Микропроцессоры, история развития

Внешние устройства

Подключение внешних устройств к микропроцессору

В устройствах связи микропроцессорные системы чаще всего используются для управления устройствами, блоками или системами связи. При этом в качестве микропроцессорного устройства может выступать универсальный компьютер или группа компьютеров, объединенных локальной или глобальной сетью связи (для больших и дорогих систем связи, таких как автоматические телефонные станции или коммутационные центры сотовых систем связи), или специализированное микропроцессорное устройство, в качестве которого чаще всего выступает однокристальный микроконтроллер для дешевой и портативной аппаратуры.

Внешними устройствами называются любые устройства, которыми управляет, или которым передает информацию микропроцессор, или устройства, от которых он получает информацию. В качестве внешних устройств может выступать принтер или дисплей клавиатура или модем, но для устройств связи в качестве внешних устройств чаще выступают микросхемы приемников, передатчиков (в том числе построенные на базе сигнальных процессоров), синтезаторов частоты или электрически стираемые постоянные запоминающие устройства.

Согласование микросхем между собой не представляет трудностей, так как практически все современные микросхемы по входу и выходу согласованы с TTL уровнями. Если же это не так, то для согласования нестандартных уровней с TTL уровнями выпускаются специальные микросхемы. Несколько иначе обстоит дело с индикаторами и различными исполнительными устройствами.

В качестве простейшего индикатора рассмотрим светодиодный индикатор. Схема подключения такого индикатора показана на рисунке 1. Транзистор служит для увеличения тока параллельного порта, при помощи которого микропроцессор зажигает и гасит светодиодный индикатор. Кроме того, транзистор позволяет согласовать уровни напряжения, необходимые для работы цифровых микросхем, к которым относятся и микропроцессорные устройства и уровни напряжения, необходимые для работы светодиодного индикатора. Гальванической развязки транзисторный ключ не обеспечивает.

Рисунок 1. Подключение одиночного светодиодного индикатора

Простой светодиодный индикатор позволяет отображать двоичную информацию, такую как включено или выключено устройство, есть или нет сигнала и т.д. Для отображения цифровой информации используются семисегментные индикаторы. Подключение семисегментного светодиодного индикатора не отличается от схемы, приведенной на рисунке 1. Практически так же выглядят схемы индикаторов на газоразрядных лампах и лампах накаливания (для лампы накаливания не нужен токоограничивающий резистор).

Несколько сложнее выглядит схема подключения внешних исполнительных устройств с индуктивной нагрузкой (например реле или электромагнит):

Рисунок 2. Подключение внешнего устройства с индуктивной нагрузкой

Диод VD1 в этой схеме служит для ограничения напряжения импульсов самоиндукции, которые могут вывести из строя транзистор VT1.

При считывании информации из внешнего устройства возникают аналогичные проблемы. Источники дискретной информации могут иметь различную физическую природу. Они могут находиться на значительном расстоянии от контроллера, иметь различное напряжение питания, но их данные должны быть надежно введены в микропроцессор.

Для решения указанных проблем и реализации гальванической развязки датчиков и микропроцессорного устройства, все датчики с точки зрения схемы представляют собой контакты, работающие на замыкание. Поэтому схема подключения датчика и кнопки не различаются. Со стороны микропроцессорного устройства необходимо преобразовать замыкание/размыкание контактов в логические уровни, необходимые для правильной работы микропроцессорного устройства. Такая схема приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Подключение источника дискретной информации с гальванической развязкой.

Иногда требуется вводить информацию с большого количества кнопок. В этом случае для уменьшения количества линий ввода-вывода используется клавиатура. Для подключения клавиатуры используется два порта: порт ввода и порт вывода. Схема подключения клавиатуры приведена на рисунке 4.

Собственно говоря, схема подключения не отличается от предыдущей схемы. Принципиальное отличие состоит в том, что корпус на кнопки подается не непосредственно, а через порт вывода.

Рисунок 4. Подключение клавиатуры к микропроцессорному устройству.

В каждый момент времени к корпусу подключен только один столбец кнопок. Временные диаграммы напряжения на выводах порта вывода приведены на рисунке 5.

Рисунок 5. Временные диаграммы напряжения на выводах порта вывода.

Виды двоичных кодов

В микропроцессорах двоичные коды используются для представления любой обрабатываемой информации. При этом разрядность обрабатываемых чисел может превышать разрядность самого процессора и используемой в нём памяти. В этом случае длинное число может занимать несколько ячеек памяти и обрабатываться несколькими командами процессора. При обработке все ячейки памяти, выделенные под многобайтное число, рассматриваются как одно число.

Для представления числовой информации могут использоваться знаковые и беззнаковые коды. Для определённости примем длину слова процессора равной восьми битам.

Беззнаковые двоичные коды

Первый вид двоичных кодов, который мы рассмотрим - это целые беззнаковые коды. В этих кодах каждый двоичный разряд представляет собой степень цифры 2:

При этом минимально возможное число, которое можно записать таким двоичным кодом, равно 0. Максимально возможное число, которое можно записать таким двоичным кодом, можно определить как:

Этими двумя числами полностью можно определить диапазон, чисел которые можно представить таким двоичным кодом. В случае двоичного восьмиразрядного беззнакового целого числа диапазон будет: диапазон чисел, которые можно записать таким кодом: 0 .. 255. Для шестнадцатиразрядного кода этот 0 .. 65535. В восьмиразрядном процессоре для хранения такого числа используется две ячейки памяти, расположенные в соседних адресах. Для работы с такими числами используются специальные команды.

