Тема 1.3 Архитектура мп и мп систем
1.Основные принципы построения МПС
2.Типы архитектур МП и МПС
3.Архитектура МП. Функции устройства управления.
4.Система команд МП
1.В основу построения МПС-систем положено три принципа:
□ магистральности;
□ модульности;
□ микропрограммного управления.
Принцип магистральности определяет характер связей между функциональными блоками МПС — все блоки соединяются с единой системной шиной.
Принцип модульности состоит в том, что система строится на основе ограниченного количества типов конструктивно и функционально законченных модулей. Каждый модуль МПС имеет вход управления третьим (высокоимпедансным) состоянием. Этот вход называется CS (ChipSelect) — выборкристалла, или ОЕ (OutputEnable) — разрешение выхода.
Принципы магистральности и модульности позволяют наращивать управляющие и вычислительные возможности МП путем подсоединения других модулей к системной шине.
Принцип микропрограммного управления состоит в возможности осуществления элементарных операций — микрокоманд (сдвигов, пересылок информации, логических операций). Используя определенные комбинации микрокоманд, можно создать технологический язык, т. е. набор команд, который максимально соответствует назначению системы. В секционных процессорах набор микрокоманд можно изменить, используя другие микросхемы памяти микрокоманд.
Обобщенная структурная схема МПС показана на рис. 1.4. В состав МПС входят:
□ центральный процессор (ЦП);
□ ПЗУ;
□ ОЗУ;
□ система прерываний;
□ таймер;
□ устройства ввода/вывода (УВВ).
Устройства ввода/вывода подключаются к системной шине через интерфейсы ввода/вывода. Под интерфейсом понимают совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных компонентов в системах и направленные на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости компонентов. Интерфейс должен обеспечивать простое и быстрое соединение данных устройства с любым другим, имеющим такой же интерфейс, совместную работу устройств без ухудшения их технических характеристик, высокая надежность. Основными элементами интерфейса являются: совокупность правил обмена информации (временные диаграммы и диаграммы состояний сигналов интерфейса), аппаратная реализация (физическая реализация – контроллеры), программное обеспечение интерфейса (драйверы).
Постоянное и оперативное запоминающие устройства образуют систему памяти, предназначенную для хранения информации в виде двоичных чисел. Постоянное запоминающее устройство предназначено для хранения программ управления, таблиц, констант; ОЗУ — для хранения промежуточных результатов вычислений.
Сегментом называется область памяти, которая начинается с любого адрес кратного 16, и занимает до 64 Кбайт. Существуют три основных сегмента:
□ сегмент кодов;
□ сегмент данных;
□ сегмент стека.
Сегмент кодов содержит коды команд, которые адресуются сегментным регистром кодов CSи регистром — указателем команд IP (InstructionPointer). Регистр CSопределяет начальный адрес сегмента кодов, а регистр IP— смещение в сегменте (расстояние от начала сегмента до ячейки, в которой находится адрес команды).
Сегмент данных содержит данные, константы и рабочие области, необходимые для выполнения программы. Начальный адрес сегмента данных содержится в регистре DS, а смещение в сегменте задается командой.
Сегмент стека содержит адрес возврата из подпрограмм и данные. Регистр SSсодержит начальный адрес сегмента стека, а регистр SP— смещение в сегменте.
Модуль центрального процессора осуществляет обработку данных и управляет всеми остальными модулями системы. Центральный процессор, кроме БИС МП, содержит схемы синхронизации и интерфейса с системной шиной. Он осуществляет выборку кодов команд из памяти, дешифрует их и выполняет. В течение времени выполнения команды — командного цикла — ЦП выполняет такие действия:
1. Выставляет адрес команды на шину адреса АВ.
2. Получает код команды из памяти и дешифрует его.
3. Вычисляет адрес операнда и считывает данные.
4. Выполняет операцию, определенную командой.
5.Воспринимает внешние управляющие сигналы, например, запрос прерываний.
6.Генерирует сигналы состояния и управления, необходимые для работы памяти и УВВ.
Устройства ввода/вывода или внешние устройства — это устройства, предназначенные для ввода информации в МП или вывода информации из него. Примерами УВВ являются дисплеи, печатающие устройства, клавиатура, цифро-аналоговый и аналогово-цифровой преобразователи, реле, коммутаторы. Для соединения УВВ с системной шиной их сигналы должны соответствовать определенным стандартам, что реализуется с помощью интерфейсов ввода/вывода.
Интерфейсы ввода/вывода называют также контроллерами или адаптерами. Микропроцессор обращается к интерфейсам с помощью специальных команд ввода/вывода. При этом МП выставляет на шину адреса АВ адрес интерфейса, а по шине данных DBсчитывает данные с устройства ввода или записывает в устройство вывода.
Система прерываний позволяет МПС реагировать на внешние сигналы — запросы прерываний, источниками которых могут быть: сигналы готовности от внешних устройств, сигналы от генераторов, сигналы с выходов датчиков. При появлении запроса на прерывание ЦП прекращает выполнение основной программы и переходит к выполнению подпрограммы обслуживания запроса прерывания. Для построения системы прерываний МПК содержат БИС специальных программируемых контроллеров прерываний.
Таймер предназначен для реализации функций, связанных с отсчетом времени. После того как МП загружает в таймер число, задающее частоту, задержку или коэффициент деления, таймер реализует необходимую функцию.