Микропроцессоры и микро-ЭВМ
Назначение и функции микропроцессоров
Микропроцессор - это программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, реализованное на одной или нескольких интегральных схемах.
Архитектура микропроцессора – это его логическая организация, рассматриваемая с точки зрения пользователя; она определяет возможности микропроцессора по аппаратной, программной и микропрограммной реализации функций, необходимых для построения микропроцессорной системы.
Понятие архитектуры микропроцессора отражает:
- его структуру, т.е. совокупность компонентов, составляющих микропроцессор, и связей между ними;
- способы представления и форматы данных;
- способы обращения ко всем доступным для пользователя (программно-доступным) элементам структуры (адресация к регистрам, ячейкам оперативной и постоянной памяти, внешним устройствам);
- набор операций, выполняемых микропроцессором, т.е. система команд микропроцессора;
- характеристики управляющих слов и сигналов, вырабатываемых микропроцессором и поступающих в микропроцессор извне;
- реакцию на внешние сигналы (схема обработки прерываний).
Обрабатываемая микропроцессором информация может быть как числовой, так и нечисловой. В обоих случаях она представляется в виде двоичных чисел.
Группа двоичных чисел, обрабатываемых одновременно, называется машинным словом. Слово является базовой логической единицей информации в микропроцессоре.
Наименьшая единица информации – двоичный разряд (бит). Слово длиной в 8 бит называется байт.
Память микропроцессорных автоматических систем
Основные характеристики систем памяти.
- информационная емкость памяти (определяется максимально количество битов хранимой информации;
- ширина выборки (разрядность); определяется количеством разрядов, записываемых в ЗУ или извлекаемых из него за одно обращение;
- время обращения (быстродействие); определяется временем цикла обращения к ЗУ;
- потребляемая мощность (указывается, исходя из расчета на один бит);
Классификация запоминающих устройств.
1. По способности сохранять информацию при отключении питания:
- энергонезависимые
- энергозависимые.
2. По способу организации доступа:
- с произвольным доступом (адресные);
- с последовательным доступом (безадресные).
3. По способу хранения информации:
- статические (способны хранить информацию как угодно долго, пока подается питание);
- динамические (способны хранить информацию короткое время).
4. По функциональному назначению:
- сверхоперативные ЗУ (предназначены для хранения команд, операндов и результатов промежуточных преобразований, регистры общего назначения);
- оперативные ЗУ (предназначены для хранения оперативной информации, требующейся в процессе обработки; в ходе выполнения программы можно старую информацию заменить новой);
- постоянные ЗУ (устройства, содержимое которых не может быть заменено микропроцессором в ходе выполнения рабочей программы и сохраняется при снятии питания системы. ПЗУ может работать только в режиме считывания);
- перепрограммируемые ЗУ (позволяют запись информации самим пользователем электрическим способом);
- буферные ЗУ (согласовывают разные типы ЗУ между собой, данные доступны для считывания в том же порядке, в котором производилась их запись);
- стековые ЗУ (слова считываются в порядке, противоположном порядку записи);
- внешние ЗУ.
Структурная схема микропроцессора
Структурная схема МП дает возможность наглядно рассмотреть его работу по выполнению двух основных функций: обработке и манипулированию данными. На рис.2.7.1. изображена структурная схема восьмиразрядного микропроцессора.
Согласно структурной схеме микропроцессор состоит из трех основных блоков: АЛУ (арифметико-логическое устройство), нескольких регистров и устройства управления. Для передачи данных между этими блоками микропроцессора используется внутренняя шина данных.
АЛУ выполняет одну из главных функций микропроцессора – обработку данных. В соответствии со структурной схемой АЛУ имеет два входных порта и один выходной. Назначение входного порта – ввод данных в АЛУ, а выходного – вывод такого слова. Входные порты снабжены буферами, роль которых выполняют регистры временного хранения данных (буферные регистры). Каждый порт соединен со своим буферным регистром, способным хранить для АЛУ одно слово данных. Аккумулятор предназначен для хранения слова данных, посланного в него из выходного порта АЛУ или извлеченного из памяти. Когда, например, АЛУ складывает два слова данных, одно из них находится в аккумуляторе. После выполнения сложения результат – слово данных – посылается в аккумулятор на хранение.
Регистры являются важной составной частью любого МП. Каждый регистр МП может использоваться для временного хранения одного слова данных. Некоторые регистры имеют специальное назначение, другие – многоцелевое. Регистры последнего типа называют регистрами общего назначения и могут использоваться программистом по его усмотрению.
Количество и назначение регистров в МП зависит от его архитектуры, однако, почти все микропроцессоры имеют шесть основных регистров: состояния, буферные, команд, адреса памяти, счетчик команд и аккумулятор.
Счетчик команд – один из наиболее важных регистров МП. 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.
Регистр адреса памяти указывает адрес области памяти, которая подлежит использованию МП. Регистр адреса памяти содержит двоичное число – адрес области памяти.
Регистр команд предназначен исключительно для хранения текущей выполняемой команды, причем эта функция реализуется МП автоматически с началом цикла выборка-выполнение, называемого также машинным циклом.
Регистр состояния предназначен для хранения результатов некоторых проверок, осуществляемых в процессе выполнения программы.
Буферные регистры АЛУ предназначены для временного хранения данных.
Один из этих регистров (ближайший к аккумулятору на схеме) называется буфером аккумулятора АЛУ. Во второй регистр на временное хранение поступают данные с внутренней шины МП.
Регистры общего назначения это регистры, предоставляемые в распоряжение пользователя. В некоторых МП они служат в качестве запоминающих устройств, в других функциональные возможности этих регистров не уступают возможностям аккумулятора.
Роль схем управления в микропроцессоре заключается в поддержании требуемой последовательности функционирования всех стальных его звеньев. По «распоряжению» схем управления очередная команда извлекается из регистра команд, определяется, что необходимо сделать с данными, а затем генерируется последовательность действий по выполнению поставленной задачи. Одна из главных функций схем управления – декодирование команды, находящейся в регистре команд, посредством дешифратора команд, который в результате выдает сигналы, необходимые для выполнения команды.