4. Архитектура 16-тиразрядного микропроцессора

Мы рассмотрим более подробно основные типы архитектурных решений, выделяя связь со способами адресации памяти. 1. Регистровая архитектура определяется наличием достаточно большого регистрового файла внутри МП. Команды получают возможность обратиться к операндам, расположенным в одной из двух запоминающих сред: оперативной памяти или регистрах. Размер регистра обычно фиксирован и совпадает с размером слова, физически реализованного в оперативной памяти. К любому регистру можно обратиться непосредственно, поскольку регистры представлены в виде массива запоминающих элементов – регистрового файла. Типичным является выполнение арифметических операций только в регистре, при этом команда содержит два операнда (оба операнда в регистре или один операнд в регистре, а второй в оперативной памяти).

4.1. Структура микропроцессора Intel8080

Схема инкремента

JP(16)

SP(16)

B(8) C(8)

D(8) E(8)

H(8) L(8)

W(8) Z(8)

Буфер адреса

Дешифратор выбора регистров

Буфер данных

Intel8080 является однокристальным микропроцессором, работающим с 8-разрядной шиной данных и 16-разрядной шиной адреса. Управляющие сигналы передаются по шине управления. Шины отделены друг от друга. Структура Intel 8080 приведена на рис. 4.22.

Intel 8080 Устройствоуправления

Дешифратор

команд

Регистр

команд

16

Внутренняя шина данных

8

8

Схема десятичной коррекции

8

RC

Управление обменом информацией

TR

Рис. 4.22. Внутренняя структура микропроцессораIntel8080

Микропроцессор содержит внутреннюю шину данных, посредством которой происходит обмен информацией между внутренними регистрами, арифметико-логическим устройством, обрабатывающим 8-разрядные данные и передающим их через буфер на внешнюю шину данных. Кроме того, в состав 8080 входит устройство управления, буфер адресной шины, связанный с регистром команд, и блок регистров. В общих чертах работа микропроцессора выглядит следующим образом: в регистре, называемом программным счетчиком, хранится адрес следующей команды, которую необходимо выполнить. Устройство управления подключает этот регистр к шине адреса (конечно, через буфер) и выдает управляющие сигналы, необходимые для чтения кода команды из памяти. На этом завершается первый такт.

В следующем такте микропроцессор проверяет состояние сигналов на входе готовности и запрос останова. При их наличии микропроцессор переходит в соответствующее состояние. В противном случае, после появления на шине управления сигналов, подтверждающих выдачу кода команды на шину данных, устройство управления подключает к ней регистр команды и записывает в нее полученный код. Это требуется потому, что команда передается только в первом машинном цикле, а сохранить ее нужно на все время выполнения команды. Из регистра команды ее код поступает в дешифратор команды и затем в устройство управления, которое в зависимости от поступившей команды либо сразу переходит к ее выполнению, либо считывает данные или адрес, расположенные сразу после кода команды и необходимые для ее выполнения. На это тратится третий такт и, если это необходимо, четвертый и пятый такты. Таким образом, вся команда выполняется за 3–5 тактов. При тактовой частоте 2 МГц это составляет 1,5 – 2,5 мкс.

Перед выполнением команды проверяется состояние сигнала на входе захвата шины HLD (этот сигнал отключает микропроцессор от шины, давая внешним устройствам возможность прямого доступа в память по общей шине). При его обнаружении микропроцессор переходит в состояние захвата и вырабатывает сигнал подтверждения захвата шины. После снятия сигнала HLD процессор продолжает выполнение команды. В конце машинного цикла вновь анализируется состояние входа захвата, а затем проверяется, завершено ли выполнение команды. Если нет, то микропроцессор переходит к выполнению следующего цикла команды. Это может быть цикл работы с оперативной памятью или с внешним устройством.

После выполнения каждой команды проверяется состояние входа запроса прерывания. Если этот сигнал присутствует, то текущая программа приостанавливается и на шину данных выдается сигнал «подтверждение прерывания». Затем внешний контроллер прерываний передает по шине данных команду и адрес перехода к подпрограмме обработки прерывания. По окончании обработки прерывания происходит возврат к выполнению прерванной программы.

Сигнал готовности позволяет синхронизировать работу микропроцессора с работой более медленных устройств, и, кроме того, используется для пошагового выполнения программ.

Следующим важным узлом микропроцессора является блок регистров. Он включает в себя 16-разрядный регистр для временного хранения данных WZ, шесть 8-разрядных регистров общего назначения B, C, D, E, H, L, которые могут использоваться парами в качестве 16-разрядных – BC, DE, HL (это сделано прежде всего для удобной работы с адресами). Кроме того, блок регистров содержит 16-разрядный регистр адреса команды IP (программный счетчик), 16-разрядный регистр указателя стека SP, а также 16-разрядную схему инкремента-декремента. С помощью последней изменяется, например, состояние программного счетчика после выполнения каждой следующей команды.

Еще один важный узел – регистр результата (аккумулятор), связанный с АЛУ и используемый для хранения одного из исходных операндов или результата выполнения команды.

Последний регистр –это регистр флажков. В нем записан байт, каждый бит которого содержит информацию о результате выполнения последней команды.