2. Структура мпс

Центральне місце в МПС займає процесор, під керуванням якого крок за кроком виконуються команди програми, що входять до системи команд даного МП. МП можна спрощено зобразити трьома частинами за функціональним призначенням (рис. 2). У блоці керування відбувається вибірка чергової команди із ЗП програм і залежно від коду команди, а також сигналів з інших блоків виробляються сигнали, які керують процесом обробки інформації і потоками даних у МПС (лінії керування на рис. 2 не показано). Операційний блок являє собою арифметико-логічний пристрій (АЛП), в якому виконуються арифметичні і логічні операції. Для таких операцій, а також дій, пов’язаних із переміщенням даних, приступними є операнди (числа, над якими виконуються операції), що перебувають у блоці регістрів, які через це називаються робочими. Позаяк перед виконанням операції не потрібно переміщувати записані до робочих регістрів дані, така пам'ять вважається надоперативною. У блоці регістрів може зберігатися також частина проміжних даних, зокрема, результати виконання операцій. Проте для зберігання значного масиву тимчасових даних, необхідних для виконання програми, у більшості МПС додатково передбачено ОЗП даних (зокрема, поза межами МП).

Рис. 2. Структура МПС гарвардської архітектури

Пристрої пам'яті в МПС застосовуються двох типів: якщо по вимкненні джерела живлення інформація в ЗП зберігається, така пам'ять є енергонезалежною, а якщо інформація втрачається, пам'ять є енергозалежною. Через те, що в ЗП програм зберігаються програми й фіксовані дані, наприклад, таблиці констант, які не змінюються під час роботи пристрою, цей тип ЗП має бути енергонезалежним, типу ПЗП. Оскільки у блоці регістрів і ОЗП даних оперативна інформація втрачається по вимкненні джерела живлення, для довгочасного зберігання даних, які можуть змінюватися в процесі функціонування готової системи, у ряді МПС вбудовуються модулі репрограмовної ПЗП даних.

МП має безпосередній зв'язок із ЗП програм і блоком регістрів та ОЗП даних, а доступ до ПВВ, ПЗП даних та інших модулів МПС здійснюється через спеціальні регістри, які в МК AVR називаються регістрами введення-виведення (РВВ) і, отже, виконують функції цифрового інтерфейсу. Як відомо, інтерфейс – це сукупність апаратних і програмних засобів, що забезпечують обмін інформацією між модулями системи. Завдяки інтерфейсним модулям (таким як таймери/лічиль-ники, послідовний інтерфейс тощо) функції керування реалізуються в МПС програмно-апаратно: програмна частина функцій керування здійснюється в МП, а апаратна – в інтерфейсних модулях. Після налаштування цих модулів на певний режим роботи в них по сигналах від МП виконуються свої операції паралельно з виконанням програми процесором, отже, деякою мірою відтворюються квазіпаралельні процеси обробки інформації. Крім підвищення швидкодії це сприяє також гнучкості організації роботи МПС.

Таким чином, МПС складаються з окремих функціонально завершених модулів (блоків), з’єднаних між собою магістралями (шинами), тобто виконуються за магістрально-модульною структурою. У такій структурі під дією сигналів керу­вання, що надходять з МП, у потрібний момент часу один з модулів може переда­вати ін­формацію в магістраль і один її приймати, бо всі інші модулі, з’єднані з шиною, перебувають у високоімпедансному стані, отже, відключені від неї. Крім спрощення міжз'єднань магі­стрально-модульна структура відрізняється гнучкістю побудови системи: скоро­ченням або нарощуванням номенклатури модулів можна змінювати складність МПС.

МП розрізняють за типами архітектури, під якою розуміють структурну схему, зв'язки та взаємодію між її складовими частинами, включаючи способи адресації і систему команд. Залежно від організації адресного простору програм і даних архітектуру поділяють на два основних типи. За Фоннейманівською архітектурою (по імені математика США Джо фон Неймана) програма і дані розміщуються в спільному адресному просторі пам'яті, отже, доступ до команд і даних здійснюється по черзі, послідовно в часі. Відповідно до Гарвардської архітектури (впроваджена в лабораторії Гарвардського університету США) адресний простір пам'яті програм і пам'яті даних розділено, тому звертання до цих областей пам'яті здійснюється окремими адресними шинами та використовуються також окремі шини для передавання команд і даних (див. рис. 2). Така архітектура дозволяє МП працювати одночасно як із пам'яттю програм, так і з пам'яттю даних, що суттєво підвищує продуктивність МПС.