Второй вид двоичных кодов, который мы рассмотрим - это прямые целые знаковые коды. В этих кодах старший разряд в слове используется для представления знака числа. В прямом знаковом коде нулем обозначается знак '+', а единицей - знак '-'. В результате введения знакового разряда диапазон чисел смещается в сторону отрицательных чисел:

В случае двоичного восьмиразрядного знакового целого числа диапазон чисел, которые можно записать таким кодом: -127 .. +127. Для шестнадцатиразрядного кода этот диапазон будет: -32767 .. +32767. В восьмиразрядном процессоре для хранения такого числа тоже используется две ячейки памяти, расположенные в соседних адресах.

Недостатком такого кода является то, что знаковый разряд и цифровые разряды приходится обрабатывать раздельно. Алгоритм программ, работающий с такими кодами получается сложный. Для выделения и изменения знакового разряда приходится применять механизм маскирования разрядов, что резко увеличивает размер программы и уменьшает ее быстродействие. Для того, чтобы алгоритм обработки знакового и цифровых разрядов не различался, были введены обратные двоичные коды.

Знаковые обратные двоичные коды

Обратные двоичные коды отличаются от прямых только тем, что отрицательные числа в них получаются инвертированием всех разрядов числа. При этом знаковый и цифровые разряды не различаются. Алгоритм работы с такими кодами резко упрощается.

Тем не менее при работе с обратными кодами требуется специальный алгоритм распознавания знака, вычисления абсолютного значения числа, восстановления знака результата числа. Кроме того, в прямом и обратном коде числа для запоминания числа 0 используется два кода, тогда как известно, что число 0 положительное и отрицательным не может быть никогда.



Знаковые дополнительные двоичные коды

От перечисленных недостатков свободны дополнительные коды. Эти коды позволяют непосредственно суммировать положительные и отрицательные числа не анализируя знаковый разряд и при этом получать правильный результат. Все это становится возможным благодаря тому, что дополнительные числа являются естественным кольцом чисел, а не исскуственным образованием как прямые и обратные коды. Кроме того немаловажным является то, что вычислять дополнение в двоичном коде чрезвычайно легко. Для этого достаточно к обратному коду добавить 1:

Диапазон чисел, которые можно записать таким кодом: -128 .. +127. Для шестнадцатиразрядного кода этот диапазон будет: -32768 .. +32767. В восьмиразрядном процессоре для хранения такого числа используется две ячейки памяти, расположенные в соседних адресах.

В обратных и дополнительных кодах наблюдается интересный эффект, который называется эффект распространения знака. Он заключается в том, что при преобразовании однобайтного числа в двухбайтное достаточно всем битам старшего байта присвоить значение знакового бита младшего байта. То есть для хранения знака числа можно использовать сколько угодно старших бит. При этом значение кода совершенно не изменяется.

Использование для представления знака числа двух бит предоставляет интересную возможность контролировать переполнения при выполнении арифметических операций. Рассмотрим несколько примеров.

1) Просуммируем числа 12 и 5



В этом примере видно, что в результате суммирования получается правильный результат. Это можно проконтролировать по флагу переноса C, который совпадает со знаком результата (действует эффект распространения знака).

2) Просуммируем два отрицательных числа -12 и -5

В этом примере флаг переноса C тоже совпадает со знаком результата, то есть переполнения не произошло и в этом случае

3) Просуммируем положительное и отрицательное число -12 и +5

В этом примере при суммировании положительного и отрицательного числа автоматически получается правильный знак результата. В данном случае знак результата отрицательный. Флаг переноса совпадает со знаком результата, поэтому переполнения не было (мы можем убедиться в этом непосредственными вычислениями на бумаге или на калькуляторе).

4) Просуммируем положительное и отрицательное число +12 и -5

В данном примере знак результата положительный. Флаг переноса совпадает со знаком результата, поэтому переполнения не было и в этом случае.



5) Просуммируем числа 100 и 31

В этом примере видно, что в результате суммирования произошло переполнение восьмибитовой переменной, т.к. в результате операции над положительными числами получился отрицательный результат. Однако если рассмотреть флаг переноса, то он не совпадает со знаком результата. Эта ситуации является признаком переполнения результата и легко обнаруживается при помощи операции "исключающее ИЛИ" над старшим битом результата и флагом переноса C. Большинство процессоров осуществляют эту операцию аппаратно и помещают результат во флаг переполнения OV.

В этом примере результате операции над отрицательными числами в результате суммирования произошло переполнение восьмибитовой переменной, т.к. получился положительный результат. И в этом случае если рассмотреть флаг переноса C, то он не совпадает со знаком результата. Отличие от предыдущего случая только в комбинации этих бит. В примере 5 говорят о переполнении результата (комбинация 01), а в примере 6 об антипереполнении результата (комбинация 10).

Представление дробных чисел в двоичном коде с фиксированной запятой.

Кроме целых чисел часто требуется работать с дробными числами. Следующий вид двоичных кодов, который мы рассмотрим - это дробные коды. Как и в случае целых чисел, дробные числа могут быть беззнаковые и знаковые. Для записи знаковых чисел могут быть использованы прямые, обратные и дополнительные коды. Принцип их построения точно такой же, как и в случае целых чисел.

Рассмотрим, как можно записать дробное число. До сих пор мы предполагали, что двоичная запятая находится правее самого младшего разряда. Но кто сказал, что она должна всегда находиться в этом месте? Мы можем договориться, что запятая находится слева от самого старшего разряда, и тогда в такой переменной можно будет записывать только дробные числа:

Или договоримся, что она находится точно посередине переменной, и тогда мы сможем записывать смешанные числа:

Остальные случаи рассматривать не будем. Они строятся точно так же как и для целых чисел.

Представление чисел в двоичном коде с плавающей запятой

Часто приходится обрабатывать очень большие числа (например, расстояние между звёздами) или наоборот очень маленькие числа (например, размеры атомов или электронов). При таких вычислениях пришлось бы использовать числа с очень большой разрядностью. В то же время нам не нужно знать расстояние между звёздами с точностью до миллиметра. Для вычислений с такими величинами числа с фиксированной запятой неэффективны.

В десятичной арифметике для записи таких чисел используется алгебраическая форма. При этом число записывается в виде мантиссы, умноженной на 10 в степени, отображающей порядок числа, Например:

0,2*105; 0,16*10-38

Для записи двоичных чисел тоже используется такая форма записи. Эта форма записи называется запись числа с плавающей точкой. Напомним, что мантисса не может быть больше единицы и после запятой в мантиссе не может записываться ноль.

А теперь рассмотрим промышленные стандарты, используемые для представления чисел в компьютерах. Существует стандарт IEEE 754 для представления чисел с одинарной точностью (float) и с двойной точностью (double). Для записи числа в формате с плавающей запятой одинарной точности требуется тридцатидвухбитовое слово. Для записи чисел с двойной точностью требуется шестидесятичетырёхбитовое слово. Чаще всего числа хранятся в нескольких соседних ячейках памяти процессора. Форматы числа в формате с плавающей запятой одинарной точности и числа в формате с плавающей запятой удвоенной точности приведены на рисунке

На рисунке буквой S обозначен знак числа, 0 - это положительное число, 1 - отрицательное число. e обозначает смещённый порядок числа. Смещение требуется, чтобы не вводить в число еще один знак. Смещённый порядок всегда положительное число. Для одинарной точности для порядка выделено восемь бит. Для смещённого порядка двойной точности отводится 11 бит. Для одинарной точности смещение принято 127, а для двойной точности - 1023. В десятичной мантиссе после запятой могут присутствовать цифры 1:9, а в двоичной - только 1. Поэтому для хранения единицы после двоичной запятой не выделяется отдельный бит в числе с плавающей запятой. Единица подразумевается, как и двоичная запятая. Кроме того, в формате чисел с плавающей запятой принято, что мантисса всегда больше 1. То есть диапазон значений мантиссы лежит в диапазоне от 1 до 2.

Рассмотрим несколько примеров:

1) Определить число с плавающей запятой, лежащее в четырёх соседних байтах:

11000001 01001000 00000000 00000000

- Знаковый бит, равный 1 показывает, что число отрицательное.

- Экспонента 10000010 в десятичном виде соответствует числу 130. Вычтя число 127 из 130, получим число 3.

- Теперь запишем мантиссу: 1,100 1000 0000 0000 0000 0000

- И, наконец, определим десятичное число: 1100,1b = 12,5d

2) Определить число с плавающей запятой, лежащее в четырёх соседних байтах:

11000011 00110100 00000000 00000000

- Знаковый бит, равный 1 показывает, что число отрицательное.

- Экспонента 10000110 в десятичном виде соответствует числу 134. Вычтя число 127 из 134, получим число 7.

- Теперь запишем мантиссу: 1,011 0100 0000 0000 0000 0000

- И, наконец, определим десятичное число: 10110100b=180d

Для того чтобы записать ноль, достаточно записать в смещенный порядок число 00000000b. Значение мантиссы при этом не имеет значения. Число, в котором все байты равны 0, тоже попадает в этот диапазон значений.

Бесконечность соответствует смещенному порядку 11111111b и мантиссе, равной 1,0. При этом существует минус бесконечность и плюс бесконечность (переполнение и антипереполнение), которые часто отображаются на экран монитора как +INF и -INF.

Все остальные комбинации битов (в том числе и все единицы) воспринимаются как не числа и отображаются на экран: NaN.

Запись десятичных чисел

Иногда бывает удобно хранить числа в памяти процессора в десятичном виде (Например, для вывода на экран дисплея). Для записи таких чисел используются двоично-десятичные коды. Для записи одного десятичного разряда используется четыре двоичных бита. Эти четыре бита называются тетрадой. Иногда встречается название, пришедшее из англоязычной литературы: нибл. При помощи четырех бит можно закодировать шестнадцать цифр. Лишние комбинации в двоично-десятичном коде являются запрещенными. Таблица соответствия двоично-десятичного кода и десятичных цифр приведена ниже:

Остальные комбинации двоичного кода в тетраде являются запрещенными. Запишем пример двоично-десятичного кода:

1258 = 0001 0010 0101 1000

589 = 0000 0101 1000 1001

Достаточно часто в памяти процессора для хранения одной десятичной цифры выделяется одна ячейка памяти (восьми, шестнадцати или тридцатидвухразрядная). Это делается для повышения скорости работы программы. Для того, чтобы отличить такой способ записи двоично-десятичного числа от стандартного, способ записи десятичного числа, как это показано в примере, называется упакованной формой двоично-десятичного числа. Запишем те же числа, что и в предыдущем примере в неупакованном двоично-десятичном коде для восьмиразрядного процессора:

1258 =00000001

00000010

00000101

00001000

589 = 00000000

00000101

00001000

00001001

Суммирование двоично-десятичных чисел

Суммирование двоично-десяичных чисел можно производить по правилам обычной двоичной арифметики, а затем производить двоично-десятичную коррекцию. Двоично-десятичная коррекция заключается в проверке каждой тетрады на допустимые коды. Если в какой либо тетраде обнаруживается запрещенная комбинация , то это говорит о переполнении. В этом случае необходимо произвести двоично-десятичную коррекцию. Двоично-десятичная коррекция заключается в дополнительном суммировании числа шесть (число запрещенных комбинаций) с тетрадой, в которой произошло переполнение или произошёл перенос в старшую тетраду. Приведём два примера:

Запись текстов в памяти процессора

Все символы и буквы могут быть закодированы при помощи восьми двоичных символов. Наиболее распространенными таблицами являются таблицы ASCII с национальными расширениями, применяющиеся в DOS (и которые можно использовать для записи текстов в микропроцессорах), и таблицы ANSI, применяющиеся в WINDOWS. В таблицах ASCII и ANSI первые 128 символов совпадают. В этой части таблицы содержатся символы цифр, знаков препинания, латинские буквы верхнего и нижнего регистров и управляющие символы. Национальные расширения символьных таблиц и символы псевдографики содержатся в последних 128 кодах этих таблиц, поэтому русские тексты в операционных системах DOS и WINDOWS не совпадают.

