Лекции / ЛЕКЦИЯ22_09

22 ПОНЯТИЕ МИКРОПРОЦЕССОРА

(Сост. Никонов А.В.)

Микропроцессор – это устройство цифровой обработки информации, осу-

ществляемой по программе. По назначению он близок к процессору ЭВМ, однако обладает меньшими функциональными возможностями. Микропроцессор реализу-

ется в виде одной или нескольких микросхем высокой степени интеграции.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ. Микропроцессор применяется совместно с

электронными запоминающим устройством программ (3УП) и запоминающим устройством данных (ЗУД), а также с устройством ввода-вывода (УВВ).

По аналогии с ЭВМсистема, состоящая из микропроцессора и указанных устройств, получила название микроЭВМ или микропроцессорной системы(ри-

сунок 22.1).

Рисунок 22.1 – Функциональная схема микроЭВМ

Устройство ЗУ программ предназначено для хранения команд, составляю-

щих программу работы микропроцессора, и выполняется таким образом, что ин-

формация, записанная в нем, не теряется при перерывах в напряжении питания.

Устройство ЗУ данных используется для хранения данных, предназначен-

ных для обработки микропроцессором.

Устройство УВВ обеспечивает ввод данныхв ЗУД и их вывод к внешним

приборам и устройствам.

Собственно МИКРОПРОЦЕССОР состоит:

а) из схем, обеспечивающих выборку команд из ЗУП, их дешифрирование и выполнение;

б) арифметическо-логическое устройство (АЛУ), представляющее собой со-

вокупность схем, реализующих арифметические и логические операциинад

данными;

в) устройство управления, предназначенное для управления операциями и

имеющее связи с ЗУП, ЗУД, и УВВ;

д) различные регистры, служащие местом временного хранения и преобра-

зования данных и команд.

Блоки микропроцессорной системы связаны трактом передачи адресов для выборки микропроцессором команд из ЗУП и данных из ЗУД или УВВ,

а также трактом передачи команд из ЗУП в микропроцессор иданных из ЗУД или УВВ в микропроцессор и от него.

Оба тракта передачи информации состоят из некоторого количества проводни-

ков, каждый из которых может подключаться к соответствующим приемникам и источникам микропроцессорной системы, осуществляя многократное использо-

вание каждого проводника для создания связи между узлами блоков микропро-

цессорной системы.

Это достигается устройством управления микропроцессора, осуществляю-

щим разделение во времени соответствующих связей(мультиплексирование).

Тракт передачи информации можно сравнить с двусторонней транспортной магист-

ралью.

Система с микропроцессором оперирует информацией в двоичной системе счисления.

Каждый разряд двоичного числа называется битом. Таким образом, 1110 яв-

ляется 4-битовым двоичным число 110 – 3-битовым числом и т. д.

Крайний слева бит имеет наибольший вес в числе, в связи с чем он называ-

ется старшим битом (разрядом).

Крайний справа бит имеет наименьший вес в числе, поэтому его называют

младшим битом (разрядом). Обозначение битов 16-разрядного двоичного числа показано на рисунке 22.2.

Информация, которую обрабатывает микропроцессор, представляется группой битов, составляющих СЛОВО.

Рисунок 22.2 – Структура двоичного кода микропроцессорной системы

Количество битов в слове, несущем информацию о данных, зависит от ти-

па микропроцессора.

Наиболее распространены слова для передачи данных длиной в 4, 8, 12, 16 и 32 бит. Количеством битов в слове для передачи данных определяется, в частности,

число разрядов приемных регистров, входящих в сверхоперативную память мик-

ропроцессора.

Длина слова, предназначенного для передачи адресов(адресации) к ЗУП и ЗУД, может превышать длину слова для передачи данных(соответственно мо-

жет быть больше и число проводников в тракте передачи адресов).

Это позволяет существенно увеличить объем памяти ЗУП и ЗУД. Так, при 16-

битовом адресном слове (16 проводников в тракте передачи адресов) может быть опрошено 2n = 65536 ячеек ЗУ.

Биты, образующие слово, подразделяют на группы. Группа, состоящая из 8

бит, называется байтом (рисунок 22.2).

Деление слова на байты позволяет упростить представление двоичного сло-

ва, применив шестнадцатиричную форму записи (шестнадцатиричный код). Так двоичное число, представленное на рисунке 22.2, будет иметь в шестнадцатиричном коде запись в видеE57D16. Представление двоичного слова в шестнадцатиричном коде позволяет уменьшить вероятность появления ошибок при составлении -про граммы работы микропроцессора.

Функционирование всех узлов и блоковмикропроцессорной системы (см.

рисунок 22.1) инициируется генератором тактовых импульсов.

Для выполнения микропроцессором одной команды, хранящейся в ЗУП, тре-

буется несколько периодов тактовых импульсов.

Время выполнения команды называется КОМАНДНЫМ ЦИКЛОМ.

Командный цикл может составлять один или несколько машинных циклов.

За время исполнительного цикла микропроцессор осуществляетвыполне-

ние считанной команды.

Машинный цикл

t

тактовый сигнал

Рисуное 22.3 – Цикл работы микропроцессора

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА МИКРОПРОЦЕССОРА.

Микропроцессор представляет собой сложное цифровоеустройство, состоя-

щее из большого количества функциональных узлов.

Но независимо от типа микропроцессора можно выделить отдельные

функциональные узлы, составляющие основу его построения. Такие функцио-

нальные узлы представлены на структурной схеме, рисунок 22.4.

Шина адреса

Шина данных; Шина управления

Рисунок 22.4 – Обобщённая функциональная схема микропроцессора

А) Счетчик команд создаёт адрес (0, 1, 2, 3, ...) команды, выбираемой микро-

процессором из ЗУП в текущий момент времени.

Он представляет собой суммирующий счетчик, содержание которого увели-

чивается на единицу к концу выполнения текущей команды. Этим достигается вы-

бор адреса следующей команды из ЗУП.

Микропроцессор может работать с подпрограммами: в этом случае в счет-

чик команд принудительно записывается число, соответствующее адресу пер-

вой команды подпрограммы,

а к завершению последней команды в подпрограммесчетчик команд устанавли-

вается на адрес команды основной программы.

Количество ячеек (битов), из которых состоит счетчик команд, зависит от типа микропроцессора. Так, при 16-битовом счетчике команд микропроцессор имеет возможность обращаться к ЗУП, содержащему 216 адресов (команд).

Б) Регистр команд предназначен для хранения в микропроцессоре команды,

считанной из ЗУП, на период ее выполнения.

Выполнение команды осуществляется блоком управления(управление ма-

шинным циклом), который получает с выходов дешифратора необходимые сиг-

налы для приведения в действие требуемых узлов микропроцессора.

В) Формирователь адресов операндов состоит из одного или нескольких

регистров, в которых составляется адрес данных (операнда) перед обращением

к ЗУД.

Д) АЛУ – арифметическо-логическое устройство – осуществляет операции

сложения, вычитания, сравнения, а также операции И, ИЛИ над двумя числами

(операндами) с выдачей результата по одному выходу.

Вид операции задается командным кодом, содержащимся в регистре ко-

манд.

Е) Аккумулятор представляет собой основной регистр, предназначенный для ввода данных в микропроцессор и вывода их от него.

В аккумулятор поступает операнд из ЗУД перед проведением соответст-

вующей операции в АЛУ.

В аккумулятор вводится результат проведенной в АЛУ операции.

Ж) Регистры сверхоперативной памяти предназначены для временного хра-

нения данных перед проведением операций в АЛУ. Если, например, требуется провести операцию арифметического сложения двух чисел, то одно число предвари-

тельно хранится в аккумуляторе, а второе – в одном из регистров сверхоперативной памяти.

К началу выполнения программы микропроцессор должен находиться в и-с

ходном состоянии. С этой целью предусматривается подачасигнала «Установка

нуля», которым все регистры микропроцессора, в том числе счетчик команд,

устанавливаются в исходное нулевое состояние.

Регистр адреса команд(счетчик команд), устанавливается на соответст-

вующий адрес ЗУП. Старт-адрес первого слова команды обычно представляется

числом ноль.

Для иллюстрации процессов, протекающих в микропроцессоре. рассмотрим, как осуществля-

ется, например, команда передачи операнда из ЗУП в микропроцессор(его аккумулятор), чтобы в последующем подвергнуть этот операнд соответствующей операции.

В ЗУП хранятся коды операций, которые может выполнять микропроцессор, а также адреса операндов ЗУД. Команда передачи данных из ЗУД в аккумулятор микропроцессора состоит из трех байтов (рисунок 22.5).

Первый байт команды характеризует код операции, которую необходимо выполнить (в на-

шем случае 3A)16 - код команды "Загрузка аккумулятора" микропрецессора, LDA). Вторым и треть-

им байтами указывается соответственно 16-битовый адрес операнда, хранящийся в ЗУП.

Микропроцессор производит следующую последовательность операций при выполнении данной команды.

3A16

4C16

Первый байт: Код операции LDA

Второй байт

5F16

Третий байт

Адрес операнда

Рисунок 22.5 - Структура комманды "Загрузка аккумулятора"

Хранящийся в ЗУП байт команды садресом "0" по тракту передачи команд посылается о мик-

ропроцессор, где он принимается регистром команд. Код операции дешифрируется. С помощью устройства управления подготавливаются соответствующие цепи для осуществления операции.

Счетчик команд устанавливается на адрес"1" ЗУП (содержание счетчика команд увеличивается на единицу). Второй байт команды, хранящийся под адресом "1" в ЗУП (в нашем случае второй байт,

определяющий первую часть кода адреса операнда 4C16), посылается в блок формирования адреса операнда.

Счетчик команд переводится на адрес"2" команды ЗУП. Микропроцессор с адресом "2" выби-

рает третий байт команды из ЗУП (в нашем случае число 5F16, определяющее вторую часть полного адреса операнда) и посылает его в блок формирования адреса операнда. Следующий шаг работы