Микропроцессоры Токхайм / 4.4. СТРУКТУРА ЭЛЕМЕНТАРНОГО МИКРОПРОЦЕССОРА

4.4. СТРУКТУРА ЭЛЕМЕНТАРНОГО МИКРОПРОЦЕССОРА

Основным устройством всех информационных систем является центральный процессор (ЦП). Из многочислен­ных ИС роль ЦП систем выполняют микропроцессоры. Обычно в технологии микроинформационной техники про­граммную память, память данных, интерфейс ввода-вы­вода, дешифратор адресов выполняют на различных ИС, как это показано на рис. 4.1.

Центральным устройством системы является микропро-цессор, который содержит обычно элементы размещения данных, называемые регистрами, и устройство счета, на­зываемое арифметико-логическим устройством (АЛУ). Центральное устройство содержит также цепь декодиро­вания команд и секцию управления и синхронизации. Оно снабжено также необходимыми соединениями с устройст­вом ввода/вывода.

Основными функциями центрального устройства микро-ЭВМ являются следующие:

1) извлечение, декодирование и выполнение команд программы в указанном порядке;

2) передача данных из памяти и в память и из УВВ и в УВВ;

3) ответы на внешние прерывания;

4) установка общей синхронизации и сигналов управления для всей системы.

Большинство центральных устройств содержит по мень­шей мере элементы, схематически представленные на рис. 4.7.

Наиболее важные секции содержат различные регистры, АЛУ, дешифратор команд, устройства управления и синхронизации, а также УВВ. В настоящее время большин­ство микропроцессоров содержат множество дополнитель­ных специальных регистров (на рис. 4.7 не показаны).

Арифметико-логическое устройство ЦП выполняет та­кие операции, как сложение, сдвиг/перестановка, сравне­ние, инкремент, декремент, отрицание, И, ИЛИ, ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ, дополнение, сброс, инициализация.

Если АЛУ должно выполнить операцию сложения посред­ством команды ADD, процедура могла бы быть аналогич­ной представленной на рис. 4.8, а. Здесь содержимое ак­кумулятора ОАН складывается с содержимым регистра временного хранения данных 05Н. Сумма OFH помещена В аккумулятор.

На рис. 4.8,б приведены основные функциональные элементы типового АЛУ. Оно содержит сумматор и уст­ройство сдвига, а результаты пересылаются в аккумулятор

посредством внутренней шины данных. Регистр состояния слова в АЛУ является устройством чрезвычайно важным (его называют иногда регистром кода условий или инди­катором)¹. Этот регистр состоит из группы триггеров, ко­торые могут быть установлены или сброшены исходя из результатов последней операции, выполненной АЛУ. Эти триггеры или индикаторы содержат указатели нуля, отри­цательного результата, переноса и т. д. Индикаторы ис­пользуются для принятия решений, когда вводятся коман­ды ветвлений. Аккумулятор обычно используется в ходе большинства операций, выполняемых центральным уст­ройством, например, передачи данных.

Устройство управления и синхронизации (см. рис. 4.7)

является наиболее сложным в центральном процессоре. Оно влияет на все события и управляет их протеканием внутри центрального устройства и во всей микро-ЭВМ. Мы упоминали в предыдущей главе, что каждая команда про­граммы может быть разделена на этапы извлечения и вы­полнения. Каждый из них в свою очередь может быть раз­делен на элементарные микропрограммы. Микропрограммы каждой команды находятся в секции декодирования и вы­полняются блоком управления и синхронизации централь­ного устройства.