Арифметико-логические устройства

Вернуться к оглавлению

Ранее были рассмотрены схемы, осуществляющие суммирование многоразрядных кодов. Однако кроме суммирования часто требуется осуществлять не только суммирование, но и вычитание двоичных кодов. Двоичные коды, при помощи которых можно записывать отрицательные числа уже рассматривались в предыдущих лекциях. Там же было показано, что при использовании дополнительных кодов операцию вычитания двух положительных чисел можно заменить операцией суммирования положительного и отрицательного числа, при этом получение отрицательного числа из положительного числа является элементарной операцией. Для этого необходимо проинвертировать число и прибавить к нему 1.

Рисунок 6. Схема вычитателя числа A из числа B.

Рисунок 7. Схема вычитателя числа B из числа A.

Если же потребуется в процессе вычислений изменять арифметическую операцию, то в схему можно ввести коммутатор.



Рисунок 8. Структурная схема арифметического устройства

В приведённой на рисунке 8 схеме используются четырёхвходовые коммутаторы, для управления каждым из которых достаточно двух бит. То есть для управления всей схемы в целом достаточно четырёх проводов управления. Попытаемся построить таблицу операций, которые будет выполнять эта схема. На результат операции будет влиять вход переноса сумматора PI, поэтому этот провод тоже включим в состав кода, управляющего схемой. Операции, которые выполняются арифметической схемой в зависимости от поданного на управляющие линии кода, приведены в таблице 1.

Проанализируем эту таблицу. Если на все управляющие входы подать низкий потенциал, то к входу сумматора будут подключены коды A и B без инверсии. В этом случае будет производиться операция суммирования. Эта ситуация отображена первыми двумя строками таблицы выполняемых операций. Операция вычитания осуществляется второй, третьей, восьмой и девятой строкой. В этом случае один из операндов поступает на вход сумматора через блок инверторов. Правда для получения дополнительного кода не хватает единицы, но её можно подать на вход переноса сумматора PI. Ещё одной часто используемой операцией является увеличение числа на единицу или уменьшение числа на единицу. Эти операции позволяют легко организовывать циклы в программе и переходить от предыдущего операнда к следующему. Такие операции могут быть выполнены при помощи кодов, записанных в строках четыре, семь, шестнадцать и двадцать пять. Кроме того, схема арифметического устройства может просто передавать на выход любой из входных кодов без изменения, что позволяет осуществлять копирование данных (суммирование с константой ноль) через это устройство без дополнительных схем коммутации.

При небольшом изменении схемы такое устройство может быть преобразовано в схему, которая позволяет осуществлять не только арифметические, но и логические операции. Для этого нужно вести дополнительный коммутатор, который будет разрывать цепи переноса между разрядами. Эта управляющая цепь обычно называется M.

Подчеркнём основную особенность полученного устройства. Арифметико-логические устройства позволяют выбирать вид выполняемой операции при помощи кода, подаваемого на специальные ножки микросхемы. Это позволяет программировать одно и то же устройство для выполнения различных функций. Разработка такого устройства позволило обменивать большую скорость выполнения отдельных операций на сложность реализуемого алгоритма, что, в конце концов, привело к разработке микропроцессорных систем. Развитие этих систем изменило окружающий нас мир.

Команды микропроцессора

Команды микропроцессора в отличие от микрокоманд разрабатываются независимо от аппаратуры микросхемы, поэтому их разрядность обычно совпадает с разрядностью микропроцессора. Команда микропроцессора состоит из инструкции и обозначается код операции КОП (или INS в англоязычной литературе). Команда микропроцессора может состоять только из кода операции, когда не требуется указывать адрес операнда (операнды это данные, над которыми команда производит какое либо действие), или может состоять из кода операции и адресов операндов или данных. Форматы команд очень сильно зависит от структуры процессора. Рассмотрим построение команд для восьмиразрядного процессора, построенного по структуре Фон-Неймана. Примеры построения команд для такого процессора приведены на рисунке 9.

Рисунок 9. Форматы различных команд микропроцессора.

Если для кода операции используется восьмибитное слово (байт), то при помощи этого слова можно закодировать 256 операций. В процессе разработки системы команд для операции может быть назначен любой код. Именно системой команд и определяется конкретное семейство процессоров. Однобайтовые команды позволяют работать с внутренними программно доступными регистрами процессора.

Для выполнения одной и той же операции над разными регистрами процессора назначаются разные коды. Запоминать эти коды очень утомительно для человека. При программировании в машинных кодах легко совершить ошибку и очень трудно найти её, особенно если коды различаются только на один бит. Для сокращения объёма записи вместо двоичного можно воспользоваться шестнадцатиричным кодом, однако это не увеличивает наглядности программы. Фрагмент исполняемого кода микропроцессора приведён на рисунке 10.

Рисунок 10. Фрагмент исполняемого кода микропроцессора.

Ну как? Очень понятно?

Чтобы уменьшить объём запоминаемой информации и увеличить наглядность исходного текста программы, каждой операции процессора придумывают мнемоническое обозначение. В качестве мнемонического обозначения операции обычно используют сокращения английских слов, обозначающих эту операцию. Например, для операции копирования используется мнемоническое обозначение MOV; для операции суммирования используется мнемоническое обозначение ADD; для операции вычитания используется мнемоническое обозначение SUB; для операции умножения используется мнемоническое обозначение MUL и т.д.

