5. 5. Особливості мікропроцесорів із фіксованою системою команд.

6. 6. Принцип роботи мікропроцесора.

Oписання роботи мікропроцесора — це мова команд — тобто строга послідовність мікрокоманд, що записується в пам'яті мікропроцесорів. Тобто, команда, це слово, або набір слів, які дешифруються в послідовність мікрокоманд. Звідси витікає, що будь-який процесор має строго фіксований і обмежений набір команд, який є характерним для данного процесора. Будь-яка мікрокоманда характеризується своїм форматом. Під форматом мікрокоманди розуміється її протяжність та призначення кожного біта або їх групи. Команди, також мають свій фіксований формат. (Протяжність мікрокоманди — це стандартна для данного процесора кількість біт в слові). В залежності від протяжності команди, вона може складатися з одного, двох, та трьох слів. Формат пам'яті мікропоцесорної системи також тісно пов'язаний з довжиною слова. Тому при зберіганні таких команд відповідно використовується адресний простір та пам'ять. Якщо, наприклад, команда складається з трьох слів, а використовується з послідовною адресацією, то для зберігання такої команди використовуються три послідовні адреси. Для того, щоб таку команду вибрати з пам'яті, необхідно мати спеціальні засоби, щоб забезпечити її представлення як єдине ціле. Структура команд повністю залежить від структури мікропроцесора, але незалежно від типу процесора прийнято вважати, що однослівні команди повністю складаютья з коду операції. Двослівні команди складаються з коду операції та однослівного операнда. Трислівні команди також складаються з двох частин: перша частина — код операції, а друга — адреса, або двослівний операнд. Типи команд, що використовуються, тісно пов'язані з внутрішньою організацією та алгоритмом функціювання мікропрограмного автомата процесора, та внутрішньою системою синхронізації. Мікропроцесорна система функціонує синхронно з частотою тактових сигналів зовнішнього генератора. В залежності від типу мікропроцесорів використовується одно- або двохфазна синхронізація. Незалежно від цього в мікропроцесорних системах використовуються більш тривалі інтервали часу, ніж тактовий інтервал зовнішнього генератора. Одним з таких інтервалів є машинний цикл — це інтервал, протягом якого мікропроцесор звертається до пам'яті або пристрою вводу-виводу. Машинний цикл (МЦ) складає тільки частину циклу команди. На початку кожного МЦ на одному з виходів мікропроцесора з'вляється сигнал синхронізації, він передається по лінії шини керування в пам'ять або пристрої вводу-виводу і «сповіщає» про початок нового МЦ, в результаті чого досягається узгодження в часі зовнішніх пристроїв з роботою мікропроцесора. Цикл команди — це інтервал часу, необхідний для виборки з памєяті команди, та її виконання. Він складається з 1-5 машинних циклів. Їхнє конкретне число залежить від складності операції, яка виконується в данній команді і дорівнює числу звернень мікропроцесора до пам'яті. Тривалість виконання команди визначається кількістю тактів в циклі команди та тривалістю такту. Протягом циклу команди, що ділиться на дві фази, робота мікропроцесора виконується в такій послідовності. Пристрій керування задає початок чергового циклу шляхом формування сигналу, по якому число, що знаходиться в лічильнику команд, відправляється в буферний регістр адреси і через нього направляється для дешифрації. Після приходу від мікропроцесору сигналу керування 'готовий' з елемента пам'яті, що знаходиться по вказаній адресі, зчитується слово команди, яке подається по шині даних в буферний регістр данних, а потім в пристрій керування, де дешифрується з допомогою кода операції. Ця послідовність операцій називається фазою виборки. За нею слідує виконавча фаза, в якій пристрій керування формує послідовність сигналів, необхідних для виконання команди. За цей час число, що знаходиться в лічильнику команд, збільшується на 1 (якщо довжина команди є 1) і формується адреса команди, що стоїть слідом за виконуємою. Вона зберігається в лічильнику до приходу сигналу, що задає початок чергового циклу команди. Окрім адреси елемента в якому зберігається необхідний байт від мікропроцесора до пам'ті поступає сигнал по шині керування, який визначає характер операції — запис, або зчитування. Виконання вказаних операцій проходить протягом інтервалу часу, що називається часом доступу. По закінченні цього інтервалу від пам'яті в мікропроцесор подається сигнал готовності, який є сигналом початку прийому, або, відповідно, передачі сигналів в пам'ять. До одержання сигналу готовності мікропроцесор знаходиться в стані очікування. Інтервал часу між імпульсами звернення до зовнішніх пристроїв та одержання від них відповіді називається циклом очікування. Якщо, наприклад, цикл команди розглядати відповідно до команди вводу данних, то перші два машинних цикли будуть відноситись до фази виборки, а третій — до фази виконання команди. В усіх машинних циклах передається адреса, але в кожному циклі адреса належить своєму адресату, в першому — це адреса елемента, де здерігається код операції, в другому — адреса порта, що здерігає байт данних, в третьому — адреса акумулятора мікропроцесора, куди повинен поступити байт данних з порта.

