6.1. Функциональная организация мпс

Пользователь систем контроля и управления» воспринимает МП как целое, имеющее потребительские свойства продукции, заложенные в его архитектуре. Архитектура определяет состав, назначение, связи между отдельными элементами и порядок их взаимодействия, т. е. это система. Понятие «архитектура» вклю­чает весь комплекс аппаратных и программных средств устройст­ва, с помощью которых выполняются задания пользователей.

К основным подсистемам МПС следует отнести арифметиче- ско-логическое устройство (АЛУ), УВВ, ЗУ и управляющее уст­ройство (УУ). УВВ состоит из устройства ввода (Увв) и устройст­ва вывода (Увыв). Совокупность АЛУ и УУ в обычных ЭВМ на­зывают центральным процессором (ЦП), а в микропроцессорной технике — микропроцессором (рис. 6.1). Сплошными линиями на рис. 6.1 обозначены направления передачи информационных сиг­налов, штриховыми — линии передачи управляющих сигналов.

Функционирование ЭВМ определяется списком команд (про­граммой), размещенных в памяти компьютера постоянно или временно. Согласно этой программе, поступающая информация (данные) перерабатываются в ЦП. Устройство управления деко-

цп(мп) увв

Рис. 6.1. Схема основных подсистем МПС

дирует записанные в программе команды и генерирует сигналы, необходимые для функционирования всей системы. АЛУ выпол­няет предписанные УУ арифметические и логические операции над информацией, поступающей из ЗУ и УВВ.

ЗУ — устройство памяти, обеспечивает хранение программ данных, закодированных в двоичном формате. ЗУ, входящее в состав МП, является электронным устройством, состоящим из элементов (ячеек) памяти. Каждой ячейке присваивается номер, который называется адресом. Устройства ввода-вывода реализуют связь с внешними (периферийными) устройствами.

Информация в МП вводится и хранится по принципу «высо­кий уровень — низкий уровень» потенциала, что соответствует 1 или 0 в двоичной 9истеме счисления. Эта форма представления информации (программы) называется машинным кодом. Один разряд двоичного числа называется битом — это минимальное количество информации. Запись десятичных цифр и алфавитных символов машинным кодом называется кодированием.

Базовой логической единицей информации в МП является слово — это совокупность двоичных цифр, обрабатываемых одно­временно. Число двоичных цифр, составляющих слово, определя­ется длиной слова. Длина слова характеризует количество кодо­вых комбинаций и число адресов, к которым может обращаться УУ. Слово длиною 8 бит называется байтом. Общее число ячеек в ЗУ определяет емкость памяти.

Организация связи в МПС

В МПС организация связи элементов внутри устройств и меж­ду устройствами осуществляется двумя способами: с помощью произвольных связей — по принципу «каждый с каждым» и маги­стральным способом — с минимальным количеством связей между блоками. В МПС выделяют нижеследующие магистрали: шина данных (ШД), шина адресная (ША) и шина управления (ШУ).

15*

227

Шина данных — система линий передачи данных внутри МП и вне его.

Шина адресная — система линий передачи адресов.

Шина управления — система передачи сигналов управления.

Конструктивно шины — это проводники или кабели, выпол­ненные печатным способом.

ША обеспечивает возможность УУ выбирать любое слово в ЗУ или в УВВ. Выбор осуществляется соответствующей комбина­цией единиц и нулей (машинным кодом) на ША. Она является однонаправленной, так как информация по ней поступает в од­ном направлении, т. е. в ЗУ или в УВВ.

ШД обеспечивает передачу информации из устройства ввода в память или АЛУ и в обратном направлении, т. е. является дву­направленной. Направление передачи информации определяется сигналами, пульсирующими по ШУ. По сигналу «чтение» осуще­ствляется прием информации ЦП из устройства памяти или вво­да, а по сигналу «запись» информация передается в обратном rta- правлении. Пересылка информации внутри ЦП осуществляется по информационным шинам, по печатным проводникам, число которых должно быть не меньше числа разрядов в машинном слове. Регистры соединяются с шинами через управляемые вен­тили. Подключение регистров к шинам или их отключение осу­ществляется вентилями по сигналам управления. Синхронизация сигналов основана на совпадении сигнала управления с периоди­ческим сигналом на шине, который также вырабатывается УУ.

