Введення 

Процес взаємодії людини з ЕОМ налічує вже більше 40 років. До недавнього часу в цьому процесі могли братиучасть лише фахівці - інженери, математики - програмісти, оператори. В останні роки відбулися кардинальнізміни в області обчислювальної техніки. Завдяки розробці і впровадженню мікропроцесорів в структуру ЕОМ з'явилися малогабаритні, зручні для користувача персональні комп'ютери. Ситуація змінилася, в ролі користувача може бути не лише фахівець з обчислювальної техніки, але і будь-яка людина, будь то школяр або домогосподарка, лікар чи вчитель, робітник або інженер. Часто це явище називають феноменом персонального комп'ютера. В даний час світовий парк персональних комп'ютерів перевищує 20 млн. 

Чому виник цей феномен? Відповідь на це питання можна знайти, якщо чітко сформулювати, що такеперсональний комп'ютер і які його основні ознаки. Треба правильно сприймати саме визначення "персональний", воно не означає приналежність комп'ютера людині на правах особистої власності. Визначення "персональний" виникло тому, що людина отримала можливість спілкуватися з ЕОМ без посередництвапрофесіонала-програміста, самостійно, персонально. При цьому не обов'язково знати спеціальний мову ЕОМ. Існуючі в комп'ютері програмні кошти забезпечать сприятливу "дружню" форму діалогу користувача і ЕОМ. 

В даний час одними з найбільш популярних комп'ютерів стали модель IBM PC і її модернізований варіант IBM PC XT, який з архітектури, програмного забезпечення, зовнішнім оформленням вважається базовою моделлю персонального комп'ютера. 

Основою персонального комп'ютера є системний блок. Він організовує роботу, обробляє інформацію, проводитьрозрахунки, забезпечує зв'язок людини і ЕОМ. Користувач не зобов'язаний досконально розбиратися в тому, якпрацює системний блок. Це доля фахівців. Але він повинен знати, з яких функціональних блоків складається комп'ютер. Ми не маємо чіткого уявлення про принцип дії внутрішніх функціональних блоків навколишніх предметів - холодильника, газової плити, пральної машини, автомобіля, але повинні знати, що закладено в основу роботи цих пристроїв, які можливості складових їх блоків. 

1. Загальна характеристика архітектури процесора

1.1 Базова структура мікропроцесорної системи

Завдання управління системою покладається на центральний процесор (ЦП), який пов'язаний з пам'яттю і системою введення-виведення через канали пам'яті і введення-виведення відповідно. ЦП зчитує з пам'яті команди, які утворюють програму і декодує їх. Відповідно до результату декодування команд він здійснює вибірку даних з пам'яті портів введення, обробляє їх і пересилає назад у пам'ять або порти висновку. Існує також можливість введення-виведення даних з пам'яті на зовнішні пристрої і назад, минаючи ЦП. Цей механізм називається прямим доступом до пам'яті (ПДП). 

З точки зору користувача при виборі мікропроцесора доцільно мати у своєму розпорядженні деякими узагальненими комплексними характеристиками можливостей мікропроцесора. Розробник потребує з'ясуванні і розумінні лише тих компонентів мікропроцесора, які явно відбиваються в програмах і повинні бути враховані при розробці схем і програм функціонування системи. Такі характеристики визначаються поняттям архітектури мікропроцесора. 

1.2 Поняття архітектури мікропроцесора

Архітектура типової невеликої обчислювальної системи на основі мікроЕОМ показана на рис. 1. Така мікроЕОМ містить всі 5 основних блоків цифрової машини: пристрій введення інформації, керуючий пристрій (УУ), арифметико-логічний пристрій (АЛП) (що входять до складу мікропроцесора), що запам'ятовують пристрої (ЗП) і пристрій висновку інформації. 

Рис. 1. Архітектура типового мікропроцесора. 

Мікропроцесор координує роботу всіх пристроїв цифрової системи за допомогою шини керування (ШК). Крім ШУ є 16-розрядна адресна шина (ША), яка служить для вибору визначеної комірки пам'яті, порту введення або порту виводу. За 8-розрядної інформаційній шині або шині даних (ШД) здійснюється двунаправленная пересилання даних до мікропроцесора і від мікропроцесора. Важливо відзначити, що МП може посилати інформацію в пам'ять мікроЕОМ або до одного з портів виведення, а також отримувати інформацію з пам'яті або від одного з портів вводу. 

Постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ) в мікроЕОМ містить деяку програму (на практиці програму ініціалізації ЕОМ). Програми можуть бути завантажені в запам'ятовуючий пристрій з довільною вибіркою (ЗУПВ) і з зовнішнього запам'ятовуючого пристрою (ВЗУ). Це програми користувача. 

Як приклад, що ілюструє роботу мікроЕОМ, розглянемо процедуру, для реалізації якої потрібно виконати наступну послідовність елементарних операцій: 

1. Натиснути клавішу з літерою "А" на клавіатурі. 

2. Помістити букву "А" у пам'ять мікроЕОМ. 

3. Вивести букву "А" на екран дисплея. 

Це типова процедура введення-запам'ятовування-висновку, розгляд якої дає можливість пояснити принципи використання деяких пристроїв, що входять до мікроЕОМ. 

На рис. 2 наведена докладна діаграма виконання процедури введення-запам'ятовування-висновку. Зверніть увагу, що команди вже завантажені в перші шість комірок пам'яті. Збережена програма містить наступний ланцюжок команд: 

1. Увести дані з порту введення 1. 

2. Запам'ятати дані в комірці пам'яті 200. 

3. Переслати дані в порт виводу 10. 

У даній програмі всього три команди, хоча на рис. 2 може здатися, що в пам'яті програм записано шість команд. Це пов'язано з тим, що команда звичайно розбивається на частини. Перша частина команди 1 у наведеній вище програмі - команда введення даних. У другій частині команди 1 указується, звідки потрібно ввести дані (з порту 1). Перша частина команди, що пропонує конкретну дію, називається кодом операції (КОП), а друга частина - операндом. Код операції і операнд розміщуються в окремих елементах пам'яті програм. На рис. 2 КОП зберігається в комірці 100, а код операнда - у клітинці 101 (порт 1); останній вказує звідки потрібно взяти інформацію. 

У МП на мал. 2 виділені ще два нові блоки - регістри: акумулятор і регістр команд. 

Рис. 2. Діаграма виконання процедури введення-запам'ятовування-висновку 

Розглянемо проходження команд і даних усередині мікроЕОМ за допомогою занумеровані гуртків на діаграмі. Нагадаємо, що мікропроцесор - це центральний вузол, керуючий переміщенням усіх даних та виконанням операцій. 

Отже, при виконанні типової процедури введення-запам'ятовування-висновку в мікроЕОМ відбувається наступна послідовність дій: 

1. МП видає адреса 100 на шину адреси. По шині управління надходить сигнал, що встановлює пам'ять програм (конкретну мікросхему) у режим зчитування. 

2. ЗУ програм пересилає першу команду ("Увести дані") по шині даних, і МП отримує це закодоване повідомлення. Команда міститься в регістр команд. МП декодує (інтерпретує) отриману команду і визначає, що для команди потрібний операнд. 

3. МП видає адреса 101 на ША; ШК використовується для перекладу пам'яті програм у режим зчитування. 

4. З пам'яті програм на ШД пересилається операнд "З порту 1". Цей операнд знаходиться в програмній пам'яті в осередку 101. Код операнда (містить адресу порту 1) передається по ШД до МП і направляється в регістр команд. МП тепер декодує повну команду ("Увести дані з порту 1"). 

5. МП, використовуючи ША і ШУ, що зв'язують його з пристроєм введення, відкриває порт 1. Цифровий код букви "А" передається в акумулятор усередині МП і запомінается.Важно зазначити, що при обробці кожної програмної команди МП діє згідно мікропроцедур вибірки-декодування-виконання. 

6. МП звертається до комірки 102 за ША. ШК використовується для перекладу пам'яті програм у режим зчитування. 

7. Код команди "Запам'ятати дані" подається на ШД і пересилається в МП, де міститься в регістр команд. 

8. МП дешифрує цю команду і визначає, що для неї потрібний операнд. МП звертається до комірки пам'яті 103 і приводить в активний стан вхід зчитування мікросхем пам'яті програм. 

9. З пам'яті програм на ШД пересилається код повідомлення "У комірці пам'яті 200". МП сприймає цей операнд і поміщає його в регістр команд. Повна команда "Запам'ятати дані в комірці пам'яті 200" обрана з пам'яті програм і декодована. 

10. Тепер починається процес виконання команди. МП пересилає адресу 200 на ША і активізує вхід запису, що відноситься до пам'яті даних. 

11. МП направляє зберігається в акумуляторі інформацію в пам'ять даних. Код літери "А" передається по ШД і записується в осередок 200 цієї пам'яті. Виконана друга команда. Процес запам'ятовування не руйнує вмісту акумулятора. У ньому як і раніше знаходиться код букви "А". 

12. МП звертається до комірки пам'яті 104 для вибору чергової команди і переводить пам'ять програм у режим зчитування. 

13. Код команди виведення даних пересилається по ШД до МП, що поміщає її в регістр команд, дешифрує і визначає, що потрібний операнд. 

14. МП видає адреса 105 на ША і встановлює пам'ять програм у режим зчитування. 

15. З пам'яті програм по ШД до МП надходить код операнда "У порт 10", який далі міститься в регістр команд. 

16. МП дешифрує повну команду "Вивести дані в порт 10". За допомогою ША і ШУ, що зв'язують його з пристроєм виведення, МП відкриває порт 10, пересилає код букви "А" (усе ще знаходиться в акумуляторі) по ШД. Буква "А" виводиться через порт 10 на екран дисплея. 

У більшості мікропроцесорних систем (МПС) передача інформації здійснюється способом, аналогічним розглянутому вище. Найбільш істотні розходження можливі в блоках введення і виведення інформації. 

Підкреслимо ще раз, що саме мікропроцесор є ядром системи і здійснює керування всіма операціями. Йогоробота представляє послідовну реалізацію мікропроцедур вибірки-дешифрування-виконання. Однак фактична послідовність операцій у МШС визначається командами, записаними в пам'яті програм. 

Таким чином, в МПС мікропроцесор виконує наступні функції: 

- Вибірку команд програми з основної пам'яті; 

- Дешифрування команд; 

- Виконання арифметичних, логічних і інших операцій, закодованих у командах; 

- Управління пересиланням інформації між регістрами і основною пам'яттю, між пристроями введення / виведення; 

- Відпрацювання сигналів від пристроїв вводу / виводу, в тому числі реалізацію переривань з цих пристроїв; 

- Управління та координацію роботи основних вузлів МП.