Архитектура микро-ЭВМ

1. Архитектура микро-ЭВМ.

ЭВМ – комплекс технических средств, объединенных общим управлением и предназначенных для автоматического выполнения преобразований цифровых кодов в соответствии с заданным алгоритмом.

Алгоритм – совокупность точных предписаний (команд), выполнения которых ЭВМ приводит к решению поставленной задачи, путём преобразования исходных цифровых кодов в цифровые коды результата. Здесь рассматривается простая гипотетическая машина, обладающая типичными чертами многих микро-ЭВМ.

ЭВМ в общем виде является электронной системой сбора, хранения, накопления, переработки и выдачи цифровой информации.

Основными свойствами ЭВМ являются программное управление, алгоритмическая универсальность, высокие точность и скорость вычисления.

Структура ЭВМ – абстрактная модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия основных функциональных частей ЭВМ без учёта их реализации.

Функциональная часть ЭВМ – составная часть ЭВМ, имеющая определённое функциональное назначение.

Микро-ЭВМ – это вычислительная машина, имеющая разрядность в один или два байта, малые габариты и низкую стоимость.

Разрядность – количество разрядов в цифровых кодах, обрабатываемых в данной машине.

Рекомендуемые материалы

Байт (byte) – наименьшая адресуемая единица информации, состоящая из восьми двоичных разрядов называемых битами.

Бит (binary digit) – двоичная цифра 0 или 1, или двоичный разряд.

Типовая архитектура микро-ЭВМ (назовём её базовой) содержит пять основных элементов:

1) устройства ввода;

2) устройство управления;

3) устройство арифметических действий (оба входят в состав микропроцессора);

4) память;

5) устройства вывода.

Такая структура функциональных элементов называется архитектурой ЭВМ. Она изображена на рисунке 1.

Несмотря на успехи, достигнутые в области технологии, существенных изменений в базовой структуре и принципах работы ЭВМ не произошло.

Архитектура ЭВМ – размещение соединённых между собой элементов, отражающее структуру связей, что влияют на основные характеристики ЭВМ.нутые в области технологии, существенных измененийвбазовой структуреунке 1.

а выглядит так.иний)

Основными частями МП являются АЛУ, устройство управления и регистры.

Под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных.

Архитектура отображает те аспекты ЭВМ, которые являются видимыми для пользователя: систему команд, режимы адресации, форматы и длину данных, набор регистров ЭВМ.

Физически реализованные в виде соответствующей аппаратуры функциональные блоки ЭВМ называются аппаратными средствами.

Другая структурная схема микро-ЭВМ показана на рисунке ниже.

равилам е вычислительное устройсто. фирма еской и арифметической обработки информа была бесперспективной.

ерации - арифмочипр.ия вычислительной техники.

логических и арифметических Архитектура микро-ЭВМ представляет собой модель микро-ЭВМ с точки зрения программиста.

Модель в процессе проектирования преобразуется в структуру микро-ЭВМ, определяющую состав, назначение и взаимные связи необходимых аппаратурных компонентов, реализующих архитектуру.

Необходимость выполнения сложных функций управления привела к созданию микроконтроллеров – управляющих устройств, выполненных на одном или нескольких кристаллах. Микроконтроллеры выполняют функции логического анализа и управления. Поэтому за счёт исключения арифметических операций можно уменьшить их аппаратурную сложность или развить функции логического управления.

В приведённых схемах (рис.1 и 2) обработку информации осуществляет МП, синхронизируемый тактовыми импульсами устройства синхронизации. Чтобы все части (устройства) микро-ЭВМ работали в правильной последова

тельности необходим специальный генератор тактовых импульсов, синхронизирующих работу всей системы.

Обмен информацией между МП и остальными блоками микро-ЭВМ осуществляется по трём магистралям (называемых ещё шинами): адресной, данных и управляющей.

Шина(BUS) – группа линий передачи информации объединенных общим функциональным назначением. Например: шина данных, шина адресов, шина управления.

По каждой линии шины может передаваться только один двоичный разряд (бит) информации. Поэтому разрядность шины указывает на количество параллельныхтому ации.ваться только один двоичный разряд(бит) линий, из которых она состоит.

Магистраль (шина) адреса (МА) служит для передачи кода адреса, по которому проводится обращение к устройствам памяти, ввода-вывода или другим внешним устройствам, подключённым к МП.

Адрес – n- разрядное слово, используемое для указания определенного места, обычно ячейки памяти.

Шина адреса – система линий передачи адресов.

Обрабатываемая информация и результаты вычислений передаются по магистрали данных (МД).

Данные – сообщения, закодированные в двоичной форме. Данные ещё не являются собственно информацией.

Шина данных – система линий передачи данных внутри МП и вне него.

Информация – смысл, придаваемый данным.

Магистраль управления (МУ) передает управляющие сигналы на все блоки ЭВМ, настраивая на нужный режим устройства, участвующие в выполнении команды.

Шина управления – система линий передачи сигналов управления.

Физические устройства, приведённые на рисунке 1, являются аппаратными средствами. Для их полезного использования занесённая в память программа предписывает МП что он должен делать.

