Архітектура мікропроцесорів

Поняття архітектури мікропроцесора визначає його складові частини, а також зв'язки та взаємодію між ними. Архітектура містить:

1) структурну схему самого МП;

2) програмну модель МП (опис функцій регістрів);

3) інформацію про організацію пам'яті (ємність пам'яті та спо­соби її адресації);

4) опис організації процедур введення-виведення.

Існують два основні типи архітектури - фоннейманівська та гарвардська. Фоннейманівську архітектуру (рис. 2.8, а) запропонував 1945 року американський математик Джон фон Нейман.

Особливістю цієї архітектури є те, що програма і дані знаходяться у спіль­ній пам'яті, доступ до якої здійснюється по одній шині даних і команд.

Гарвардську архітектуру вперше реалізовано 1944 року в релейній обчислювальній машині Гарвардського університету (США). Особливіс­тю цієї архітектури є те, що пам'ять даних і пам'ять програм розділені та мають окремі шину даних і шину команд (рис. 2.8, б), що дозволяє під­вищити швидкодію МП системи.

Структурні схеми обох архітектур містять: процесорний елемент, пам'ять, інтерфейси введення-виведення (ІВВ) і ПВВ. Пам'ять і ПВВ для різних типів МП можуть бути як внутрішніми, тобто розміщуватися на тому ж кристалі, що і процесорний елемент, так і зовнішніми.

Процесор­ний елемент містить регістри, арифметико-логічний пристрій (АЛП), пристрій керування і виконує функції обробки даних та керування проце­сами обміну інформацією. Пам'ять забезпечує зберігання кодів команд програми і даних. Інтерфейси призначені для зв'язку з ПВВ (наприклад, з клавіатурою, дисплеєм, друкувальними пристроями, датчиками інформа­ції). Усі елементи структурної схеми з'єднані за допомогою шин.

Розширену структурну схему з процесором фоннейманівської архітек­тури показано на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Структурна схема з процесором фоннейманівської архітектури

Схема процесора містить пристрій керування, АЛЛ і регістри: адреси, да­них, команд, стану, а також акумулятор, лічильник команд та вказівник стека.

Пристрій керування відповідно до кодів команд та зовнішніх керува-льних сигналів і сигналів синхронізації виробляє керувальні сигнали для нсіх блоків структурної схеми МП, а також керує обміном інформацією між МП, пам'яттю і ПВВ.

Пристрій керування реалізує такі функції:

1. Функція початкового встановлення МП. Зовнішній сигнал початкового встановлення процесора RESET формується при ввімкненні джерела живлення МП або при натисканні кнопки RESET. У разі появи цього сигналу пристрій керування забезпечує завантаження нульового значення у програмний лічильник, що ініціює вибирання з пам'яті байта команди з нульовою адресою. Наприкінці вибирання вміст лічильника команд збільшується на одиницю і вибирається байт команд з наступною адресою. Таким чином виконується вся записана у пам'яті програма.

2. Функція синхронізації. Згідно із зовнішніми керувальними сигналами і сигналами синхросигналізації пристрій керування синхронізує роботу всіх блоків МП.

3. Функція переривань. Із надходженням сигналу переривання пристрій керування ініціює роботу підпрограми обробки відповідного переривання. Потреба у реалізації функцій переривань виникає тоді, коли під час виконання основної програми треба перевести МП на розв'язання іншої задачі, наприклад, обробки аварійної ситуації або роботи з ПВВ.

4. Функція узгодження швидкодії модулів мікропроцесорної системи. Під час обслуговування пам'яті та ПВВ із значно меншою швидкодією, ніж МП, узгодження швидкодії вирішується генерацією тактів очікуван­ня МП, а під час обслуговування пристроїв з більшою швидкодією, ніж МП, використовується режим безпосереднього доступу до пам'яті.

Арифметико-логічний пристрій являє собою комбінаційну схему на основі суматора, який сигналами з виходів пристрою керування налагоджується на виконання певної арифметичної або логічної операції: дода­вання, віднімання, ЛОГІЧНЕ І, ЛОГІЧНЕ АБО, ЛОГІЧНЕ НІ, ВИКЛЮЧНОГО АБО, зсуву, порівняння, десяткової корекції. Отже, АЛП виконує арифметичні або логічні операції над операндами, які пересила­ються з пам'яті і(або) регістрів МП.

Операнд - це об'єкт у вигляді значення даних, вмісту регістрів або вмісту комірки пам'яті, з яким оперує команда, наприклад, у команді додавання операндами є доданки. Операнд може задаватися у команді у вигляді числа або знаходитися в регістрі чи комірці пам'яті. Одержаний після виконання команди в АЛП результат пересилається в регістр або комірку пам'яті.

Регістри призначені для зберігання п-розрядного двійкового числа. Вони являють собою n тригерів зі схемами керування читанням/записом та вибірки. Регістри створюють внутрішню пам'ять МП і використову­ються для зберігання проміжних результатів обчислень.

Акумулятор - це регістр, у якому зберігається один з операндів. Після виконання команди в акумуляторі замість операнда розмішується резуль­тат операції. У 8-розрядних процесорах акумулятор бере участь в усіх опе­раціях АЛП. У 16-розрядних МП більшість команд виконуються без участі акумулятора, але в деяких командах (введення, виведення, множення, ділення) акумулятор діє так само, як і у 8-розрядних МП, тобто зберігає один з операндів, а після виконання команди - результат операції.

Вказівник команд, або програмний лічильник, призначений для збері­гання адреси комірки пам'яті, яка містить код наступної команди. Програ­му дій МП записано в пам'яті у вигляді послідовності кодів команд. Для переходу до наступної команди вміст лічильника збільшується на одини­цю у момент вибирання команди з пам'яті. Наприкінці виконання команди в лічильнику команд зберігається адреса наступної команди.

Вказівник стека - це регістр, який зберігає адресу останньої зайнятої ко­мірки стека. Стеком або стековою пам'яттю називається область пам'яті, організованої за принципом «останній прийшов - перший пішов».

Регістр команд зберігає код команди протягом усього часу виконання команди.

Регістр адреси і регістри даних призначені для зберігання адрес і да­них, використовуваних під час виконання поточної команди у МП.

Регістр стану або регістр прапорців (ознак) призначений для зберіган­ня інформації про результат операції в АЛП і являє собою декілька три­герів, які набувають одиничних або нульових значень. Наприклад, прапо­рець нуля встановлюється в одиницю при нульовому результаті операції.

Контрольні запитання

1. Дайте визначення архітектури МП.

2. Яка відмінність між гарвардською та фоннейманівською архітек­турами?

3. Які функції виконує пристрій керування?

4. Що визначає вміст вказівника команд? Як він змінюється?

5. Чим відрізняється акумулятор від інших регістрів МП?