Структурно-функциональные особенности микропроцессоров

ЗАДАНИЕ

Изучить теоретическую часть

— Ответить на поставленные вопросы

Теоретическая часть

Принцип микропрограммного управления

Функции выполнения операций над информацией в цифровых системах (устройствах) возлагаются на процессор. Построение процессоров базируется на принципе микропрограммного управления, согласно которому:

= любая операция над словами информации (двоичными кодами), реализуемая процессором, рассматривается как сложное действие, которое разделяется на последовательность элементарных действий, называемых микрооперациями;

= для управления порядком следования микроопераций используются логические условия, которые отражают состояние процессора после выполняемых микроопераций в виде логического 0 или 1;

= процесс выполнения операций в процессоре описывается в форме алгоритма, представленного в терминах микроопераций и логических условий, и называется микропрограммой;

= микропрограмма используется как форма представления функции процессора, на основе которой определяются его структура и порядок функционирования во времени.

Структурно-функциональные особенности микропроцессоров

В структурно-функциональном отношении процессор разделяется на две части: операционный и управляющий автоматы (рис. 15.1.1).

Операционный автомат предназначен:

= для хранения множества входных (D), выходных (R) и внутренних (S) слов;

= для выполнения набора микроопераций для получения результата R;

= для формирования множества осведомительных сигналов X, каждый из которых отождествляется с определенным логическим условием.

Микрооперации, реализуемые операционным автоматом, инициируются множеством управляющих сигналов Y={у,, …,yn}, каждый из которых соответствует определенной микрооперации.

Структурно-функциональные особенности микропроцессоров

Операционный автомат можно представить в виде трех функциональных модулей (рис. 15.1.2): памяти, комбинационной схемы, реализующей микрооперации, и комбинационной схемы, вычисляющей значения логических условий.

Управляющий автомат генерирует последовательность управляющих сигналов из множества Y, предписанную микропрограммой и соответствующую значениям логических условий X. При выполнении процессором пакета микропрограмм на его входы последовательно подаются коды операций, которые соответствуют той или иной микропрограмме. На входы процессора могут поступать внешние сигналы логических условий, а с выходов сниматься сигналы для управления внешними устройствами.

Структура управляющего автомата во многом зависит от принципа его построения. В управляющих автоматах, построенных по принципу схемной логики, необходимая последовательность управляющих сигналов У вырабатывается с помощью определенным образом соединенных логических элементов (обычно в виде интегральных микросхем с малой и средней степенью интеграции). При использовании принципа программируемой логики управляющие сигналы ? вырабатываются на основе микропрограммы, хранимой в постоянных запоминающих устройствах или программируемых логических матрицах.

Операционный и управляющий автоматы могут быть заданы своими функциями или перечнем выполняемых ими действий, на основании которых строятся схемы автоматов.

Для построения схем операционных и управляющих автоматов должны быть заданы их функции в виде перечня выполняемых действий. Функции операционного автомата заданы, если определены множества D, R, S, Y, X. Функции управляющего автомата задаются операторной схемой алгоритма (микропрограммой) с использованием множеств Y, X. Это может быть граф-схема алгоритма, которая устанавливает порядок проверки логических условий (X) и порядок следования управляющих сигналов (Y).

Рассмотренная выше структура в виде операционного и управляющего автоматов дает наглядное представление о принципах построения и функционирования специализированного процессора, предназначенного для умножения двоичных чисел (см. ЛР №2).

В отличие от специализированных процессоров универсальные процессоры включают в себя большое число различных цифровых узлов и каналов для обмена информацией между ними и поэтому обладают широкими функциональными возможностями. Микропроцессором называют универсальный процессор, построенный на одной или нескольких интегральных микросхемах.

