 и 68040 имеют 32-разрядную адресную шину и способны адресовать 4Г байт.

  Регистр состояния SR содержит два байта: системный байт и байт пользователя. Полностью регистр SR доступен только в режиме супервизора. В режиме пользователя доступны только младшие разряды (байт пользователя), которые образуют регистр условий CCR. Отдельные биты регистра CCR имеют следующее назначение:
  С - признак переноса, принимает значение C=1 при возникновении переноса из старшего разряда обрабатываемых операндов;
  V - признак переполнения, принимает значение V=1 в случае переполнения разрядной сетки при обработке операндов со знаком;
  Z - признак нуля, принимает значение Z=1 при получении нулевого результата операции;
  N - признак знака, принимает значение старшего (знакового) разряда результата операции: N=0 - положительное число, N=1 -отрицательное;
  X - признак расширения, в большинстве случаев копирует признак С, но при выполнении некоторых операций эти признаки устанавливаются по-разному.
  Биты системного байта регистра состояния SR, определяющие режимы функционирования процессора, имеют следующее назначение:
  S-признак супервизора, при S=0 процессор работает в режиме пользователя, при S=1 - в режиме супервизора;
  T1-0 - поле режима трассировки (пошаговый режим): при T1=1 процессор останавливается после каждой команды, при T0=1 - только после команд переходов и ветвлений, меняющих ход программы;
  I2-0 - поле маски прерываний, определяет минимальный уровень приоритета для обслуживания запросов прерывания. Остальные биты регистра SR не используются или резервированы для последующих моделей процессоров.

При включении микроконтроллера происходит автоматическая установка начального состояния регистров. В регистре SR устанавливается значение бита S=1, и процессор начинает работать в режиме супервизора. Из памяти загружаются начальные значения содержимого программного счетчика PC и указателя стека. Если в процессе дальнейшей работы потребуется перевод процессора в режим пользователя, то с помощью команды MOVE to SR в регистр SR загружается новое содержимое, в котором бит S=0. Обратный перевод в режим супервизора производится при обслуживании запросов прерывания или возникновении исключительных ситуаций, а также в процессе установки процессора в начальное состояние (повторный запуск) при поступлении внешнего сигнала сброса или команды RESET.

Регистры VBR, SFC, DFC доступны только в режиме супервизора. В 32-разрядный регистр VBR заносится базовый адрес таблицы векторов исключений. Загрузка этого регистра производится командой MOVEC. При обслуживании исключений формируемое процессором значение Av=4Ne является относительным адресом (смещением), определяющим положение выбираемого вектора в таблице, которая может быть размещена в любом месте адресного пространства. В 3-разрядные регистры SFC,DFC с помощью команды MOVEC заносится код адресного пространства, который поступает на выводы FC2-0 микроконтроллера при выполнении команды MOVES. Таким образом обеспечивается расширение адресного пространства с помощью организации виртуальной памяти

Форматы данных

Процессор выполняет обработку битов, байтов, 16-разрядных слов, 32-разрядных длинных слов и двоично-десятичных чисел (1 байт = 2 десятичных разряда). Обрабатываемые данные - операнды могут располагаться в регистрах (данных или адреса) или оперативной памяти. Для выборки слова (байты B1-0) или длинного слова (байты B3-0) команда задает адрес старшего байта N, четный или кратный четырем. При этом слова и длинные слова размещаются таким образом, что младшие байты (разряды D7-0 данных) располагаются в ячейках памяти с большими адресами: N+1 или N=3 (рис.3.3). Такое размещение байтов в памяти от старшего к младшему соответствует естественному порядку их написания слева - направо. Этот порядок адресации байтов называется в зарубежной литературе "big-endian". Он отличается от порядка "little-endian", принятого компанией INTEL и рядом других производителей, когда размещение слова начинается с младшего байта, адрес которого служит адресом слова.

МП МС86300 имеет возможность доступа в памяти к байту (8 бит), слову (16 бит) и длинному слову  (32 бита).  В отличие от МП фирмы Intel (8086, 80286, 80386, 80486) в МП 68300 приняты следующие соглашения:

      слова (длинные слова) могут размещаться только по четным адресам;

Страницы: 1, 2, 3