Структурная схема микропроцессора.

Понятие о микропроцессоре.

Функциональная классификация микропроцессоров.

Общая функциональная классификация микропроцессорных средств показана на рис. 1

Рис. 1. Функциональная классификация микропроцессорных средств

Микропроцессоры с аппаратным принципом управления характеризуются фиксированной разрядностью шин адреса и данных и неизменяемой системой команд. Последняя характеристика подразумевает, что набор возможных элементарных действий процессора образует конечное фиксированное множество, причем каждому действию соответствует конкретный управляющий код - код команды. Указанное свойство определяется тем, что в состав процессора входит блокдешифрации команд, функционирующий по жесткой аппаратной логике.

Микропроцессорный комплект (МПК) - набор СБИС и БИС с общими конструктивно-технологическими принципами и электрическими характеристиками (уровни сигналов, быстродействие), предназначенных для построения функционально полнофункциональной микропроцессорной системы (МПС) для задач вычислений или управления. В состав МПК входят собственно центральный процессор (ЦП), или микропроцессор, арифметический сопроцессор - средство эффективной реализации вычислительных действий под управлением ЦП, а также контроллеры периферийных функций с программной настройкой режимов: порты параллельной и последовательной связи, таймеры - средства реализации временных интервалов, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти.Микросхемы ПЗУ и ОЗУ не входят в состав МПК и образуют самостоятельные функциональные группы.

Универсальные микропроцессоры ориентированы на использование в различных вычислительных, информационных и управляющих системах, в которых требуется обработка больших объемов информации (например, для цифровой обработки изображений, управления базами данных, визуализации данных оператору или экипажу), но нет специальных требований к архитектуре вычислителя, большому количеству средств УСО, габаритным размерам и энергопотреблению. Универсальность микропроцессора подразумевает как широкую сферу использования, так и типовую структуру вычислительной системы. Для таких устройств обычно реализуется архитектура Фон Неймана, и реже Гарвардская архитектура. Типовая структура универсального микропроцессора показана на рис.2.

Основные составляющие микропроцессора: арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры данных и устройство управления. АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Регистры данных, обычно их шесть, являются  внутренней памятью, каждый способен хранить одно слово. Для передачи данных между блоками микропроцессора используется внутренняя шина данных.

1. Арифметико-логическое устройство

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) служит для обработки данных. В зависимости от вида выполняемой опера­ции АЛУ оперирует одним или двумя словами и в своем составе имеет:

- четырехразрядные сумматоры – вычитатели;

- логические элементы для выполнения операций: логического умножения, логического сложения, инверсии, исключающее ИЛИ и т.д.;

- два входных порта, один выходной порт, которые являются буферными реги­страми, способным хранить одно слово данных.

Два входных порта позволяют АЛУ при­нимать данные с внутренней шины данных микропроцессора, или из аккумулятора (специального регистра). Выходной порт служит для пересылки данных в аккумулятор.

Основные операции АЛУ: сложение, вычитание, И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, инверсия, сдвиг вправо, сдвиг влево, приращение положительное, приращение отрицательное.

АЛУ производятся в виде микросхем с числом разрядов: 4, 6, 8, 16. Чаще всего используются восьмиразрядные АЛУ, которые имеют 8 входов для первого слова, 8 входов для второго слова и 8 выходов, подключенных к восьми проводной шине.

2. Аккумулятор

Аккумулятор служит для хранения слова данных, посланного в него из выходно­го порта АЛУ или извлеченного из памяти.

Пример. Если АЛУ складывает два слова данных, одно находится в аккумуля­торе. После выполнения сложения резуль­тат посылается  в аккумуля­тор на хранение.

Аккумулятор  главный регистр микро­процессора. Большинство арифметических и логических операций выполняется с использованием АЛУ и аккумулятора. Операции над двумя сло­вами данных предполагает размещение одного из них в аккумуляторе, а другого в памяти или еще каком-либо регистре. Так, при сложении двух слов, на­зываемых условно А и В и расположенных в аккумуляторе и памяти соответственно, результирующая сумма С загружается в аккумулятор, замещая слово А. Резуль­тат операции АЛУ тоже обычно разме­щается в аккумуляторе. Следует помнить, что исходное содержимое последнего при этом теряется.

