Структура и архитектура микропроцессора. Термины и определения

Микроархитектура микропроцессора - это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.

На рис. 3 приведена типовая архитектура микропроцессора.

Рис.3. Упрощенная типовая структура микропроцессора

В составе микропроцессора основным является арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое представляет собой программируемый сумматор. Обычно разрядность АЛУ определяет разрядность микропроцессора. Данные для обработки предварительно записывают в регистры общего назначения (РОН). Текущая команда, операнды, результаты обработки, признаки состояния программы и другие специальные данные заносятся в регистры специального назначения, каждый из которых выполняет только одну определенную функцию.

Блок управления и синхронизации осуществляет тактирование и синхронную работу всех блоков микропроцессора и микропроцессорной системы, вырабатывая сигналы управления памятью и УВВ.

Программный счетчик формирует двоичный код адреса ячейки памяти, из которой читается текущая команда программы. Этот код сохраняется в регистре адреса, пока счетчик инкрементируется для формирования следующего адреса. При выполнении команд в регистр адреса записываются адреса ячеек памяти или УВВ, с которыми микропроцессор обменивается данными.

Макроархитектура - это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.

Поскольку микропроцессор – всего лишь часть микропроцессорной системы или компьютера, необходимо подробнее рассмотреть их свойства. Физические устройства из которых состоит компьютер (рис. 1) называются АППАРАТНЫМИ СРЕДСТВАМИ.

Для практического использования аппаратных средств, в память компьютера должна быть занесена программа, предписывающая микропроцессору последовательность необходимых действий. Совокупность всех программ, написанных для данного компьютера, называется ПРОГРАММНЫМ ОБЕСПЕЧЕНИЕМ или ПРОГРАММНЫМИ СРЕДСТВАМИ.

ПРОГРАММА представляет собой список команд микропроцессора.

КОМАНДА - указание, определяющее один шаг в общем процессе выполнения программы. Команды воспринимаются микропроцессором как набор электрических сигналов, определяющих двоичный код, например 10000101. Для удобства написания программ каждому такому набору соответствует МНЕМОКОД - сокращенная аббревиатура английских слов, выражающих действие команды, например:

ADD - сложить два числа;

MOVE - передать данные;

INPUT - ввести данные;

OUTPUT - вывести данные;

JUMP - перейти в другую область программы.

Совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен данными между внешними и внутренними устройствами компьютера называется ИНТЕРФЕЙС.

Для написания программы необходимо знать архитектуру компьютера. АРХИТЕКТУРА микропроцессорной системы - общая логическая организация, определяющая процесс обработки данных, включая методы их кодирования, состав, назначение и принципы взаимодействия аппаратных и программных средств компьютера.

Упрощенная архитектура типичной системы на основе микропроцессора показана на рис. 4. Архитектура показывает способы соединения микропроцессора с памятью, которая в данном случае подразделяется на программную память и память данных, а также устройства ввода и вывода информации.

ШИНЫ или МАГИСТРАЛИ представляют собой соединительные проводники, посредством которых происходит процесс обмена цифровой информацией микропроцессора с памятью и внешними устройствами.

Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления, состоящий из отдельных линий управления. 16-разрядная адресная шина SA служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-разрядной шине данных SD осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что МП может посылать информацию в память или к одному из портов вывода, а также получать информацию из памяти или от одного из портов ввода.

DI0…DI7

DO0…DO7

Рис. 4 Структурная схема простейшей микропроцессорной системы.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) содержит программу. Также программы могут быть загружены в ОЗУ из внешнего запоминающего устройства.

Для того, чтобы микропроцессор выполнял какую-либо задачу необходимо написать программу, разместить ее в памяти и инициализировать процессор на выполнение программы.

Простейшая программа, воспринимающая код символа с клавиатуры (например нажата клавиша с символом А) с последующей прорисовкой символа на дисплее выглядит так:

1. Принять код символа с клавиатуры через порт ввода;

2. Разместить код символа в памяти;

3. Вывести код символа через порт вывода на дисплей.

Если записать программу в мнемокодах, то она будет выглядеть следующим образом:

INPUT (ввести)

MOVE (переместить)

OUTPUT (вывести)

Вышеперечисленный список команд содержит сведения только о производимых действиях и не содержит указаний с чем, или каким образом производить данные действия. Поэтому команда обычно состоит из двух частей – ОПЕРАЦИИ (указания какие действия производить) и ОПЕРАНДА (с чем производить действия или посредством чего). Операндов может быть несколько. Простейшие команды могут не иметь операнда. Таким образом, конкретизированная программа будет выглядеть так:

INPUT #1 (ввести через порт с адресом 1)

MOVE #200 (переместить в ячейку памяти с адресом 200)

OUTPUT #2 (вывести через порт с адресом 2)

Более подробная схема на рис.5 позволяет осмыслить выполнение данной программы в микро-ЭВМ — ввод—размещение—вывод. Прежде всего, внимательно рассмотрим содержимое программной памяти. Заметим, что команды предварительно были загружены в шесть ячеек памяти. Т.е. каждая команда занимает по 2 ячейки. Первая ячейка содержит операцию, а вторая – операнд. Что касается первой команды на этом рисунке, операция ВВЕСТИ содержится в ячейке памяти 100, а в ячейке памяти 101—операнд (порт 1), который нам указывает, откуда поступит информация.

