Герасимов В.Г. (ред). - Электрические измерения и основы электроники (1998) (529641), страница 59
Текст из файла (страница 59)
Какой элемент в составе МС непосредственно управляет всеми операциями в ней? Варианты ответа: 7.2.1. ЗУ, хранящее набор управляющих программ. 7.2.2. МП, выполняющий программы, хранящиеся в ЗУ. 7 2.3. УВВ, с помощью которого оператор с клавиатуры вводит одну из команд МП 7.2. ВНУТРЕННЯЯ АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРОВ Микропроцессором называется программно-управляемое устройство на одной или нескольких ОС, осуществляющее обработку цифровой информации и управляющее этим процессом.
МП может принимать, дешнфрировать и выполнять команды„представленные в двоичном коде Типичная внутренняя организация МП приведена на рис. 7 2. Ос новными внутренними компонентами МП являются арифметико-логическое устройство (АЛУ), реализующее множество арифметических и логических функций МП, узел синхронизации и управления, воспрннима ющий и генерирующий внешние управляющие сигналы; набор регист- 3!6 ров для временного хранения кодов команд, данных, адресов и информации о внутреннем состоянии МП. Содержимое некоторых из внутренних регистров МП может быть изменено программным путем, другая их часть недоступна программисту.
Безусловно, общее число внутренних регистров МП разных семейств различно, как различны конкретные функции, выполняемые ими, и обозначения доступных программисту регистров. Тем не менее для всего многообразия внутренних регистров МП характерны следующие наиболее важные их виды. Регистр команды воспринимает код текущей команды с шины данных и осуществляет его хранение в течение всего врсмсни ее исполнения.
Регистр команды не доступен программисту. Для хранения данных и промежуточных результатов в МП используются программно доступные рпбочие регистры. Если все рабочие регистры в составе МП позволяют непосредственно записывать в них результаты вычислений, выполненных АЛУ, их обычно называют регистрами общего назначения (РОН). Если в МП имеется всего лишь один такой специализированный регистр, его называют аккумулятором. Рис. 7.2 Типичная внутренняя организация микропроцессора 317 Регистры для хранения адресов (указательные регистры) также пр~ граммно доступны. К указательным регистрам относятся програм мныи счетчик (другое наименование — указатель команды), а также регистры — указатели стека. Программный счетчик (РС) обеспечивае~ хранение двоичного кода адреса ячейки памяти, где помещена команда которую предстоит выполнить процессору вслед за исполняемой нм в данный момент командой.
Новый цикл выбора команды МП всегда начинается стого, что на его шине адреса появляется содержимое РС н очередная команда по этому адресу переписывается с шины данных в регистр команд, после чего она поступает на дешифратор команды. Выхо ды дешифратора подключены к узлу синхронизации и управления, определяющему требуемое для выполнения этой команды направление передач данных и реагирующему на внешние сигналы, поступающие по шине управления от других устройств.
В процессе исполнения коман ды содержимое РС автоматически увеличивается; таким образом, в лю бой момент времени его содержимое представляет собой адрес очередной ячейки памяти, где может храниться либо следующая команда, либо дополнительные данные, привлекаемые МП для исполнения данной команды. Регистр — указатель стека ( БР ) используется для хранения адреса последней использованной ячейки стека ( области памяти, размер которой изменяется в процессе обработки). Работа стека организована по принципу "последним пришел — первым вышел".
При записи данных в стек содержимое регистра БР автоматически уменьшается, и по этому адресу данные заносятся в память. При удалении данных из стека они переписываются нз ячеикн, адрес которой хранится в ЯР, после чего его содержимое автоматически увеличивается. Таким образом этот регистр всегда следит за положением вершииы стека(наиболее удаленной от начала стека ячейки памяти ). Информация об особенностях результата последней операции, выполненной АЛУ ( информация о внугреннем состоянии МП ), хранится в регистре флажков ( другие его названия — регистр состояния, регистР кода условия ).
В МП-технике так обычно называют простой набоР триггеров, состояния которых зависят от результатов операции АЛУ (строго говоря, простой набор отдельных триггеров нельзя называть регистром. но применительно к МП это не вызывает особых недоразумений ). Каждый триггер в составе регистра состояния устанавливается (илн сбрасывается) при какой-то своей особенности результата в АЛУ (например, триггер нуля у, переполнения Ч, отрицательного результата Х, переноса С и др.).
Регистры состояния программно доступны, причем программист может установить (или сбросить) каждый триггер в от 318 дельности или одновременно весь регистр. Рассмотренные выше основные компоненты в составе МП связаны между собой быстродействующей внутренней шиной данных, а его внешние шины отделены от нее буферными каскадами, повышающими нагрузочную способность внешних шин. Отметим, что разрядность МП определяется числом бит данных, которое обрабатывается в одной операции АЛУ, и всегда равна числу проводников внешней шины данных.