Операцией другого типа, использующей аккумулятор, является программируемая передача данных из одной части микро­процессора в другую. Речь идет о пересыл­ке данных между портом ввода-вывода и областью памяти, между двумя областя­ми памяти и т.п. Выполнение операции «программируемая передача данных» осу­ществляется в два этапа: сначала выпол­няется пересылка данных из источника в аккумулятор, а затем из аккумулятора - в пункт назначения.

Количество разрядов аккумулятора со­ответствует длине слова микропроцессора, т. е. 8 бит. Однако некоторые микропроцес­соры имеют аккумуляторы двойной длины. Такой аккумулятор можно рассматривать или как одно устройство, или как два от­дельных аккумулятора. В первом случае второй аккумулятор пары используется для записи дополнительных битов, по­являющихся при выполнении некоторых арифметических операций. Например, при умножении двух 8-битовых слов резуль­тат-16-битовое слово размещается в ак­кумуляторе двойной длины.

У некоторых микропроцессоров имеется группа аккумуляторов. Если их, например, два: аккумуляторы А и В, то микропроцес­сор должен располагать двумя различны­ми командами для загрузки в них данных с выхода АЛУ: одной командой для запи­си данных в аккумулятор А, другой для записи данных в аккумулятор В. Кроме то­го, должны быть две соответствующие ко­манды очистки этих аккумуляторов.

Преимущество «много аккумуляторных» микропроцессоров по сравнению с «одно аккумуляторными» в том, что первые предоставляют возможность выполнения операций с передачей данных от аккумуля­тора к аккумулятору. Данные могут вре­менно храниться в одном аккумуляторе, пока другой используется для выполнения каких-либо иных действий. Когда вновь возникает необходимость в данных, содер­жащихся в первом аккумуляторе, пересы­лать их не нужно, поскольку они уже нахо­дятся там.

3.Счетчик команд

Счетчик команд это один из наиболее важных регистров микропроцессора. Как известно, программа-это последовательность команд, хранимых в памяти микро-ЭВМ и предназначенных для того, чтобы инструктировать машину, как решать по­ставленную задачу. Для корректного вы­полнения последней команды должны по­ступать в строго определенном порядке. На счетчике команд лежит ответственность следить за тем, какая команда выполняет­ся, а какая подлежит выполнению следую­щей. Часто счетчик команд имеет намного больше разрядов, чем длина слова данных микропроцессора. Так, в большинстве 8-разрядных микропроцессоров, адресую­щихся к памяти объемом 65К, число раз­рядов счетчика команд равно 16. И на это имеются достаточно веские основания. В любой из 65 536 областей памяти микро-ЭВМ общего назначения может находить­ся информация о том или ином шаге про­граммы, т.е. в пределах диапазона значе­ний адресов от 0 до 65 535 программа может начаться и закончиться в любом месте. Чтобы обратиться по любому из этих адресов, счетчик команд должен рас­полагать 16 двоичными разрядами.

Счетчик команд соеди­нен с внутренней шиной данных микропро­цессора. Теоретически этот счетчик может получать данные об адресах программы из любого блока микропроцессора, подклю­ченного к внутренней шине. Однако на практике данные обычно поступают в счет­чик команд из памяти микро-ЭВМ.

Когда микропроцессор начинает рабо­тать, по команде начальной установки в счетчик команд загружаются данные из области памяти, заданной проектировщи­ком микропроцессора. Перед пуском про­граммы необходимо поместить начальный адрес для программы в область памяти, указанную проектировщиком. Когда про­грамма начинает выполняться, первым значением содержимого счетчика команд является этот, заранее определенный адрес.

Адрес области памяти, содер­жащей первую команду программы, посы­лается из счетчика команд в регистр адреса памяти, после чего содержимое обоих регистров становится одинаковым.

Адрес местоположения первой команды программы посылается по адресной шине к схемам управления памятью, в результа­те чего считывается содержимое области с указанным адресом. Этим содержимым должна быть команда. Память пересылает эту команду в специальный ре­гистр блока микропроцессора, называемый регистром команд.

