2.2. Типовая структурная схема цифровой мпс

Типовая структурная схема цифровой МПС представлена на рис. 2.1.

Центральное устройство обработки, или процессор, является ядром всей системы. Процессор включает управляющее устройство (УУ), которое координирует действия других элементов в компьютере; арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое является цифровой логической схемой, выполняющей действия над данными как задано управляющим устройством; комплект регистров, которые являются высокоскоростными ячейками хранения использованными, чтобы временно хранить данные, адреса, и другую информацию в пределах процессора. АЛУ, регистры, память и устройства ввода/вывода создают информационный канал МПС.

Каждое АЛУ имеет определенный набор типов данных, которыми оно может манипулировать, и набор операций, которые оно может выполнять над этими данными. Большинство АЛУ поддерживают операции с двоичными целыми числами различных размеров. Некоторые также включают операции, чтобы манипулировать недвоичными числами и числами с плавающей точкой, а также различными нечисловыми данными.

Рис. 2.1. Структурная схема микропроцессорной системы

Типичные операции АЛУ включают

• арифметические: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение;

• логические: И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, инверсия, проверка битов;

• сдвиг и циклическое перемещение битов данных.

Управляющее устройство процессора выполняет выборку команд программы из памяти, декодирует команды и выполняет их, формируя управляющие сигналы. Управляющее устройство координирует все действия АЛУ, памяти и устройств ввода/вывода, непрерывно циклически выполняя ряд операций, которые заставляют команды выбираться из памяти и выполняться. Эта последовательность операций называется циклом команды.

Цикл команды включает пять основных шагов:

1.Команда выбирается из памяти в управляющее устройство процессора и помещается в регистр команды. Местоположение команды в памяти, ее адрес, определяется содержимым специального регистра, который называется программным счетчиком. Содержимое программного счетчика автоматически изменяется после выборки команды, указывая на адрес следующей команды.

2. Управляющее устройство декодирует команду, то есть определяет из кода команды, какие операции нужно выполнить.

3. Данные, участвующие в операции (они называются операнды), считываются из портов ввода, извлекаются из памяти или доступных регистров хранения, указанных в команде.

4. Выполняется операция над выбранными операндами.

5. Результат записывается в регистр, ячейку памяти или порт вывода.

2.3. Структурные схемы систем с Фон Неймановской и Гарвардской архитектурой

Программные инструкции (команды) и данные хранятся и извлекаются из памяти МПС. Если одна и та же память используется для команд и данных, говорят, что МПС имеет Фон Неймановскую архитектуру, в честь Джона Фон Неймана, имя которого связывается с появлением первого компьютера, хранившего программу. Большинство универсальных МПС имеет такую архитектуру. МПС, которая использует одну память для команд и отдельную память для данных, имеет Гарвардскую архитектуру. Многие микроконтроллеры входят в эту категорию. Кроме того, многие быстродействующие процессоры используют такую архитектуру, так как в этом случае команда и данные могут быть доступными параллельно. Структурные схемы систем с Фон Неймановской и Гарвардской архитектурой представлены на рис. 2.2.

Рис. 2.2.Структура систем с архитектурой: а) Фон Неймановской, б) Гарвардской

Под архитектурой микропроцессора понимают принцип его внутренней организации, общую структуру, конкретную логическую структуру отдельных устройств, совокупность команд и взаимодействие между аппаратной частью (устройствами, входящими в состав микропроцессора) и программами обработки информации системой, выполненной на основе микропроцессора. Иначе говоря, архитектуру микропроцессора определяют как совокупность его свойств и характеристик, рассматриваемую с позиции пользователя.

Рассмотрим кратко назначение и структуру других частей системы. Более подробно они будут рассмотрены в отдельных лекциях.

Основная память системы (внешняя по отношению к процессору) состоит из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) и оперативного запоминающего устройства (ОЗУ).

Постоянное запоминающее устройство – это устройство, в котором хранится программа (и при необходимости совокупность констант), и доступ к нему возможен только для чтения данных. При выключении питания информация в ПЗУ сохраняется.

Содержимое ПЗУ не может быть стерто. Оно используется как память программы, составленной заранее изготовителем в соответствии с требованиями ее пользователей. В таких случаях говорят, что программа жестко «зашита» в запоминающем устройстве. Чтобы осуществить иную программу, необходимо применить другое ПЗУ или его часть. Из ПЗУ можно только выбирать хранимые там слова, но нельзя вносить новые, стирать и заменять записанные слова другими. Оно подобно напечатанной таблице: можно лишь считывать имеющиеся там числа, но заменять их или вносить новые невозможно. Помимо ПЗУ используются также ППЗУ и РППЗУ. Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) отличается от ПЗУ тем, что пользователь может самостоятельно запрограммировать ПЗУ (ввести в него программу) с помощью специального устройства – программатора, но только один раз (после введения программы содержимое памяти уже нельзя изменить).

Репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (РППЗУ), называемое также стираемым ПЗУ, имеет такую особенность: хранимая информация может стираться несколько раз (при этом она разрушается). Иначе говоря, РППЗУ допускает перепрограммирование, осуществляемое с помощью программатора. Это облегчает исправление обнаруженных ошибок и позволяет изменять содержимое памяти.

Оперативное запоминающее устройство – это память доступная как для чтения так и для записи информации. При выключении электропитания такой памяти информация в ней разрушается.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое иначе называют запоминающим устройством с произвольной выборкой (ЗУПВ) или произвольным доступом (ЗУПД), служит памятью данных, подлежащих обработке, и результатов вычислений, а также программ, которые часто меняются.

Память (как ПЗУ так и ОЗУ) построены как массивы однородных запоминающих ячеек. Запоминающая ячейка – минимальный доступный элемент памяти – представляет собой многоразрядный регистр (чаще всего 8 разрядный) в котором хранится число в двоичном коде. Все ячейки памяти пронумерованы, чтобы можно было обратиться к каждой из них отдельно.

Уникальный (единственный) номер ячейки памяти называется ее адресом.

Емкостью адресуемой памяти называется наибольшее количество ячеек памяти, которое может быть обслужено данным процессором, и этот объем определяется разрядностью адресной шины. Характерное свойство памяти заключается в том, что время, требуемое для доступа к любой из ячеек памяти, не зависит от адреса этой ячейки.

ОЗУ допускает как запись, так и считывание слов. По отношению к этому запоминающему устройству приемлема аналогия с классной доской, на которой мелом записаны числа: их можно многократно считывать, не разрушая, а при необходимости – стереть число и записать на освободившемся месте новое. Следует иметь в виду, что информация, содержащаяся в ОЗУ, исчезает, стирается, если прерывается напряжение питания.