Микро, мини ЭВМ, микропроцессоры

ЛЕКЦИЯ 12

Непрерывное повышение степени интеграции элементов на кристалле и их быстродействия позволили создать новый класс интегральных микросхем — микропроцессоры, являющиеся удачной реализацией изделий вычислительной техники на базе полупроводниковой технологии.

Микропроцессор (МП)—это программно-управляемое цифровое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких интегральных микросхем. Его отличительные свойства: экономичность изготовления как стандартного изделия в условиях серийного производства и гибкость применения как универсального устройства. Эти свойства способствуют широкому распространению микропроцессорных устройств в различных отраслях народного хозяйства и особенно в тех, где использование вычислительной техники и электроники было проблематичным.

Общие принципы работы МП определяются его архитектурой. По архитектуре МП во многом подобен процессору «больших» ЭВМ, но, уступая последнему по функциональным и вычислительным возможностям, обладает такими преимуществами, как простота, надежность, малые габаритные размеры, масса, стоимость, потребляемая мощность. Это позволило перейти к производству новых видов изделий — микроЭВМ, микроконтроллеров и других микропроцессорных средств вычислительной техники (МСВТ) самого разнообразного назначения. Однако собственно МП не позволяет создать законченного управляющего или вычислительного устройства. Необходим комплект дополнительных микросхем (запоминающих устройств, устройств ввода/вывода, регистров, формирователей), который, согласуясь с МП по техническим характеристикам, позволяет создать завершенное устройство. В этом случае речь идет о микропроцессорном комплекте (МПК).

Микропроцессор имеет технические характеристики, специфичные для вычислительных устройств (система команд, объем адресуемой памяти, система прерывания), и параметры, присущие интегральным микросхемам (входные и выходные уровни сигналов, помехоустойчивость, время задержки распространения сигналов).

В связи с большим разнообразием МП и МПК (универсальные и специализированные, однокристальные, многокристальные и секционные, синхронные и асинхронные, одномагистральные и многомагистральные) определить единую систему характеристик, позволяющую производить оценку технических возможностей МПК, довольно сложно, поэтому рассмотрим те основные характеристики, которые позволят потребителю произвести ориентировочную оценку различных МПК.

Разрядность обрабатываемых данных — характеристика, определяющая точность вычислений. Существуют МП как с фиксированным числом разрядов, так и с наращиваемой разрядностью. В МП
с фиксированной разрядностью (КР580, КР588, КР1801, КР1810)
увеличение числа разрядов обрабатываемых данных возможно про
счетом программы в несколько этапов. Однако это снижает быстро
действие систем. В МП с наращиваемой разрядностью (К589, К1800,
К.Р1802, КМ1804) микропроцессор строится из микропроцессорных
секций, каждая из которых имеет К разрядов. Тогда разрядность
обрабатываемых данных определяется как nК, где К=2, 4, 8, …, n=
= 1,2,3, ….

Система команд —характеристика, которая определяется совокупностью операций, обеспечивающих выполнение программы в соответствии с заданным алгоритмом. В систему команд входят: форматы команд и обрабатываемых данных; число команд; способы адресации данных; объем непосредственно адресуемой памяти; объем и организация стека; способы обработки прерываний; организация ввода/вывода. Простое сравнение МП по числу выполняемых команд недостаточно для оптимального выбора. Необходима оценка логической мощности и гибкости команд, выполняемых МП, оценка возможностей организации разветвленных вычислительных процессов. Микропроцессоры с фиксированной разрядностью имеют фиксированную систему команд. Микропроцессоры с наращиваемой разрядностью (секционные) ориентированы на микропрограммное управление и позволяют пользователю в зависимости от специфики разрабатываемого устройства создавать собственные системы команд. Использовать МПК с микропрограммным управлением наиболее целесообразно при разработке систем специализированного назначения, когда созданием насыщенных и компактных команд можно достичь высокого быстродействия и существенной экономии памяти программ.

Быстродействие — характеристика, которая определяется схемо-технологическими возможностями МПК и его архитектурными особенностями При оценке быстродействия необходимо учитывать, что простое сравнение длительностей машинного такта (командного цикла) может привести к неверным выводам, так как некоторые команды различными МП выполняются за разное число тактов. Быстродействие универсальных МП, в основном, определяется числом выполняемых в секунду операций: регистр-регистр, регистр-память, сложения, умножения.