Центральный процессор (ЦП)

Общим условием функционирования процессоров является выполнение функций обработки, хранения, обмена и управления этими процессами над тремя видами информации: данными, ко­мандами и адресами. Первые две функции — основные, а по­следняя — обеспечивающая.

Обработку информации можно представить рядом функций: логической, арифметической и специальной (усиление, преобра­зование кодов, шифрация — дешифрация и т. д.).

Функцию хранения можно представить в виде совокупности функций оперативного и сверхоперативного хранения исходной, промежуточной и конечной информации, а также функцией дол­говременного хранения с возможностью обновления информа­ции.

Функция обмена осуществляет обмен информацией как внут­ри процессора, так и с внешними устройствами.

Все операции, реализуемые в МПС, инициируются ЦП, кото­рый представляет собой набор различных регистров, т. е. ячеек памяти емкостью в одно слово. В памяти могут находиться ко­манды, подлежащие выполнению МП, и исходные данные (опе­ранды), подлежащие обработке. Распределение команд от данных осуществляется ЦП: команды направляются в регистр команд, а данные — в регистр данных. Регистр команд функционально вхо­дит в состав УУ, а регистр данных — в АЛУ. Устройство управле­ния непрерывно работает в циклическом режиме. Циклическая последовательность действий МП включает:

• фазу выборки (извлечения) из памяти первого слова ко­манды (кода операции) и запись этого слова (текущей команды) в регистр команд. Декодирование содержимого регистра команд формирует алгоритм поведения процесса при выполнении ко­манды;

• фазу исполнения, в которой производится определение формата и типа команды, формирование адресов и вызовов опе­рандов, выполнение операции и запись результата.

В современных МП выполнение этих фаз совмещено во вре­мени.

Назначение регистра команд — сохранить текущую команду, согласно которой процессор функционирует в данный момент. Декодирование команд осуществляется дешифратором команд. Адрес следующей команды формируется программным счетчиком с помощью инкрементного устройства, входящего в состав УУ. Программист может задавать порядок выполнения команд путем их соответствующего размещения в программе и в памяти.

АЛУ — это сложная двухвходовая комбинационная схема, ко­торая с помощью сигналов от УУ настраивается на выполнение определенной операции. АЛУ может одновременно осуществить операции над двумя операндами. Один из операндов извлекается командой из памяти, другой находится в аккумуляторе. Аккуму­лятор — специальный регистр МП, который при выполнении арифметических и логических операций служит источником од­ного из операндов и местом запоминания результатов выполне­ния операции.

АЛУ выполняет простейшие операции: сложение, вычитание, логические операции И и ИЛИ, сдвиг. Сдвиг двоичного числа на одну позицию влево приводит к его удвоению, сдвиг на одну по­зицию вправо делит его пополам. Операция сдвига используется при выполнении умножения и деления.

Запоминающее устройство

Различают основную (внутреннюю) и внешнюю память. ЗУ основной памяти подключаются непосредственно к ША и ШД, а ЗУ внешней памяти подключены к ЦП, но только через УВВ.

По способу обращения к памяти различают ЗУ с произволь­ным обращением и последовательным обращением. Время счи­тывания из ячейки ЗУ с произвольным обращением не зависит от ее адреса, а адрес ячеек можно определить в любом порядке. При произвольном доступе (по порядку адресов) можно считы­вать информацию в любой последовательности.

ЗУ в произвольном обращении подразделяются на оператив­ные (ОЗУ) и постоянные (ПЗУ). В ПЗУ хранятся программы, которые остаются неизменными. ПЗУ является неразрушаемой памятью, так как при отключении питания не разрушается (дис­ки, кассеты). МП только считывает команды из ПЗУ и организу­ет их выполнение. Программа управления технологическим про­цессом после отладки заносится в ПЗУ и не допускает случайно­го или умышленного изменения информации.