Программные средства – это общий термин, охватывающий все программы.

Когда программа помещается в память постоянно, она располагается в устройстве, называемом постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). ПЗУ является кристаллом программируемой интегральной микросхемы с неизменяемой программой. В ПЗУ хранится программное обеспечение, используемое при работе с каждой программой (например, программа инициализации ЭВМ, управляющие программы).

Память изменяющихся данных называют оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) и составляется также из ИС. Для хранения данных и команд служит одна и та же память (ОЗУ). Это позволяет повысить эффективность использования достаточно дорогостоящей памяти ЭВМ.

Внешние устройства сопрягаются с магистралями через порты ввода-вывода, которые преобразуют данные в параллельную форму или последовательную.

Порт (контроллер) – специальная микросхема, с помощью которой МП связывается с внешними устройствами.

Порты ввода данных преобразуют их из последовательной формы в параллельную.

Порты вывода наоборот преобразуют информацию в последовательную форму.

Последовательная передача данных – поразрядная передача данных.

Параллельная передача данных – одновременная передача двух и более разрядов.

Линии передачи данных обычно буферируются, прежде чем они будут подключены к соответствующим портам.

Буфер – схема, обеспечивающая прохождение данных между внешними устройствами и шиной данных, а также электрическую изоляцию между отдельными частями системы, согласование их импедансов (полных электрических сопротивлений).

Регистр – ячейка памяти микропроцессора, обычно содержащая одно слово.азмещаются в отдельных ячейках памяти. на перациейязано стем, чтосего три программы,хотя под них

Слово – совокупность двоичных разрядов, воспринимаемая при обработке как единое целое и помещается для хранения в одну ячейку памяти.

Некоторые устройства ввода и вывода снабжаются специальными схемами, выполняющие специальную процедуру управления обменом, при котором набор управляющих сигналов, т.е их интерфейс (интерфейс ВУ) несовместим с системным интерфейсом микро-ЭВМ. Для сопряжения микро-ЭВМ с ВУ (системного интерфейса с интерфейсом ВУ) используют контроллеры ВУ. МП имеет возможность «спросить» ВУ, готово ли оно к обмену информации, и данные передаются только при утвердительном ответе.

Одно из основных различий между ЭВМ – это организация системных шин, обеспечивающих связь между отдельными блоками ЭВМ. Самой популярной структурой шин, которая используется во многих ЭВМ, является структура с общей шиной. В этом случае, при наличии общей шины для всех блоков ЭВМ, возникает задача подключения выходов нескольких элементов к одной шине. Известны три способа решения задачи: логическое объединение, объединение с помощью схем с открытым коллектором и объединение с использованием схем с тремя состояниями. Рассмотрим эти способы и проанализируем возможность их применения при организации внутренних и внешних общих шин.

Организация общей шины может быть понята из рисунка.

Логические элементы с открытым коллектором не должны иметь встроенного нагрузочного резистора соединённого с источником питания, поскольку в противном случае параллельное соединение указанных резисторов при объединении нескольких выходов приведёт к недопустимому увеличению тока через открытый транзистор. Поэтому такой нагрузочный резистор должен быть один на всю сборку. Однако конечное значение сопротивления закрытого транзистора и соответственно заметное уменьшение отношения сопротивления параллельной группы закрытых транзисторов к сопротивлению нагрузочного резистора R_k фактически ограничивает область применимости этого способа организации. Логическим его развитием, устраняющим этот недостаток, является использованием в качестве нагрузочного резистора нелинейного элемента. Здесь объединение происходит с использованием схем с тремя состояниями.

На схеме рисунка в качестве нагрузочных элементов используются транзисторы VT1 и VT3. При подключении к общей шине выхода первого элемента (Э1) открытый транзистор VT1 и закрытый VT2 определяют состояние общей шины, соответствующее логической 1.

При нулевом значении на выходе Э1 транзистор VT1 закрывается, а VT2 открывается, поэтому напряжение на общей шине будет соответствовать логическому нулю.

Однако в отличие от обычных ключевых схем в данном случае возможен третий режим, при котором оба транзистора одного каскада (VT1 и VT2 или VT3 и VT4) закрыты. В этом случае со стороны выхода каскад обладает высокими сопротивлениями и поэтому не влияет на состояние общей шины. Например, при подключении общей шины к Э1 в таком состоянии должен находиться каскад, подключающий к общей шине Э2. Если в состоянии высокого сопротивления будут находиться оба каскада, то общая шина может использоваться произвольно любыми внешними по отношению к МП устройствами. Схемы с тремя состояниями применяются при организации канала прямого доступа к памяти.

1)При организации внутренних шин МП, как правило, используется объединение с помощью схем с общим коллектором (ОК).

2)При организации внешних по отношению к МП магистралей, как правило, используется логика с тремя состояниями.

нсовельными частями системы согласовднияданныхся, прежде чем они будут подключачены

н, охватывающий все программы.отка с тремя состояниями.единение с помощью схем с общим коллектором (ОК).р,чае со стороны выхода каскад обладает высокими сопротивлениями и поэтому не влияет на состояние общей шины. Работа микро-ЭВМ.