Выбор оптимального МПК осуществляется исходя из времени выполнения эталонного пакета задач, затрат на программирование, необходимого объема памяти. Однако это не всегда приемлемо, так как требует значительных затрат времени. Потребляемая мощность — еще одна характеристика, определяемая схемотехнологическим исполнением МПК. При рассмотрении этой характеристики необходимо учитывать, что в зависимости от технология изготовления МП может быть выполнен в виде одной или нескольких микросхем, поэтому оценку потребляемой мощности необходимо производить при условии выполнения МПК одинаковых функций.

На рисунке 12.1 приведена примерная структурная схема микропроцессора, включающая основные функциональные элементы-модули узлы, а на рисунке 12.2 изображена упрощенная функциональная схема. В структурной схеме функциональные элементы сгруппированы соответственно выполняемым ими функциям управления, запоминания, обработки команд и реализации вычислительных операций, а также ввода-вывода данных. Обмен адресами, информацией и командами между устройствами осуществляется по внутренней магистрали шин микропроцессора.

Рис. 12.1. Структурная схема микропроцессора: А- адреса; D данные; StS сигналы управления

Рис. 12.2. Упрощенная функциональная схема микропроцессора: ЦУО центральное устройство обработки данных; АЛУ арифметико логическое устройство; УУ- устройство управления; ПЗУ постоянное ЗУ; ОЗУ оперативное ЗУ (с произвольной выборкой); УВВ- устройство ввода вывода данных.

Для обмена с внешними устройствами запоминающие устройства (ЗУ)-постоянное и с произвольной выборкой- а также устройства (модули) ввода-вывода данных снабжены своими каналами связи с магистралями шин, которые могут отличаться по своей структуре и организации работы от внутренней магистрали микропроцессора. В постоянном ЗУ (ПЗУ) хранятся неизменяемые программы и данные, необходимые для выполнения тех или иных операций: математические и физические константы, данные для коррекции результатов измерений и др. В ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ) данные в процессе работы изменяются; ЗУПВ служит для промежуточного хранения текущей информации (измерительных данных, промежуточных результатов вычислений) и является оперативной памятью. Оперативное ЗУ используют и для хранения программ. Помимо ПЗУ с неизменяемыми данными (с так называемой «жесткой прошивкой», выполненной при изготовлении ЗУ), существуют программируемые ПЗУ (запись в них разовая, осуществляется пользователем) и стираемые перепрограммируемые ПЗУ (допускают многократную запись необходимых программ и. данных). Наиболее быстродействующими из перепрограммируе-мых ПЗУ являются устройства матричного типа.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические операции сложения и вычитания двух чисел, логические операции, а также сравнение чисел и их сдвиг. Эти операции осуществляются за один такт. Более сложные операции, такие, как умножение и деление, реализуются в виде последовательности образующих их простых операций по сигналам схемы управления. Наряду с конечными результатами АЛУ выдает сигналы о промежуточных результатах, передаче данных, коррекции результата и др. Эти сигналы служат признаками для последовательного выполнения программы обработки.

Схемой управления выполняются следующие функции: управление чтением и декодированием команд; управление вводом-выводом
операндов и результатов вычислительных и логических операций через буферную память; формирование управляющих сигналов для выполнения отдельных частей команды (элементарных операций); передача управления АЛУ для выполнения обработки данных; управление регистрами универсального назначения и специализированными.

Универсальные регистры используют для запоминания текущих чисел; они допускают непосредственное адресное обращение и позволяют расширить возможности обработки данных. Операции с их применением выполняются достаточно быстро. В специализированных регистрах хранятся определенные признаки (например, признаки прерывания программы), специальные адреса и др.

Для внутренней синхронизации функциональных элементов микропроцессора используют сигналы тактового генератора. С каждым тактовым сигналом выполняется одна элементарная операция. Последовательность таких операций образует машинный цикл выполнения команды. Регистр команд (рисунок 41) предназначен для промежуточного хранения команды в цикле ее считывания из ЗУ. Дешифратор команды формирует соответствующие сигналы для схемы управления.

Модули ввода-вывода данных предназначены для подключения внешних (периферийных) устройств. Программно организуемый обмен между внешними устройствами и микропроцессором через эти модули может осуществляться параллельно соответствующими кодами по группе шин (магистрали) или последовательно (поразрядно) по одной шине. Внешними устройствами являются различные средства измерений, блоки внешней памяти, печатающие устройства, пульт управления, устройства отображения, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и др.

Дата добавления: 2014-01-04