Конспект лекций МТ11, страница 2

Для организации взаимодействия с внешними (по отношению к нему самому) устройствами МП имеет линии для входных и выходных сигналов. Переменная среда, в которой осуществляется работа МП, организуется данными, поставляемыми на входы для обработки, и выставляемыми на выходы в качестве результата; адресами, по которым происходит обращение к хранимым данным; управляющими сигналами, обеспечивающими тот или иной алгоритм обработки информации.

Поэтому, конструктивно, любой типовой микропроцессор для организации процессов обработки информации всегда имеет ВХОДЫ и ВЫХОДЫ, которые обеспечивают передачу ДАННЫХ в соответствующих направлениях, обращение по АДРЕСАМ к ячейкам памяти, выставление УПРАВЛЯЮЩИХ СИГНАЛОВ на устройства, участвующие в процессе обработки данных, а также линии для подачи ПИТАЮЩЕГО электрического напряжения.

Управляющие сигналы используются для передачи МП специальных сообщений, оказывающих влияние на ход обработки информации микропроцессором.

Среди большого количества управляющих сигналов следует особо выделить две наиболее значимые группы:

1) сигналы "WR" и "RD", обеспечивающие общение микропроцессора с памятью ("WR" – "write", - реализация процедуры записи данных, "RD" – "read" - процедуры считывания данных). Микропроцессоры могут иметь несколько адресных пространств (микропроцессоры INTEL, например, имеют два адресных пространства (рис.3): пространство "ВВОДА – ВЫВОДА" (I/O – Input/Output) и пространство "ПАМЯТИ" (MEM - Memory)). В адресном пространстве "ВВОДА – ВЫВОДА" размещают периферийные (внешние) устройства.

Для управления адресным пространством необходимы адресные линии. Использование разных адресных пространств (раздельных линий) позволяет упростить дешифрацию (обращение к необходимой ячейке памяти) адреса.

2
) сигналы инициализации прерывания: используются для взаимодействия МП с внешними устройствами и выдачи сообщения микропроцессору об изменившейся внешней обстановке и необходимости выполнения неотложных действий по обработке системных запросов устройств.

У микропроцессора 2 линии прерывания (interrupt): линия входа "INT" и линия подтверждения прерывания "INTE".

Получив прерывание, микропроцессор заканчивает действие, запоминает его, чтобы затем продолжить работу и запускает программу обслуживания прерывания.

Для организации работы ПК типа IBM PC имеется 15 линий прерывания, которые используются для осуществления процессов взаимодействия МП с устройствами, входящими в состав ПК.

Иногда устройства могут сами использовать память для собственных нужд помимо МП, в этом случае имеет место прямой доступ в память, а микропроцессор предоставляет память запросившему доступ устройству.

Основой работы микропроцессора является последовательное выполнение команд, записанных в программе. Для фактической реализации такого рода действий и процессов обработки информации требуется временное размещение команд в специальных областях на время их выполнения, эта задача решается с помощью ряда различных регистров.

Регистр – элемент для хранения временных данных (машинных слов, адресов, служебной информации) в процессе обработки. Регистры могут быть универсальными, т.е. используемыми для размещения различной информации, или специализированными – для строго определенных данных.

Главным регистром МП является регистр-счетчик команд (РС). В его функции входит формирование адреса очередной команды.

Работа микропроцессора при выполнении команды

Команда имеет строго определенную структуру, понятную для микропроцессора. Общим является то, что в начале команды записывается код, затем – операнды (данные, используемые для выполнения определенных действий или операций) или адреса месторасположения операндов в памяти, т.е. информация, необходимая для выполнения данной команды.

При выполнении команды программы микропроцессор считывает ее код, потом операнды, затем начинает ее выполнение, которое обычно совмещено со считыванием кода следующей команды. Это так называемый конвейерный механизм, применяемый во всех современных микропроцессорах.

Микропроцессор является частотным устройством и имеет свою тактовую (генерируемую им самим) частоту. Каждая команда выполняется за то или иное число машинных циклов. Один период тактовой частоты называется тактом микропроцессора. В течение какого-то определенного количества тактов (цикла) выполняется одно элементарное действие микропроцессора (рис.4), например, пересылка данных. Команда может быть выполнена за несколько циклов. Следовательно, быстродействие микропроцессора зависит как от тактовой частоты, так и от того, насколько экономно микропроцессор использует свои такты в цикле. Т.е., чем меньше тактов необходимо для выполнения команды, тем быстрее р
аботает МП. Например, микропроцессоры фирмы Motorola работают в 4 раза быстрей Intel при одинаковой тактовой частоте и можно сказать, что они лучше оптимизированы.

Следует всегда помнить о том, что основная цель выполнения программы – получение некоего результата, необходимого пользователю. Для достижения этой цели выделяется область памяти под размещение данных, изменяемых в ходе выполнения программы, служебной информации и организации взаимодействия с различными устройствами ввода-вывода. Под размещение команд программы также используется выделяемая область памяти.

Цикл команды – отрезок времени, выраженный в тактах, необходимый для ее выполнения.

Последовательность действий при выполнении команды (рис.5):

1. Вызов команды из памяти программы в регистр команд (местоположение первой команды определяется по начальному адресу программы в памяти).

2. Д
   екодирование и выполнение команды. Анализируется и декодируется содержимое регистра команд, а затем реализуется последовательность типовых (для данного МП) элементарных шагов (микрокоманд).

3. Определение адреса следующей команды (в самом простом случае реализуется увеличением текущего адреса на единицу). Отличие МП от автомата, работающего по жесткому алгоритму – наличие команд перехода по условию.

