ЛЕКЦИЯ 7

Архитектура и структура микропроцессоров и микроконтроллеров

Вопросы лекции:

1. Микропроцессорные комплекты БИС/СБИС.

2. Архитектуры микропроцессоров.

3. Структура микроконтроллеров.

Литература основная:

Литература дополнительная:

1. Микропроцессорные системы: Учебное пособие для вузов / Александров Е.К., Грушвицкий Р.И., Куприянов М.С. и др.; Под общ. ред . Пузанкова Д.В. – СПб.: Политехника, 2002. – 935 с.: ил.

1. Микропроцессорные комплекты бис/сбис

Микропроцессором (МП) называют построенное на одной или нескольких БИС/СБИС программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки информации и управление им.

МП – центральный процессорный элемент микропроцессорной системы (МПС или микро-ЭВМ), в которую также входят память и устройства ввода/вывода (внешние устройства).

Решаемая задача определяется реализуемой программой, структура микропроцессорной системы остается неизменной, что и определяет ее универсальность.

Совокупность больших/сверхбольших интегральных схем (БИС/СБИС), пригодных для совместного применения в составе микро-ЭВМ, называют микропроцессорным комплектом БИС/СБИС (МПК).

Понятие МПК задает номенклатуру микросхем с точки зрения возможностей их совместного применения (совместимость по архитектуре, электрическим параметрам, конструктивным признакам и др.). В состав МПК могут входить микросхемы различных серий и схемотехнологических типов при условии их совместимости.

2. Архитектуры микропроцессоров

Архитектурой процессора называется комплекс его аппаратных и программных средств, предоставляемых пользователю. В это общее понятие входит набор программно-доступных регистров и исполнительных (операционных) устройств, система основных команд и способов адресации, объем и структура адресуемой памяти, виды и способы обработки прерываний.

Например, все модификации процессоров Pentium, Celeron, i486 и i386 имеют архитектуру IA-32 (Intel Architecture - 32 bit), которая характеризуется стандартным набором регистров, предоставляемых пользователю, общей системой основных команд и способов организации и адресации памяти, одинаковой реализацией защиты памяти и обслуживания прерываний.

При описании архитектуры и функционирования процессора обычно используется его представление в виде совокупности программно-доступных регистров, образующих регистровую или программную модель. В этих регистрах содержатся обрабатываемые данные (операнды) и управляющая информация. Соответственно, в регистровую модель входит группа регистров общего назначения, служащих для хранения операндов, и группа служебных регистров, обеспечивающих управление выполнением программы и режимом работы процессора, организацию обращения к памяти (защита памяти, сегментная и страничная организация и др.).

Регистры общего назначения образуют РЗУ - внутреннюю регистровую память процессора. Состав и количество служебных регистров определяется архитектурой микропроцессора. Обычно в их состав входят:

• программный счетчик PC (или CS + IP в архитектуре микропроцессоров Intel);

• регистр состояния SR (или EFLAGS);

• регистры управления режимом работы процессора CR (Control Register);

• регистры, реализующие сегментную и страничную организацию памяти;

• регистры, обеспечивающие отладку программ и тестирование процессора.

Кроме того, различные модели микропроцессоров содержат ряд других специализированных регистров.

Функционирование процессора представляется в виде реализации регистровых пересылок - процедур изменения состояния этих регистров путем чтения-записи их содержимого. В результате таких пересылок обеспечивается адресация и выбор команд и операндов, хранение и пересылка результатов, изменение последовательности команд и режимов функционирования процессора в соответствии с поступлением нового содержимого в служебные регистры, а также все другие процедуры, реализующие процесс обработки информации согласно заданным условиям.

В ряде процессоров выделяются регистры, которые используются при выполнении прикладных программ и доступны каждому пользователю, и регистры, которые управляют режимом работы всей системы и доступны только для привилегированных программ, входящих в состав операционной системы (супервизора). Соответственно, такие процессоры представляются в виде регистровой модели пользователя, в которую входят регистры, используемые при выполнении прикладных программ, или регистровой модели супервизора, которая содержит весь набор программно-доступных регистров процессора, используемых операционной системой.

Структура микропроцессора определяет состав и взаимодействие основных устройств и блоков, размещенных на его кристалле. В эту структуру входят:

• центральный процессор (процессорное ядро), состоящее из устройства управления (УУ), одного или нескольких операционных устройств (ОУ);

• внутренняя память (РЗУ, кэш-память, блоки оперативной и постоянной памяти);

• интерфейсный блок, обеспечивающий выход на системную шину и обмен данными с внешними устройствами через параллельные или последовательные порты ввода/вывода;

• периферийные устройства (таймерные модули, аналого-цифровые преобразователи, специализированные контроллеры);

• различные вспомогательные схемы (генератор тактовых импульсов, схемы для выполнения отладки и тестирования, сторожевой таймер и ряд других).

Состав устройств и блоков, входящих в структуру микропроцессора, и реализуемые механизмы их взаимодействия определяются функциональным назначением и областью применения микропроцессора.

Архитектура и структура микропроцессора тесно взаимосвязаны. Реализация тех или иных архитектурных особенностей требует введения в структуру микропроцессора необходимых аппаратных средств (устройств и блоков) и обеспечения соответствующих механизмов их совместного функционирования.