Characteristics of Microprocessors

Characteristics of Microprocessors

Microprocessors may be characterized in more than one way. The basic particulars used to set up or pick a micro­processor are as follows.

1. Type of microprocessor (general-purpose or special purpose, single-chip or bit-slice).

2. Technology: p-channel MOS, n-channel MOS, CMOS, silicon-on-sapphire, bipolar TTL, Schottky TTL, I²L, ECL. (Knowledge of the technology used gives an idea about the power requirements and speed of the microprocessor.)

Data word size (4, 8, 16, or 32 bits). It defines the smallest block of data that can be handled by a microprocessor as an entity. It may be fixed or expandable (in the case of bit-slice microprocessors).

4. Addressable memory size. It characterizes the capability of a microprocessor in accessing its memory.

5. Form of control: by wired-in programs or by stored programs (microprogramming).

6. Speed (or throughput). Most often, this parameter is stated as the time required for the microprocessor to execute one operation (or as the number of "register-to-register" transfers per second), in terms of the clock rate, or the access time.

7. Power consumption.

8. Supply voltages (number and values of logic levels).

9. Package dimensions and number of pins.

10. Service conditions (operating temperature range, relative humidity, level of vibration, etc.).

11. Reliability.

12. Cost.

Architecture of the Microprocessor

General. Dictionaries define ‘architecture’ (from the Greek architekton for ‘builder’) as the art and science of building.

The term ‘architecture’ as applied to computers is a bit arbitrary, it has become part and parcel of computer usage. This can be proved by a reference to dictionaries on computers and the titles of many books.

Still, what is the architecture of a microprocessor? Most often it is defined as the general philosophy of microprocessor organization, its overall structure, the specific logic design of the various units, repertoire, and the specification of the relationships between its hardware (that is, its physical equipment) and its software (that is, its programs, procedures).

In many respects, microprocessor architectures are similar to those of large computers, but they also have distinctions of their own.

Obviously, an in-depth study of microprocessor architecture would call for the coverage of a wide range of things. This could hardly be done in a small book like this, nor is it necessary in view of the objective formulated in the title of this chapter - an introduction to microprocessors.

One way to classify the multitude of microprocessors available on the market is to group them into single-chip types and bit-slice types. Single-chip microprocessors have a fixed word length and a fixed repertoire. Bit-slice microprocessors use a word length that can be expanded at will. A bit-slice microprocessor uses LSI components called bit slices usually designed to handle 4 bits of the computer word and arranged so that any number of them can be used together to form words of any size. Recently, single-chip microprocessors using microprograms have also been developed.

The logic design of single-chip microprocessors is to a large extent similar to that of general-purpose computers.

Owing to their structure and the use of microprogramming, bit-slice microprocessors show an extreme flexibility in applications and a far better performance. Using relatively simple means, we can arrange for a parallel execution of machine operations, thus enhancing the capacity of the computers built around such microprocessors.

Despite the superior capabilities of bit-slice microprocessors, however, many applied tasks, notably automatic measuring instruments, can well be achieved using single-chip microprocessors. Therefore, we will limit ourselves to a look at the structure of a single-chip processor.

Structure of the microprocessor. To be more specific, we will examine the structure of an 8-bit single-chip general-purpose microprocessor. As is seen from the block diagram of Fig. 1.3, it consists of an arithmetic logic unit, a control unit, and several internal registers.

The arithmetic logic unit (ALU), which is the core of the microprocessor, usually consists of a binary adder complete with fast carry

circuits, a shift register, and registers for temporary storage of operands. As a rule, the ALU executes several simple operations in response to specific instructions. These operations are addition, subtraction, shifting, transfer, logic OR, logic AND. We have named two more things which are new to the reader—registers and operands. Let us define them before we go on discussing the other component units of the microprocessor.

A register is an electronic circuit which serves to receive, temporarily store, and deliver a computer word as a string of 1s and 0s. A register is made from flip-flops, each flip-flop being capable of handling one bit of information at a time (a 1 or a 0). The length (or width) of a register is the same as the size of the word it stores. Thus, an 8-bit register consists of eight flip-flops (suitably interconnected) and can handle an 8-bit word.

An operand is the number or the character which is to be the subject of an arithmetic operation. For example, in the expression

y = a + b

or

w = 2^k - 1

the operands are a, b, 2, k, and 1. A typical example of operands involved in data processing by microprocessors is the byte.

The control unit (CU) “coordinates” the operation of the ALU and of the internal registers during the execution of an instruction. Each instruction word consists of two parts, an operation code (op code) and an operand. The op code “tells” the control unit what signals it should generate for control of the microprocessor units. The operand supplies a coded indication (that is, an address) that tells where any data to be operated or should be retrieved from or written into memory.

The internal registers, which expand the capabilities of the ALU, serve as the microprocessor's internal memory— they are used for temporary storage of data and instructions. They may also perform some data processing operations. As a rule, the internal register section includes general-purpose registers and special-purpose registers such as an accumulator register, a memory address register, a memory data register, an instruction counter, stack registers, and a status register.

