Принципы действия микрокомпьютеров

- -

 

Принципы  действия микрокомпьютеров

АРХИТЕКТУРА МИКРОКОМПЬЮТЕРОВ

 

Обычно выделяют три класса компьютеров:

а) большие компьютеры, которые обслуживают значительное число терминалов пользователей и периферийных устройств. Они применяются в больших системах обработки данных, например при бухгалтерских расчетах;

б) миникомпьютеры, которые обслуживают меньшее число терминалов пользователей (обычно до 40) и применяются, в небольших фирмах, а также в промышленных системах управления;

в) микрокомпьютеры, рассчитанные на одного пользователя (хотя новейшие системы вторгаются на рынок миникомпьютеров) и широко применяются в бытовой, коммерческой и промышленной сферах.

Особенность микрокомпьютера заключается  в том, что его центральный  процессор (ЦП) выполнен в виде одной микросхемы, называемой микропроцессором. Для образования законченного микрокомпьютера к микропроцессору подключаются микросхемы памяти и ввода-вывода.

На рис. 1.1 показана общая архитектура  всех типов компьютеров. Центральный процессор, т. е. микропроцессор (МП) в случае микрокомпьютера, имеет, три шины, связывающие все его компоненты. Выполняемая ЦП программа находится в памяти, которая в микрокомпьютерах состоит гигабитных ячеек. Процессор поочередно считывает каждую, команду из памяти, затем ее анализирует и исполняет. Последовательность выполнения каждой команды можно представить следующими тремя действиями: 1) ЦП выдает адрес следующей команды на шину адреса; 2) содержимое ячейки по указанному адресу появляется на шине данных; 3) ЦП считывает команду и исполняет ее.

Сигналы, требующиеся для реализации указанных действий, передаются по шине управления.

Помимо команд программы в памяти компьютера хранятся значения переменных. Они могут быть числами (представленными в двоичной системе счисления) или символами, которые легко вывести на экран дисплея или печатающее устройство (символы представляются в так называемом коде ASCII, означающем Американский Стандартный Код для обмена информацией).

В модуле ввода-вывода содержатся схемы, через которые происходит обмен программами и данными с периферийными устройствами, например внешней памятью (обычно дискетный накопитель), - принтером и дисплеем (терминалом пользователя).

В простейших микрокомпьютерах, например карманном калькуляторе или контроллере стиральной машины, все три модуля. (ЦП, память и ввод-вывод) помешаются в одной микросхеме.

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР

 

Типичная внутренняя организация  ЦП приведена на рис. 1.2. Все действия в ЦП инициируются импульсами синхронизации, а внутренние элементы выполняют следующие функции:

содержимое программного счетчика помещается на шину адреса, и следующую команду программы можно передать из памяти в ЦП;

регистр команды воспринимает команду;

устройство управления дешифрует команду и инициирует в ЦП те действия, которые необходимы для ее выполнения;

рабочие-регистры содержат элементы данных, обрабатываемые командой (специализированный рабочий регистр, который может воспринимать результаты операций арифметико-логического устройства, называется аккумулятором);

все операции ЦП реализуются в арифметико-логическом устройстве (АЛУ). Оно может изменять значения данных за счет привлечения арифметических (сложение, вычитание и др.) и логических (логическое И, логических ИЛИ и др.) функций;

регистр состояния  содержит флажки, регистрирующие особенности результатов операций АЛУ, например нулевой результат.

Длина слова ЦП определяется числом бит, которое обрабатывается в одной операции АЛУ, например 8-битный ЦП может выполнить операцию арифметического сложения двух 8-битных чисел, Корпуса микропроцессоров объединяются в следующие группы:

8-битные микропроцессоры всегда  выпускаются в 40-контактном корпусе типа DIP (с двухсторонним расположением выводов);

16-битные микропроцессоры обычно имеют 64-контактный корпус типа DIP;

82-битные микропроцессоры имеют от 60 до 120 контактов на корпусах типа «держатель кристалла» (контакты по всем четырем сторонам корпуса) или PGA (сетка контактов).

