Устройство и принцип действия микропроцессорных систем Микропроцессор и микропроцессорная система

Дать строгое, исчерпывающее определение термина “микропроцессор” (МП) практически невозможно, поскольку МП связаны с динамично развивающейся технологией, и изменения в технологии, возможно вызовут изменения в определении.

Грубо говоря, МП - это функционально завершенное программируемое логическое устройство, изготовленное по БИС-технологии в виде одной или нескольких интегральных схем (ИС) и предназначенное для обработки цифровой информации. В конструкцию МП заложена большая гибкость. Однако, чтобы реализовать его потенциальные возможности, МП надо соединить с другими устройствами, в число которых обычно входят память и устройства ввода-вывода (УВВ), и запрограммировать.

Вообще некоторая совокупность соединенных друг с другом системных устройств, включающая в себя МП, память и УВВ, нацеленная на выполнение некоторой четко определенной функции, обычно называется микроЭВМ, поскольку из этих же системных устройств состоит любая ЭВМ.

Таким образом, данное название отражает изначальную область применения ЭВМ - выполнение научно-технических расчетов. Для понимания же устройства и принципа действия микроЭВМ целесообразно, прежде всего, отказаться от всяких ассоциаций с этой областью их применения. По существу микроЭВМ представляет собой программно управляемое цифровое устройство, способное воспринимать, обрабатывать, запоминать и выдавать в окружающую среду информацию. В соответствии с этим определением вместо термина “микроЭВМ” правильнее использовать термин “микропроцессорная система” (МПС), поскольку он более точно отражает существо дела.

Базовая структура мпс

Любая МПС содержит следующие функциональные блоки, имеющие свою микроархитектуру (рис. 1): МП, состоящий из арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства управления (УУ), память, устройства ввода и устройства вывода информации. Объединение функциональных блоков в МПС осуществляется с помощью системной шины, или магистрали, состоящей из адресной шины (АШ), используемой для адресации программно-доступных элементов системы, шины данных (ШД), по которой производится обмен информацией между блоками МПС; и шины управления (ШУ), предназначенной для передачи управляющих сигналов.

Рис. 1

Физические компоненты и схемы, составляющие МПС - это ее аппаратные средства (hardware). Аппаратура способна выполнять только ограниченный набор элементарных операций. Все прочие возможности МПС достигаются программным путем.

Программа - это определенным образом организованная совокупность элементарных машинных операций, называемых командами (инструкциями), с помощью которых осуществляется обработка информации. Программы, написанные для МПС, образуют ее программное обеспечение (ПО).

Программа и данные сначала накапливаются в памяти, куда они поступают через устройство ввода. Затем отдельные команды программы одна за другой автоматически поступают в УУ, которое их расшифровывает и выполняет. Для выполнения операций обычно требуется, чтобы данные поступили в АЛУ, которое содержит все необходимые для их обработки схемы. В процессе вычислений или после их завершения полученные результаты направляются в устройство вывода.

АЛУ и УУ вместе обычно называются центральным процессорным устройством (ЦПУ) или центральным процессором (ЦП). ЦП в МПС и есть МП.

Информация, которой оперирует МПС, представляет собой группы двоичных разрядов (битов) конечной длины и хранятся в запоминающих устройствах - регистрах. Она может храниться не только в памяти, но и в других устройствах системы, в том числе и внутри МП. По существу, любую операцию в МПС можно рассматривать как серию передач информации между регистрами с возможным ее преобразованием (например, сложением), выполняемым в процессе передачи.

Группа двоичных разрядов, обрабатываемых одновременно, называется машинным словом, а число двоичных разрядов, образующих слово - длиной слова. Слово является основной (базовой) логической единицей информации в МПС. Команды и данные обычно состоят из одного или нескольких слов. Типичные МП имеют длину слова 4, 8, 16 или 32 двоичных разряда. В силу особой распространенности слово длиной 8 двоичных разрядов имеет специальное название - байт.

Память

Память, или точнее, запоминающее устройство (ЗУ) предназначено для хранения больших объёмов информации. Этот блок МПС состоит из совокупности регистров, каждый из которых способен хранить одно машинное слово. Каждый регистр, или ячейка памяти, имеет свой адрес. Адрес - это просто целое число, однозначно определяющее ячейку. Слово, хранящееся в ячейке, называют её содержимым.

МПС имеет два вида памяти , как правило: память, из которой возможно только считывание (ROM - Read only memory), или постоянная память (ПЗУ), и память со считыванием и записью (RAM - Read/Write memory) или оперативная память (ОЗУ).

Отметим, что память со считыванием и записью стало общепринятым называть памятью с произвольной выборкой (RAM - random access memory - запоминающее устройство с произвольной выборкой - ЗУПВ, несмотря на то, что и память только со считыванием также обладает произвольностью выборки. Термин “произвольная выборка” или “произвольный доступ”, соответствует тому факту, что обращение к любой ячейке выполняется за одно и то же время.

ПЗУ предназначено для хранения постоянных данных и отлаженных программ, обеспечивающих выполнение конкретной задачи или выполнение конкретной функции, возложенной на данную МПС. ОЗУ используется для хранения изменяющейся информации.