Структурно-функциональные особенности микропроцессоров

ЗАДАНИЕ

- Изучить теоретическую часть

- Ответить на поставленные вопросы

Теоретическая часть

Принцип микропрограммного управления

Функции выполнения операций над информацией в цифровых системах (устройствах) возлагаются на процессор. Построение процессоров базируется на принципе микропрограммного управле­ния, согласно которому:

=> любая операция над словами информации (двоичными кодами), реализуемая процессором, рассматривается как сложное действие, которое разделяется на последовательность элементарных действий, называемых микроопера­циями;

=> для управления порядком следования микроопераций используются логиче­ские условия, которые отражают состояние процессора после выполняемых микроопераций в виде логического 0 или 1;

=> процесс выполнения операций в процессоре описывается в форме алгорит­ма, представленного в терминах микроопераций и логических условий, и на­зывается микропрограммой;

=> микропрограмма используется как форма представления функции процес­сора, на основе которой определяются его структура и порядок функциони­рования во времени.

Структурно-функциональные особенности микропроцессоров

В структурно-функциональном отношении процес­сор разделяется на две части: операционный и управляющий автоматы (рис. 15.1.1).

Операционный автомат предназначен:

=> для хранения множества входных (D), выходных (R) и внутренних (S) слов;

=> для выполнения набора микроопераций для получения результата R;

=> для формирования множества осведомительных сигналов X, каждый из кото­рых отождествляется с определенным логическим условием.

Микрооперации, реализуемые операционным автоматом, ини­циируются множеством управля­ющих сигналов Y ={ у,,..., y_n }, каж­дый из которых соответствует оп­ределенной микрооперации.

Операционный автомат можно представить в виде трех функцио­нальных модулей (рис. 15.1.2): па­мяти, комбинационной схемы, реа­лизующей микрооперации, и ком­бинационной схемы, вычисляющей значения логических условий.

Управляющий автомат генерирует последовательность управляющих сигналов из множества Y, предписанную микропрограммой и соответствующую значениям логических условий X. При выполнении процессором пакета микро­программ на его входы последовательно подаются коды операций, которые соот­ветствуют той или иной микропрограмме. На входы процессора могут поступать внешние сигналы логических условий, а с выходов сниматься сигналы для управ­ления внешними устройствами.

Структура управляющего автомата во многом зависит от принципа его пост­роения. В управляющих автоматах, построенных по принципу схемной логики, необходимая последовательность управляющих сигналов У вырабатывается с по­мощью определенным образом соединенных логических элементов (обычно в виде интегральных микросхем с малой и средней степенью интеграции). При использовании принципа программируемой логики управляющие сигналы Υ вы­рабатываются на основе микропрограммы, хранимой в постоянных запоминаю­щих устройствах или программируемых логических матрицах.

Операционный и управляющий автоматы могут быть заданы своими функция­ми или перечнем выполняемых ими действий, на основании которых строятся схемы автоматов.

Для построения схем операционных и управляющих автоматов должны быть заданы их функции в виде перечня выполняемых действий. Функции операцион­ного автомата заданы, если определены множества D, R, S, Y, X. Функции управ­ляющего автомата задаются операторной схемой алгоритма (микропрограммой) с использованием множеств Y, X. Это может быть граф-схема алгоритма, которая устанавливает порядок проверки логических условий (X) и порядок следования управляющих сигналов (Y).

Рассмот­ренная выше структура в виде операционного и управляющего автоматов дает наглядное представление о принципах построения и функционирования специа­лизированного процессора, предназначенного для умножения двоичных чисел (см. ЛР №2).

В отличие от специализированных процессоров универсальные процессоры включают в себя большое число различных цифровых узлов и каналов для обмена информацией между ними и поэтому обладают широкими функциональными воз­можностями. Микропроцессором называют универсальный процессор, построен­ный на одной или нескольких интегральных микросхемах.

На микропроцессор возлагается выполнение следующих основных функций:

=> выборка команд из внешней памяти, их дешифрация и выполнение;

=> прием данных из внешней памяти, выполнение над ними арифметических, логических и других операций, определяемых кодом команды, и передача об­работанных данных во внешние устройства или память;

=> генерирование сигналов состояния, управления и времени, необходимых для нормальной работы внешних устройств и памяти;

=> реагирование на внешние сигналы от внешних устройств и обслуживание их запросов.

Основу операционного автомата микропроцессоров составляет арифметическо-логическое устройство (АЛУ), которое в большинстве случаев:

=> состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, регист­ров для временного хранения операндов и регистра-сдвигателя, комбинаци­онных схем для выработки логических условий и работы с десятичной ариф­метикой;

=> выполняет операции арифметического сложения и вычитания, пересылки, логического И и ИЛИ, инверсии, сложения по модулю 2, сдвига и др.

Управляющий автомат, или устройство управления, в микропроцес­сорах строится на основе схемной или программируемой логики.

Кроме того, микропроцессоры содержат блок регистров, образу­ющий их внутреннюю память.

Связь между всеми узлами и блоками микропроцессора осуществляется по многоразрядным шинам (магистралям). По функциональному назначению разли­чают шину данных, шину адреса и шину управления. Внутренняя шина данных соединяет между собой АЛУ, устройство управления, блок регистров общего на­значения, регистр адреса. Шина адреса предназначена для обращения к ячейкам внешней памяти и определяет их число. Например, 16-разрядная адресная шина позволяет прямо адресовать 2¹⁶= 64К ячеек памяти, где К = 2¹⁰= 1024. Двуна­правленная шина управления обычно служит для передачи управляющих сигна­лов, признаков состояния процессора и периферийного оборудования. По ней передаются: синхронизирующие сигналы; сигналы обращения к памяти (чтение, запись); сигналы, информирующие микропроцессор о состоянии внешних уст­ройств (готовность); сигналы запроса и разрешения прерывания от внешних уст­ройств и микропроцессора.

Выделим и рассмотрим три типа микропроцессоров.

2.3. Микропроцессоры с фиксированным набором команд

Этот тип микропроцессоров программируется на языке микрокоманд. Для микропрограм­мирования необходим доступ к управляющей памяти, чтобы записать в нее набор требуемых микропрограмм. Для этого управляющая память должна быть выпол­нена

в виде отдельной микросхемы. Обычно в качестве управляющей памяти используют ПЗУ. Из-за большого числа выводов нельзя в одной микросхеме остав­лять операционный автомат и блок микропрограммного управления, поэтому эти узлы также выполняют в виде отдельных микросхем. Микросхему операционного автомата такого микропроцессора строят на небольшое число разрядов (2, 4, 8) обрабатываемых данных и предусматривают возможность наращивания разряд­ности путем объединения соответствующего числа микросхем. Каждая микросхе­ма операционного автомата называется микропроцессорной секцией. Микро­процессорная секция представляет собой усеченный, узкоформатный вариант микропроцессора. В ее состав обычно входят секционное АЛУ, блок регистров общего назначения (ΡΟΗ), регистр-аккумулятор, регистр адреса, дешифратор микроопераций и другие функциональные узлы.

Для повышения быстродействия временное мультиплексирование шин данных не используется. Данные в микропроцессорную секцию поступают и снимаются через отдельные входные и выходные шины. Таким образом, минимальный набор для построения микропроцессора состоит из трех микросхем: микропроцес­сорной секции, блока микропрограммного управления и постоянной памяти мик­ропрограмм. Такая модульная структура удобна для потребителя, так как позво­ляет записывать в постоянную память микропрограммы для выполнения специа­лизированных команд и построить центральный процессорный элемент требу­емой разрядности путем объединения нескольких микропроцессорных секций.

На рис. 15.5.1 приведена структурная схема центрального процессорного эле­мента, составленного из нескольких секций.

К недостаткам секционированных микропроцессоров следует отнести трудо­емкость микропрограммирования и большое число используемых микросхем для построения центрального процессорного элемента, поэтому в настоящее время они находят весьма ограниченное применение.