Архитектура микропроцессора

Введение

1. Общая характеристика  архитектуры процессора

1.1 Базовая  структура микропроцессорной системы

1.2 Понятие  архитектуры микропроцессора

1.3 Обзор существующих  типов архитектур микропроцессоров

2. Устройство  управления

3. Особенности  программного и микропрограммного управления

4. Режимы  адресации

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Процесс взаимодействия человека с ЭВМ насчитывает уже  более 40лет. До недавнего времени  в этом процессе могли участвовать  только специалисты - инженеры, математики - программисты, операторы. В последние годы произошли кардинальные изменения в области вычислительной техники. Благодаря разработке и внедрению микропроцессоров в структуру ЭВМ появились малогабаритные, удобные для пользователя персональные компьютеры. Ситуация изменилась, в роли пользователя может быть не только специалист по вычислительной технике, но и любой человек, будь то школьник или домохозяйка, врач или учитель, рабочий или инженер. Часто это явление называют феноменом персонального компьютера. В настоящее время мировой парк персональных компьютеров превышает 20 млн.

Почему возник этот феномен? Ответ на этот вопрос можно найти, если четко сформулировать, что такое персональный компьютер  и каковы его основные признаки. Надо правильно воспринимать само определение " персональный", оно не означает принадлежность компьютера человеку на правах личной собственности. Определение "персональный" возникло потому, что человек получил возможность общаться с ЭВМ без посредничества профессионала-программиста, самостоятельно, персонально. При этом не обязательно знать специальный язык ЭВМ. Существующие в компьютере программные средства обеспечат благоприятную " дружественную" форму диалога пользователя и ЭВМ.

В настоящее  время одними из самых популярных компьютеров стали модель IBM PC и ее модернизированный вариант IBM PC XT, который по архитектуре, программному обеспечению, внешнему оформлению считается базовой моделью персонального компьютера.

Основой персонального  компьютера является системный блок. Он организует работу, обрабатывает информацию, производит расчеты, обеспечивает связь человека и ЭВМ. Пользователь не обязан досконально разбираться в том, как работает системный блок. Это удел специалистов. Но он должен знать, из каких функциональных блоков состоит компьютер. Мы не имеем четкого представления о принципе действия внутренних функциональных блоков окружающих нас предметов - холодильника, газовой плиты, стиральной машины, автомобиля, но должны знать, что заложено в основу работы этих устройств, каковы возможности составляющих их блоков.

1. Общая характеристика  архитектуры процессора

1.1 Базовая структура  микропроцессорной системы

Задача управления системой возлагается на центральный  процессор (ЦП), который связан с  памятью и системой ввода-вывода через каналы памяти и ввода-вывода соответственно. ЦП считывает из памяти команды, которые образуют программу и декодирует их. В соответствии с результатом декодирования команд он осуществляет выборку данных из памяти портов ввода, обрабатывает их и пересылает обратно в память или порты вывода. Существует также возможность ввода-вывода данных из памяти на внешние устройства и обратно, минуя ЦП. Этот механизм называется прямым доступом к памяти (ПДП).

С точки зрения пользователя при выборе микропроцессора  целесообразно располагать некоторыми обобщенными комплексными характеристиками возможностей микропроцессора. Разработчик нуждается в уяснении и понимании лишь тех компонентов микропроцессора, которые явно отражаются в программах и должны быть учтены при разработке схем и программ функционирования системы. Такие характеристики определяются понятием архитектуры микропроцессора.

1.2 Понятие архитектуры  микропроцессора

Архитектура типичной небольшой вычислительной системы  на основе микроЭВМ показана на рис. 1. Такая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации.

Рис. 1. Архитектура типового микропроцессора.

Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы  с помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется 16-разрядная адресная шина (ША), которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-разрядной информационной шине или шине данных (ШД) осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что МП может посылать информацию в память микроЭВМ или к одному из портов вывода, а также получать информацию из памяти или от одного из портов ввода.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую программу (на практике программу инициализации ЭВМ). Программы могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.

В качестве примера, иллюстрирующего  работу микроЭВМ, 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 микроЭВМ.

3. Вывести букву "А"  на экран дисплея.

Это типичная процедура ввода-запоминания-вывода, рассмотрение которой дает возможность пояснить принципы использования некоторых устройств, входящих в микроЭВМ.

На рис. 2 приведена подробная  диаграмма выполнения процедуры  ввода-запоминания-вывода. Обратите внимание, что команды уже загружены в первые шесть ячеек памяти. Хранимая программа содержит следующую цепочку команд:

1. Ввести данные из  порта ввода 1.

2. Запомнить данные в  ячейке памяти 200.

3. Переслать данные в  порт вывода 10.