The general-purpose registers, GPR, of which there may be from 4 to 64, determine to a certain extent the computational capabilities of the microprocessors. They are primarily used for the manipulation and temporary storage of data.

The accumulator similarly serves as a scratch pad for arithmetic, logical and input/output operations. In most microprocessors the accumulator also stores the results of the mathematical operations which replace the operand that was originally stored there. Normally, data words fetched from memory and words to be written into memory are first loaded into the accumulator. The size (or width) of the accumulator is the same as the data word size (in our example the accumulator is 8 bits wide). Some microprocessors may have two or more accumulators—this enhances their flexibility and efficiency in problem solving.

The memory address register is a specialized register used to store the address of the word to be fetched from, or loaded into, the microprocessor memory or some other register before it goes to the address bus. The maximum number of directly addressable data words in the memory depends on the size of the memory address register. For example, by rearranging the 0s and 1s in the various bits of a two-byte word we can store 2¹⁶ = 65 536 addresses of memory locations (words) in a 16-bit memory address register (of course, one at time).

The memory data register is used to store the word. The width of this register is the same as the data word size (an 8-bit memory data register is needed to store a one-byte word, and a 16-bit memory data register for a two-byte word).

The instruction counter is a register that contains the memory address of the next instruction word to be executed. As a rule, the instructions of a particular program are stored in consecutive memory locations: for a one-byte instruction the number giving the address of every next memory location is by one greater than that of the current location. Each time the microprocessor accesses memory, the instruction counter is incremented by one to point to the memory location from which the next instruction is to be fetched.

Характеристики Микропроцессоров

Микропроцессоры могут быть характеризованы больше чем одним способом. Основные подробные сведения имели обыкновение устанавливать, или выбирать микропроцессор следующие.

1. Тип микропроцессора (универсальный или цели специализированной ИС, одночипной или секционированной).

2. Технология: МОП-структура с каналом р-типа, n-канальная МОП-структура, комплементарная МОП-структура, КНС-структура, биполярная ТТЛ-СХЕМА, диод Шотки ТТЛ-СХЕМА, I2L, язык управления вычислительным процессом. (Знание используемой технологии дает идею о требованиях власти{мощности} и быстродействии микропроцессора.)

Размер{Емкость} информационного слова (4, 8, 16, или 32 бита). Это определяет наименьший блок данных, которые могут быть манипулированы микропроцессором как объект. Это может быть установлено или расширяемым (в случае секционных микропроцессоров).

4. Адресуемая емкость памяти. Это характеризует возможность микропроцессора в доступе к его запоминающему устройству.

5. Вид проверки: зашитым - в программах или записанными программами (микропрограммирование).

6. Быстродействие (или производительность). Наиболее часто, этот параметр заявлен как время, требуемое для микропроцессора выполнить одну операцию (или как номер передач{перемещения} "между регистрами" в секунду), в терминах тактовой частоты, или времени доступа.

7. Потребляемая мощность.

8. Напряжения питания (номер и значения логических уровней).

9. Размеры пакета и номер штырьков.

4. Условия эксплуатации (номенклатура рабочей температуры, относительная влажность, уровень{степень} колебаний, и т.д.).

4. Надежность.

12.Стоимость.

Конструкция микропроцессора

Общее. Словари дают определение 'конструкции' (от греческого architekton 'строитель') как искусство и наука формирования.

Термин 'конструкция' в применении к компьютерам немного произволен, он стал неотъемлемой частью компьютерного использования. Это может быть доказано ссылкой на компьютерные словари и заголовках многих книг.

Однако, что же является конструкцией микропроцессора? Наиболее часто она определяется как общая философия архитектуры микропроцессора, её полной структуры, определенное логическое проектирование различных модулей, набора, и спецификации отношений между её аппаратными средствами (то есть её физическое оборудование) и ее программное обеспечение (то есть ее программы, процедуры).

Во многих отношениях, архитектура микропроцессора одинакова для большинства компьютеров, но она также имеет собственные различия.

Очевидно, очевидно всестороннее исследование архитектуры микропроцессора запросило бы охват широкого диапазона вещей. Это могло едва быть сделано в маленькой книге подобно этой, и при этом это не необходимо ввиду цели, сформулированной в заголовке этой главы - введение в микропроцессоры.

Один способ классифицировать множество микропроцессоров, доступных на рынке состоит в том, чтобы группировать их в одночипные типы и секционированные типы. Одночипные микропроцессоры имеют установленную длину слова и установленный набор. Секционные микропроцессоры используют длину слова, которая может быть расширена по желанию. Секционный микропроцессор использует компоненты большой интегральной схемы, названной микропроцессорной секцией, обычно обрабатывают 4 бита компьютерного слова и размещают так, чтобы любой номер их мог использоваться одновременно, чтобы образовать слова любого размера. Также недавно, используя микропрограммы, были разработаны одночипные микропроцессоры

Логическое проектирование одночипных микропроцессоров в большей степени, подобен для универсальных компьютеров.

