Організація мікропроцесорної системи та її функціонування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Організація МІКРОПРОЦЕСОРНої СИСТЕМи ТА ЇЇ ФУНКЦІОНУВАННЯ

1. ОСНОВНІ ТИПИ АРХІТЕКТУР мікро-ЕОМ

В більшості сучасних мікро-ЕОМ для зберігання програм і даних використовується один простір пам'яті. Така організація одержала назву архітектури Дж. фон Неймана. Програми і дані зберігаються в єдиному просторі.

Проте майже всі однокристальні МІКРО-ЕОМ, що представляють клас однокристальних програмованих мікроконтролерів, виконані по іншій схемі, відомій як архітектура Гарвардської лабораторії, в якій пам'ять програм CSEG (Code segment) і пам'ять даних DSEG (Data segment) розділені і мають свої власні адресні простори і способи доступу до них. Таке розділення дозволило розмістити компактно кодований набір машинних команд, економно використовувати пам'ять програм, і було застосовано при розробці однокристальних мікроконтролерів перших типів, що мають всього лише (1-2) Кбайт (К=2^10 ) управляючої пам'яті, розташованої на кристалі. Подальше вдосконалення архітектури обох типів полягало у виділенні спеціального простору даних невеликого об'єму, який сьогодні відомий як набір програмно-доступних регістрів RSЕG (Register Segment). На відміну від CSЕG чи DSЕG регістри RSEG розташовуються усередині ЦП в безпосередній близькості від його арифметично-логічного пристрою (АЛП), що забезпечує швидкий фізичний доступ до інформації, що бережеться в них. В деякі інтервали часу програма найбільш інтенсивно працює лише з невеликим об'ємом даних. Для тимчасового зберігання цих даних і призначена регістрова область - набір пpoграмнодосяжних регістрів.

Область RSEG може бути як повністю ізольована від простору даних DSEG, так і частково перетинатися з ним, що дає можливість розглядати окремі регістри МП як звичні елементи пам'яті даних. Така організація є доцільною, якщо в МС підтримується швидкий доступ до всієї або хоча б деякої частини пам'яті даних DSЕG.

Майже все сучасні МС мають регістрові області незалежно від того, до якого типу вони належать: нейманівському або гарвардському. Внутрішня логічна організація RSЕG дуже різноманітна і грає визначальну роль в класифікації архітектури.

Система ВВ в найпростішому випадку представляє набір буферних схем і регістрів (портів), через які здійснюється зв'язок із зовнішніми і внутрішніми апаратними засобами МС. Система ВВ звичайно використовує єдиний механізм адресації портів, розміщених в спеціальному просторі ВВ мікросистеми IOSЕG (Input Oulpul Segment), логічно ізольованому від інших просторів даних, що адресуються, - ізольований ВВ. До МС з ізольованим ВВ відносяться системи на базі МП KP580BM80, K1810BM86 і інших, що мають спеціальні набори команд ВВ.

У деяких системах логічно ізольований простір ВВ може бути відсутній. В цьому випадку в просторі пам'яті даних DSEG виділяються області, в яких і розміщуються порти, - це суміщений ВВ. Організація доступу до портів в таких МС нічим не відрізняється від процесу запису-читання даних в пам'ять. Суміщений ВВ використовується в МС на базі МП серії К1801.

2. ОРГАНІЗАЦІЯ ПРОСТОРІВ ПАМ'ЯТІ та ВВЕДЕННЯ-ВИВЕДЕННЯ

командний дискретна пам'ять арифметичний

На відміну від RSEG пам'ять програм CSEG і даних DSEG, а також область ВВ IOSEG організовані простіше. У ряді випадків пам'ять МС з погляду програміста є лінійно впорядкованим набором n-разрядных чарунок з довільним доступом - лінійна пам'ять.

Кожному набору чарунок відповідає число, що називається її адресою. Всі адреси займають цілочисельний діапазон від 0 до 2^m-1, котрий утворює адресний простір пам'яті. Розрядність адреси m звичайно дорівнює 16,18,20,24 або 32. В тих випадках, коли найменша одиниця пам'яті -байт (n=8), пам'ять має байтову організацію.

Одним з прикладів МС з пам'яттю лінійної організації байтового типу є 8-розрядна система на базі МП КР580ВМ80. Команди цього МП виконують звернення до простору пам'яті місткістю 2^16=64 Кбайт, як показано на мал. 1.3,а. Надалі пам'ять МС представлятиметься таким чином, що чарунки із старшими адресами розташовувалися нижче ніж з молодшими. Нумерація окремих розрядів в чарунку здійснюється з правого краю, починаючи з нуля. При цьому розряд з нульовим номером є молодшим.