4. Проверка запросов на прерывания. Производится перед выполнением следующей команды. Если есть запрос, то адрес последующей команды сохраняется в специальной области памяти, а системой прерывания вырабатывается предусмотренный для каждого конкретного случая начальный адрес (место размещения) подпрограммы обслуживания прерывания. После выполнения подпрограммы обработки прерывания снова вызывается адрес отложенной команды. И цикл повторяется.

Система команд микропроцессора

Набор команд микропроцессора формируется на этапе проектирования и закладывается в микропроцессор при изготовлении.

Система команд МП может быть разделена на следующие три основные группы:

1) Команды арифметико-логические (сложение, вычитание, умножение, деление целочисленных операндов). МП INTEL 486 и выше помимо целочисленных операндов могут работать с числами с плавающей запятой.

2) Команды пересылки, перемещения. Например: MOV A,#2 (переслать в аккумулятор (набор регистров, используемый для выполнения вычислений) символ 2). В командах пересылки у разных микропроцессоров может использоваться разный набор адресации. При прямой адресации в памяти содержится сначала код команды, потом адрес операнда. При косвенной адресации – код команды и адрес регистра указывающего на операнд. Такая адресация используется для более универсальных программ.

3) Группа команд передачи управления. Эти команды позволяют изменить последовательность выполнения программы. Они делятся на:

а) Команды безусловного перехода. Например: (jump [адрес]). Получив такую команду, микропроцессор начинает работать (выполнять программу) с указанного адреса.

б) Команды условного перехода или перехода по условию.

Например, переход на определенный адрес, если результат выполняемого выражения больше нуля и т.п. Если переход по условию положительного результата, то в этом случае анализируется старший бит машинного слова в регистре результата, и если он положительный, то происходит переход на адрес, указанный в команде, а если нет, то продолжается последовательное выполнение команд с формированием адреса путем прибавления единицы к содержимому счетчика команд.

в) Команды перехода к подпрограммам. Например: (CALL [адрес]).

Микропроцессор начинает выполнение подпрограммы с команды, указанной в ячейке адреса. Здесь возникает проблема возврата из подпрограммы в основную программу. Возврат в основную программу производится с помощью стека. Стек – это очередь наоборот, т.е. реализован принцип "пришел первым - ушел последним". На адрес вершины (входа) стека в памяти указывает указатель стека. Получив команду (CALL [адрес]) микропроцессор отправляет содержимое PC (своего регистра-счетчика команд) в вершину стека. А в PC записывается адрес из команды CALL. Таким образом, микропроцессор переходит к выполнению подпрограммы, расположенной по указанному в команде адресу. Для возврата из подпрограммы используют команду RETURN, ей должна заканчивается любая подпрограмма. Встретив эту команду микропроцессор должен загрузить в счетчик команд содержимое вершины стека. Тогда он вернется в основную программу.

г) Прочие команды. Например, (NOP) – нет операции (ничего не делать). Эту команду обычно используют для задержек, резервирования памяти и других целей.

Структурная схема микропроцессора. Последовательность работы микропроцессора при выполнении программы

Микропроцессор включает следующие основные устройства (рис.6):

1. С
   К (счетчик команд) – формирует адреса команд в соответствии с заданной последовательностью и при изменении обстановки во время выполнения программы (подпрограммы, прерывания, переходы с условием и без).

2. РК (регистр команд) – хранит в течение цикла выполняемую команду и поставляет информацию для дешифратора команд.

3. ДК (дешифратор команд) – вырабатывает управляющие сигналы для прочих модулей в соответствии с тактовыми импульсами генератора тактовых импульсов (ГТИ) в зависимости от информации, содержащейся в регистре команд.

4. ГТИ (генератор тактовых импульсов) – формирует опорную тактовую частоту и обеспечивает синхронизацию основных устройств и пошаговое выполнение действий по выполнению команды.

5. СП (система прерываний) – воспринимает запросы прерываний по каналам прерываний от подключенных в систему устройств и устанавливает начальный адрес подпрограммы обслуживания прерывания. Содержимое счетчика СК (следующий адрес команды, откладываемой при прерывании) сохраняется в специальной области памяти – стеке.

6. АЛУ (арифметико-логическое устройство) – является ядром МП. Управляющий сигнал от ДК обеспечивает выполнение в АЛУ логической или арифметической операции с одним или двумя операндами. Результат – новое двоичное машинное слово.

Устройства, обеспечивающие выполнение команд:

1. ПП (память программ) – хранит команды программы. В начале цикла команда по адресу, определяемому СК считывается из ПП в РК.

2. ПД (память данных) – предназначена для хранения обрабатываемых данных. Процесс передачи данных обычно реализуется за несколько тактов.

3. УВВ (устройства ввода-вывода) – порты ввода-вывода информации для связи с внешними устройствами. Порт представляет собой область памяти, с которой могут производиться только операции считывания (ввод) или записи (вывод) информации. Внешние устройства работают с соответствующими им областями памяти и производят обратные действия: запись (ввод) и считывание (вывод).

Устройства на схеме (рис.6), обведенные пунктиром являются управляющими и, в основном, запускаются от тактовых импульсов. Сплошная линия – управляемые устройства: побуждаются к выполнению действий сигналами управляющих устройств.

Для выполнения условных переходов АЛУ выставляет флаг (признак) результата, влияющий на последовательность выполнения команд. Флаг является своего рода сигналом, сообщающим о том, что заложенное в команде перехода условие выполнено или наоборот, не выполнено.

Рассмотрим последовательность событий, происходящих при выполнении команды микропроцессором.