После извле­чения команды из памяти микропроцессор автоматически дает  приращение содержи­мому счетчика команд. Это приращение счетчик команд получает как раз в тот мо­мент, когда микропроцессор начинает вы­полнять команду, только что извлеченную из памяти. Начиная с этого момента, счетчик команд «указывает», ка­кой будет следующая команда.

Счетчик команд может быть загружен иным содержимым при выполнении осо­бой группы команд. Может возникнуть не­обходимость выполнить часть программы, которая «выпадает» из последовательности команд основной, или главной, программы. Например, такую часть программы, которую следует многократно повторять в про­цессе выполнения всей программы. Вместо того чтобы писать эту часть программы каждый раз, когда в ней возникает необхо­димость, такую запись можно сделать лишь один раз и возвращаться к ее по­вторному выполнению, отступая от ука­занной последовательности. Часть про­граммы, выполняемая путем отступления от строгой последовательности команд главной программы, называется подпро­граммой. После того как в счетчик команд записан начальный адрес подпрограммы, счетчик получает приращения по мере вы­полнения команд этой подпрограммы. Так продолжается до тех пор, пока не встре­тится команда возврата в главную про­грамму.

4.Регистр адреса памяти

При каждом обращении к памяти микро-ЭВМ регистр адреса памяти указывает адрес области памяти, которая подлежит ис­пользованию микропроцессором. Регистр адреса памяти содержит двоичное число -адрес области памяти. Выход этого регистра называется адресной шиной и используется для выбора области памяти или в некоторых случаях для выбора порта ввода-вывода.

В течение подцикла выборки команды из памяти регистры адреса памя­ти и счетчика команд имеют одинаковое со­держимое, т. е. регистр адреса памяти указы­вает местоположение команды, извлекаемой из памяти. После декодирования команды счетчик команд получает приращение. Что же касается регистра адреса памяти, то он приращения не получает.

В течение подцикла выполнения команды содержимое регистра адреса памяти зависит от выполняемой команды. Если в соответ­ствии с командой микропроцессор должен произвести еще одно обращение к памяти, то регистр адреса памяти подлежит вторично­му использованию в процессе обработки этой команды. Для некоторых команд адре­сация к памяти не требуется. Такова, напри­мер, команда очистки аккумулятора. При обработке таких команд регистр адреса па­мяти используется лишь один раз - в течение подцикла выборки команды из памяти.

В большинстве микропроцессоров ре­гистры адреса памяти и счетчика команд имеют одинаковое число разрядов. Как и счетчик команд, регистр адреса памяти должен располагать количеством разрядов, достаточным для адресации любой области памяти микро-ЭВМ. У большинства 8-раз­рядных микропроцессоров количество раз­рядов регистра адреса памяти равно 16. Та­кой регистр можно разделить на два отдельных регистра, каждый из которых имеет независимое подключение к шине данных микропроцессора. Один из этих ре­гистров называют регистром старшего бай­та (СБ), другой – регистром младшего бай­та (МБ).

Поскольку регистр адреса памяти под­ключен к внутренней шине данных микро­процессора, он может загружаться от различных источников. Большинство микро­процессоров располагают командами, по­зволяющими загружать этот регистр содер­жимым счетчика команд, регистра общего назначения или какой-либо области памяти. Некоторые команды предоставляют воз­можность изменять содержимое регистра адреса памяти путем выполнения вычисле­ний: новое значение содержимого этого ре­гистра получается путем сложения или вычи­тания содержимого счетчика команд с числом, указанным в самой команде. Адре­сация такого типа получила название адреса­ции с использованием смещения.

5.Регистр команд

Регистр команд предназначен исключи­тельно для хранения текущей выполняемой команды, причем эта функция реализуется микропроцессором автоматически с нача­лом цикла выборка-выполнение, называемо­го также машинным циклом.

Как отмечалось выше, машинный цикл со­стоит из двух подциклов - выборки и выпол­нения. За исключением загрузки команды, в период подцикла выборки программист не может по-другому использовать регистр ко­манд. Этот ре­гистр соединен с внутренней шиной данных, однако он только принимает данные, посы­лать данные на шину он не может.

Хотя функции регистра команд ограни­ченны, роль его в работе микропроцессора велика, поскольку выход этого регистра является частью дешифратора команд.

Последовательность реализации цикла выборка-выполнение:

 Сначала команда извлекается из памяти, за­тем счетчик команд настраивается на указа­ние следующей команды, подлежащей вы­полнению. При извлечении команды из соответствующей области памяти копия ко­манды помещается на внутреннюю шину данных и пересылается в регистр команд. После этого начинается подцикл выполне­ния команды, в течение которого дешифра­тор команд «читает» содержимое регистра команд, сообщая микропроцессору, что де­лать для реализации операций команды. Число разрядов регистра команд зависит от типа микропроцессора: иногда оно совпа­дает с числом разрядов слова данных, в дру­гих случаях равно лишь 3 или 4.

6 Регистр состояния

Наличием регистра состояния подлинная вычислительная машина отличается от про­стого калькулятора. Указанный регистр предназначен для хранения результатов не­которых проверок, осуществляемых в про­цессе выполнения программы. Разряды ре­гистра состояния принимают то или иное значение при выполнении операций, исполь­зующих АЛУ и некоторые регистры.

Запоминание результатов упомянутых проверок позволяет использовать про­граммы, содержащие переходы (нарушения естественной последовательности выполне­ния команд).

При наличии в программе перехода вы­полнение команд начинается с некоторой но­вой области памяти, т. е. счетчик команд за­гружается новым числом. В случае условно­го перехода такое действие имеет место, если результаты определенных проверок совпа­дают с ожидаемыми значениями. Указанные результаты находятся в регистре состояния.

Возможности программирования с пере­дачей управления (переходами) это отличи­тельная характеристика вычислительной ма­шины по сравнению с калькулятором. Регистр состояния предоставляет програм­мисту возможность организовать работу микропроцессора так, чтобы при опреде­ленных условиях менялся порядок выполне­ния команд. Можно сказать, что микропро­цессор принимает решение о том или ином продолжении хода вычислений в зависимо­сти от указанных условий.

Эти ко­манды предназначены для изменения хода выполнения программы в соответствии со значением, принимаемым тем или иным разрядом состояния. Традиционный способ использования этих специальных команд предполагает загрузку счетчика команд но­вым содержимым, если значение определен­ного разряда состояния становится равным 1.

Если при сложении двух 8-битовых чисел получается результат больше, чем 11111111, то по­является единичный бит переноса, который в свою очередь устанавливает в 1 одно­именный разряд регистра состояния.

Если по окончании выполнения операции все разряды аккумулятора содержат биты, равные 0, то в регистре состояния бит нуле­вого результата становится равным 1. В рас­сматриваемом нами микропроцессоре этот бит может быть установлен в единичное со­стояние и некоторыми операциями. Например, часто требуется запи­сать определенную величину в некоторый регистр (назовем его регистром В), а затем уменьшать ее на значение некоторой кон­станты при каждом «проходе» через опреде­ленную точку программы. После каждого изменения содержимого этого регистра про­веряется значение разряда нулевого резуль­тата в регистре состояния. Если содержимое регистра оказывается равным 0, разряд ну­левого результата устанавливается в 1. Про­грамма (или ее часть), проверяющая наличие нуля в регистре, продолжает повторяться до тех пор, пока в регистре состояния не бу­дет обнаружено единичное значение разряда нулевого результата.

Примером использования регистра состояния для про­верки содержимого некоторого регистра, по­лучающего отрицательные приращения. Словесное описание соответствующей про­граммы может иметь следующий вид:

Загрузить в регистр число 11002.

Уменьшить содержимое регистра на 12.

Проверить, равно ли единице значение разряда нулевого результата в регистре состояния. Если нет, возвратиться к выполнению шага 2.

Если да, прекратить действия. Кратко охарактеризуем некоторые наибо­лее обще используемые разряды регистра состояния.