При необхідності програмні об'єкти, команди і операнди (дані в командах), що зберігаються в пам'яті, можуть розташовуватися в сусідніх чарунках простору пам'яті. Адресою об'єкту звичайно служить якнайменша з адрес чарунок, займаних ним. Операція звернення до пам'яті припускає читання або запис всього об'єкту як єдиного цілого. Наприклад, слова в пам'яті МС на базі МП КР580ВМ80 зберігаються в двох сусідніх байтах. Старша частина слова займає байт із старшою адресою, а молодша - байт з молодшою адресою. При цьому адреса молодшого байта служить адресою слова.

Пам'ять більшості 16- і 32-розрядних МС також має байтову організацію. Так, нижній рівень логічного представлення пам'яті МП К1810ВМ86 місткістю 1 Мбайт аналогічний розглянутому вище. Проте в даному МП існує більш високий рівень організації пам'яті, на якому в основному і працює програміст.

Дуже часто організація пам'яті передбачає певні обмеження на можливе розташування багатобайтових об'єктів. Так, в МС на базі 16-розрядного МП Kl810ВМ86, яка також має пам'ять з байтовим доступом місткістю 64К байт, слова в пам'яті можуть знаходитися тільки за парними адресами, як представлено на мал. 1.3,6. Тоді при доступі до слова значення молодшого розряду його адреси, що вказує на байт в слові, до уваги не береться, тобто така пам'ять має межу слів. Порядок розташування байтів усередині слова стандартний: спочатку молодший, потім старший байт слова.

Організацію такого вигляду мають не тільки простори пам'яті DREG і CSEG, але і область ВВ IOSEG.

3. КОМАНДНИЙ ЦИКЛ

Центральний процесор здійснює введення, обробку і виведення даних відповідно до програми, що зберігається в СSEG.

Програма - це впорядкована послідовність команд і даних. Процес виконання програми полягає в послідовному виконанні команд, з яких складається програма.

Команда це функціональна завершена елементарна дія, яка визначається типом даних, що використовуються, джерелом їх отримання, операцією над ними, приймачем розміщення результату, а також джерелом отримання наступної команди. Програміст розглядає команду як одну неподільну дію. На рівні фізичного обміну кожна команда є рядом типових циклів звернення до системної магістралі.

Машинне представлення команди в пам'яті МС називається її об'єктним кодом. Об'єктний код команди складається з ряду нулів і одиниць. Проте людині більш зрозуміла інформація, представлена в символьній формі. Тому разом з об'єктним кодом кожній команді приписується її символічне позначення, або мнемокод, який використовується при написанні програм людиною з подальшим її перекодуванням в машинне уявлення. Звичайно існує взаємно-однозначна відповідність між мнемокодом і об'єктним кодом команди.

Час, необхідний для виконання однієї команди, називається командним циклом. Командний цикл ділиться на дві фази: вибірки і виконання. Робота ЦП полягає в безперервному повторенні фаз командного циклу.

Основний зміст фази вибірки полягає в прочитуванні першого байта (слова) команди з пам'яті МС і його введення в спеціальний регістр команд IR (Instruction Register). Прочитування байта (слова) відбувається за адресою, що зберігається в програмному лічильнику PC. Одночасно з цим вміст PC збільшується.

Фаза виконання полягає в дешифрації вмісту IR і виконанні дій, які визначені цим вмістом. Склад і порядок дій фази виконання для кожної команди свій. Вона також може включати прочитування додаткових байтів (слів) команди і відповідної зміни РС, декілька додаткових звернень до пам'яті програм і (або) даних для вибірки операндів і розміщення результату, цикли звернення до портів ВВ IOSEG.

У цілому робота МС полягає в наступному. При включенні джерела живлення або натисненні клавіші скидання RESET управління апаратно передається на стартову адресу пам'яті програм. Вибирається і виконується перша команда, за наслідками якої управління передається іншій і т.д. При прийомі спеціальної команди останову HLT мікропроцесорна система припиняє свою роботу до наступного пуску.

4. ПРИНЦИПИ ОРГАНІЗАЦІЇ та класифікація АРИФМЕТИКО-ЛОГІЧНИХ ПРИСТРОЇВ

Арифметико-логічні пристрої (АЛП) слугують для виконання арифметичних і логічних перетворень над словами, званими в цьому випадку операндами. АЛП служить основною частиною операційного блоку ЕОМ.

Виконувані АЛП операції можна розділити на наступні групи:

- операції двійкової арифметики для чисел з фіксованою комою;

- операції двійкової арифметики для чисел з плаваючою комою;

- операції десяткової арифметики;

- операції індексної арифметики;

- операції спеціальної арифметики;

- операції над логічними кодами;

- операції над алфавітно-цифровими полями.