За іншим критерієм архітектуру розрізняють залежно від способу організації системи команд: МП з CISC архітектурою (Complex Instruction Set Computer – МП із повним набором команд) і МП з RІSC архітектурою (Reduced Instruction Set Computer – МП із скороченим набором команд). Аби розширити набір команд і мати можливість оперувати з усіма присутніми в системі ресурсами, у команді необхідно приділити достатньо місця для коду операції та адрес операндів, що збільшує довжину команди. Через це в CISC МП витрачається багато часу на вибірку та виконання команди, отже, знижується швидкодія. Використання компактного формату команди сприяє підвищенню швидкодії внаслідок пришвидшення вибірки команди та швидкого доступу до операндів. Саме вкорочення коду операції та адрес операндів в RІSC МП обмежує можливий набір команд і ресурс даних, до якого можна звернутися. Компроміс між цими двома концепціями досягнуто в RІSC МК AVR збільшенням слова команди до двох байт. Це дозволяє сформувати широкий набір різних команд і в більшості випадків поєднати код операції та адреси операндів в одному слові команди, що збільшує продуктивність, яка майже в 10 разів вище, ніж у СISC МП. Через те, що більшість команд виконується протягом одного такту, продуктивність сягає значення 1 MIPS (мільйон операцій в секунду) на кожний мегагерц тактової частоти (наприклад, 10 MIPS на частоті 10 МГц). У ЗП програм зберігаються програми й фіксовані дані, наприклад, константи, тому цей тип ЗП має бути енергонезалежним (типу ПЗП), в якому по вимкненні джерела живлення інформація не втрачається. ЗП даних призначений для зберігання оперативної інформації (вхідних даних, що підлягають обробці, проміжних і остаточних результатів обчислень і т. ін.) і є енергозалежним (типу ОЗП). Через це інформація в ньому втрачається під час вимкнення джерела живлення і її треба завантажувати по ввімкненні живлення.

ПВВ є спеціалізовані інтерфейсні ВІС, призначені для введення даних від зовнішніх пристроїв у МП або ЗП та, навпаки, для виведення даних від МП або ЗП у зовнішні пристрої. Інтерфейс – це сукупність апаратних і програмних засобів, що уніфікують обмін інформацією між модулями системи. Інтерфейсні ПВВ називають також адаптерами, вони приводять до стандартного вигляду, що сприймається даним МП, сигнали, формати слів, швидкість передачі і т. ін.

Крім ПВВ до МПС можуть входити і складніші блоки керування зовнішніми пристроями, що називаються контролерами. До таких інтерфейсних ВІС належать контролери переривань, прямого доступу до пам'яті, клавіатури, дисплея та ін. Для спряження з аналоговими пристроями застосовують модулі аналогових компараторів і аналого-цифрових перетворювачів. Запроваджують також лічильники-таймери (з метою визначення часових інтервалів і виконання операцій, пов’язаних із часом) та інші модулі.

Функціонування МПС полягає в послідовному виконанні команд, одна за одною, отже, і програми в цілому. Виконання кожної команди починається з її вибірки: по сигналу з БК чергова команда вибирається із ЗП програм, надходить в БК і розшифровується – визначається, яку операцію слід виконати і де перебувають дані для її виконання. По результатах дешифрування в ПК виробляються керувальні сигнали, за якими ОБ налаштовується на виконання операції, наприклад, підсумовування (стає багаторозрядним суматором), до його входів подаються дані з регістрів у складі БО або із ЗП даних чи ПВВ, а результат записується знов до одного з регістрів. Відтак аналогічним чином виконується наступна команда і т. д. до останньої команди програми та результат записується в ЗП даних або виводиться через ПВВ, наприклад, до пристрою відображення інформації.