В данной программе всего  три команды, хотя на рис. 2 может показаться, что в памяти программ записано шесть команд. Это связано с тем, что команда обычно разбивается на части. Первая часть команды 1 в приведенной выше программе - команда ввода данных. Во второй части команды 1 указывается, откуда нужно ввести данные (из порта 1). Первая часть команды, предписывающая конкретное действие, называется кодом операции (КОП), а вторая часть - операндом. Код операции и операнд размещаются в отдельных ячейках памяти программ. На рис. 2 КОП хранится в ячейке 100, а код операнда - в ячейке 101 (порт 1); последний указывает откуда нужно взять информацию.

В МП на рис. 2 выделены еще  два новых блока - регистры: аккумулятор  и регистр команд.

Рис. 2. Диаграмма  выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода

Рассмотрим  прохождение команд и данных внутри микроЭВМ с помощью занумерованных кружков на диаграмме. Напомним, что  микропроцессор - это центральный  узел, управляющий перемещением всех данных и выполнением операций.

Итак, при выполнении типичной процедуры ввода-запоминания-вывода в микроЭВМ происходит следующая  последовательность действий:

1. МП выдает  адрес 100 на шину адреса. По  шине управления поступает сигнал, устанавливающий память программ (конкретную микросхему) в режим считывания.

2. ЗУ программ  пересылает первую команду ("Ввести  данные") по шине данных, и МП  получает это закодированное  сообщение. Команда помещается  в регистр команд. МП декодирует (интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нужен операнд.

3. МП выдает  адрес 101 на ША; ШУ используется  для перевода памяти программ  в режим считывания.

4. Из памяти  программ на ШД пересылается  операнд "Из порта 1". Этот  операнд находится в программной  памяти в ячейке 101. Код операнда (содержащий адрес порта 1) передается по ШД к МП и направляется в регистр команд. МП теперь 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" передается в аккумулятор внутри МП и запоминается.Важно отметить, что при обработке каждой программной команды МП действует согласно микропроцедуре выборки-декодирования-исполнения.

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

7. Код команды  "Запомнить данные" подается  на ШД и пересылается в МП, где помещается в регистр команд.

8. МП дешифрирует  эту команду и определяет, что  для нее нужен операнд. МП  обращается к ячейке памяти 103 и приводит в активное состояние вход считывания микросхем памяти программ.

9. Из памяти  программ на ШД пересылается  код сообщения "В ячейке  памяти 200". МП воспринимает этот  операнд и помещает его в  регистр команд. Полная команда  "Запомнить данные в ячейке памяти 200" выбрана из памяти программ 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" передается по ШД и записывается в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая команда. Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем по-прежнему находится код буквы "А".

12. 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 ее  в регистр команд, дешифрирует  и определяет, что нужен операнд.

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

15. Из памяти  программ по ШД к МП поступает  код операнда "В порт 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" (все еще находящийся в аккумуляторе) по ШД. Буква "А" выводится через порт 10 на экран дисплея.

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

Подчеркнем  еще раз, что именно микропроцессор 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:

- выборку команд  программы из основной памяти;

- дешифрацию  команд;

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

- управление  пересылкой информации между  регистрами и основной памятью,  между устройствами ввода/вывода;

- отработку  сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств;

- управление  и координацию работы основных  узлов МП.

1.3 Обзор  существующих типов архитектур  микропроцессоров

Существует  несколько подходов к классификации  микропроцессоров по типу архитектуры. Так, выделяют МП с CISC (Complete Instruction Set Computer) архитектурой, характеризуемой полным набором команд, и RISC (Reduce Instruction Set Computer) архитектурой, которая определяет систему с сокращенным набором команд одинакового формата, выполняемых за один такт МП.

Определяя в  качестве основной характеристики МП разрядность, выделяют следующие типы МП архитектуры:

- с фиксированной разрядностью  и списком команд (однокристальные);

- с наращиваемой разрядностью (секционные) и микропрограммным управлением.

Анализируя адресные пространства программ и данных, определяют МП с  архитектурой фон Неймана (память программ и память данных находятся в едином пространстве и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в  ячейке памяти) и МП с архитектурой Гарвардской лаборатории (память программ и память данных разделены, имеют свои адресные пространства и способы доступа к ним).

Рассмотрим более подробно основные типы архитектурных решений, выделяя связь со способами адресации  памяти.

1. Регистровая архитектура определяется наличием достаточно большого регистрового файла внутри МП. Команды получают возможность обратиться к операндам, расположенным в одной из двух запоминающих сред: оперативной памяти или регистрах. Размер регистра обычно фиксирован и совпадает с размером слова, физически реализованного в оперативной памяти. К любому регистру можно обратиться непосредственно, поскольку регистры представлены в виде массива запоминающих элементов - регистрового файла. Типичным является выполнение арифметических операций только в регистре, при этом команда содержит два операнда (оба операнда в регистре или один операнд в регистре, а второй в оперативной памяти).

К данному типу архитектуры  относится микропроцессор фирмы Zilog. Процессор Z80 - детище фирмы Zilog помимо расширенной системы команд, одного номинала питания и способности исполнять программы, написанные для i8080, имел архитектурные "изюминки".

Рис. 3. Микропроцессор Z80 фирмы Zilog.