Сучасні ЕОМ загального призначення звичайно реалізують операції всіх приведених вище груп, а малі і мікроЕОМ часто не мають апаратури арифметики чисел з плаваючою комою, десяткової арифметики і операцій над алфавітно-цифровими полями. В цьому випадку операції реалізуються спеціальними програмами.

До арифметичних операцій відносяться складання, віднімання, узяття модулів ("короткі операції"), і множення і розподіл ("довгі операції").

Групу логічних операцій складають операції диз'юнкція(логічне АБО) і кон'юнкція (логічне І) над багаторозрядними двійковими словами, а також операція порівняння кодів на рівність.

Спеціальні арифметичні операції включають нормалізацію, арифметичний зсув (зсовуються тільки цифрові розряди, а знаковий залишається на місці), логічний зсув (знаковий розряд зсовується разом з цифровими).

За способом дії над операндами АЛП діляться на послідовні і паралельні. В послідовних АЛП операнди представляються в послідовному коді, а операції проводяться послідовно в часі над їх окремими розрядами. В даний час АЛП цього типу ніде не застосовуються. В паралельних АЛП операнди представляються паралельним кодом і операції виконуються паралельно в часі над всіма розрядами операндів.

За способом представлення чисел розрізняють АЛП:

1) для чисел з фіксованою комою;

2) для чисел з плаваючою комою;

3) для десяткових чисел.

По характеру використвання елементів і вузлів АЛП діляться на блокові і багатофункціональні. В блоковому АЛП операції над числами з фіксованою і плаваючою комою, десятковими числами і алфавітно-цифровими полями виконуються в окремих блоках, при цьому підвищується швидкість роботи, оскільки блоки можуть паралельно виконувати відповідні операції, але значно збільшуються витрати на устаткування. В багатофункціональних АЛП операції для всіх форм представлення чисел виконуються одними і тими ж схемами, які комутуються потрібним чином залежно від необхідного режиму роботи.

5. СТРУКТУРА І ФОРМАТ КОМАНД. КОДУВАННЯ КОМАНД

Всі можливі перетворення дискретної інформації можуть бути зведені до чотирьох основних видів:

1) передача інформації в просторі;

2) зберігання інформації;

3) логічні операції;

4) арифметичні операції.

ЕОМ, що є універсальним перетворювачем дискретної інформації, виконує всі вказані види перетворень.

Обробка інформації в ЕОМ здійснюється автоматично шляхом програмного управління. Програма є алгоритмом обробки інформації, записаним у вигляді послідовності команд, які повинні бути виконані машиною для отримання рішення задачі.

Команда є кодом, що визначає операцію обчислювальної машини і дані, що беруть участь в операції. Команда містить також в явній або неявній формі інформацію про адресу, по якій поміщається результат операції, і про адресу наступної команди.

Процес виконання програми складається з окремих машинних операцій. В даному випадку під операцією розуміється перетворення інформації, виконуване машиною під впливом однієї команди.

Змістом машинної операції можуть бути запам'ятовування в пам'яті, передача, арифметичне або логічне перетворення машинних слів, а також деякі допоміжні процедури.

По характеру виконуваних операцій розрізняють наступні основні групи команд:

1) команди арифметичних операцій для чисел з фіксованою і плаваючої коми;

2) команди десяткової арифметики;

3) команди логічних операцій;

4) команди передачі кодів;

5) команди уведення-виведення;

6) команди передачі управління;

7) команди завдання режиму роботи машини.

У команді, як правило, містяться не самі операнди, а інформація про адреси елементів пам'яті або регістри, в яких вони знаходяться.

Код команди можна представити тим, що складається з декількох частин або полів, що мають певне функціональне призначення при кодуванні командної інформації. Команда в загальному випадку складається з операційної і адресної частин. У свою чергу, ці частини можуть складатися з декількох полів.

Операційна частина містить код операції, який задає вид операції. Адресна частина команди містить інформацію про адреси операндів і результату операції, а в деяких випадках інформацію про адресу наступної команди.

Структура команди визначається складом, призначенням і розташуванням полів в команді. Форматом команди називають її структуру з розміткою номерів розрядів (битий), що визначають межі окремих полів команди, або з вказівкою числа біт в певних полях.