В качестве примера, иллюстрирующего работу микро-ЭВМ, рассмотрим процедуру, для реализации которой нужно выполнить следующую последовательность элементарных операций:

1. Нажать клавишу с буквой «А» на клавиатуре.

2. Поместить букву «А» в память микро-ЭВМ.

3. Вывести букву «А» на экран дисплея.

Это типичная процедура ввода-запоминания-вывода, рассмотрение которой даёт возможность пояснить принцип использования различных устройств, входящих в микро-ЭВМ.

На рисунке ниже приведена диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода. Прежде всего, нужно рассмотреть содержимое программной памяти.

Команды уже загружены в первые места ячеек памяти. Хранимая программа содержит следующие команды:

1. Ввести данные из порта ввода 1.

2. Запомнить данные в ячейке памяти 200.

3. Переслать данные в порт вывода 10.

В нашей программе всего три команды, хотя под них отведены шесть ячеек памяти. Это связано с тем, что команда разбивается на части. Первая часть команды 1- «ввести данные». Во второй части команды 1 указывается, откуда нужно ввести данные (из порта 1). Первая часть команды, предписывающая конкретное действие, называется операцией, а вторая часть – операндом. Коды операции и операнда размещаются в отдельных ячейках памяти. На рисунке код операции хранится в ячейке 100, а код операнда – в ячейке 101.

В МП выделены два новых блока – регистры: аккумулятор и регистр команд.

ых внутри ЭВМ с помощью нумерации на диаграмме. ры:Рассмотрим прохождение команд и данных внутри ЭВМ с помощью нумерации на диаграмме. При выполнении типичной процедуры ввода-запоминания-вывода в микро-ЭВМ происходит следующая последовательность действий:

1) МП выдаёт адрес 100 на шину адреса. По шине управления поступает сигнал, устанавливающий ИС памяти программ в режим считывания.

2) Программная память пересылает первую команду по шине данных и МП получает это закодированное сообщение. Код команды помещается в регистр команд. МП декодирует (интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нужен операнд.

3) МП выдаёт адрес 101 на шину адреса. Шина управления активизирует вход считывания из программной памяти (память переводится в режим считывания).

4) Из памяти 101 на ШД выставляется операнд «Из порта 1». Код операнда (адрес порта 1) передаётся по ШД к МП и направляется в регистр команд. Теперь МП декодирует полную команду («Ввести данные из порта 1»).

5) МП, используя ША и ШУ, связывающие его с устройством ввода, открывает порт 1. Цифровой код буквы «А» передаётся в аккумулятор внутри МП и запоминается.

6) МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.

7) Код команды «Запомнить данные» передаётся по ШД и пересылается в МП, где помещается в регистре команд.

8)

МП декодирует эту команду и определяет, что для неё нужен операнд. Он выставляет на шину данных адрес 103 и приводит в активное состояние вход считывания микросхем памяти.

9) Из памяти программ на ШД выставляется код адреса ячейки памяти 200. МП принимает этот операнд и помещает его в регистр команд. Команда «поместить данные в ячейку 200» полностью извлечена и декодирована.

10) Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пересылает адрес 200 на ША и активизирует вход записи, относящийся к памяти данных.

11) МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в память данных. Код буквы «А» передаётся по ШД и записывается в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая команда. Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нём по прежнему находится код буквы «А».

12) Теперь МП обращается к ячейке памяти 104 для выбора очередной команды и переводит память программ в режим считывания.

13) Код команды вывода данных пересылается по ШД к МП, который помещает его в регистр команд, декодирует и определяет, что нужен операнд.

14) МП выдаёт адрес 105 на ША и устанавливает память программ в режим считывания.

15) Из памяти программ по ШД к МП поступает адрес порта 10, который далее помещается в регистр команд.

16) МП дешифрирует полную команду «Вывести данные в порт 10». С помощью ША и ШУ, связывающих его с устройством вывода, МП открывает порт 10, пересылает код буквы «А» (всё ещё находящийся в аккумуляторе) по ШД. Буква «А» выводится через порт 10 на экран дисплея.

В большинстве МП систем передача информации осуществляется способом, аналогичным рассмотренному выше. Наиболее существенные различия возможны в блоках ввода и вывода информации.

МП является ядром системы и осуществляет управление всеми операциями. Его работа представляет последовательную реализацию микропроцедур выборки-дешифрации-исполнения. Однако фактическая последовательность операций в МПС определяется командами, записанными в памяти программ. Таким образом, в МПС микропроцессор выполняет следующие функции:

Рекомендуем посмотреть лекцию "3. Основные параметры горных предприятий".

- выборку команд программы из памяти;

- дешифрацию команд;

- выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах;

- управление пересылкой информации между регистрами и памятью, между устройствами вводавывода;

- отработку сигналов от устройств вводавывода, в том числе реализацию прерывания этих устройств;

- управление и координацию работы основных узлов МП.