Схема микропроцессора (стр. 1 из 7)

Структурная схема микропроцессора.

Введение.

Характерной чертой научно-технического прогресса, определяющей мощный дальнейший подъем общественного производства, является широкое внедрение электроники во все отрасли народного хозяйства.

Современная электронная цифровая вычислительная техника широко применяется в народном хозяйстве. В настоящее время создано четыре поколения ЭВМ с улучшающимися технико-экономическими показателями, что способствует дальнейшему расширению сферы применения ЭВМ и их эффективности.

Четвертое поколение ЭВМ на основе интегральных схем с большой степенью интеграции элементов (БИС) появилась в начале 70 - х годов и существенно изменило параметры ЭВМ всех классов. Вместе с тем возник совершенно новый класс ВТ на основе БИС - микропроцессорные вычислительные машины - микроЭВМ.

В конце 70 - х годов в результате интеграции всех электронных устройств ЭВМ в одном кристалле были созданы однокристальные микроЭВМ, вычислительная мощность которых не уступает вычислительной мощности средних ЭВМ начала 70 - х годов.

Микропроцессоры и микроЭВМ стали новым массовым классом ЭВМ вследствие малой материалоемкости и стоимости , низкого энергопотребления и высокой надежности . Отечественной промышленностью ежегодно производится несколько десятков тысяч микроЭВМ, .), сотни тысяч микропроцессоров и микрокалькуляторов на их основе. Разрабатываются операционные системы общего применения и стандартное программное обеспечение микроЭВМ.

Массовость этого нового класса и его высокие технико-экономические параметры оказывают революционизирующее влияние на целое поколение приборов, оборудования, агрегатов со встроенными микропроцессорными средствами.

Микропроцессоры и микроЭВМ применяют в различных областях народного хозяйства (в управлении технологическими процессорами , информационных и измерительных комплексах, энергетике , медицине и др. ). На базе выпускаемых микропроцессоров и микроЭВМ созданы высокопроизводительные устройства числового программного управления . Крупносерийное производство ряда моделей мини - ЭВМ позволяет начать работы по созданию нескольких типов проблемно - ориентированных комплексов для автоматизации научных исследований и технологических процессов. Особое значение микроЭВМ приобретают в связи с реализацией школьной реформы. МикроЭВМ положены в основу организуемых в каждой школе учебных классов по дисциплине “ Основы информатики и вычислительной техники”.

Построение ЭВМ на основе микропроцессорных БИС позволяет уменьшить стоимость микроЭВМ, сравнимых по своим параметрам с ранее созданными ЭВМ , в 103 - 104 раз , габаритным размерам - в ( 2 - 3 ).104 раз , по мощности потребления - в 105 раз. Это означает , что без увеличения общих затрат микроэлектронная технология позволяет обществу произвести в сотни и тысячи раз больше ЭВМ , чем ранее.

Микропроцессор – функционально законченное устройство обработки информации, управляемое хранимой в памяти программой. Появление микропроцессоров (МП) стало возможным благодаря развитию интегральной электронике. Это позволило перейти от схем малой и средней степени интеграции к большим и сверхбольшим интегральным микросхемам (БИС и СБИС).

По логическим функциям и структуре МП напоминает упрощенный вариант процессора обычных ЭВМ. Конструктивно он представляет собой одну или несколько БИС или СБИС.

По конструктивному признаку МП можно разделить на однокристальные МП с фиксированной длиной (разрядностью) слова и определенной системой команд; многокристальные (секционные) МП с наращиваемой разрядностью слова и микропрограммным управлением (они состоят из двух БИС и более).

В последнее время появились однокристальные МП с микропрограммным управлением.

Архитектура многокристального МП с микропрограммным управлением позволяет достичь гибкости в его применении и сравнительно простыми средствами организовать параллельное выполнение отдельных машинных операций, что повышает производительность ЭВМ на таких МП.

Несмотря на то, что возможности многокристальных МП существенно выше, чем у однокристальных, многие прикладные задачи успешно решаются на основе однокристального микропроцессора.

Описание структурной схемы микропроцессора.

В состав МП (рис. 1) входят арифметическо-логическое устройство, устройство управление и блок внутренних регистров.

Арифметическо-логическое устройство состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, сдвигающего регистры и регистров для временного хранения операндов. Обычно это устройство выполняет по командам несколько простейших операций: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2.

