1.2 Определение микропроцессора

Наиболее близкой структурой вычислительной системы к микроконтроллеру является магистральная структура микроЭВМ. При этом микроЭВМ отличается от МК только наличием средств загрузки программного обеспечение (ПО), - в МК программное обеспечение не изменяется и хранится в ПЗУ.

К 70-м годам прошлого столетия сформировалась структура микроЭВМ (рисунок 1.2.1), которая состояла из пяти основных частей [6]:

• центрального процессора (ЦП) в виде арифметико-логического устройства (АЛУ), формирующего шину данных (ШД);

• сверхоперативного запоминающего устройства (СОЗУ) в виде регистров общего назначения (РОН);

• памяти данных в виде ОЗУ и памяти команд в виде ПЗУ, формирующего шину команд (ШК);

• устройства управления (УУ), формирующего шину адресов (ША);

• устройства ввода-вывода (УВВ).

Рисунок 1.2.1 Структурная схема микроЭВМ

Отметим последовательность операций в микроЭВМ :

- при включении питания УУ формирует на ША начальный адрес программы, по которому из ПЗУ по ШК читается команда;

- в УУ команда дешифрируется и формируются сигналы управления для различных устройств микроЭВМ;

- для случая команд с регистровой адресацией из СОЗУ читаются операнды, для которых программируется операция в АЛУ. Результат операции заносится в ячейку СОЗУ;

- операнды могут читаться как из ОЗУ, так и из ПЗУ (например, табличные числа). В этом случае обмен данными выполняется по двунаправленной ШД;

- УВВ предназначены для связи с внешними устройствами и представляют собой регистры для режима вывода данных, а также шинные формирователи (или приемопередатчики) для режима ввода данных в микроЭВМ.

На структурной схеме (рисунок 1.2.1) штриховой линией обозначены устройства, вошедшие в микропроцессор.

Микропроцессор (МП) – это БИС, в которой на одном кристалле размещены АЛУ, СОЗУ и УУ.

МП является частью микроЭВМ или микроконтроллера. Разделение памяти данных на СОЗУ и ОЗУ сформировалось из-за стремления разработчиков микропроцессоров максимально уменьшить время выполнения операций пересылок данных. Дело в том, что в обычных программах большую часть занимают операции пересылок данных и чтобы увеличить быстродействие МП выделили небольшую часть ячеек памяти (до 16-ти) и назвали их регистрами общего назначения РОН. Формат команд обращения к РОН максимально сократили, введя адрес или номер этих регистров в формат команды. Получилась регистровая адресация, команды с которой имеют минимальную длительность.

1.3 Шинная организация соединений

Особенностью структурной схемы микроЭВМ (рисунок 1.2.1), которая утвердилась в вычислительной технике к моменту появления микропроцессоров, является магистральная организация потоков данных, команд и адресов (рисунок 1.1.1). Так как в вычислительных структурах используются многоразрядные коды, а также большое число цифровых устройств хранения кодов, то для организации связи устройств по типу “все со всеми” требуется колоссальное количество соединений, особенно в случае многоразрядных кодов. В этой связи оптимальным способом организации соединений является использование шины данных ШД, к которой подключаются все устройства - это не только АЛУ и УВВ, но и каждая ячейка памяти, которая должна иметь выход на ШД (рисунок 1.3.1).

ШД

Рисунок 1.3.1 Шина данных

Отметим основные свойства ШД:

- последовательное подключение источников данных к ШД, то есть в каждый момент времени к ШД может быть подключен только один источник;

- необходимость адресации, то есть МП должен иметь УУ, которое формирует адрес источника данных. Это требование приводит к появлению шины адреса ША;

- устройства, подключаемые к ШД, должны иметь управляемые тристабильные выходы, а также должны иметь вход управления OE (Out Enable), состояние которого определяет состояние выходов – “отключено” или логический “0”, или логическая “1” .

Рисунок 1.3.2 Подключение устройств к ШД

На рисунке 1.3.2 показан пример подключения источника данных к ШД с помощью шинного формирователя (ШФ), имеющего вход OE управления состоянием выходов Q. На вход OE подается разрешающий сигнал только в тот момент, когда выполняется команда ввода от источника данных.

Разрядность шин влияет на различные характеристики микроЭВМ и МК:

Разрядность ШД – определяет информационную производительность вычислительной структуры. Чем больше разрядность ШД, тем меньше команд потребуется для реализации операций над большими форматами чисел. Например, для реализации обработки 32-разрядных чисел с помощью 8-ми разрядного МП потребуется 4 раза повторить операции над частями исходных данных и затем выполнить “сшивание” полученных частных результатов. А если использовать 32-разрядный МП, то достаточно будет применить одну необходимую команду.

Разрядность ШК - влияет на функциональные возможности МП. Чем больше разрядность ШК, тем больше команд и способов адресации операндов можно реализовать.

Разрядность ША – определяет адресное пространство (АП). АП – это число устройств, подключаемых к ШД, которые могут независимо выбираться микропроцессором. АП рассчитывается по формуле числа состояний двоичного кода:

АП = 2ⁿ , ( 1.3.1)

где n – разрядность ША.

Приведем некоторые широко используемые значения степеней двойки:

28 = 256 ; 210 = 1024 = 1К (кило); 216 = 65536 = 64 К;

220 = 1М (Мега); 230 = 1Г (Гига); 240 = 1T (Тера).

Для определения разрядности ШД часто используется термин – слово.

Слово – это формат в битах, который соответствует разрядности шине данных вычислительной системы. Слово может иметь разрядность от 4-х до 64-х бит [4].

На начальном этапе развития МП в следствие ограничений на технические возможности интегральных схем широко использовалось совмещение различных шин и устройств в МК.

1. Совмещение памяти в МК. Выделяют два способа организации памяти в микроЭВМ и МК [6]:

- фон-Неймановская организация памяти (или ВС фон-Неймановского типа), когда память программы и память данных размещаются в едином адресном пространстве. При этом возможно только последовательное обращение к командам и данным, но, с другой стороны, ВС может трактовать программу как данные и изменять свои собственные команды;

- гарвардская организация памяти (или ВС гарвардского типа), когда память программы и память данных размещаются раздельно, что позволяет к командам и данным обращаться параллельно.

2. Совмещение шин. Используется в целях экономии количества выводов корпуса МП, то есть учитываются конструктивные ограничения. Различные способы совмещения ШД, ША, ШК дают различные типы архитектур микроЭВМ и МК.

3. Совмещение разрядов команды. Используется в целях сокращения формата команды. Различают программное и микропрограммное управление МП:

- программное управление предполагает реализацию управления устройствами, выполняющими заданную операцию в МП, в виде жестко соединенных между собой логических схем. При этом каждому из способов соединения соответствует свой управляющий код. Отдельные разряды команды не участвуют в управлении устройствами МП, а значение имеет управляющий код в целом. Такой способ управления соответствует управлению с жесткой логикой и называется еще CISC-архитектурой (Complex Instruction Set Computing), то есть архитектурой МП с полным набором команд [2];

- микропрограммное управление предполагает управление устройствами МП отдельно выделенными разрядами или группой разрядов. При этом совокупность управляющих разрядов представляет собой микрокоманду. Набор микрокоманд и последовательность их реализации обеспечивают выполнение любой сложной операции. Архитектура МП с микрокомандным управлением еще называется RISC-архитектурой (Reduced Instruction Set Computing), то есть с сокращенным набором команд.