11.5 Программируемые устройства. Микропроцессоры
Программируемые цифровые и логические устройства – универсальные технические средства для создания электронных устройств различного назначения. Они основаны на применении арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняющего арифметические и логические операции над входными величинами А и В в двоичном коде в зависимости от сигналов на управляющих входах М, S0, S1, S2, S3, и на переносе Р0 из внешних цепей (рисунок 11.17). Результат операции определяется совокупностью сигналов на выходах F и переноса Р4 из старшего разряда. При М=0 выполняются арифметические операции (сложение А и В, сложение А и В с добавлением Ро в младший разряд и т. д.), при М=1 – логические операции, но отсутствуют операции умножения и деления. Комбинация сигналов S0…S3 определяет, какая именно операция выполняется.
Рисунок 11.17 – Структура арифметико-логического устройства
Микропроцессор (МП) – функционально законченное информационное устройство, которое по программе, задаваемой управляющими сигналами, обрабатывает информацию, то есть реализует операции: арифметические, логические, ввода, вывода и т.д. Отличие МП от цифровых устройств заключается в способе обработки информации. В цифровых устройствах обработка входных сигналов осуществляется аппаратно, при этом результат определяется схемой соединения различных элементарных узлов, а в МП процесс обработки информации осуществляется программно (путем последовательного выполнения элементарных действий), при этом результат обработки определяется этой программой, а аппаратные средства остаются неизменными.
Абстрактное представление ЭВМ в терминах основных функциональных модулей, языка машины и структуры данных называется ее архитектурой. Архитектура МП – принцип его внутренней организации, общая структура и конкретная логическая структура отдельных устройств. Понятие архитектуры МП включает систему команд и способы адресации, возможность совмещения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе МП, принципы и режимы его работы. Общее понятие архитектуры МП подразделяют на микроархитектуру и макроархитектуру.
Микроархитектура – аппаратная организация и логическая структура МП, регистры, управляющие схемы, АЛУ, ЗУ и связывающие их информационные магистрали. Макроархитектура – система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы МП.
По конструктивному признаку МП делят на однокристальные с фиксированной длиной (разрядностью) слова и определенной системой команд; многокристальные (секционные) с наращиваемой разрядностью слова и микропрограммным управлением. С развитием КМОП-технологии однокристальные МП вытеснили многокристальные из многих областей применения.
В состав МП входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ) и блок внутренних регистров.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса и выполняет простейшие операции: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2.
Устройство управления (УУ) управляет работой АЛУ и внутренних регистров в процессе выполнения команды. Согласно коду операции команды формирует внутренние сигналы управления блоками МП. Адресная часть команды совместно с сигналами управления используется для считывания данных из ячейки памяти или новой записи в нее. По сигналу УУ осуществляется выборка очередной команды.
Блок внутренних регистров (БВР) – внутренняя память МП, служит для временного хранения команд и данных, а также выполняет некоторые процедуры обработки информации. БВР содержит регистры общего назначения (РОН) и специальные регистры: регистр-накопитель, буферные регистры адреса и данных, счетчик команд, стека и признаков.
Регистры общего назначения (РОН) определяют вычислительные возможности МП, их функция заключается в хранении операндов. Регистр-аккумулятор (накопитель) предназначен для временного хранения операнда или промежуточного результата действий АЛУ. Буферный регистр адреса служит для приема и хранения адресной части выполняемой команды; Буферный регистр данных используется для временного хранения выбранного из памяти слова перед подачей его на внешнюю шину данных. Счетчик команд содержит адрес ячейки памяти, в которой помещены байты выполняемой команды. Регистр команд принимает и хранит код очередной команды, адрес которой находится в счетчике команд. Регистр стека подразделяется на стек и указатель стека. Стек – набор регистров, хранящих адреса команд возврата при обращении к подпрограммам или состояние внутренних регистров. Указатель стека хранит адреса последней занятой ячейки стека, которую называют вершиной. Регистр признаков представляет собой набор триггеров-флажков. Флажковые биты, определяющие содержимое регистра, индуцируют условные признаки: нулевого результата и знака результата.
Упрощённая структурная схема МП (рисунок 11.18) состоит из АЛУ и совокупности n параллельных регистров по m разрядов РОН для хранения двоичных чисел, используемых в процессе вычислений. В состав МП входят два параллельных буферных регистра (БР), кратковременно хранящие числа А и В во время выполнения операции АЛУ, и устройство управления (УУ).
Рисунок 11.18 – Упрощенная структурная схема микропроцессора
Числа, над которыми выполняется операция, передаются по магистрали последовательно из РОН на буферные регистры БРА и БРВ. Затем по команде АЛУ производит указанную операцию, а ее результат по внутренней магистрали передаётся в РОН. Для этой цели выделяется специальный регистр- аккумулятор, в котором ранее записанное число стирается. Последовательность выполнения операций не ограничивает функциональные возможности МП, но эффективность его применения возрастает, когда в нем существуют устройства для хранения информации и обмена с внешними устройствами (ВУ), что осуществимо в микропроцессорной системе.
Микропроцессорную систему можно представить как микроЭВМ с набором внешних устройств. Внешние устройства – это устройства ввода/вывода информации, обеспечивающие процесс и связь с оператором. В микроЭВМ кроме МП, который называют центральным процессором, входят постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и блок интерфейса для связи с периферийными устройствами. В ПЗУ хранится программа базовой системы ввода/вывода, обеспечивающая функционирование (программное обеспечение системы) и начальную загрузку системы – инициализацию. ОЗУ предназначено для хранения информации, которая может изменяться в процессе работы системы (данные, промежуточные результаты вычислений или программы, исполняемые в данный момент времени). Блок интерфейса – набор различных узлов: адаптеров и контроллеров, служащих для приведения к стандартному виду МП сигналов, скорости передачи информации, формата слов при подключении ВУ к микропроцессорной системе. Структура микропроцессорной системы является магистрально-модульной, что означает выделение в ней наборов модулей-устройств, подключенных к общим магистралям, называемых шинами. Шина – группа линий связи, по которым передается информация определенного типа и осуществляется обмен информацией между модулями системы.
В микропроцессорной системе используется три вида шин: адресов (ША), данных (ШД) и управления (ШУ). Чтобы МП однозначно выбрал ячейку памяти или регистр, они имеют адреса. ША однонаправленная, так как передача информации по ней идет из МП в память или интерфейсный блок. ШД – двунаправленная, так как информация по ней осуществляется как из МП в память и интерфейсный блок, так и наоборот. Шины адреса и данных состоят из параллельных линий, передача информации по которым осуществляется одновременно. Число линий ШД определяется разрядностью МП, число линий ША – объемом памяти, т. е. разрядностью двоичного кода, необходимого для адресации всех ячеек. Шина управления ШУ состоит из отдельных линий, по которым передаются не одновременно управляющие сигналы, в основном это сигналы из МП, но некоторые имеют противоположную направленность – в МП. Примером первых служат сигналы чтения и записи, указывающие, какую операцию следует выполнять с ячейкой, адрес, который выставлен ША, а ко вторым – сигналы запроса обслуживания, поступающие из ВУ, а также сигналы сброса МП в начальное положение.