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. 7.8, а) запропонував 1945 року американський математик Джо фон Нейман.

Рис. 7.8. Основні типи архітектури: а - фоннейманівська; б - гарвардська

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. 7.8, 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 1ВВ 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. 7.9.

Рис. 7.9. 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 керувальних сигналів і сигналів синхронізації виробляє керувальні сигнали для всіх 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 n -розрядного двійкового числа. Вони являють собою п 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.

У технічній літературі застосовують обидві назви цього регістра. Зазвичай у МП використовують назву IP (Instruction Pointer) - вказівник команд, а в однокристальних мікро-ЕОМ та мікроконтродерах - PC (Program Counter) - програмний лічильник. 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.

Література:

1. Белов А. В. Самоучитель по микропроцессорной технике. СПб., Наука и техника. 2003 – 224с.

2. Мікропроцесорна техніка. Підручник /Якименко Ю. І, Терещенко Т. О. таінші/ - 2-ге вид., переробл. та доповн. – К.: ІВЦ «Видавництво «Політехніка»», 2004. – 440 с.

3. Микропроцессорные системы. Под ред. Д. В. Пузанкова. СПб., Политехника. 2002 – 935с.

4. Юров В. Assembler: Практикум. — СПб.: Питер, 2001.

Техніка безпеки:

Студенти та курсанти, які виконують практичні роботи у лабораторіях, згідно з розкладом занять, повинні виконувати привила техніки безпеки, а саме:

1. заходити у лабораторію тільки з дозволу викладача або завідуючого лабораторією;

2. не приносити до лабораторії легко палких та отруйних речовин;

3. без дозволу викладача або завідуючого лабораторією не вмикати ЄОМ та інші електричні прилади;

4. чітко та своєчасно виконувати накази викладача або завідуючого лабораторією;

5. у разі будь-якого інциденту, негайно доповісти викладачу або завідуючому лабораторією.

Поиск по сайту: