23. Устройство и работа микропроцессора

На рис. 4.31 приведена пример­ная структурная схема, включающая основные функ­циональные элементы-модули и узлы.

В структурной схеме функциональ­ные элементы сгруппированы соот­ветственно выполняемым ими функ­циям управления, запоминания, об­работки команд и реализации вычислительных операций, а также ввода - вывода данных. Обмен адре­сами, информацией и командами между устройствами осуществляется по внутренней магистрали шин микропроцессора. Для обмена с внешними устройствами запоми­нающие устройства (ЗУ) - постоян­ное и с произвольной выборкой - а также устройства (модули) ввода - вывода данных снабжены своими каналами связи с магистралями шин, которые могут отличаться по своей структуре и организации работы от внутренней магистрали микропроцессора. В постоянном ЗУ (ПЗУ) хранятся неизменяемые про­граммы и данные, необходимые для выполнения тех или иных операций: математические и физические константы, данные для коррекции ре­зультатов измерений, уставки и др.

В ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ) данные в процессе paбoты изменяются; ЗУПВ служит для про­межуточного хранения текущей ин­формации (измерительных данных, промежуточных результатов вычис­лений) и являются оперативной памятью. Оперативное ЗУ используют и для хранения программ. Помимо ПЗУ с неизменяемыми данными (с так называемой «жесткой прошив­кой», выполненной при изготовлении ЗУ), существуют программируе­мые ПЗУ (запись в них разовая, осуществляется пользователем) и стираемые перепрограммируемые ПЗУ (допускают многократную запись необходимых программ и данных).

Наиболее быстродействующими из перепрограммируе­мых ПЗУ являются устройства матричного типа.

Рис. 4.31. Структурная схема микропроцес­сора: А - адреса; D - данные;

StS - сигналы управления

Арифметико-логическое устрой­ство (АЛУ) выполняет арифметические операции сложения и вычитания двух чисел, логические операции, а также сравнение чисел и их сдвиг. Эти операции осуществляются за один такт. Более сложные операции, такие, как умножение и деление, реализуются в виде последовательности образующих их простых опе­раций по сигналам схемы управле­ния. Наряду с конечными результа­тами АЛУ выдает сигналы о про­межуточных результатах, передаче данных, коррекции результата и др. Эти сигналы служат признаками для последовательного выполнения про­граммы обработки.

Схемой управления выполняют­ся следующие функции:

- управление чтением и декоди­рованием команд;

- управление вводом - выводом операндов и результатов вычисли­тельных и логических операций че­рез буферную память;

Универсальные регистры исполь­зуют для запоминания текущих чи­сел; они допускают непосредственное адресное обращение и позволя­ют расширить возможности обра­ботки данных. Операции с их при­менением выполняются достаточно быстро. В специализированных ре­гистрах хранятся определенные при­знаки (например, признаки прерыва­ния программы), специальные адре­са и др.

Для внутренней синхронизации функциональных элементов микро­процессора используют сигналы тактового генератора. С каждым тактовым сигналом выполняется одна элементарная операция. По­следовательность таких операций образует машинный цикл выполне­ния команды. Регистр команд (см. рис. 4.31) предназначен для проме­жуточного хранения команды в цик­ле ее считывания из ЗУ. Дешифра­тор команды формирует соответствующие сигналы для схемы управ­ления.

Модули ввода - вывода данных предназначены для подключения внешних (периферийных) устройств. Программно организуемый обмен между внешними устройствами и микропроцессором через эти моду­ли может осуществляться парал­лельно соответствующими кодами по группе шин (магистрали) или последовательно (поразрядно) по одной шине. Внешними устройства­ми являются различные средства из­мерений, блоки внешней памяти, пе­чатающие устройства, пульты управ­ления, устройства отображения, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи и др.