WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 23 |

1.2. Архитектура микропроцессоров Для описания свойств и характеристик микропроцессоров используется термин «архитектура», который является более широким, чем понятие «структура», отражающее состав, внутреннюю организацию и функции только аппаратных средств вычислительного устройства. Архитектура включает в себя следующие компоненты: структуру, внутренний язык и программное обеспечение.

Внутренний язык представляет собой совокупность команд, реализуемых микропроцессором, структуру и форматы команд; структуру и форматы данных.

Программное обеспечение – набор программ для написания, проверки и отладки прикладных программ.

Таким образом, архитектура характеризуется совокупностью структурных и функциональных признаков и определяется логической структурой отдельных узлов микропроцессора, их взаимосвязью, системой команд и взаимодействием между аппаратурой и программой реализации алгоритмов работы [8].

С точки зрения архитектуры микропроцессоры делятся на два класса:

• с фиксированной разрядностью и аппаратной (схемной) реализацией устройства управления (УУ);

• с наращиваемой разрядностью (секционированные микропроцессоры) и микропрограммным управлением.

При построении микропроцессорных систем (МПС) используют общие принципы построения вычислительных устройств, но с учётом возможностей технологии изготовления БИС. При этом приходится учитывать ограничения на максимально достижимые размеры кристаллов, число выводов корпуса ИС и рассеиваемую на кристалле мощность.

Основными принципами построения МПС являются следующие.

• Микропроцессор реализует алгоритм работы, описание которого хранится во внешнем устройстве памяти.

• Каждая операция в микропроцессоре выполняется соответствующей микрокомандой в соответствии с принципом микропрограммного управления, обеспечивающим универсальность микропроцессора. Микрокомандный уровень управления АЛУ наиболее полно учитывает его структуру, в силу чего реализация операций с помощью микропрограмм является наиболее рациональной с точки зрения экономии объема памяти запоминающих устройств и повышения быстродействия. С другой стороны, поскольку микрокоманда (МК) представляет собой достаточно мелкую детализацию выполняемой операции, например, «обнулить регистр», «переслать содержимое регистра» и т.д., то для программирования сложных ал горитмов работы потребовалось бы составлять микропрограммы, содержащие сотни и тысячи микрокоманд. Для упрощения программирования вводится командный уровень управления, так что каждая команда реализуется как последовательность микрокоманд.

• Используется магистральный принцип, заключающийся в том, что все данные, передаваемые от одного блока к другому, проходят через внутреннюю магистраль. При обмене данными к магистрали подключаются только источник и приёмник информации.

• Устранение ошибок при выполнении операции, обусловленных переходными процессами в электрических цепях, обеспечивается внутренней и внешней синхронизацией микропроцессора.

• Разделение электрической схемы микропроцессорной системы на функционально завершённые модули. Модульный принцип построения МПС даёт возможность при проектировании выбирать только необходимые модули и наращивать функциональные возможности микропроцессорной системы. Выбор типа и числа модулей, учитывающих особенности реализуемого алгоритма работы, позволяет повысить эффективность применения микропроцессорной системы для решения конкретных задач.

1.2.1 Структура микропроцессора с фиксированной разрядностью и аппаратной реализацией устройства управления Микропроцессор с фиксированной разрядностью может быть реализован на одном кристалле, поэтому микропроцессоры этого типа часто называют однокристальными. На рис.1.4 приведена упрощённая структурная схема такого микропроцессора, содержащего арифметико-логическое устройство, блок внутренних регистров, устройство управления и интерфейс.

Примером такой структуры является 8-разрядный однокристальный микропроцессор КР580ВМ80, выполненный на основе 4140 элементов nМОП структуры [1]. Микропроцессор содержит шесть 8-разрядных регистров общего назначения (B, C, D, E, H, L), 8-разрядный регистраккумулятор два 8-разрядных буферных регистра, два 8-разрядных регистра (W и Z), 8-разрядный регистр признаков и 8-разрядное арифметикологическое устройство. Первый байт команд поступает через буфер данных в регистр команд и дешифрируется в дешифраторе команд и схеме управления машинным циклом. Микропроцессор имеет схему десятичной коррекции, позволяющую выполнять обработку данных, представленных в двоично-десятичной системе счисления. Указатель стека и регистр счетчика команд имеют 16 разрядов. Их содержимое поступает в 16-разрядную шину адреса через буфер адреса. Для изменения содержимого регистров общего назначения, регистра счетчика команд и указателя стека имеется схема инкремента-декремента. Выбор нужного регистра общего назначения, регистра счетчика команд и указателя стека или регистров W и Z, осуществляется с помощью схемы выборки регистра (СВР) и мультиплексора.

Арифметико-логическое устройство представляет собой комбинационное устройство и предназначено для выполнения простейших операций:

сложения и вычитания чисел, логических операций И, ИЛИ, сложения по модулю 2, сдвига, пересылок и т.д. Сложные операции, предусмотренные в некоторых командах, осуществляются обычно с помощью микропрограммы. Признаки операций, выполняемых АЛУ, а также состояние микропроцессора отражаются регистром признаков, состоящим из нескольких триггеров (флагов). Каждый флаг связан с определённой выполняемой функцией (флаг нуля, знака, переноса, чётности и т.д.).

Внутренние регистры микропроцессора состоят из специальных регистров и регистров общего назначения (РОН). К специальным относятся регистр адреса, регистр команд, накопительный регистр или регистраккумулятор, регистр счётчика команд, указатель стека, индексные регистры и др. Состав их может быть разным в различных микропроцессорах.

Иногда функции специальных регистров выполняют РОН, либо ячейки ОЗУ. Регистры общего назначения реализуют функции сверхоперативного запоминающего устройства и их число лежит в пределах от 4 до 64. Использование РОН позволяет уменьшить число обращений к оперативному запоминающему устройству в 1,5 – 3 раза и тем самым повысить быстродействие микропроцессора.

В регистре-аккумуляторе фиксируется результат выполнения операции. Иногда результат операции записывается в один из регистров общего назначения. В этом случае микропроцессор называется многоаккумуляторным.

Для однокристальных микропроцессоров характерно наличие указателя стека. Это объясняется тем, что подавляющее большинство микропроцессоров предназначено для работы в реальном масштабе времени, а специальный блок запоминающих устройств, реализующий стековую дисциплину доступа, позволяет быстро реагировать на запросы прерывания от внешних устройств и осуществлять переход к прерывающей программе и возврат к прерванной программе.

Внешняя шина данных Буфер данных Внутренняя шина данных Регистр Регистр- Буферный Регистр Мультиплексор команд аккумурегистр 1 признаков лятор W Z B C D E Дешифратор Буферный АрифметикоС команд и регистр логическое схема H L устройство В управления машинным Регистр счетчика циклом Р команд Схема десятичной Указатель стека коррекции Схема инкрементадекремента Регистр адреса Устройство управления Буфер адреса Шина управления Шина адреса Рис. 1.4. Структура микропроцессора КР580ВМИспользование указателя стека оказывается также эффективным средством работы с микропрограммами, поскольку в этом случае достаточно применения простых аппаратных средств и однобайтовых команд для автоматического запоминания адресов возврата к основной программе. Некоторые микропроцессоры имеют внутренний встроенный стек с ограниченным объемом памяти, при использовании которого операции выполняются с высокой скоростью т.к. отпадает необходимость обращения к внешним запоминающим устройствам. Учитывая, что к стеку при реализации различных алгоритмов работы МП обращаются реже, чем к регистрам общего назначения, в ряде микропроцессоров используется региструказатель стека, а сам стек выполнен в виде некоторой зоны во внешнем оперативном запоминающем устройстве. Такая организация работы сопряжена со снижением быстродействия микропроцессора, однако общая эффективность микропроцессорной системы значительно возрастает за счёт существенного увеличения объема памяти стека.

В простых микропроцессорах операции вычисления каждого следующего адреса программы могут выполняться арифметико-логическим устройством. Для освобождения АЛУ от таких элементарных операций и организации параллельного выполнения операций модификацию адреса может выполнять схема инкремента-декремента, которая увеличивает или уменьшает на единицу значение текущего адреса. Введение такой специальной схемы инкремента-декремента (индексного регистра) существенно расширяет возможности МП за счёт индексной адресации.

Устройство управления [8] строится на основе комбинационных и последовательностных устройств. Для этого широко используются программируемые логические матрицы (ПЛМ). В соответствии с кодом команды устройство управления формирует сигналы, необходимые для работы отдельных блоков МП. Это же устройство формирует сигналы, управляющие процессом считывания очередной команды и организацией переходов. При реализации устройства управления логические связи в ПЛМ закреплены таким образом, что каждому поступившему на вход коду команды соответствует своя система управляющих сигналов. Набор таких команд строго определён и их изменение, наращивание не допускается. При необходимости выполнения операции, для которых нет соответствующих команд в наборе (списке), требуется применение подпрограммы, составленной из группы разрешённых команд. Так как использование подпрограмм снижает скорость вычислений и, следовательно, эффективность применения микропроцессоров, то стремятся, чтобы микропроцессоры имели гибкую и развитую систему команд. При этом на микропрограммном уровне устройство управления координирует свою работу с содержимым регистра признаков (РП). Назначение регистра признаков заключается в идентифицировании состояния микропроцессора в каждый текущий момент времени выполнения команды. По окончании арифметических и логических операций в регистре признаков фиксируются наличие переполнения, нулевой результат, положительный или отрицательный знак и т.д. Во всех следующих операциях программным способом опрашиваются определённые разряды регистра признаков и производятся условные переходы в программе по значениям соответствующих признаков. Часть регистра признаков микропроцессора принадлежит устройству управления. В этой части регистра признаков фиксируются признаки, определяющие форматы команд и об рабатываемых слов, способ адресации, наличие запроса прерывания, разрешение или маскирование прерывания.

Интерфейс микропроцессора разделяется на внутренний и внешний.

Внутренний интерфейс обеспечивает сопряжение между блоками микропроцессора, а внешний – между микропроцессором, запоминающими и периферийными устройствами.

Для структуры микропроцессора, представленной на рис.1.4, характерно наличие внутренней шины данных, связывающей все блоки микропроцессора [8]. Разрядность ее равна разрядности слов, с которыми оперирует микропроцессор, и, следовательно, разрядности внешней шины данных по которой передаются не только обрабатываемые слова, но и команды. Разрядность внешней шины данных ограничивает сложность и число команд микропроцессора. Как правило однокристальные микропроцессоры имеют 4, 8, 16, 32 и 64-разрядные внешние шины данных. Внешняя шина данных используется в режиме двунаправленных передач, т.е. обмен данных между МП и внешними запоминающими устройствами осуществляется путём временного мультиплексирования. Для увеличения гибкости управления в некоторых микропроцессорах применяются раздельные внешние шины данных и адресов.

Большинство 8-разрядных однокристальных микропроцессоров имеют 16-разрядную шину адреса (ША), которая позволяет непосредственно адресовать внешнее (по отношению к МП) запоминающее устройство.

Формирование 16-разрядного адреса в регистре адреса осуществляется во внутренней шине данных полуадресами, так как внутренняя шина данных является 8-разрядной. Для структуры микропроцессора, показанной на рис.1.4, шина адреса и внешняя шина данных являются общими для внешних запоминающих устройств и периферийных устройств. Для прямой адресации внешних запоминающих устройств 8-разрядного кода команды недостаточно. В этой связи в микропроцессорах используются команды переменного формата (одно-, двух- или трёхбайтовые). Первый байт команды поступает только в регистр команд, а второй и третий байты – в регистры W и Z. В первом байте, представляющем код операции, присутствует признак длины команды.

Шину управления однокристального МП образуют линии, предназначенные для передачи управляющих сигналов, признаков состояния микропроцессора и периферийных устройств, число которых может быть от 6 до 12. В состав шины управления входят линии, предназначенные для передачи:

• синхронизирующих сигналов для сопровождения информации в обоих направлениях мультиплексируемой шины данных;

• сигналов, информирующих микропроцессор о состоянии внешних устройств;

• сигнала, указывающего обращение к запоминающему устройству (чтение или запись);

• сигналов запроса и разрешения прерывания и др.

Устройство управления принимает сигналы через дешифратор команд и схему управления машинным циклом, поступившие из запоминающего устройства команд. В соответствии с этими сигналами обеспечивается выполнение программы путем формирования необходимых управляющих сигналов для всех блоков микропроцессора.

Для выполнения одной команды требуется от 1 до 5 машинных циклов, каждый из которых требует от 3 до 5 тактов. В конце машинного цикла выполнения каждой команды анализируется наличие сигнала запроса на входе (ЗПРВ). Если этот сигнал присутствует и прерывания программы разрешены, то микропроцессор переходит в специальный цикл, во время которого содержимое регистра счетчика команд не изменяется и формируется признак начала обработки прерываний (INTA). В микропроцессор посылается код команды (RST) с адресом прерывающей программы.

В составе устройства управления имеется схема анализа прерываний, которая обеспечивает работу микропроцессора в реальном масштабе времени. В её состав входят программно управляемый триггер разрешения прерываний и триггер запроса прерываний. Схема анализа захвата шин, входящая в устройство управления, позволяет организовать режим прямого доступа к запоминающему устройству.

1.2.2. Структура микропроцессора с наращиваемой разрядностью и микропрограммным управлением Характерной особенностью таких микропроцессоров (рис. 1.5) является модульность структуры и распределение функциональных блоков по отдельным БИС. Структура микропроцессора с микропрограммным управлением (рис.1.5) включает исполнительный блок, содержащий дешифратор микрокоманд, арифметико-логическое устройство с регистромнакопителем (аккумулятором), регистры общего назначения, и блок микропрограммного управления, состоящий из запоминающего устройства микрокоманд, блока формирования адреса, регистра микрокоманд и реги стра команд [8]. Регистр микрокоманд предназначен для кратковременного запоминания той микрокоманды, которая подлежит исполнению.

В запоминающем устройстве команд записаны микрокоманды, по которым, как правило, выполняются простейшие операции: сложение, вычитание, сдвиг и т.п. Каждой микрокоманде соответствует одна или несколько операций, выполняемых за один такт. Расположенные в ЗУ команд в определённой последовательности микрокоманды составляют микропрограмму. Такое ЗУ микрокоманд обычно содержит несколько микропрограмм и его функции, как правило, выполняет ПЗУ.

Код микрокоманды имеет одноадресную структуру: [код операции (КОП); адрес числа]. В нём содержится адрес только того числа, которое будет выбрано из запоминающего устройства. Другое число, участвующее в операции, предварительно посылается в аккумулятор. В качестве оперативного запоминающего устройства чисел используются регистры общего назначения. Арифметико-логическое устройство может через свои мультиплексоры получать числа из внешнего запоминающего устройства. Инструкция об адресах выбираемых чисел содержится в коде микрокоманды.

После выполнения в АЛУ операции, заданной кодом операции, результат помещается в аккумулятор. Затем из запоминающего устройства микрокоманд выбирается следующая по порядку микрокоманда.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 23 |






















© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.