6.4. 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. 6.1.

Центральным устройством системы является микропроцессор, 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. 6.5.

Рис. 6.5. Упрощенная архитектура центрального процессора

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. 6.5 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. 6.6, а.

Рис. 6.6. Выполнение операции ADD (а) и структура АЛУ (б)

Здесь содержимое аккумулятора 0АН складывается с содержимым регистра временного хранения данных 05Н. Сумма 0FH помещена в аккумулятор.

На рис. 6.6, 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 - флажковым регистром. Тогда соответствующие триггеры или индикаторы этого регистра называются флагами — флаг нуля, флаг знака и т. д..). 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. 6.5 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. 6.5, 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.