Раздел 2. Функциональная и структурная организация микроЭвм
Тема 2.1. Структурная организация микроЭвм
Принципы построения микропроцессорных систем
Типовая структура микропроцессорной системы
В основу построения микропроцессорных систем положено три принципа:
магистральности,
модульности,
микропрограммного управления.
Принцип магистральности определяет характер связей между функциональными блоками микропроцессорной системы – все блоки соединяются с единой системной шиной. Большинство микропроцессорных систем имеют магистрально-модульную структуру. МикроЭВМ строится из набора конструктивно законченных модулей. Каждый модуль реализует определенные функции и обладает свойством независимости от других модулей. Модульность конструкции позволяет совершенствовать микроЭВМ за счет введения в ее структуру более производительных модулей. Упрощается также процесс поиска и устранения неисправностей.
Обмен информацией между отдельными модулями осуществляется через общую магистраль (шину). Системная магистраль микроЭВМ выполняется в виде совокупности шин, используемых для соединения модулей между собой и для передачи данных, адресов и управляющих сигналов. Каждая микроЭВМ имеет четко регламентированный протокол, который определяет, какое устройство и в какой момент времени будет выдавать информацию в шину.
Системная шина – основная интерфейсная часть микроЭВМ, обеспечивающая сопряжение и связь всех ее устройств между собой. Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
между микропроцессором и основной памятью,
между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств,
между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).
Системная шина включает три группы шин:
шину данных (ШД),
шину адреса (ША),
шину управления (ШУ).
Шина адреса является однонаправленной. Она предназначена для передачи адреса ячейки памяти или устройства ввода/ вывода. Направление передачи по шине адреса – от микропроцессора к внешним устройствам. Шина данных является двунаправленной. Она предназначена для передачи данных между блоками микропроцессорной системы. Информация по одним и тем же линиям шины данных может передаваться в двух направлениях – как к микропроцессору, так и от него. Адреса и данные передаются по системной магистрали в параллельном коде. Шины адреса и данных выполняются в виде совокупности линий, каждая из которых используется для передачи одного разряда кода. Шина управления предназначена для передачи управляющих сигналов. Хотя направление управляющих сигналов может быть различным, однако шина управления не является двунаправленной, поскольку для сигналов разного направления используются отдельные линии. Обозначается эта шина так же, как и однонаправленная. Количество линий в шине управления определяется числом управляющих сигналов, используемых в микроЭВМ.
Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему контроллер шины, формирующий основные сигналы управления.
В микроЭВМ наибольшее распространение получили две структуры системной магистрали: 1. структура с изолированными шинами,
2. структура с мультиплексированными шинами.
Мультиплексирование позволяет использовать одну и туже шину в различные моменты времени для передачи функционально различной информации. В микроЭВМ с мультиплексированными шинами используются две шины:
- адресно-информационная шина (ША/Д),
- шина управления (ШУ).
Мультиплексированная шина адреса/ данных функционирует в режиме разделения времени, т.к. цикл шины разбит на временной интервал для передачи адреса и временной интервал для передачи данных.
Подключение периферийных устройств к системной магистрали осуществляется с помощью специализированных контроллеров или адаптеров. Через контроллер или адаптер процессор обменивается информацией с периферийным устройством, а также опрашивает состояние периферийного устройства и управляет его работой. С помощью контроллеров (адаптеров) производится согласование алгоритмов функционирования периферийных устройств и системной магистрали.
Связь всех функциональных устройств микроЭВМ (процессора, памяти и контроллеров периферийных устройств) осуществляется посредством интерфейсов.
Интерфейс – совокупность средств сопряжения и связи устройств микроЭВМ, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.
Интерфейс – это совокупность линий и шин, связывающих устройства микроЭВМ или микропроцессорной системы между собой, а также специальных схем, предназначенных для обеспечения этой связи, алгоритмов обмена данными, параметров сигналов, участвующих в обмене данными. Каждый интерфейс на физическом уровне представляется в микроЭВМ своей шиной (магистралью обмена) и некоторой электроникой, обеспечивающей сопряжение шины с функциональным устройством (или его контроллером или адаптером). Обычно микроЭВМ имеет систему интерфейсов, организованных по иерархическому принципу.
МПП – микропроцессорная память
Рисунок – Обобщенная структурная схема микроЭВМ
Микропроцессор – центральный блок микроЭВМ, предназначенный для управления работой всех блоков ЭВМ и для выполнения арифметических и логических операций над информацией. Конструктивно МП содержит одну или несколько интегральных схем и выполняет действия, определенные программой, записанной в памяти. В состав микропроцессора входят:
УУ: - формирует и передает во все блоки микроЭВМ определенные управляющие сигналы в соответствии с выполняемой операцией и результатами предыдущих операций,
- формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки микроЭВМ;
АЛУ;
МПП – предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях, непосредственно в ближайшие такты работы микроЭВМ,
МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия микроЭВМ, т.к. основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек основной памяти, имеющих стандартную длину один байт и более низкое быстродействие).
Интерфейсная система микропроцессора предназначена для сопряжения и связи с другими устройствами микроЭВМ. Интерфейсная система включает в себя внутренний интерфейс микропроцессора, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной.
Порт ввода-вывода – аппаратура сопряжения, позволяющая подключать к микропроцессору другое устройство микроЭВМ.
ГТИ генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту микроЭВМ. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы микроЭВМ. Частота ГТИ является одной из основных характеристик микроЭВМ и во многом определяет скорость ее работы, т.к. каждая операция в микроЭВМ выполняется за определенное количество тактов.
Математический сопроцессор широко используется для ускорения выполнения операций над двоичными числами с фиксированной и плавающей запятой. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но под управлением последнего.