Архитектура микропроцессоров

Ядром любой МП-системы или микроЭВМ является микропроцессор - функциональный блок, выполненный на микроэлектронной основе, предназначенный для логической и ариф­метической обработки информации на основе принципа программного управления. В каждом микропроцессоре имеются сле­дующие основные устройства: арифметическо-логическое устройство (АДУ), выполняющее все арифметические и логические операции; устройство управления (УУ), обеспечивающее сов­местную синхронную работу всех узлов МП, а также МП-системы; группа внутренних регистров для временного хранения информации, участвующей в выполняемых операциях. Все эти устройства связаны внутренней шиной данных (рис. 4) и шиной управления.

Синхронная работа всех устройств МП-системы и МП обеспечивается тактовыми сигналами Ф₁и Ф₂, поступающими в МП от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Совместная работа всех устройств МП осуществляется по сигналам у_i(i=1,2, ..., n), вырабатываемым устройством управления МП в соответствии с реализуемыми командами программы.

3.Процесс функционирования МП распадается на последовательность элементарных действий в его узлах, выполняемых под управлением УУ.

Каждое такое элементарное действие, выполняемое в одном из узлов МП в течение одного тактового периода, называется микрооперацией. На базе этих действий организуются в МП операции сложения, вычитания, умножения, деления, логического умножения (И), логического сложения (ИЛИ), операция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и др. Все работы, выполняемые МП-системой, осуществляются микропроцессором либо под его управлением.

Рассмотрим назначение отдельных устройств микропроцессора.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) выполняет по соответствующим командам операции: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), логическое отрицание (НЕ), операцию ИСКЛЮЧАЮ­ЩЕЕ ИЛИ.

Устройство управления (УУ) согласно коду операции, содержащемуся в команде, формирует сигналы управления МП у, (рис. 2.4). Группа внутренних регистров служит сверхоперативной памятью микропроцессора и используется для временного хранения данных и адресов операндов, участвующих в выполнении команд программы. Внутренние регистры МП подразделяются на регистры специального и общего назначения. Количество, назначение и разрядность этих регистров во многом определяют архитектуру МП. Почти все МП имеют следующие регистры специального назначения: регистр-аккумулятор, счетчик команд, регистр команд, регистр признаков, указатель стека, буферный регистр адреса, буферный регистр данных. Рассмотрим назначение этих регистров.

Регистр-аккумулятор, называемый обычно просто аккумулятором (А), предназначен для временного хранения операнда (величины, представляющей

Рис. 4. Упрощенная схема микропроцессора.

собой объект операции) или промежуточного результата арифметических и логических операций, производимых АЛУ. При выполнении какой-либо операции с двумя операндами в этом регистре содержится один из используемых операндов, а после выполнения операции - ее результатов. Разрядность аккумулятора равна разрядности информационного слова (например, в МП КР580 аккумулятор - восьмиразрядный регистр). Команда ввода и вывода данных микропроцессора обычно осуществляет обмен кодов с периферийными устройствами также через аккумулятор.

Счетчик команд, или программный счетчик (PC), - регистр, в котором находится адрес ячейки памяти, содержащей байты выполняемой команды. Так как команды программы находятся в последовательно расположенных ячейках памяти, то переход к следующей команде для однобайтных команд достигается увеличением числа, содержащегося в счетчике, на единицу. Для двухбайтовой команды переход к следующей команде дос­тигается увеличением показателя счетчика на два, так как ко­манда занимает два байта программой памяти. При каждом об­ращении к программной памяти производится автоматическое увеличение содержимого программного счетчика на единицу, называемое икрементированием.

Регистр команд (РК) предназначен исключительно для хра­нения кода очередной команды, адрес которой находится в PC.

Регистр состояния, или признаков (РП), представляет собой набор триггеров, называемых иногда флажками. В зависимости от результатов операций, выполняемых АЛУ, каждый триггер устанавливается в состояние 0 или 1. Флажковые биты, опреде­ляющие содержимое регистра, индицируют условные признаки: нулевого результата, знака результата, переноса и др. Информация, подаваемая на этот регистр, формируется по результатам выполненных в АЛУ операций и позволяет изменить ход выполнения программы в зависимости от полученных результатов. Наличием регистра признаков микропроцессорная система отличается от простого калькулятора.

Буферный регистр адресов (БРА) предназначен для приема и хранения адресной части исполняемой команды. Возможное число ячеек, к которым можно адресоваться, определяется раз­рядностью этого регистра. Так, при 16-разрядном БРА можно адресоваться к 2¹⁶ = 65536 ячейкам памяти, т.е. 64 Кбайт.

Совокупность ячеек памяти, к которым потенциально может адресоваться микропроцессор, называется адресным пространством памяти, а фактически имеющиеся ячейки образуют рабочее (физическое) пространство памяти микропроцессора. Адресное пространство, например, микропроцессора КР580 составляет 64 Кбайт.

Буферный регистр данных (БРД) служит для временного хранения выбранного из памяти слова. Разрядность этого регистра определяется количеством байтов информационного слова МП.

Буферный регистр АЛУ предназначен для временного хранения слова данных. Когда в арифметической или логической операции участвуют два слова, одно из них хранится в буферном регистре АЛУ.

Рассмотренные внутренние специальные регистры МП недоступны для пользователя. В микропроцессорах имеется другая группа регистров, доступных для пользователя, который рассматривает их как сверхоперативную память. Эти регистры называются регистрами общего назначения (РОН). Число таких регистров в различных МП колеблется от 4 до 64. Количество РОН в значительной мере определяет вычислительные возможности МП.

Например, МП КР580 включает шесть РОН - регистры В, С, D, Е, Н и L. В них могут храниться операнды, подлежащие обработке в АЛУ, результаты обработки и управляющие слова. В каждом регистре помещается один байт. Попарное применение регистров В и С, D и Е, Н и L дает возможность проводить обработку двухбайтовых слов, т.е. обработку с "удвоенной точностью". Регистры W и Z выполняют те же функции, но недоступны программисту. Обмен данными с РОН осуществляется через мультиплексор. Требуемый регистр выбирается с помощью се­лектора регистров по сигналу УУ.

В микропроцессорах предусматривается возможность работы с областью оперативной памяти, в которую запись и выборка слов производятся без непосредственного указания адреса по принципу: последний записанный элемент прочитывается из памяти первым. Память, организованная таким образом, называется стековой памятью, или стеком. Так, после последовательной записи в стек слов , , при первом чтении будет выбрано слово х₃,при втором – x₂, при третьем – х₁.

Специальный регистр, в котором хранится адрес последней занятой ячейки в области стековой памяти, называется указателем стека (УС). Следовательно, стек - область памяти, адресуемая с использованием регистра указателя стека SP (Steck Pointer - указатель вершины стека). Начальный адрес ячейки стековой памяти устанавливается в указателе стека программным путем. По командам записи информации в стек или чтения информации из стека указатель стека автоматически изменяется на 1. Например, в МП КР580 содержимое указателя стека увеличивается на 1, когда слово информации извлекается из стека, и уменьшается на 1 при записи.

В МП могут применяться два вида стековой памяти: встроенный и автономный. Встроенный стек размещается полностью на кристалле МП, т.е. МП включает матрицу памяти, указатель стека, дешифратор адреса, регистр слова и местный блок управ­ления. Автономный стек отличается от встроенного тем, что в качестве памяти используется внешнее по отношению к МП ОЗУ. На кристалле располагаются лишь указатель стека с разрядностью, равной разрядности шины адреса. Поэтому глубина стека может быть равна адресуемой памяти.