6. ПОБУДОВА МІКРОПРОЦЕСОРІВ З ВИКОРИСТАННЯМ РІЗНИХ МІКРОПРОЦЕСОРНИХ КОМПЛЕКТІВ

Всі елементи мікропроцесорів з програмованою логікою -- операційний пристрій (ОУ), управляюча пам'ять (УП) і блок мікропрограмного управління (БМУ) -- можуть розміщуватися на одному кристалі, тобто весь мікропроцесор може бути виконаний у вигляді однієї мікросхеми. Такі реалізовані мікропроцесори у вітчизняних серіях мікропроцесорних комплектів КР580 і КР1810. Управляюча пам'ять мікропроцесорів такого типу береже набір мікропрограм, записаний в неї вже на етапі виготовлення мікросхеми на заводі. Кожна мікропрограма є послідовністю мікрокоманд, що забезпечує виконання деякої нескладної операції. Під час вступу до мікропроцесора команди з ОП в УП знаходиться відповідна команді мікропрограма і шляхом послідовного прочитування її мікрокоманд здійснюється прийом з ОП операндів, виконання над ними деяких найпростіших дій і виклик з ОП чергової команди. В мікропроцесорі серії КР580 такі мікропрограми містять від 4 до 17 мікрокоманд. Вживання мікропроцесора, виконаного на одній мікросхемі, природно, спрощує побудову мікропроцесорної системи, скорочуючи число елементів, що використовуються в ній. Крім того, спрощується процес програмування, оскільки від програміста не вимагається записувати виконувані в кожному такті мікрокоманди. Складаючи програму, він оперує командами, тобто групами мікрокоманд, які відповідають командам, що бережуться в мікропроцесорі.

Проте таке полегшення програмування супроводжується істотним зниженням швидкості рішення задачі. Це пов'язано з наступним. Система команд, якій забезпечується мікропроцесор при його заводському виготовленні, універсальна в тому значенні, що вона дозволяє програмувати рішення будь-якої задачі. Але при рішенні конкретної задачі така фіксована система команд може виявитися неефективною: користування нею зажадає велике число команд, на виконання яких мікропроцесор затрачуватиме багато часу. Програма виявляється більш ефективною (що потребує меншої місткості пам'яті для її зберігання і меншого часу для виконання), якщо для її побудови використовується спеціально підібрана для даної конкретної задачі система команд. Такий прийом з введенням нових складених програмістом команд (тобто модифікація системи команд) виявляється неможливим в мікропроцесорах, реалізованих у вигляді однієї мікросхеми.

У тих випадках, коли вимагається забезпечувати високу швидкість рішення задачі, у розробника мікропроцесорного пристрою виникає бажання самому розробити систему команд, найкращим чином пристосовану до рішення конкретної задачі. При цьому він повинен знати, що йому доведеться подолати ряд труднощів, пов'язаних з необхідністю визначення складу команд і побудови для кожної команди відповідної мікропрограми, якщо програмування ведеться на мові мікрокоманд. Складені таким чином мікропрограми потім записуються в постійне те, що запам'ятовує пристрій управляючої пам'яті

Розглянемо, до яких змін в структурі мікропроцесора приводить забезпечення вказаної вище можливості програмування на мові мікрокоманд.

При створенні мікросхеми доводиться вирішувати важку проблему скорочення числа висновків. В представленому на рис.1,а варіанті з поєднанням в загальній мікросхемі всіх елементів мікропроцесора (ОУ, БМУ, УП) ця задача розв'язується звичайно шляхом мультиплексування шин. Наприклад, в мікропроцесорі серії КР580 для 8-розрядних виходів і входів використовуються загальні висновки, які перемикаються залежно від напряму передачі даних або на введення, або на висновок даних; в мікропроцесорі серії КР1810, що оперує 16-розрядними даними і 20-розрядними адресами ОП, окрім об'єднання входів і виходів даних передбачається використовування цих висновків і для частини розрядів адресної інформації (при цьому, очевидно, необхідно передбачити видачу адреси і видачу або прийом даних в різні тимчасові інтервали).

Мал. 1.

Для того, щоб розробник мікропроцесорного пристрою мав змогу програмувати на мові мікрокоманд, він повинен мати доступ до УП для запису в нього складених мікропрограм. Такий доступ можна забезпечити, якщо УП винести з мікросхеми процесора, як показано на мал. 1,б.

З порівняння схем на мал. 1,а і 1,б видно, що варіант на мал. 1,б містить істотно більше число висновків, ніж в мікросхемі на мал. 1,в. Це пов'язано з необхідністю мати у варіанті на мал. 1,б виходи для передачі на УП адреси і входи для прийому мікрокоманди з УП. В результаті така побудова виявляється нереалізованою через надмірно велике число висновків, які довелося б передбачити в мікросхемі. В цьому випадку для скорочення числа висновків ОУ і БМУ слід виконувати не в загальній мікросхемі, а рознести в різні мікросхеми, як показано на мал. 1,в.

Оскільки забезпечення високої швидкодії вимагає відмови від мультиплексування шин, то і в даному варіанті число висновків в мікросхемі ОУ виявиться неприпустимо великим. Число висновків можна скоротити, якщо побудувати мікросхему ОУ на невелике число розрядів оброблюваних даних (2-, 4-, 8-розрядних даних) і забезпечити можливість нарощувати розрядність ОУ шляхом об'єднання відповідного числа мікросхем, як показано на мал. 1,г.

Размещено на Allbest.ru