Перенос/заем. Данный разряд указы­вает, что последняя выполненная операция
сопровождалась переносом или займом (от­рицательным переносом). Значение разряда переноса устанавливается равным 1, если в результате сложения двух двоичных чисел имеет место перенос из 8-го разряда резуль­тата. Отрицательный перенос (заем) фикси­руется в регистре состояния при вычитании большего числа из меньшего.

Нулевой результат. Принимает единич­ное значение, если после окончания операции во всех разрядах регистра результата обна­ружены двоичные нули. Установка этого разряда в 1 происходит не только при отри­цательном приращении содержимого реги­стра, но и при любой другой операции, ре­зультат которой число из двоичных нулей.

Знаковый. Принимает единичное значение, когда старший значащий бит содержи­мого регистра, предназначенного для записи результата операции, становится равным 1. При выполнении арифметических операций с числами в дополнительном коде единичное значение старшего значащего бита показы­вает, что в регистре находится отрицатель­ное число.

7.Буферные регистры АЛУ

На рис.2 показаны два буферных реги­стра, каждый из которых предназначен для временного хранения одного слова данных. Один из этих регистров называется буфером аккумулятора АЛУ. Что касается другого буферного регистра, то в него на временное хранение поступают данные с внутренней шины микропроцессо­ра. Необходимость в таком регистре вызва­на отсутствием в АЛУ своего запоминающего устройства. В состав АЛУ включены только комбинационные схемы, и поэтому при поступлении исходных данных на входе АЛУ немедленно появляются результирую­щие данные на его выходе как следствие вы­полнения операций данной программы.

Буфер аккумулятора позволяет избежать ситуации, при которой вход и выход АЛУ одновременно подсоеди­нены к одной и той же точке схемы.

8.Регистры общего назначения

Все микропроцессоры имеют шесть опи­санных выше основных регистров. В допол­нение к ним некоторые микропроцессоры располагают другими регистрами, пре­доставляемыми в распоряжение пользовате­лей. Эти регистры получили название реги­стров общего назначения, В некоторых микропроцессорах они служат в качестве за­поминающих устройств, в других функцио­нальные возможности этих регистров не уступают возможностям аккумулятора, По­следнее достигается в том случае, если АЛУ может помещать в них данные.

9.Схемы управления

Роль схем управления в микропроцессоре чрезвычайно важна и заключается в поддер­жании требуемой последовательности функ­ционирования всех остальных его звеньев. По «распоряжению» схем управления очередная команда извлекается из регистра ко­манд, определяется, что необходимо делать с данными, а затем генерируется последова­тельность действий по выполнению постав­ленной задачи,

Обычно работа схем управления микро программируется. Это свидетельствует о сходстве архитектуры системы управления микропроцессора с архитектурой некоторо­го микропроцессора специального назначе­ния. Можно сказать, что схемы управле­ния это маленький микропроцессор внутри микропроцессора. Одна из главных функций схем управления – декодирование команды, находящейся в регистре команд, посред­ством дешифратора команд, который в ре­зультате выдает сигналы, необходимые для выполнения команды.

Схемы управления выполняют некоторые другие специальные функции, такие, как управление последовательностью включения питания, управление процессами прерываний. Преры­вание - это своего рода запрос, поступаю­щий на схемы управления от других устройств (памяти, ввода-вывода). Прерыва­ние связано с использованием внутренней шины данных микропроцессора. Схемы управления принимают решение, когда и в какой последовательности другие устрой­ства могут пользоваться внутренней шиной данных.

10.Внутренняя шина данных микропроцессора

Структурная схема микропроцессора показывает, что 8-разрядная вну­тренняя шина данных соединяет между собой АЛУ и регистры, осуществляя передачу данных внутри микропроцессора. Хотя сиг­налы управления и играют жизненно важ­ную роль в процессе передачи данных по вну­тренней шине, тракт их передачи не принад­лежит шине данных.

Каждый функциональный блок микропро­цессора всегда подключен к внутренней ши­не данных, однако воспользоваться ею мо­жет только после получения соответствую­щего сигнала от схем управления. 

Почти все функциональные узлы микро­процессора имеют двустороннюю связь с внутренней шиной данных, т. е. они могут и посылать данные на шину, и принимать с нее данные. Внутренняя шина данных пред­ставляет собой линию двусторонней связи.