Для полного обозначения команды используется мнемоническое обозначение операции и используемые ею операнды, которые перечисляются через запятую. При этом в большинстве процессоров операнд приёмник информации записывается первым, а операнд источник информации вторым. Например:

MOV R0, A ;Скопировать содержимое регистра A в регистр R0

ADD A, R5 ;Просуммировать содержимое регистров R5 и A, результат поместить в регистр A

Приведённые выше команды - это однобайтовые команды, так как в них используются только внутренние регистры процессора. Если в команде используется константа в качестве операнда или указывается адрес операнда в системной памяти, то команда будет занимать в системной памяти два или три байта. Например:

MOV A, 1025; Скопировать содержимое 1025 ячейки памяти в регистр A

ADD A, #110; Просуммировать содержимое регистра A с числом 110

Несмотря на то, что общий объём исходного текста программы увеличивается, скорость написания и особенно отладки программ в таком виде возрастает. Теперь вместо одного текста программы в памяти компьютера или на бумаге придется хранить два текста: один для человека, который в дальнейшем будем называть исходным текстом программы; другой для микропроцессора, который в дальнейшем будем называть загрузочным модулем.

Преобразование программы, записанной в мнемоническом виде, в машинные коды является рутинной работой, которую можно поручить компьютерной программе. Язык программирования в котором для обозначения машинных команд используются мнемонические обозначения называется ассемблером. Точно так же называют и программу или пакет программ, которая осуществляет трансляцию (преобразование) исходного текста программы (исходный модуль) в машинные коды (загрузочный модуль).

Принципы работы микропроцессора

В настоящее время наметилось два направления развития микропроцессоров:

RISC процессоры (процессоры с сокращённым набором команд)

CISC процессоры (процессоры с полным набором команд)

В процессорах с полным набором команд используется уровень микропрограммирования для того, чтобы декодировать и выполнить команду микропроцессора. В этих процессорах формат команды не зависит от аппаратуры процессора. На одной и той же аппаратуре при смене микропрограммы могут быть реализованы различные микропроцессоры. С другой стороны смена аппаратуры никак не влияет на программное обеспечение микропроцессора. С точки зрения пользователя у микропроцессора только увеличивается производительность, снижается потребление энергии, уменьшаются габариты устройств. Неявным недостатком таких процессоров является то, что производители микросхем стараются увеличить количество команд, которые может выполнять микропроцессор, тем самым увеличивая сложность микропрограммы и замедляя выполнение каждой команды в целом.

В процессорах с сокращённым набором команд декодирование и исполнение команды производится аппаратурно, поэтому количество команд ограниченно минимальным набором. В этих процессорах команда и микрокоманда совпадают. Преимуществом этого типа процессоров является то, что команда может быть в принципе выполнена за один такт (не требуется выполнение микропрограммы), однако для выполнения тех же действий, которые выполняет команда CISC процессора, требуется выполнение целой программы.

В большинстве случаев быстродействие RISC процессоров выше чем CISC процессоров, однако при выборе процессора нужно учитывать все параметры в целом, т.к. тактовая частота может оказаться значительно ниже по сравнению с CISC процессором (особенно если в нём применяются специальные меры по повышению производительности), разрядность команды может оказаться выше чем у CISC процессора (что чаще всего и бывает). В результате общий объём исполняемой программы для RISC процессора превысит объём подобной программы для CISC процессора.

В качестве примера рассмотрим устройство процессора с полным набором команд. Здесь будет рассматриваться упрощённая модель процессора для облегчения понимания работы. CISC микропроцессор состоит из двух частей:

Блок обработки сигналов;

Блок микропрограммного управления.

Блок обработки сигналов микропроцессора.

Основным принципом работы любого цифрового устройства с памятью, в том числе и микропроцессора, является наличие цепи синхронизации. Этот сигнал, как и цепь питания, подводится к любому регистру цифрового устройства.

Блок обработки сигналов предназначен для считывания команд из системной памяти и выполнения считанных команд. Эти действия он осуществляет под управлением блока микропрограммного управления, который формирует последовательность микрокоманд, необходимую для выполнения команды. Схема одного из вариантов построения блока обработки сигналов приведена на рисунке 11.

Рисунок 11. Блок обработки сигналов

В этой схеме явно просматривается, что отдельные биты микрокоманды (показанной внизу схемы) управляют различными блоками БОС, поэтому их можно рассматривать независимо друг от друга. Такие группы бит называются полями микрокоманды и составляют формат этой микрокоманды. Кроме бит, управляющих блоком обработки сигналов есть биты, управляющие блоком микропрограммного управления. Формат микрокоманды рассматриваемого процессора приведён на рисунке 3. Результат выполнения микрокоманды записывается по сигналу общей синхронизации CLK.

Для хранения и декодирования выполняемой команды выделим восьмиразрядный регистр, который назовём RI.

Для реализации более простой системы команд выберем аккумуляторный процессор. Соответственно необходимо один из регистров выделить в качестве аккумулятора ACC.

Так как мы выбрали для примера восьмиразрядный микропроцессор, то и все регистры в этом процессоре восьмиразрядные. Максимальное число, которое можно записать в такой регистр - 255, но для большинства программ такого объёма памяти недостаточно. В приведённой на рисунке 1 схеме для того, чтобы получить 16-ти разрядный адрес используется два 8-ми разрядных регистра адреса. Теперь максимальное число, которое можно записать в этих двух регистрах будет 65535, что вполне достаточно для записи программ и обрабатываемых ими данных. Для того, чтобы различать регистр старшего и младшего байта адреса обозначим их как PCH - старший байт и PCL- младший байт. Это позволяет при помощи восьмиразрядного АЛУ формировать 16-ти разрядный адрес.

Программный счётчик хранит текущее значение ячейки памяти из которой считывается команда, но процессор может обращаться и к данным, поэтому для формирования адреса выделим ещё пару регистров RAH - старший байт и RAL - младший байт. Выходы этих регистров выведем за пределы микросхемы и будем использовать в качестве шестнадцатиразрядной шины адреса.