В составе микропроцессора выделены два регистра специального назначения – АККУМУЛЯТОР и РЕГИСТР КОМАНД. Последовательность событий, происходящих в микропроцессорной системе в ходе выполнения приведенной программы, подробно показана на стрелками с номерами, отражающими последовательные этапы. На любом этапе МИКРОПРОЦЕССОР является центром всех преобразований данных и операций.

Этап 1: Микропроцессор выставляет адрес 100 на адресную шину. Линия управления признает (или активизирует) ввод считывания из ИС программной памяти (считывать данные означает копировать информацию из ячейки памяти). Этот этап обозначен как .

Рис. 5. Схема функционирования микропроцессорной системы.

Этап 2: Программная память выставляет первую команду на шину данных (ВВЕСТИ данные), а МП принимает эту кодированную информацию. Это послание помещается в специальное пространство памяти МП, называемое регистром команд. Оно декодируется (интерпретируется), этой команде нужен операнд.

Этап 3: Микропроцессор выставляет на адресную шину адрес 101. Линией управления активизируется вход считывания из программной памяти.

Этап 4: Программная память помещает операнд (изъятый из порта 1) на шину данных. Этот операнд находился в ячейке памяти 101. Кодированное послание (адрес порта 1) взято на шине данных и помещено в регистр команд. Теперь МП декодирует полную команду (ВВЕСТИ данные, поступающие из порта 1).

Этап 5: Микропроцессор побуждает открыть порт 1 посредством адресной шины и линии управления устройством ввода. Кодированная форма А передается в аккумулятор, где и размещается.

Важно заметить, что МП все время действует в последовательности — извлечение — декодирование — выполнение. Он извлекает сначала из программной памяти команду, затем расшифровывает ее и, наконец, выполняет. Продолжим теперь рассмотрение программы.

Этап 6: Микропроцессор выставляет на адресную шину адрес ячейки памяти 102 и активизирует вход считывания из программной памяти посредством управляющих линий.

Этап 7: Код команды ПОМЕСТИТЬ данные считывается с шины данных, принимается МП и помещается в регистр команд.

Этап 8: Микропроцессор декодирует эту команду и определяет, что нужен операнд. Он выставляет на шину данных следующий адрес 103 и активизирует вход считывания из программной памяти.

Этап 9: Код операнда «В ячейку памяти 200» нз памяти (программы) помещен на шину данных, МП принимает операнд и помещает его в регистр команд. Команда ПОМЕСТИТЬ данные, расположенные в ячейке памяти 200, полностью извлечена и декодирована.

Этап 10: Теперь начинается процесс выполнения. Микропроцессор выставляет на адресную шину адрес 200 и активизирует вход, записи в память (запись означает, что данные введутся в память).

Этап 11: Микропроцессор выдает помещенную в аккумуляторе информацию на шину данных (кодированная форма А). Это А записано в ячейке памяти 200 и таким образом теперь выполнена вторая команда.

Этап 12: Теперь МП должен извлечь следующую команду. Он адресует ячейку памяти 104 и активизирует вход считывания из памяти.

Этап 13: Команда ВЫВЕСТИ данные помещена на шину данных, МП принимает ее и помещает в регистр команд. Микропроцессор декодирует послание и устанавливает, что нужен операнд.

Этап 14: Микропроцессор помещает адрес 105 на адресную шину и активизирует вход считывания из памяти.

Этап 15: Память помещает код операнда в порт 10 на шину данных. Этот код принимается МП, который помещает его в регистр команд.

Этап 16: Микропроцессор декодирует команду ВЫВЕСТИ данные в порт 10 полностью, активизирует порт 10 посредством адресной шины и управляющей линии устройства вывода. Он помещает код А (постоянно находящийся в аккумуляторе) на шину данных. Наконец А передается портом 10 на видеотерминал.

Большинство микро-ЭВМ передают информацию описанным сейчас и показанным способом. Самые большие различия сосредоточены в элементах ввода и вывода. Иногда может потребоваться больше этапов для осуществления этих операций.

Важно отметить, что МП является центром всех операций и полностью ими управляет. Он следует последовательности — извлечение—декодирование—выполнение. Выполняемые операции, напротив, диктуются командами, помещенными в памяти.

Двунаправленность магистралей достигается тем, что микропроцессорные ИС имеют состояние ВЫСОКОГО ИМПЕДАНСА или ТРЕТЬЕ СОСТОЯНИЕ (Z-состояние). Физическая реализация третьего состояния определяется закрытым состоянием транзисторов верхнего и нижнего плеч буферных каскадов, таким образом иммитируя как бы физическое отсоединение проводников шины от интегральной микросхемы. Переключение из третьего состояния называется активизацией (инициализацией) и осуществляется подачей сигнала низкого уровня на вход выбора кристалла CS.

U+ U+ U+

I вых

U вых = «0» I вых = 0

I вых

a b c

Рис. 4. Упрощенные схемы выходных сигналов цифровых и микропроцессорных ИМС с третьим состоянием:

a – состояние логической единицы;

b – состояние логического нуля;

c – состояние высокого импеданса.

Дата добавления: 2013-12-13