Вследствие их структуры и использования микропрограммирования, секционные микропроцессоры проявляют критическую гибкость в приложениях и намного лучше в рабочих характеристиках. Используя относительно простые средства, мы можем устроить одновременное выполнение машинных операций, таким образом расширяя способность компьютеров, сформированных на таких микропроцессорах.

Однако, несмотря на превосходящие возможности секционных микропроцессоров, много прикладных задач, особенно автоматические измерительные приборы, могут карман быть достигнутыми, используя одночипные микропроцессоры. Поэтому, мы ограничим нас взглядом на структуру одночипного микропроцессора.

Структура микропроцессора. Чтобы быть более определенными, мы исследуем структуру 8-битового одночипного универсального микропроцессора. Как показано на блок-схемы рис. 1.3, он состоит из арифметико-логического устройства, блока управления, и нескольких внутренних регистров.

Арифметико-логическое устройство, которое является главной частью ЗУ микропроцессора, обычно состоит из законченного двоичного сумматора сыстродействующими схемами переноса, сдвиговым регистром, и регистрами для временного хранения операндов. Как правило, арифметико-логическое устройство выполняет несколько простых операций в ответ на определенные команды. Эти операции - добавление, вычитание, смещение, передача, логическая функция ИЛИ, логическая функция И. Мы назвали еще две вещи, которые являются плохо знакомыми с регистраторами считывающего устройства и операндами. Позвольте нам определить их прежде, чем мы продолжим обсуждать другие составляющие модули микропроцессора.

Регистр - электронная схема, которая служит, чтобы получать, временно хранить, и представлять компьютерное слово как строку из 1 и 0. Регистр сделан из триггера, каждый триггер способен обрабатывать один бит информации одновременно (1 или 0). Длина (или ширина) регистра такая же как размер слова, которое он хранит. Таким образом, 8-битовый регистр состоит из восьми триггеров и может обрабатывать 8-битовое слово.

Операнд - число или символ, который должен быть предметом арифметической операции. Например, в выражении

y = a+ b

или

w = 2^k - 1

операнды - a, b, 2, k, и 1. Типичный пример операндов, вовлеченных в обработку данных микропроцессорами - байт.

Блок управления "координирует" операцию арифметически-логического устройства и внутренних регистраторов во время выполнения команды. Каждое слово команды состоит из двух частей, код операции (op код) и операнд. Код op "говорит" блоку управления, какие сигналы он должен генерировать для проверки микропроцессоров. Операнд поставляет закодированную индикацию (то есть адрес), который говорит, где любые данные, которые используются или должны быть найдены и записаны в память.

Внутренние регистраторы, которые разворачивают возможности арифметико-логического устройства, служат внутренней памятью микропроцессора - они используются для временной памяти данных и команд. Они могут также выполнять некоторые операции обработки данных. Как правило, внутренний раздел регистра, включает универсальные регистры и регистры специального назначения типа сумматора, регистр адреса памяти, регистр данных запоминающего устройства, счетчик команд, регистр в стека и регистр состояния.

Универсальные регистры, регистр общего назначения, может быть от 4 до 64, определяет до некоторой степени вычислительные возможности микропроцессоров. Они прежде всего используются для манипуляции и временной памяти данных. Их называют "рабочими регистрами" памяти клавиатуры.

Сумматор подобно клавиатуре служит для арифметических, логических операций и операций ввода-вывода. В большинстве микропроцессоров сумматор также сохраняет результаты математических операций, которые заменяют операнд, который был первоначально сохранен там. Обычно, информационные слова, выбранные из памяти и слова, которые будут записаны в память, сначала загружаются в сумматор. Размер (или ширина) сумматора та же самая как и размер информационного слова (в нашем примере, сумматор 8 битов шириной). Некоторые микропроцессоры могут иметь два или больше сумматора - это расширяет их гибкость и эффективность в решении задач.

Регистр адреса памяти, специализированный регистр используемый для хранения адреса слова, которое будет выбрано или загружено в память микропроцессора, или некоторый другой регистр прежде, чем оно войдёт в адресную шину. Максимальное число непосредственно адресуемых информационных слов в память зависит от размера регистра адреса памяти. Например, перестраивая 0 и 1 в различных битах двух-байтового слова мы можем сохранить 2¹⁶ = 65 536 адресов размещений слова в 16-разрядном регистре адреса памяти.

Регистр памяти данных используется, чтобы хранить адрес слова. Ширина этого регистра такая же как и размер информационного слова ( 8-битовый регистр данных запоминающего устройства, чтобы сохранить однобайтовое слово, и 16-разрядный регистр памяти данных для двух-байтового слова).

Счетчик команды регистр, который содержит адрес памяти следующего слова команды, которая будет выполнена. Как правило, команды специфической программы сохранены в последовательных местоположения памяти: для однобайтовой команды число, дающее адрес каждого следующего размещения запоминающего устройства одним больше чем из текущего местоположения. Каждый раз, когда микропроцессор обращается к памяти, счетчик команд увеличивается на один, чтобы указать на местоположение памяти, от которого должна быть выбрана следующая команда.

12