Шестнадцатиразрядный регистр, называемый счетчи­ком команд, представлен на рис. 4.7 как элемент, состав­ляющий часть центрального устройства. Этот регистр слу­жит для хранения адреса следующей команды, чтобы из­влечь ее из памяти. Так как команды выполняются последовательно, счетчик команд считает прямым счетом, если только нет контрпорядка. Большая часть выпускае­мых микропроцессоров имеет 16-разрядный счетчик ко­манд, который может адресовать 64 К слов памяти посред­ством адресной шины. Нормальная последовательность выполнения команд программы может быть изменена спе­циальными командами ветвления, вызова подпрограмм, возврата из подпрограмм или прерывания. Эти команды повлекут переход содержимого счетчика команд на дру­гую величину, отличную от следующего старшего адреса. Чтобы вернуть программу в исходное состояние после по­следовательности ее запуска, оператор должен восстановить в счетчике команд номер первой команды программы.

Последовательность извлечение-декодирование-выпол­нение команд является основой функционирования вычис­лительной машины. Первая команда, извлеченная из па­мяти программы, определяет код операции первой коман­ды и помещается в регистр команд устройством управления центральным процессором. Код операции истолковывает­ся дешифратором команд, который указывает затем про­цессору процедуру управления и синхронизации, которой должна следовать программа для выполнения заданной команды.

Центральное устройство, показанное на рис. 4.7, явля­ется элементарным. Большая часть центральных устройств МП содержит, по меньшей мере, несколько дополнитель­ных регистров (8 и 16 бит). Существуют очень большие различия в количестве и типе регистров в зависимости от типов МП.

Упражнения

Какую часть микро-ЭВМ обозначают сокращением ЦП?

См. рис. 4.1. Где располагается ЦП в блоке всей системы микро-ЭВМ?

Центральный процессор обычно содержит: а) уст­ройство размещения данных, называемое ______; б) уст­ройство счета, называемое _____; в) устройство ______;

г) устройство ______ и синхронизации.

Какие четыре ос­новных назначения ЦП в микро-ЭВМ?

Какое устройство микро-ЭВМ сокращенно на­зывается АЛУ?

См. рис. 4.9. Како­во содержимое аккумулято­ра после операции И?

См. рис. 4.9. После операции И индикатор нуля

будет ______ (установлен, сброшен).

4.49. Регистр состояний АЛУ называется также регистром кода ______ , а триггеры называются ______ .

Какая важная часть ЦП предназначена для уп­равления всеми событиями внутри системы?

Регистр ЦП, удерживающий адрес последующей команды, извлекаемой из программной памяти, называет­ся ______ .

Обычно счетчик команд инкрементируется в пря­мом направлении для адресации команд в программной памяти в порядке возрастания адреса, за исключением случаев, когда его содержимое изменяется командами _____.

В начале процедуры выполнения команды КОП первой команды помещается в регистр ______ (аккуму­лятора, команд) МП.

Часть МП, интерпретирующая КОП, помещенный в регистр команд, и определяющая последующую проце­дуру управления и синхронизации для выполнения коман­ды, является ______.

Решения

4.42. Центральный процессор. 4.43. Внутри микропроцессора. 4.44. а) регистром; б) АЛУ; в) декодирования команд; г) управления. 4.45. а) Извлечь, декодировать и выполнить команды программ в задан­ной последовательности. б) Передать данные из (в) памяти, из (в) УВВ. в) Ответить на внешние прерывания. г) Обеспечить требуемые сигналы управления и синхронизации. 4.46. Арифметико-логическое уст­ройство. 4.47. 0000 0000. Таблица истинности функции И приведена в табл. 3.1. 4.48. Условия установки индикатора нуля определены содер­жимым аккумулятора после операции И. Так как в этом случае его со­держимым будет 0, индикатор нуля в регистре состояния станет равным 1 после операции И. 4.49. Условий; индикаторами. 4.50. Секция управле­ния и синхронизации. 4.51. Счетчиком команд. 4.52. Ветвления, возвра­та, вызова прерываний. 4.53. Команд. 4.54. Дешифратором команд.

1 Широко распространен термин флажковый регистр. Тогда соот­ветствующие триггеры или индикаторы этого регистра называются фла­гами — флаг нуля, флаг знака и т. д. — Прим. ред.