Микропроцессоры. Особенности архитектуры.

Микропроцессором (МП) называется функционально законченное устройство, представляющее собой вариант процессора современной ЭВМ и реализованное в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).

Микропроцессорный комплект (МПК) – это совокупность микропроцессорных и других интегральных микросхем, совместимых по архитектуре, конструктивному исполнению и электрическим параметрам и обеспечивающих возможность совместного применения.

Микроконтроллер – устройство логического управления, выполненное на основе одной или нескольких МП-БИС. Он может быть программируемым и непрограммируемым и обычно имеет специальный интерфейс, обеспечивающий связь с конкретным управляемым устройством.

Микро-ЭВМ – ЭВМ в состав которой входит МП, память, средства связи с пультом управления (ПУ), при необходимости – ПУ и источник питания, объединенные общей конструкцией.

Микропроцессорная система (МПС) – это любая вычислительная, контрольно-измерительная или управляющая система, в которой для обработки информации используется МП.

Архитектура МП – это общая логическая организация МП, определяющая процесс обработки данных в нем и включающая:

• методы кодирования данных;

• состав;

• назначение;

• принципы взаимодействия аппаратных средств и программного обеспечения (ПО).

Основные отличия МП от процессоров определяются интегральным исполнением:

• ограниченное число выводов микросхемы;

• ограниченное число элементов на кристалле;

• трудность организации большого числа внутрикристальных связей.

Типовая архитектура микропроцессорной системы

шина адреса (AB)

шина данных (DB)

CPU

ROM

RAM

In/Out

шина управления (CB)

рис.1. Типовая архитектура микропроцессорной системы

Разрядность двунаправленной шины данных – от 8 разрядов.

Разрядность шины адреса – от 16 разрядов.

CPU – центральное процессорное устройство. Обеспечивает выполнение всех операций в соответствии с заданным алгоритмом. Практически обеспечивает выполнение всего процесса функционирования системы.

ROM (ПЗУ) – постоянное запоминающее устройство.

RAM (ОЗУ) – оперативное запоминающее устройство.

In/Out - интерфейсы ввода-вывода (порты ввода-вывода). Обеспечивают связь системы с периферийными устройствами.

Кроме этого, в состав системы может входить контроллер прямого доступа к памяти для управления внешними запоминающими устройствами.

Однокристальные МП с малой разрядностью шин данных и адреса ориентированы на применение в устройствах цифровой автоматики, в управляющих блоках периферийных устройств ЭВМ.

МП с большой разрядностью шин обладают следующими достоинствами:

• большой объем адресуемой памяти;

• развитая система команд;

• разнообразные способы адресации:

• встроенные векторные системы прерываний;

• автоматическое обнаружение отказов питания.

Ниже на рисунке 2 представлена более подробно архитектура простейшей микропроцессорной системы.

ШД

D7 – D0

Управление прерываниями

BD

Управление последовательным в/в

P O R T

М

Е

М

Внутренняя шина данных

MX/DX

А

RI

TEM

0000 00

W Z

0001 01

B C

DCU

D E

ALU

RS

РОН

H L

SP

PC

I/D

RGA

CU

FFFF FF

ША

А15 … А0 А7 … А0 ШУ

рис.2. Архитектура простейшей МП-системы

ШД – 8-разрядная шина данных.

Внутренняя шина данных связывает между собой все блоки МП. Ее разрядность равна разрядности информационного слова.

ША – 16-разрядная шина адреса.

ШУ – шина управления.

МЕМ – память.

PORT – устройства ввода-вывода (порты).

Шина – группа линий передачи информации, объединенных одним общим функциональным признаком. МП имеет три шины. Совокупность шин образует магистраль.

РОН – регистры общего назначения. Служат для хранения операндов, промежуточных результатов, могут использоваться для хранения адресов памяти. РОН могут объединяться в пары для работы с 16-разрядными данными – BC, DE, HL. Все РОН программно доступны. Разрядность каждого РОН равна разрядности шины данных.

MX/DX- мультиплексор-демультиплексор. Обеспечивает передачу данных с внутренней шины данных в блок РОН.

W,Z – регистры временного хранения. Служат для временного хранения второго и третьего байта кода команды. Регистры программно недоступны.

SP – 16-разрядный регистр-указатель стека. В нем хранится адрес последней занятой ячейки стека (вершины стека). При записи данных содержимое регистра увеличивается на 1, а при чтении – уменьшается на 1. Стек реализуется в основной памяти с дисциплиной LIFО.

РС – 16- разрядный счетчик команд (программный счетчик). Используется для приема и хранения текущего адреса команды. При выборке каждого байта команды содержимое программного счетчика автоматически увеличивается на 1, при этом первый байт всегда передается в регистр команд RI.

I/D – схема инкремена-декремента. Позволяет автоматически увеличить или уменьшить на 1 содержимое регистра адреса и совместить во времени модификацию адреса и выполнение операции в АЛУ.

RGA – буферный регистр адреса. Служит для приема и хранения адресной части команды. Разрядность регистра равна разрядности шины адреса.

BD – буферный регистр данных. Используется для временного хранения выбранного из памяти слова перед его передачей на внутреннюю шину данных или для временного хранения результата перед его выдачей во внешнюю шину данных.

RI – регистр команд. Принимает и хранит код очередной команды, адрес которой хранится в программном счетчике.

DCU – дешифратор кода команды.

ALU – 8-разрядное арифметико-логическое устройство. Предназначено для выполнения арифметических и логических операций.

А – регистр-аккумулятор или просто аккумулятор. Предназначен для временного хранения операнда или промежуточного результата. При выполнении операции с двумя операндами в А хранится один из операндов, а после выполнения операции – результат. Разрядность А равна разрядности информационного слова.

ТЕМ – регистр временного хранения. Предназначен для временного хранения одного из операндов перед выполнением операции в АЛУ.

CU – устройство управления. Вырабатывает последовательность управляющих сигналов, обеспечивающих выполнение микрооперации, расшифрованной по коду операции.

RS – регистр признаков или регистр флагов. В нем формируются признаки результата операции, выполненной в АЛУ. Регистр 8-разрядный, формирует 5 признаков (флагов).

7 6 5 4 3 2 1 0

S

Z

AC AAC

P

C

0 0 1

S - знак результата.

S = 1 – результат отрицательный; S = 0 – результат положительный.

Z – признак нулевого результата.

Z = 1 – результат равен нулю; Z =0 – результат ненулевой.

АС – признак полупереноса или вспомогательный перенос. Фиксирует при сложении перенос из младшей тетрады в старшую.

АС = 1, если перенос был; АС = 0, если переноса не было.

Р – признак четности или паритет. Определяет, четное или нечетное число единиц в результате.

Р = 1, если число единиц в результате четное; Р = 0, если число единиц в результате нечетное.

С – признак переноса. Фиксирует перенос из старшего разряда.

С = 1, если перенос был; С = 0, если переноса не было.

Функционирование МП происходит следующим образом.

1. Вся информация (программа, исходные данные, результаты) размещается в памяти (ОЗУ или ПЗУ).

2. Информация поступает в МП по шине данных.

3. Каждое внешнее или внутреннее устройство имеет адрес или диапазон адресов.

4. При обращении к конкретному устройству МП выставляет на ША адрес этого устройства, а на ШУ – признак обращения к этому устройству и обеспечивает выдачу информации на ШД.

Выполняя программу, МП обрабатывает команду за командой последовательно.

Алгоритм выполнения команды выглядит следующим образом.

начало

А

В