5. Поняття “Мікропроцесорна система” .  Типова структура МПС.

Мікропроцесорна система — обчислювальна, контрольно-вимірювальна або керуюча система, в якій основним пристроєм обробки інформації є МП. Мікропроцесорна система складається з набору великих інтегрованих схем (ВІС). В основу побудІови мікропроцесорних систем (МПС) покладено три принципи — магістральності, модульності, мікро-програмного керування.

Принцип магістральності визначає характер зв'язків між функціональними блоками МПС — усі блоки з'єднані з єдиною системною шиною.

Принцип модульності полягає в тому, що система будується на основі обмеженої кількості типів конструктивно і функціонально завершених модулів. Кожний модуль МП системи має вхід керування третім (високоімпедансним) станом. Цей вхід називається CS (Chip Select) — вибір кристала або ОЕ (Output Enable) — дозвіл виходу.

Принципи магістральності та модульності дають змогу нарощувати керуючі та обчислювальні можливості МП через під'єднання інших модулів.

Принцип мікропрограмного керування полягає у можливості здійснення

елементарних операцій — мікрокоманд (зсуву, пересилання інформації, логічних операцій)

До складу МПС входять центральний процесор, постійний запам'ятовуючий пристрій, оперативний запам'ятовуючий пристрій, система переривань, таймер, пристрої введення-виведення (ПВВ) під'єднані до системної шини через інтерфейси введення-виведення.

5. Поняття інтерфейс і порт.

Інтерфе́йс (англ. interface):

1.сукупність засобів і правил, що забезпечують взаємодію пристроїв обчислювальної системи та (або) програм;

2. сукупність описів і узгоджень про процедуру передачі управління в підпрограму та повернення в вихідну програму.

9. Поняття “Шина”. Типи шин. Шина – сукупність провідників і сигналів, які по них проходять. Всі пристрої мікропроцесорної системи об'єднуються загальною системною шиною. Системна магістраль включає три основні шини нижнього рівня:1)Шина адреси служить для визначення адреси пристрою, з яким процесор обмінюється інформацією в даний момент. Кожному пристрою системі привласнюється власна адреса. Коли код якоїсь адреси виставляється процесором на шині адреси, пристрій, якому ця адреса приписана, розуміє, що йому належить обмін інформацією. Шина адреси може бути однонаправленою або двонаправленою. 2)Шина даних - це основна шина, яка використовується для передачі інформаційних кодів між всіма пристроями мікропроцесорної системи. Шина даних завжди двонаправлена. 3)Шина управління на відміну від шини адреси і шини даних складається з окремих керуюючих сигналів. Кожний з цих сигналів під час обміну інформацією має свою функцію. Лінії шини управління можуть бути однонаправленими або двонаправленими. Характеристики:1)розрядність(к-ть провідників; ША і ШД мають фіксовану розрядність, яка залежить від розрядності МП); 2)направленість(1-,2-напрямлені); 3)швидкодія(в мікропроцесорній системі всі інформаційні коди і коди команд передаються по шинах послідовно, по черзі. Це визначає порівняно невисоку швидкодію мікропроцесорної системи). При шинній структурі зв'язків всі сигнали між пристроями передаються по одних і тих же лініях зв'язку, але в різний час – мультиплексована передача. Причому передача по всіх лініях зв'язку може здійснюватися в обох напрямах – двонаправлена передача). Група ліній зв'язку, по яких передаються сигнали або коди якраз і називається шиною. При шинній структурі зв'язків вся інформація передається по лініях зв'язку послідовно в часі, по черзі, що знижує швидкодію системи. Недолік шинної структури зв'язаний з тим, що всі пристрої підключаються до кожної лінії зв'язку паралельно. Тому будь-яка несправність будь-якого пристрою може вивести з ладу всю систему.

Д О Б Р Е

1. Принцип модульності. Організація модулів вводу-виводу інформації.

Модульна організація, при якій на базі одного процесорного ядра (центрального процесора) проектується ряд (лінійка) МК, що відрізняються об'ємом і типом пам'яті програм, об'ємом пам'яті даних, набором периферійних модулів, частотою синхронізації, при модульному принципі побудови всі МК одного сімейства містять процесорне ядро, однакове для всіх МК даного сімейства, та відрізняються об'ємом і типом пам'яті програм, об'ємом пам'яті даних, набором периферійних модулів, частотою синхронізації.Кожний модуль має вхід управління високоімпедансним станом (стан Z). Вхід позначається CS (вибір чипу ) або OE (дозвіл виходу).