Устройство управления управляет работой АЛУ и внутренних регистров в процессе выполнения команды. Согласно коду операций, содержащемуся в команде, оно формирует внутренние сигналы управления блоками МП. Адресная часть команды совместно с сигналами управления используется для считывания данных из определенной ячейке памяти или для записи данных в ячейку. По сигналам УУ осуществляется выборка каждой новой, очередной команды.

Блок внутренних регистров БВР, расширяющий возможности АЛУ, служит внутренней памятью МП и используется для временного хранения данных и команд. Он также выполняет некоторые процедуры обработки информации.

На рисунке (2) приведена более подробная структурная схема однокристального МП. Здесь блок внутренних регистров содержит регистры общего назначения и специальные регистры: регистр-аккумулятор, буферный регистр адреса, буферный регистр данных, счетчик команд, стека, признаков.

Регистры общего назначения (РОН), число которых может изменятся от 4 до 64, определяют вычислительные возможности МП. Их функция – хранение операндов. Но могут выполнять также и роль регистров. Все РОН доступны программисту, который рассматривает их как сверхоперативное запоминающее устройство.

Регистр – аккумулятор (“накопитель”), предназначен для временного хранения операнда или промежуточного результата действий производимой в АЛУ. Разрядность регистра равна разрядности информационного слова.

Буферный регистр адреса служит для приема и хранения адресной части выполняемой команды. Возможное количество адресов, определяется разрядностью регистра.

Буферный регистр данных используется для временного хранения выбранного из памяти слова перед передачей его во внешнюю шину данных. Его разрядность определяется количеством байт информационного слова.

Счетчик команд содержит адрес ячейки памяти, в которой помещены байты выполняемой команды.

Регистр команд принимает и хранит код очередной команды, адрес которой находится в счетчике команд. По сигналу УУ в него передается из регистра хранимая там информация.

Регистры стека делятся на стек и указатель стека. В МП стек – набор регистров, хранящих адреса команд возврата при обращении к подпрограммам или состояние внутренних регистров при обработке прерываний. Стек может быть выполнен не только на внутренних регистрах МП, составляя его часть, но и находиться в ОЗУ, занимая там отведенную для него зону. В последнем случае для обращения к нему необходим специальный регистр – указатель стека.

Указатель стека хранит адреса последней занятой ячейки стека, которую называют вершиной. Содержащее в указателе число указывает, где находится вершина стека. Когда в стек записывается очередное слово, то число в указателе стека соответственно увеличивается. Извлечение слова из стека сопровождается, наоборот, уменьшением числа, заполняющего указатель стека. Кроме такой процедуры предусматривается возможность считывания без разрушений содержимого любой ячейки стека при неизменном числе, хранимом в указателе стека.

Регистр признаков представляет собой набор триггеров – флажков. В зависимости от результатов операций, выполняемых АЛУ, каждый триггер устанавливается в состояние 0 или 1. Флажковые биты, определяющие содержимое регистра, индицируют условные признаки: нулевого результата, знака результата, перевыполнения и т. п. Эта информация, характеризующая состояние процессора, важна для выбора дальнейшего пути вычислений.

Рассмотрим более подробно основные части микропроцессора (рис. 2).

Внутренняя шина данных соединяет собой основные части МП.

Шиной называют группу линий передачи информации, объединенных общим функциональным признаком. В микропроцессорной схеме используется три вида шин: данных, адресов и управления.

Разрядность внутренней шины данных т. е. количество передаваемых по ней одновременно (параллельно) битов числа соответствует разрядности слов, которыми оперирует МП. Очевидно, что разрядность внутренней и внешней шин данных должна быть одной и той же. У восьмиразрядного МП внутренняя шина данных состоит из восьми линий, по которым можно передавать последовательно восьмиразрядные слова – байты. Следует иметь в виду, что по шине данных передаются на только обрабатываемые АЛУ слова, но и командная информация. Следовательно, недостаточно высокая разрядность шины данных может ограничить состав (сложность) команд и их число. Поэтому разрядность шины данных относят к важным характеристикам микропроцессора – она в большей мере определяет его структуру (числа разрядов указаны на рисунке в скобках рядом с названиями блоков).

Шина данных МП работает в режиме двунаправленной передачи, т. е. по ней можно передавать слова в обоих направлениях, но не одновременно. В этом случае требуется применение специальных буферных схем и мультиплексного режима обмена данных между МП и внешней памятью. Мультиплексный режим (от английского слова multiple – многократный, множественный), иногда называемый многоточечным, - режим одновременного использования канала передачи большим числом абонентов с разделением во времени средств управления обменом.