Объем адресуемой памяти МП зависит от числа проводников внешней адресной шины. Нетрудно убедиться в том, что с помощью адресной шины из Ж проводников МП может передать 2~ различных двоичных адресов ячеек памяти. Всякому внешнему устройству ввода — вывода также присваивается определенный адрес, что позволяет МП осуществлять операции ввода — вывода подобно обращению к обычной ячейке памяти.
Все операции в МП инициируются импульсами синхронизации от внешнего (реже встроенного) генератора тактовых ичпульсов, стабилизированного кварцевым резонатором. По значению частоты следования импульсов синхронизации в первом приближении можно судить о быстродействии МП. При прочих равных условиях оно тем больше, чем выше частота синхронизации. Первые образцы МП работали при частотах тактового генератора 2 — 4 мГц, для современных МП типичны значения частоты порядка 60 — 200 мГц и выше. 8-разрядные МП ( например, такие широко распространенные МП, как 1п~е1 8080 и разработанный примерно в то же время не менее популярный МП МС6800 фирмы "Мо~ого1а"; отечественный КР580ВМ80А; более совершенные 1псе! 8085, МСК6502, Е80.
МС6809 и другие) вьтускаются в виде ИС с 40 контактами при двухстороннем расположении выводов. Их шина адреса содержит 16 проводников, поэтому они непосредственно могут адресоваться к 65536ячейкам (64 кбайт) памяти. Все эти микропроцессоры при одинаковой внутренней архитектуре, как на рис. 7.2, различаются некоторыми конструктивными особенностями„функциями и количеством программно доступных внутренних регистров и, как следствие этого, наборами используемых команд. Например, МП 1п1е!8085 отличается от своего предшественника(1п[е1 8080) наличием встроенного генератора тактовых импульсов, а также мультиплексированием (использованием одних и тех же выводов) шины данных с половиной шины адреса.
Разработанный на основе семейства 1пге! 8080/8085 более совершенный МП 280 может выполнять все программы, записанные в машинных кодах МП 1п!е1 8085. Обратное же достигается не всегда, так как МП ~'80 имеет больше программно доступных внутренних регистров, поэтому не все его команды могут быть исполне- 319 ны МП 1п!е! 8085. Как правило, все последующие расширения набора команд МП одного семейства выполняются совместимыми на уров не машинных кодов, чтобы для последующих разработок можно было использовать все наработанное ранее программное обеспече ние !совместимость снизу вверх ). 8-разрядные МП, в основном, предназначены для создания на их основе микроконтроллеров — относительно несложных МС, широко применяемых в промышленности и в быту в качестве различных систем управления, воспринимающих сигналы ( например, контактных ) датчиков и выдающих исполнительным механизмам несколько управляющих сигналов ( типа включить / выключить).
/б-разрядные ЛХП обычно имеют 64-контактный корпус также с двухрядным расположением выводов. По сравнению с 8-разрядными основные преимущества этих МП заключаются в расширении набора команд, более быстром их исполнении и увеличенном объеме адресуемой памяти (обычно 1 Мбайт и более). Общепризнанным лидером на рынке 16-разрядных микропроцессоров считается фирма "1пге!". Популярные 16-разрядные МП (например, открывшие эру ПЭВМ МП семейства 1п!е! 8086 / 8088 и более мощные 80186, 80286; отечественный МП КМ1810ВМ86 и другие) представляли собой не просто усовершенствование раннее описанных МП (1пге1 8080 / 8085) „а содержали некоторые принципиальные решения в области разработки новых конфигураций центральных и специализированных микропроцессоров, позволяющих значительно повысить их быстродействие.
Увеличение быстродействия в 16-разрядных МП достигается путем улучшения организации процесса вычислений и применения дополнительных аппаратных средств. Среди архитектурных особенностей 16-разрядных МП отметим несомненную находку„связанную с применением для более быстрого исполнения команд принципа конвейери ации. Так называют специальную организацию работы МП, при которой каждая очередная команда заносится в регистр команд не из памяти, а выбирается из очереди команд. Для этого перед регистром команды дополнительно включается сверхбыстродействующий блок памяти, в который предварительно из памяти переписываются несколько очередных команд (очередь команд). Длина очереди составляет 6 байт (для МП 8086) и 4 байта (для МП 8088). Такой подход позволяет существенно повысить скорость выполнения программы за счет сокращения простоев быстродействующего процессора в промежутках времени, когда производится относительно более медленное обращение к памяти. К дополнительным аппаратным средствам относят разработанный 320 фирмой "1п1е1" специализированный процессор 8087 (более совершенный его вариант 180287) для ускоренного выполнения арифметических операций (с большими числами).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