Ещё один регистр используется для формирования сигналов управления системной шины микропроцессора. В простейшем случае это сигналы записи (WR) и чтения (RD). Для формирования необходимых сигналов достаточно записывать в определённый бит регистра логический 0 или 1. Определим формат регистра управления. Пусть нулевой бит этого регистра будет сигналом записи, а первый бит этого регистра будет сигналом чтения. Остальные биты этого регистра пока не важны..

Блок микропрограммного управления

Блок микропрограммного управления предназначен для формирования последовательности блока обработки сигналов. В простейшем случае его можно построить на счетчике с возможностью предзаписи и ПЗУ. Схема такого блока приведена на рисунке 12.

Рисунок 12. Блок микропрограммного управления.

В этой схеме адрес очередной микрокоманды формирует двоичный счётчик. Если требуется осуществить безусловный или условный переход, то новый адрес записывается из ПЗУ в этот счётчик как в обычный параллельный регистр по сигналу параллельной записи V. Переход к следующему адресу микрокоманды производится по сигналу общей синхронизации CLK.



Рисунок 13. Формат микрокоманды процессора

Системная шина процессора

Системная шина процессора предназначена для обмена информацией микропроцессора с любыми внутренними устройствами микропроцессорной системы (контроллера или компьютера). В качестве обязательных устройств, которые входят в состав любой микропроцессорной системы, можно назвать ОЗУ, ПЗУ, таймер и порты ввода-вывода. Структурная схема простейшего микропроцессорного устройства приведена на рисунке 14.

В состав системной шины в зависимости от типа процессора входит одна или несколько шин адреса, одна или несколько шин данных и шина управления. Несколько шин данных и адреса применяется для увеличения производительности процессора и используется только в сигнальных процессорах. В универсальных процессорах и контроллерах обычно применяется одна шина адреса и одна шина данных.

В понятие шины вкладывают разное значение при рассмотрении различных вопросов. В простейшем случае под понятием шина подразумевают параллельно проложенные провода, по которым передаётся двоичная информация. При этом по каждому проводу передаётся отдельный двоичный разряд. Информация может передаваться в одном направлении, как, например, для шины адреса или шины управления, или в различных направлениях (для шины данных). По шине данных информация передаётся либо к процессору, либо от процессора в зависимости от операции записи или чтения, которую в данный момент осуществляет процессор.

В любом случае все сигналы, необходимые для работы системной шины формируются микросхемой процессора как это рассматривалось при изучении блока обработки данных. Иногда для увеличения скорости обработки информации функции управления системной шины берёт на себя отдельная микросхема (например контроллер прямого доступа к памяти или сопроцессор). Арбитраж доступа к системной шине при этом осуществляет контроллер системной шины (в простейшем случае достаточно сигнала занятости шины).

В некоторых случаях в понятие шина дополнительно включают требования по уровням напряжения, которыми представляются нули и единицы, передаваемые по её проводам. В состав требований могут быть включены длительности фронтов передаваемых сигналов, типы используемых разъёмов и их распайка, последовательность передаваемых сигналов и скорость их передачи.

Рисунок 14. Структурная схема подключения микропроцессорных устройств к системной шине

При подключении различных устройств к системной шине возникает вопрос - как различать эти устройства между собой? Единственный способ сделать это использовать индивидуальный адрес для каждого устройства, подключенного к системной шине микропроцессора. Так как адресация производится к каждой ячейке устройства индивидуально, то возникает понятие адресного пространства, занимаемого каждым устройством и адресного пространства микропроцессорного устройства в целом.



Адресное пространство микропроцессорного устройства

Адресное пространство микропроцессорного устройства изображается графически прямоугольником, одна из сторон которого представляет разрядность адресуемой ячейки этого микропроцессора, а другая сторона - весь диапазон доступных адресов для этого же микропроцессора. Обычно в качестве минимально адресуемой ячейки памяти выбирается восьмиразрядная ячейка памяти (байт). Диапазон доступных адресов микропроцессора определяется разрядностью шины адреса системной шины. При этом минимальный номер ячейки памяти (адрес) будет равен 0, а максимальный определяется из формулы:

Для шестнадцатиразрядной шины это будет число 65535 (64K). Адресное пространство этой шины и распределение памяти микропроцессорной системы, изображённой на рисунке 1, приведено на рисунке 15, а распределение памяти микропроцессорной системы, изображённой на рисунке 14, приведено на рисунке 16.

Рисунок 15. Адресное пространство шестнадцатиразрядной шины адреса



Рисунок 16. Распределение памяти микропроцессора с шестнадцатиразрядной шиной адреса

Микропроцессоры после включения питания и выполнения процедуры сброса всегда начинают выполнение программы с определённого адреса, чаще всего нулевого. Однако есть и исключения. Например процессоры, на основе которых строятся универсальные компьютеры IBM PC или Macintosh стартуют не с нулевого адреса. Программа должна храниться в памяти, которая не стирается при выключении питания, то есть в ПЗУ.

Выберем для построения микропроцессорной системы микросхему ПЗУ объёмом 2 килобайта, как это показано на рисунке 14. При рассмотрении построения блока обработки сигналов мы договорились, что процессор после сброса начинает работу с нулевого адреса, поэтому разместим ПЗУ в адресном пространстве начиная с нулевого адреса. Для того, чтобы нулевая ячейка ПЗУ оказались расположенной по нулевому адресу адресного пространства микропроцессора, старшие разряды шины адреса должны быть равны 0.