Кожен МК має деяку кількість ліній вводу/виводу, що об'єднані в багаторозрядні (частіше 8-розрядні) паралельні порти вводу/виводу. У пам'яті МК кожному порту вводу/виводу відповідає своя адреса регістра даних. Звертання до регістра даних порту вводу/виводу відбувається тими ж командами, що і звертання до пам'яті даних. Крім того, у багатьох МК окремі розряди портів можуть бути опитані або встановлені командами бітового процесора. Порти виконують роль пристроїв часового узгодження функціонування МК і об'єкта управління, які, в загальному випадку, працюють асинхронно. Розрізняють три типи алгоритмів обміну інформацією між МК і зовнішнім пристроєм через паралельні порти вводу/виводу:

режим простого програмного вводу/виводу;

режим уводу/виводу зі стробом;

режим уводу/виводу з повним набором сигналів підтвердження обміну.

2. Особливості мікропроцесорів із мікропрограмним управлінням.

Принцип мікропрограмного управління полягає у можливості здійснення елементарних операцій – мікрокоманд. Використовуючи визначені комбінації мікрокоманд можна утворити технологічну мову, тобто набір команд, який максимально відповідає призначенню системи. 

мікропрограмних принцип управління забезпечує реалізацію однієї машинної команди шляхом виконання мікрокоманд, записаних в постійнійпам'яті.

Система мікрокоманд містить інформацію про мікрооперації, що виконується впротягом одного машинного такту, а також інформацію про формування адресичерговий мікрокоманд.

Реалізація принципу мікропрограмного управління передбачаєпримусову вибірку мікрокоманд.

3. Особливості фон-нейманівської архітектури МПС.

Основна перевага архітектури Фон-Нейманає використання загальної пам'яті для зберігання програм і даних. Крім того, використання єдиної області пам'яті дозволяло оперативно перерозподіляти ресурси між областями програм і даних, що істотно підвищувало гнучкість МШС із погляду виробника програмного забезпечення. Розміщення стека в загальній пам'яті полегшувало доступ до його вмісту. Невипадково тому фон-нейманівська архітектура стала основною архітектурою універсальних комп'ютерів, включаючи персональні комп'ютери.

Основна перевага цієї архітектури - спрощення будови МПС, так як реалізується звертання тільки до однієї спільної пам'яті. Крім того це дозволяє оперативно перерозподіляти ресурси між областями програм і даних, що полегшує розробку ПЗ. Фон-нейманівська архітектура є основною архітектурою ПК.

4. Особливості гарвардської архітектури МПС.

Основною особливістю Гарвардської архітектури є використання окремих адресних просторів для зберігання команд і даних. Перевагами Гарвардської архітектури є скорочення довжини команди і збільшення швидкості пошуку інформації в пам'яті даних. Крім того, Гарвардська архітектура забезпечує потенційно більшу швидкість виконання програми за рахунок можливості реалізації паралельних операцій, оскільки вибірка наступної команди може відбуватися одночасно з виконанням попередньої. Більшість сучасних МК побудовані за Гарвардською архітектурою.

Недоліки Гарвардської архітектури пов'язанні з необхідністю проведення більшого числа шин, а також з фіксованим об'ємом пам'ті, виділеної для команд і даних, призначення якої не може оперативно пеперозподілятися. Тому потрібно використовувати пам'ять більшого об'єму, коефіцієнт використання якої при вирішенні різноманітних задач виявляється нижчим, ніж в системах з Прінстонською архітектурою. Проте розвиток мікроелектроніки дозволив в значній мірі подолати вказані недоліки, тому Гарвардська архітектура широко застосовується у внутрішній структурі сучасних мікропроцесорів, де використовується окрема кеш-пам'ять для

зберігання команд і даних.

5. Особливості програмного обміну даними в МПС.

В цьому випадку передача даних від ПП в пам’ять і назад виокнується через МП у відповідності з мікропрограмою, записаною в ОЗП. МП керує обміном, і операція обміну відбувається так само, як і операція основної програми. Операція входу-виходу активізується біжучою командою програми або запису від ПП. При програмному керуванні передачею даних процесор “відволікається” від виконання основної програми на весь час операції входу-виходу, відповідно знижується продуктивність МП. Для вводу даних необхідно дуже багато операцій, таких як перетворення форматів, адресація в пам’яті, визначення початку і кінця даних. В результаті швидкість передачі даних знижується.