На микропроцессор возлагается выполнение следующих основных функций:

= выборка команд из внешней памяти, их дешифрация и выполнение;

= прием данных из внешней памяти, выполнение над ними арифметических, логических и других операций, определяемых кодом команды, и передача обработанных данных во внешние устройства или память;

= генерирование сигналов состояния, управления и времени, необходимых для нормальной работы внешних устройств и памяти;

= реагирование на внешние сигналы от внешних устройств и обслуживание их запросов.

Основу операционного автомата микропроцессоров составляет арифметическо-логическое устройство (АЛУ), которое в большинстве случаев:

= состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, регистров для временного хранения операндов и регистра-сдвигателя, комбинационных схем для выработки логических условий и работы с десятичной арифметикой;

= выполняет операции арифметического сложения и вычитания, пересылки, логического И и ИЛИ, инверсии, сложения по модулю 2, сдвига и др.

Управляющий автомат, или устройство управления, в микропроцессорах строится на основе схемной или программируемой логики.

Кроме того, микропроцессоры содержат блок регистров, образующий их внутреннюю память.

Связь между всеми узлами и блоками микропроцессора осуществляется по многоразрядным шинам (магистралям). По функциональному назначению различают шину данных, шину адреса и шину управления. Внутренняя шина данных соединяет между собой АЛУ, устройство управления, блок регистров общего назначения, регистр адреса. Шина адреса предназначена для обращения к ячейкам внешней памяти и определяет их число. Например, 16-разрядная адресная шина позволяет прямо адресовать 216= 64К ячеек памяти, где К = 210= 1024. Двунаправленная шина управления обычно служит для передачи управляющих сигналов, признаков состояния процессора и периферийного оборудования. По ней передаются: синхронизирующие сигналы; сигналы обращения к памяти (чтение, запись); сигналы, информирующие микропроцессор о состоянии внешних устройств (готовность); сигналы запроса и разрешения прерывания от внешних устройств и микропроцессора.

Выделим и рассмотрим три типа микропроцессоров.

2.3. Микропроцессоры с фиксированным набором команд

Этот тип микропроцессоров программируется на языке микрокоманд. Для микропрограммирования необходим доступ к управляющей памяти, чтобы записать в нее набор требуемых микропрограмм. Для этого управляющая память должна быть выполнена

в виде отдельной микросхемы. Обычно в качестве управляющей памяти используют ПЗУ. Из-за большого числа выводов нельзя в одной микросхеме оставлять операционный автомат и блок микропрограммного управления, поэтому эти узлы также выполняют в виде отдельных микросхем. Микросхему операционного автомата такого микропроцессора строят на небольшое число разрядов (2, 4, 8) обрабатываемых данных и предусматривают возможность наращивания разрядности путем объединения соответствующего числа микросхем. Каждая микросхема операционного автомата называется микропроцессорной секцией. Микропроцессорная секция представляет собой усеченный, узкоформатный вариант микропроцессора. В ее состав обычно входят секционное АЛУ, блок регистров общего назначения (???), регистр-аккумулятор, регистр адреса, дешифратор микроопераций и другие функциональные узлы.

Для повышения быстродействия временное мультиплексирование шин данных не используется. Данные в микропроцессорную секцию поступают и снимаются через отдельные входные и выходные шины. Таким образом, минимальный набор для построения микропроцессора состоит из трех микросхем: микропроцессорной секции, блока микропрограммного управления и постоянной памяти микропрограмм. Такая модульная структура удобна для потребителя, так как позволяет записывать в постоянную память микропрограммы для выполнения специализированных команд и построить центральный процессорный элемент требуемой разрядности путем объединения нескольких микропроцессорных секций.

На рис. 15.5.1 приведена структурная схема центрального процессорного элемента, составленного из нескольких секций.

К недостаткам секционированных микропроцессоров следует отнести трудоемкость микропрограммирования и большое число используемых микросхем для построения центрального процессорного элемента, поэтому в настоящее время они находят весьма ограниченное применение.

Структурно-функциональные особенности микропроцессоров

Как работает микропроцессор


Похожие статьи.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями: