Структура і принципи роботи мікропроцесорної системи

Структура мікропроцесорної системи є магістрально-модульною. Ця означає, що в ній можна виділити набір модулів, – пристроїв, підключених до загальним магістралях, які називаються шинами. Під шиною розуміють набір ліній зв’язку, по яких передається інформація певного типу, здійснюється обмін інформацією між різними модулями системи.

Будь-яку мікропроцесорну систему можна представити як мікроЕОМ і набір ВУ. Під ВУ розуміють пристрої двох типів:

• пристрої введення / виведення інформації, що забезпечують обчислювальний процес і зв’язок з оператором (монітор, клавіатура, зовнішні запам’ятовуючі пристрої і т.д.);

• пристрої, що забезпечують управління технічними засобами технологічного обладнання, верстатами і т.п.

Крім МП, який також називають центральним процесорним елементом, до складу мікроЕОМ входять ПЗУ, ОЗУ і блок інтерфейсу. ПЗУ забезпечує зберігання незмінних програм роботи системи. Якщо це універсальна система типу персонального комп’ютера, то в ПЗУ зберігається програма базової системи введення / виводу, що забезпечує функціонування і початкове завантаження системи – ініціалізацію. Якщо це спеціалізована система, типу пристрою числового програмного управ4.4. Мікропроцесори

лення, то в ПЗУ заноситься все програмне забезпечення системи. ОЗП призначений для зберігання інформації, яка може змінюватися в процесі роботи системи. Це може бути дані, проміжні результати обчислень і програми, виконувані в поточний момент часу. В простих системах це тільки вхідні інформація й проміжні результати.

Весь обмін інформацією МП з ВУ здійснюється через блок інтерфейсу. ВУ передають дані із зовнішнього середовища в МП або ОЗУ або отримують їх з мікроЕОМ. Для підключення ВУ до мікропроцесорної системі його сигнали, швидкість передачі інформації, формат слів необхідно привести до стандартного вигляду, з яким працює МП. Всі ці перетворення даних виконуються в интерфейсном блоці. Фактично блок інтерфейсу це набір

різних вузлів – адаптерів і контролерів. Складні ВУ, типу монітора або накопичувачів на магнітних дисках підключаються через контролери ВУ, які забезпечують не тільки перетворення даних, а й управління самими ВУ. Вони на структурній схемі не показані.

Взаємодія вузлів мікроЕОМ між собою здійснюється за допомогою трьох шин: шини адреси (ША), шини даних (ШД) і шини управління (ШУ). Щоб МП міг однозначно вибрати потрібну комірку пам’яті або регістр ВУ, вони мають адреси. Адреса комірки (регістру) передається від МП в пам’ять або інтерфейсний блок за ША. ША однонаправлена, так як напрям передачі інформації по ній тільки одне – з МП. В відміну від неї ШД є двобічної, так як передача даних по ній здійснюється як із МП в пам’ять і інтерфейс, так і навпаки. ША і ШД складаються з паралельних ліній, передача інформації за якими здійснюється одночасно для всіх ліній (тому на малюнку ці шини позначені широкими стрілками). Число ліній ШД визначається розрядністю МП, а ША – об’ємом пам’яті, тобто розрядністю двійкового коду, необхідного для адресації всіх

осередків. ШУ складається з окремих ліній, по яких передаються ті чи інші керуючі сигнали. Природно, що вони передаються не одночасно, тому на рис. 4.9 ШУ позначена вузькими стрілками. В основному це сигнали, що передаються з МП в інші вузли, але деякі мають зворотну спрямованість – в МП. Прикладом перших можуть служити сигнали читання і запису, указиваГлава 4. Схемотехніка програмованих, пристроїв

ющіе, яку саме слід виконувати операцію з осередком, адреса якої виставлений на ША. До других відносять осведомітельних сигнали запиту обслуговування, що надходять від ВУ, а також сигнал скидання МП в початкове (нульове) стан.

Зовнішні пристрої в залежності від способи передачі інформації поділяються на дві великі групи: пристрої, що обмінюються паралельними словами даних (на рис. 4.9 вони підключені до паралельної шині), і пристрої, що обмінюються інформацією в послідовному коді, тобто послідовно, біт за бітом (підключені до однопроводной шині, позначеної вузької стрілкою).

Основними вузлами МП є пристрій керування (ПК), регістр команд (PK), дешифратор команд (ДШК), арифметико-логическое пристрій (АЛУ), регістр прапорців (РФ), набір внутрішніх регістрів, поділюваних на адресні регістри (РА) і регістри даних (РД), програмний лічильник (ПС), пристрій управління шинами (УУШ).

Координація роботи всіх вузлів відповідно до виконуваної командою здійснюється трьома вузлами: УУ, PK і ДШК. PK забезпечує зберігання команди протягом усього циклу її виконання, а ДШК виконує розшифровку коду цієї команди. УУ виробляє серію імпульсів, що забезпечують послідовне і злагоджене спрацьовування вузлів МП відповідно до виконуваної командою. Для вироблення керуючих імпульсів на вхід У У надходять імпульси синхронізації від зовнішнього генератора. Такий генератор може бути також вбудований в УУ. Крім управління внутрішніми вузлами, УУ забезпечує прийом і видачу зовнішніх керуючих сигналів.

АЛУ забезпечує виконання всіх операцій, за допомогою яких здійснюється переробка даних в МП. Воно може виконувати нескладні арифметичні, логічні та зсувні операції. Кількість операндів, тобто двійкових чисел, над якими виконуються Дія в АЛП, може коливатися від одного до двох. Наприклад, при інвертуванні (логічне НЕ) АЛУ достатньо одного операнда, а для операції додавання двох чисел необхідно два операнда. Перелік операцій, що виконуються АЛП, залежить від типу МП. Для більшості МП в АЛУ виконуються наступні операції: додавання, віднімання, логічні І, АБО, НЕ, що виключає АБО (сума по модулю 2), зрушення вправо, зсув вліво, додавання з одиницею (інкремент), віднімання одиниці (декремент). Складні арифметичні операції, такі як множення і ділення, АЛУ не виконує. Залежно від результату операції АЛУ формує ознаки результату, звані прапорцями. Ці ознаки використовуються не в поточній, а в подальших командах, тому для їх збереження в МП використовується РФ.

Регістри – складова і дуже важлива частина МП. Кожна регістр МП можна використовувати для тимчасового зберігання одного слова цих. Деякі регістри мають спеціальне призначення, інші – багатоцільове. Внутрішні РА і РД є внутрішньою пам’яттю МП. РА використовуються для тимчасового зберігання двійкових чисел, за допомогою яких МП обчислює адреси комірок пам’яті, до яких він звертається в процесі роботи. РД використовуються як для безпосереднього зберігання операндів, так і для обчислення адрес комірок ОЗУ, що зберігають операнди. Через РД також здійснюється обмін інформацією між МП і ВУ. Програмний счетчик служить для зберігання адреси осередки пам’яті, в якій зберігається чергова виконувана команда програми.

Виконуючи програму, МП обробляє команди за командою, які зазвичай розташовуються в комірках пам’яті послідовно одна за одною. Команда задає виконувану операцію і містить відомості, де знаходяться операнди. Виконання команди можна розбити на дві фази: фазу вибірки команди і фазу її виконання. Перша фаза починається з того, що МП виставляє на ША вміст ПС, що зберігає адресу комірки пам’яті з черговою командою. Вміст комірки виставляється на ШД, МП зчитує інформацію з ШД і поміщає команду в PK.

Друга фаза полягає у власне виконанні команди. У цьому спочатку МП має підготувати операнди. Операнди можуть зберігатися як в самому МП, так і в ОЗУ. У першому випадку вони зберігаються в регістрах даних, і МП може переходити до безпосереднього виконання математичної або логічної операції відповідно до кодом команди. У другому випадку МП повинен спочатку обчислити адресу комірки ОЗУ, що зберігає операнд, потім виставити цю адресу на ША і рахувати вміст зазначеної осередки ОЗУ, і тільки потім здійснити операцію. Виконання операції здійснюється в АЛП, після чого результат повинен бути поміщений на місце першого операнда. Якщо це один з внутрішніх регістрів МП, результат відразу ж переписується в цей регістр, якщо це осередок ОЗУ, потрібно ще один цикл звернення до пам’яті. Отже час виконання команди залежить від кількості

циклів звернення до пам’яті, і найкоротшими є ті команди, в яких операнди зберігаються безпосередньо в МП.

Під час виконання команди при кожному зверненні МП до пам’яті програм вміст ПС автоматично збільшується на одиницю. Команди можуть займати не тільки одну комірку пам’яті, а дві і навіть три, при цьому, щоб счи-

тать всю команду, MP повинен кілька разів звернутися

до пам’яті програм. В результаті в кінці виконання команди в ПС вже зберігається адреса наступної, і МП готовий до виконання чергової команди. Звідси і назва цього регістра – «програмний лічильник».

Регістр ПС зберігає адресу наступної виконуваної команди лише в разі природного порядку проходження команд програми – команда за командою. В разі розгалуження алгоритму залежно від виконання

або невиконання заданої умови необхідно йти за однією з двох гілок програми. Такі розгалуження виконуються за допомогою команд умовного переходу. Для цього в команді умовного переходу задається проверяемое умова і вказується адреса команди, що підлягає виконанню у разі виконання умови. При невиконанні умови зберігається природний порядок проходження команд, тобто виконується наступна по порядку команда. Так як адресація здійснюється через програмний лічильник, то при виконанні заданої умови в ПС завантажується адресу, вказану в команді, якщо ж умова не виконується, то адреса наступної команди виявляється вже сформованим в ПС. Перевірка тих чи інших умов в МП зазвичай полягає в аналізі ознак результату, які були сформовані при виконанні попередньої команди і збережені в регістрі прапорців.

У процесі роботи МП постійно звертається до ША і ШД. Передача інформації всередині МП здійснюється за внутрішнім шинам, що безпосередньо не пов’язані із зовнішніми шинами. Для передачі адрес і даних з МП в зовнішні шини та прийому даних з ПІД в МП необхідно буферне пристрій, яким служить УУШ. У найпростішому випадку – це набір буферних регістрів, керованих У У. Буферний регістр адреси приймає дані з внутрішньої шини і зберігає його протягом циклу звернення до пам’яті або ВУ, при цьому адреса через вихідні каскади регістра виставляється на ША. Буферний регістр даних – двонаправлений і може як передавати дані з внутрішньої шини в зовнішню, так і приймати їх із зовнішнім ШД і передавати у внутрішню. Ці регістри мають третій стан і переводяться в нього, коли МП з ША і ШД не працює. У більш складних МП до складу УУШ, крім буферних, входить набір внутрішніх регістрів, деякі адресні регістри і комбінаційні схеми. Таке УУШ працює самостійно, забезпечуючи взаємодія МП із зовнішніми шинами.

Посилання на основну публікацію