При построении схемы необходимо декодировать старшие пять разрядов адреса (определить, чтобы они были равны 0). Это выполняется при помощи дешифратора адреса, который в данном случае вырождается в пятивходовую схему "ИЛИ-НЕ" Это связано с тем, что внутри ПЗУ уже есть одиннадцативходовый дешифратор адреса. При использовании дешифратора адреса, обращение к ячейкам памяти выше двух килобайт не приведёт к чтению ячеек ПЗУ, так как на входе выбора кристалла CS уровень напряжения останется высоким.

Теперь подключим микросхему ОЗУ. Для примера выберем микросхему объёмом 8 Кбайт. Для выбора любой из ячеек этой микросхемы достаточно тринадцатибитового адреса, поэтому необходимо дополнительно декодировать три оставшихся разряда адреса. Так как начальные ячейки памяти адресного пространства уже заняты ПЗУ, то использовать нельзя. Выберем следующую комбинацию цифр 001 и используем известные нам принципы построения схемы по произвольной таблице истинности. Дешифратор адреса выродится в данном случае в трёхвходовую схему "И-НЕ" с двумя инверторами на входе. Схема этого дешифратора приведена на рисунке 14. Приведённый дешифратор адреса обеспечивает нулевой уровень сигнала на входе CS только при комбинации старших бит 000. Обратите внимание, что так как объём ПЗУ меньше объёма ОЗУ, то между областью адресов ПЗУ и областью адресов ОЗУ образовалось пустое пространство неиспользуемых адресов памяти.

И, наконец, так как все микропроцессоры предназначены для обработки данных, поступающих извне, то в любой микропроцессорной системе должны присутствовать порты ввода-вывода. Порт ввода-вывода отображается в адресное пространство микропроцессорного устройства как одиночная ячейка памяти, поэтому порт ввода вывода можно разместить по любому свободному адресу. Проще всего построить дешифратор числа FFFFh. В этом случае дешифратор превращается в обычную 16-ти входовую схему "И-НЕ", поэтому и выберем эту ячейку памяти в адресном пространстве микропроцессора для размещения порта ввода-вывода.

Способы расширения адресного пространства микропроцессора

Известно, что размер адресного пространства определяется разрядностью счётчика команд микропроцессора. Достаточно часто при развитии микропроцессорной системы возможности адресного пространства исчерпываются. В таком случае приходится прибегать к методам расширения адресного пространства.

Для расширения адресного пространства можно воспользоваться параллельным портом. Внешние выводы параллельного порта при этом используются в качестве старших битов адресной шины. Такой метод расширения адресного пространства называется страничным методом адресации. Регистр данных параллельного порта при использовании его для расширения адресного пространства будет называться переключателем страниц. Схема использования параллельного порта в качестве переключателя страниц памяти приведена на рисунке 17.

Рисунок 17. Использование параллельного порта в качестве переключателя страниц памяти

В этой схеме параллельный порт используется в качестве простейшего контроллера памяти микропроцессорного устройства. При применении восьмиразрядного параллельного порта в микропроцессорной системе появились дополнительные восемь линий адреса. В результате адресное пространство микропроцессорной системы увеличилось до 16 Мегабайт. Структура нового адресного пространства приведена на рисунке 18, а принцип формирования нового адреса с использованием переключателя страниц приведён на рисунке 19.



Рисунок 18. Структура страничного адресного пространства.

Рисунок 19. Формирование адреса с использованием переключателя страниц.

Метод страничной адресации прост в реализации и при формировании адреса физической памяти не приводит к дополнительным временным задержкам, но при использовании многозадачного режима работы процессора для каждой активной задачи выделяется целая страница в системной памяти микропроцессора. При такой работе в системной памяти процессора остаётся много неиспользуемых областей. Решить возникшую проблему позволяет метод сегментной организации памяти.

При сегментном методе организации памяти для расширения адресного пространства используется базовый регистр, относительно которого производится адресация команд или данных в программе. Разрядность базового регистра обычно выбирают равной разрядности счётчика команд. В качестве базового регистра, как и при страничной организации памяти, можно использовать параллельный порт.

Для формирования физического адреса используется параллельный двоичный сумматор. На входы этого сумматора подаётся содержимое базового регистра и содержимое счётчика команд. Суммирование производится со смещением содержимого базового регистра влево на несколько бит относительно счётчика команд (рисунок 8). В результате максимальный размер сегмента определяется разрядностью программного счётчика, а максимальная неиспользуемая область памяти - смещением базового регистра относительно программного счётчика.

Адресное пространство при использовании сегментного метода адресации приведено на рисунке 20.

Рисунок 20. Пример адресного пространства с разделением на сегменты.

Количество сегментов определяется количеством базовых регистров. Сегменты могут перекрываться в адресном пространстве, и тем самым может регулироваться размер памяти, который отводится под каждый конкретный сегмент памяти. В компьютерах семейства IBM PC имеются четыре базовых регистра, определяющих сегмент данных, сегмент программы, сегмент стека и дополнительный сегмент. Информацию в базовые регистры заносит операционная система при переключении задач.

Рисунок 21. Формирование адреса при сегментной адресации



Ещё одним распространённым способом увеличения адресного пространства является применение окон. При использовании окон производится расширение не всего адресного пространства, а только его части. Внутри адресного пространства выделяется некоторая область, которая называется окном. В это окно может отображаться часть другого адресного пространства.

При использовании окон может быть использован как страничный метод отображения адресного пространства, так и сегментный метод отображения адресного пространства в окно.

При использовании страничного метода отображения, конкретная страница другого адресного пространства, которая в данный момент отображается в окно памяти, определяется переключателем страниц, построенному по такому же принципу как это было рассмотрено на рисунке 17.

При использовании сегментного метода отображения, конкретная область адресного пространства, которая будет отображаться в окно, определяется содержимым базового регистра. Если разрядность адреса вспомогательного адресного пространства, отображаемого в окно основной памяти, совпадает с разрядностью базового регистра, то любая область вспомогательной памяти может быть отображена в основную память с точностью до байта.

