Общие сведения о микропроцессорах

Любая ЭВМ служит для переработки вводимой в нее информации и выдачи окончательных результатов в виде таблиц, графиков, последовательности чисел, текста и т. п. Несмотря на присущие отдельным ЭВМ отличия, в каж­дой из них можно выделить четыре основных устройства: арифметико-логическое, управляющее, запоминающее и устройство ввода-вывода информации, называемое обычно периферийным (рис. 14.1).

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) служит для выполнения арифметических и логических операций над числами, представленными в двоичном коде.

Управляющее устройство (УУ) управляет работой АЛУ и других устройств ЭВМ. Управление работой этих устройств осуществляется по специальным командам, порядок исполнения которых определяется заданной про­граммой.

Рис. 14.1. Структурная схема ЭВМ

Запоминающее устройство (ЗУ), или память, пред­назначено для хранения программ обработки и обраба­тываемой информации (данных).

Периферийные устройства, или устройства ввода-вы­вода (УВВ) информации, служат для приведения входной информации к требуемому виду для ввода в ЭВМ и вы­вода из ЭВМ результатов переработки информации в нужном виде: последовательности чисел, таблиц, графи­ков и т. п.

АЛУ находится в тесном взаимодействии с УУ, и их можно рассматривать как единое целое—централь­ный процессор, или сокращенно процессор (от англ. to process — обрабатывать). Следовательно, процес­сор представляет собой устройство ЭВМ, предназначен­ное для автоматической обработки информации по задан­ной программе. Современная интегральная технология позволяет выполнить элементы процессора в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС). Такие процессоры получили название микропроцессоров (МП). Микропроцессоры имеют меньшую стоимость и являются более экономичными и надежными в работе по сравнению с процессорами, изготовленными из набора ИМС малого и среднего уровня интеграции.

По назначению МП делятся на универсальные, или общего назначения, и специализированные.

Универсальный МП используется для решения раз­личных задач и входит в состав ЭВМ широкого приме­нения. Специализированный МП служит для решения конкретной задачи по вполне определенной программе.

Микропроцессор, совместимые с ним по электрическим, конструктивно-технологическим и эксплуатационным па­раметрам интегральные ПЗУ и ОЗУ, а также БИС вспо­могательного назначения, обеспечивающие сопряжение МП с ПЗУ, ОЗУ и внешними устройствами, в том числе с УВВ, образуют микропроцессорный комплект. Микро­процессорный комплект, в котором все устройства взаимо­связаны и выполняют задачу обработки информации, например в целях управления объектом, называется микропроцессорной системой. Если при этом используется два или более микропроцессора, то такая система называется мультимикропроцессорной.

Микропроцессорная система, дополненная автономным источником питания, пультом управления и имеющая УВВ с устройством отображения информации, называется микроЭВМ.

По конструктивному признаку микропроцессоры деляется на однокристальные и многокристальные. В много­кристальном МП его составные части по признаку вы­полняемых функций и по признаку разрядности распола­гаются в разных кристаллах. В однокристальных МП в одном кристалле изготовляются все составные части микропроцессора. Появление однокристальных МП послу­жило толчком для бурного развития однокристальных микроЭВМ, в которых в одном кристалле полупровод­ника, кроме МП, содержатся генератор тактовых им­пульсов, или таймер, устройство управления вводом и выводом информации, небольшие ОЗУ и ПЗУ.

Всякий МП оперирует словами, представляющими собой последовательность символов определенной длины: 4, 8, 12, 16 и 32 бит, или разрядов. Длина обрабатываемых слов определяет разрядность МП. Группа битов, которую способна обрабатывать ЭВМ за один шаг работы, обра­зует машинное слово. Обычно длина машинного слова определяется числом разрядов одного регистра памя­ти ЭВМ.

Для микропроцессорной техники одним из основных понятий является байт — восьмибитовое слово, используе­мое для обмена цифровой информацией между узлами микропроцессорной системы. В байтах выражают длину слов и емкость ЗУ.

Числа или символы, подвергающиеся машинной об­работке, называются операндами. Например, в выраже­ниях у = а + b и z = e^k – 1 операндами являются а, b, e, k, 1.

СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА

Структурная схема МП показана на рис. 14.2. Микро­процессор включает три основных узла:АЛУ, УУ и узел регистров. Для осуществления связи между этими узлами используется внутренняя шина данных. Она состоит из восьми (для восьмиразрядного МП) линий, по которым передаются 8-разрядные слова (байты) и командная информация. Передача слов по внутренней шине данных между узлами МП осуществляется в обоих направлениях, но в разные непересекающиеся временные интервалы.

Основная часть, или ядро, МП — это АЛУ, осущест­вляющее обработку данных. Типичными операциями, выполняемыми АЛУ, являются сложение, вычитание,

Рис. 14.2. Структурная схема микропроцессора

логи­ческое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2 (ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ), ин­версия, сдвиг, пересылка. Обычно АЛУ имеет два входа, которые называются входными портами, и один выход, или выходной порт. Данные на входные порты АЛУ по­ступают с внутренней шины данных или из специального регистра, называемого аккумулятором, через буферные регистры, или регистры операндов, предназначенные для временного хранения данных.

Буферный регистр, через который на вход АЛУ посту­пают данные из аккумулятора, называют буфером акку­мулятора. Результат, полученный при выполнении опера­ции, с выходного порта АЛУ поступает в аккумулятор, называемый также накопительным регистром или нако­пителем. Буфер аккумулятора, таким образом, исключает ситуацию, при которой вход и выход АЛУ подключаются одновременно к аккумулятору.

Работой АЛУ и внутренними регистрами управляет УУ, которое извлекает из регистра команд очередную команду, дешифрирует ее, т. е. определяет, какая опера­ция должна осуществляться, и обеспечивает выполнение этой операции в АЛУ.

Любая задача решается по программе, которая пред­ставляет собой строгую последовательность нужных ко­манд. Эту последовательность поступления команд обес­печивает регистр, называемый счетчиком команд. Счетчик команд может иметь большее число разрядов, чем длина слова данных. Например, в 8-разрядных МП с объемом памяти 64К = 65536 слов используется 16-разрядный счетчик команд. В результате можно записать команду в любую ячейку памяти.

Перед выполнением программы в счетчик команд за­писывают число, которое определяет адрес первой прог­раммы, хранящейся в ЗУ. Затем это число из счетчика ко­манд переписывается в 16-разрядный регистр адреса па­мяти. Из регистра адреса памяти по шине адреса (ША) адрес первой команды посылается в устройство управле­ния памятью. По указанному адресу из ЗУ осуществляется считывание первой команды, которая переписывается в регистр команд.

Рассмотренный цикл операций называют циклом вы­борки или фазой адресации.

После записи команды в регистр УУ осуществляет ее распознавание (декодирование), и в АЛУ поступают сигналы, стимулирующие выполнение данной команды. Этот процесс называют циклом или фазой выполнения команды.

Цикл выборки совместно с циклом выполнения ко­манды образуют цикл команды.

В начале цикла выполнения команды показания счет­чика команд автоматически увеличиваются на 1, и он настраивается на следующую команду. Следовательно, в процессе выполнения команды счетчик команд содер­жит адрес следующей команды.

Регистр признаков, или флажковый регистр, служит для индикации различных признаков результатов опера­ций, выполняемых АЛУ: нулевого результата, перепол­нения и др. Он состоит из отдельных триггеров, назы­ваемых флажками, которые в зависимости от проявления того или иного признака устанавливаются в состоянии 0 или 1. Эта информация необходима программисту при составлении и отладке программы вычислений.

Регистр состояний воспринимает информацию из ре­гистра признаков и в зависимости от значений признаков позволяет изменять последовательность выполнения ко­манд и осуществлять так называемые условные пере­ходы. При этом изменяется содержание счетчика команд, и он настраивается на выборку не следующей, а нужной команды. Наличие команд условного перехода делает МП более универсальным, позволяет выбирать различные пути решения задачи в зависимости от возникающих в ходе решения условий.

Регистры общего назначения используются в качестве запоминающих устройств промежуточных результатов вычислений, адресов и команд, а иногда и в качестве аккумуляторов. Число таких регистров в МП может до­ходить до 16, причем разрядность их может быть раз­личной. Отдельные регистры общего назначения могут соединяться между собой последовательно и рассматри­ваться как один регистр с большим числом разрядов.

Особую группу составляют стековые регистры, подраз­деляющиеся на регистры стека и указатель стека. Эти регистры позволяют без обмена с ЗУ организовать необхо­димую последовательность выполнения команд, например последовательность выполнения по старшинству раз­личных арифметических действий. Стековые регистры под­ключены таким образом, что первая команда, записанная в первый регистр, при записи второй команды «проталки­вается» во второй регистр, а в первом оказывается за­писанной вторая команда. При записи третьей команды первая переходит в третий регистр, вторая — во второй и т. д. При выборке команд из стека первой выбирается последняя, затем предпоследняя и т. д., подобно тому как из штабеля дров первым берется последнее полено (от англ. stack — штабель).

Количество регистров (глубина) стека является важ­ной характеристикой МП. Для увеличения глубины стека его часто организуют в некоторой области внешнего ЗУ.

Указатель стека определяет адрес ячейки (регистра) стека, заполненной последней командой. Эта ячейка на­зывается вершиной стека. После выборки команды из стека содержимое указателя стека уменьшается на 1, а при записи в стек очередной команды — увеличивается на 1.

Взаимодействие и координация работы всех узлов микропроцессорной системы осуществляется высокоста­бильным генератором тактовых импульсов, с помощью которых формируются машинные циклы и циклы команд. Машинным циклом называют время, требуемое для из­влечения одного байта информации из памяти или вы­полнения команды, определяемой одним машинным словом.