Структура и принципы работы микропроцессорной системы.

Структура любой микропроцессорной системы является магистралъно-модульной. Это означает, что в ней можно выделить набор модулей — устройств, подключенных к общим магистралям, называемых шинами. Под шиной понимают набор линий связи, по которым передается информация определенного типа, осуществляется обмен информацией между различными модулями системы. Обобщенная структура микропроцессорной системы представлена на рис.6.1.

Рис.6.1. Структура микропроцессорной системы

Любую микропроцессорную систему можно представить как микроЭВМ и набор ВУ. Под внешними устройствами понимают устройства двух типов:

устройства ввода/вывода информации, обеспечивающие вычислительный процесс и связь с оператором (монитор, клавиатура, внешние запоминающие устройства и т. д.);

устройства, обеспечивающие управление техническими средствами технологического оборудования, станками и т.п.

Кроме микропроцессора, который также называют центральным процессорным элементом, в состав микроЭВМ входят ПЗУ, ОЗУ и блок интерфейса. ПЗУ обеспечивает хранение неизменяемых программ работы системы. Если это универсальная система типа персонального компьютера, то в ПЗУ хранится программа базовой системы ввода/вывода, обеспечивающая функционирование и начальную загрузку системы — инициализацию. Если это специализированная система, типа устройства числового программного управления, то в ПЗУ заносится все программное обеспечение системы. ОЗУ предназначено для хранения информации, которая может изменяться в процессе работы системы. Это могут быть данные, промежуточные результаты вычислений и программы, исполняемые в текущий момент времени. В простых системах это только входная информация и промежуточные результаты.

Весь обмен информацией МП с ВУ осуществляется через блок интерфейса. ВУ передают данные из внешней среды в МП или ОЗУ или получают их из микроЭВМ. Для подключения ВУ к микропроцессорной системе его сигналы, скорость передачи информации, формат слов необходимо привести к стандартному виду, с которым работает МП. Все эти преобразования данных выполняются в интерфейсном блоке. Фактически блок интерфейса это набор различных узлов — адаптеров и контроллеров. Сложные ВУ, типа монитора или накопителей на магнитных дисках подключаются через контроллеры ВУ, которые обеспечивают не только преобразование данных, но и управление самими ВУ. Они на структурной схеме не показаны.

Взаимодействие узлов микроЭВМ между собой осуществляется с помощью трех шин:

· шины адреса (ША);

· шины данных (ШД);

· шины управления (ШУ).

Чтобы МП мог однозначно выбрать нужную ячейку памяти или регистр ВУ, они имеют адреса. Адрес ячейки (регистра) передается от МП в память или интерфейсный блок по ША. Шина адреса однонаправленная, так как направление передачи информации по ней только одно — из МП. В отличие от нее ШД является двунаправленной, так как передача данных по ней осуществляется как из МП в память и интерфейс, так и наоборот. ША и ШД состоят из параллельных линий, передача информации по которым осуществляется одновременно для всех линий (поэтому на рисунке эти шины обозначены широкими стрелками). Число линий ШД определяется разрядностью МП, а ША — объемом памяти, т.е. разрядностью двоичного кода, необходимого для адресации всех ячеек. ШУ состоит из отдельных линий, по которым передаются те или иные управляющие сигналы. Естественно, что они передаются не одновременно, поэтому на рисунке ШУ обозначена узкими стрелками. В основном это сигналы, передаваемые из МП в остальные узлы, но некоторые имеют обратную направленность — в МП. Примером первых могут служить сигналы чтения и записи, указывающие, какую именно следует выполнять операцию с ячейкой, адрес которой выставлен на ША. Ко вторым относят осведомительные сигналы запроса обслуживания, поступающие от ВУ, а также сигнал сброса МП в начальное (нулевое) состояние.

Внешние устройства в зависимости от способа передачи информации разделяются на две большие группы:

устройства, обменивающиеся параллельными словами данных (на рисунке они подключены к параллельной шине);

устройства, обменивающиеся информацией в последовательном коде, т.е. последовательно, бит за битом (подключены к однопроводной шине, обозначенной узкой стрелкой).

Основными узлами МП являются устройство управления (УУ), регистр команд (РК), дешифратор команд (ДШК), арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистр флажков (РФ), набор внутренних регистров, разделяемых на адресные регистры (РА) и регистры данных (РД), программный счетчик (ПС), устройство управления шинами (УУШ).

Координация работы всех узлов в соответствии с выполняемой командой осуществляется тремя узлами: УУ, РК и ДШК. РК обеспечивает хранение команды, в течение всего цикла ее исполнения, а ДШК выполняет расшифровку кода этой команды. УУ вырабатывает серию импульсов, обеспечивающих последовательное и слаженное срабатывание узлов МП в соответствии с выполняемой командой. Для выработки управляющих импульсов на вход УУ поступают импульсы синхронизации от внешнего генератора. Такой генератор может быть также встроен в УУ. Кроме управления внутренними узлами УУ обеспечивает прием и выдачу внешних управляющих сигналов.

АЛУ обеспечивает выполнение всех операций, с помощью которых осуществляется переработка данных в МП. Оно может выполнять несложные арифметические, логические и сдвиговые операции. Количество операндов, т.е. двоичных чисел, над которыми выполняются действия в АЛУ, может колебаться от одного до двух. Например, при инвертировании (логическое «НЕ») АЛУ достаточно одного операнда, а для операции сложения двух чисел необходимо два операнда. Перечень операций, выполняемых АЛУ, зависит от типа МП. Для большинства МП в АЛУ выполняются следующие операции: сложение, вычитание, логические «И», «ИЛИ», «НЕ», исключающее ИЛИ (сумма по модулю 2), сдвиг вправо, сдвиг влево, сложение с единицей (инкремент), вычитание единицы (декремент). Сложные арифметические операции, такие как умножение и деление, АЛУ не выполняет. В зависимости от результата операции АЛУ формирует признаки результата, называемые флажками. Эти признаки используются не в текущей, а в последующих командах, поэтому для их хранения в МП используется регистр флажков (РФ).

Регистры — составная и очень важная часть МП. Каждый регистр МП можно использовать для временного хранения одного слова данных. Некоторые регистры имеют специальное назначение, другие — многоцелевое. Внутренние адресные регистры (РА) и регистры данных РД являются внутренней памятью МП. РА используются для временного хранения Двоичных чисел, с помощью которых МП вычисляет адреса ячеек памяти, к которым он обращается в процессе работы. РД используются как для непосредственного хранения операндов, так и для вычисления адресов ячеек ОЗУ, хранящих операнды. Через РД также осуществляется обмен информацией между МП и ВУ. Программный счетчик служит для хранения адреса ячейки памяти, в которой хранится очередная исполняемая команда программы.

Выполняя программу, МП обрабатывает команду за командой, которые обычно располагаются в ячейках памяти последовательно одна за другой. Команда задает выполняемую операцию и содержит сведения, где находятся операнды. Выполнение команды можно разбить на две фазы: фазу выборки команды и фазу ее исполнения. Первая фаза начинается с того, что МП выставляет на ША содержимое программного счетчика ПС, хранящего адрес ячейки памяти с очередной командой. Содержимое ячейки выставляется на ШД, МП считывает информацию с ШД и помещает команду в регистр команд РК.

Вторая фаза заключается в собственно выполнении команды. При этом сначала МП должен подготовить операнды. Операнды могут храниться как в самом МП, так и в ОЗУ. В первом случае они хранятся в регистрах данных, и МП может переходить к непосредственному исполнению математической или логической операции в соответствии с кодом команды. Во втором случае МП должен сначала вычислить адрес ячейки ОЗУ, хранящей операнд, потом выставить этот адрес на ША и считать содержимое указанной ячейки ОЗУ, и только затем выполнить операцию. Выполнение операции осуществляется в АЛУ, после чего результат должен быть помещен на место первого операнда. Если это один из внутренних регистров МП, результат сразу же переписывается в этот регистр, если это ячейка ОЗУ, требуется еще один цикл обращения к памяти. Таким образом, время исполнения команды зависит от количества циклов обращения к памяти, и самыми короткими являются те команды, в которых операнды хранятся непосредственно в МП.

Во время выполнения команды при каждом обращении МП к памяти программ содержимое программного счетчика ПС автоматически увеличивается на единицу. Команды могут занимать не только одну ячейку памяти, а две и даже три, при этом, чтобы считать всю команду, МП должен несколько раз обратиться к памяти программ. В результате в конце выполнения команды в ПС уже хранится адрес следующей, и МП готов к выполнению очередной команды. Отсюда и название этого регистра — «программный счетчик».

Регистр ПС хранит адрес следующей выполняемой команды, только в случае естественного порядка следования команд программы — команда за командой. В случае разветвления алгоритма в зависимости от выполнения или невыполнения заданного условия необходимо идти по одной из двух ветвей программы. Такие разветвления выполняются с помощью команд условного перехода. Для этого в команде условного перехода задается проверяемое условие и указывается адрес команды, подлежащей исполнению в случае выполнения условия. При невыполнении условия сохраняется естественный порядок следования команд, т.е. выполняется следующая по порядку команда. Так как адресация осуществляется через программный счетчик, то при выполнении заданного условия в ПС загружается адрес, указанный в команде, если же условие не выполняется, то адрес следующей команды оказывается уже сформированным в ПС. Проверка тех или иных условий в МП обычно заключается в анализе признаков результата, которые были сформированы при исполнении предыдущей команды и сохранены в регистре флажков.

В процессе работы МП постоянно обращается к ША и ШД. Передача информации внутри МП осуществляется по внутренним шинам, которые непосредственно не связаны с внешними шинами. Для передачи адресов и данных из МП во внешние шины и приема данных с ШД в МП необходимо буферное устройство, которым служит устройство управления шинами (УУШ). В простейшем случае — это набор буферных регистров, управляемых устройств управления УУ. Буферный регистр адреса принимает данные с внутренней шины и хранит его в течение цикла обращения к памяти или ВУ, при этом адрес через выходные каскады регистра выставляется на ША. Буферный регистр данных — двунаправленный и может как передавать данные с внутренней шины во внешнюю, так и принимать их с внешней ШД и передавать во внутреннюю. Эти регистры имеют третье состояние и переводятся в него, когда МП с ША и ШД не работает. В более сложных МП в состав УУШ помимо буферных входит набор внутренних регистров, некоторые адресные регистры и комбинационные схемы. Такое УУШ работает самостоятельно, обеспечивая взаимодействие МП с внешними шинами.