Принцип построения оконной адресации при отображении страниц показан на рисунке 22.

Рисунок 22. Применение окна для расширения адресного пространства

Оконная адресация часто используется при развитии микропроцессорных семейств, когда размера областей памяти, отведённых для конкретных задач в младших моделях семейства, не хватает для старших моделей семейства, а при этом нужно поддерживать аппаратную совместимость с младшими моделями семейства. В качестве примера можно привести микросхемы I81c96 фирмы INTEL или TMS320c5410 фирмы Texas Instrument, где для расширения области регистров специальных функций используется оконная адресация.



Назначение микропроцессорных систем

Причины широкого распространения микропроцессоров

Цифровые микросхемы к настоящему времени достигли впечатляющего быстродействия при приемлемом токе потребления. Наиболее быстрые из цифровых микросхем обладают скоростью переключения порядка 3..5 нс. (серия микросхем 74ALS). В то же время приходится платить за быстродействие микросхем повышеным током потребления. Исключением являются микросхемы, построенные на основе КМОП технологии (например микросхемы серий 1564, 74HC, 74AHC). В этих микросхемах потребляемый ток прямо пропорционален скорости переключения логических вентилей в микросхеме. Т.е. микросхема автоматически увеличивает ток потребления, если от нее требуется большее быстродействие, поэтому в настоящее время подавляющее большинство микросхем выпускается именно по этой технологии.

Часто цифровые устройства выполняют достаточно сложные задачи. Возникает вопрос - раз микросхемы достигли такого высокого быстродействия, то нельзя ли использовать одну и ту же микросхему многократно? Тогда можно будет обменивать быстродействие микросхем на сложность решаемой задачи. Именно этот обмен и позволяют осуществлять микропроцессоры. В этих микросхемах многократно используется одно и то же устройство - АЛУ (арифметическо-логическое устройство). Поэтому возможен обмен предельного быстродействия микроконтроллера на сложность реализуемого устройства. Именно по этой причине стараются максимально увеличить быстродействие микропроцессоров - это позволяет реализовывать все более сложные устройства в одном и том же объеме.

Ещё одной причиной широкого распространения микропроцессоров стало то, что микропроцессор - это универсальная микросхема, которая может выполнять практически любые функции. Универсальность обеспечивает широкий спрос на эти микросхемы, а значит массовость производства. Стоимость же микросхем обратно пропорциональна массовости их производства, то есть микропроцессоры становятся дешёвыми микросхемами и тем самым ещё больше увеличивают спрос.

В наибольшей степени все вышеперечисленные свойства проявляются в однокристальных микроЭВМ или как их чаще называют по области применения: микроконтроллерах. В микроконтроллерах на одном кристалле объединяются все составные части компьютера: микропроцессор (часто называют ядро микроконтроллера), ОЗУ, ПЗУ, таймеры и порты ввода-вывода.

Выводы:

КМОП технология позволяет обменивать скорость работы на потребляемый ток (чем с большей скоростью переключаются логические элементы микросхемы, тем больший ток потребляет микросхема);

Микроконтроллеры позволяют реализовывать схему управления практически любой сложности на одной универсальной микросхеме;

Микроконтроллеры позволяют обменивать скорость своей работы на сложность проектируемого устройства.

Микроконтроллеры позволяют реализовывать аппаратуру с минимальной стоимостью, габаритами и током потребления.

Срок разработки аппаратуры на микроконтроллерах минимален.

Модернизация аппаратуры заключается в смене управляющей программы.



Классификация микропроцессоров

В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры. Они применяются при вычислениях, они выполняют функции управления, они используются при обработке звука и изображения. В зависимости от области применения микропроцессора меняются требования к нему. Это накладывает отпечаток на внутреннюю структуру микропроцессора. По области применения определилось три направления развития микропроцессоров:

микроконтроллеры

универсальные микропроцессоры

сигнальные микропроцессоры

По внутренней структуре существует два основных принципа построения микропроцессоров:

Гарвардская архитектура

Архитектура Фон-Неймана

По системе команд микропроцессоры отличаются огромным разнообразием, зависящим от фирмы-производителя. Тем не менее можно определить две крайние политики построения микропроцессоров:

Аккумуляторные микропроцессоры

Микропроцессоры с регистрами общего назначения

В микропроцессорах с регистрами общего назначения математические операции могут выполняться над любой ячейкой памяти. В зависимости от типа операции команда может быть одноадресной, двухадресной или трёхадресной.

Принципиальным отличием аккумуляторных процессоров является то, что математические операции могут производиться только над одной особой ячейкой памяти - аккумулятором. Для того, чтобы произвести операцию над произвольной ячейкой памяти её содержимое необходимо скопировать в аккумулятор, произвести требуемую операцию, а затем скопировать полученный результат в произвольную ячейку памяти.

В настоящее время в чистом виде не существует ни та ни другая система команд. Все выпускаемые в настоящее время процессоры обладают системой команд с признаками, как аккумуляторных процессоров, так и микропроцессоров с регистрами общего назначения.

В Гарвардской архитектуре принципиально различаются два вида памяти:

Память программ

Память данных

В Гарвардской архитектуре принципиально невозможно производить операцию записи в память программ, что исключает возможность случайного разрушения управляющей программы в случае неправильных действий над данными. Кроме того, в ряде случаев для памяти программ и памяти данных выделяются отдельные шины обмена данными. Эти особенности определили области применения этой архитектуры построения микропроцессоров. Гарвардская архитектура применяется в микроконтролерах, где требуется обеспечить высокую надёжность работы аппаратуры и в сигнальных процессорах, где эта архитектура кроме обеспечения высокой надёжности работы устройств позволяет обеспечить высокую скорость выполнения программы, за счёт одновременного считывания управляющих команд и обрабатываемых данных, а так же запись полученных результатов в память данных.