Выполнение каждой команды удобно разделить на две операции (фазы)-выборка и исполнением Если фаза выборки цикла Выборка-исполнение одинакова для всех команд, то фаза исполнения может потребовать или не потребовать дополнительных обращений к памяти. Фаза исполнения некоторых команд требует только операций АЛУ, а не более медленных обращений к памяти. Поэтому время выполнения команды оказывается переменным и «зависит от характера команды, что и проиллюстрировано в следующих примерах.

 Пример команды  1-прибавить регистр В к регистр А.

Этап 1-выборка команды.

Этап 2-выполнение ее (прибавить содержимое регистра В к содержимому аккумулятора А). Пример команды 2-загрузить регистр А из памяти. Этап 1 выборка команды. Этап 2 - выполнение действия 1 (считать в ЦП первую половину адреса памяти).

Этап 3 - выполнение действия 2 (считать  в ЦП вторую половину адреса памяти).

Этап 4-выполнение действия 3 (считать  в регистр А байт данных по адресу памяти).

Вторая команда выполняется  примерно в 2 раза дольше, чем первая. Отметим, что в 8-битном микропроцессоре  длина первой команды составляет 1 байт, т. е. команда занимает одну ячейку памяти. Длина же второй команды составляет 3 байта, так как второй и третий байты содержат 16-битный адрес памяти, по которому хранится нужное значение данных. В этом случае второй и третий байты называются операндом команды, а первый байт, определяющий действие команды, называется кодом операции.

Система команд конкретного ЦП может  содержать от 50 до нескольких сот  различных команд. Последнее удобно разделить на следующие четыре класса:

1) команды обработки данных, т.  е. когда АЛУ изменяет значение данных;

2) команды переходов, т. е.  передачи управления другой ячейке памяти;

3) команды пересылки данных, например, между регистром ЦП, и другим  регистром ЦП, ячейкой памяти или каналом ввода-вывода;

4) дополнительные команды, например прекращение выполнения программы.

В командах обработки и пересылки  данных применяются различные способы обращения к данным, называемые режимами адресации. Наиболее широко распространены следующие режимы адресации:

прямая регистровая, адресация, когда значение данных находится в регистре ЦП;

прямая (абсолютная) адресация памяти, когда значение данных находится  в ячейке памяти;

косвенная регистровая адресация, когда значение данных находится в ячейке памяти, определяемой внутренним регистром ЦП (регистровой парой а 8-битном ЦП ); непосредственная адресация, когда значение данных находится в самой команде (во втором байте в случае 8-битного ЦП);

индексная адресация, аналогичная  косвенной регистровой адресации, но для вычисления адреса памяти смещение из команды прибавляется к содержимому индексного регистра.

ПАМЯТЬ

 

Микросхемы памяти выпускаются  в виде постоянных запоминающих устройств (ПЗУ или ROM), из которых можно только считывать информацию, и запоминающих устройств с произвольной выборкой (ЗУПВ или RAM), которые позволяют осуществлять операции считывания и записи информации. Разводка контактов типичной микросхемы ПЗУ показана на рис. 1.3. Десять линий адреса обеспечивают адресацию 2¹⁰=1024=1К ячеек памяти, а 8 линий данных показывают, что в каждой ячейке памяти хранятся 8 бит. Следовательно, организацию памяти для этой микросхемы можно описать как 1024Х8.

Байт считывается из микросхемы, когда сигнал CS (выбор кристалла) имеет двоичное значение О. (Черта над буквами CS обозначает инверсную логику, т. е. сигнал действует, когда он имеет значение двоичного О.)

 Промышленностью выпускаются  следующие совместимые по контактам.  Разновидности микросхем ПЗУ: собственно ПЗУ, программируемые с помощью фотошаблона в процессе производства микросхем; программируемые ПЗУ (ППЗУ или PROM), которые создаются самим пользователем; стираемые ППЗУ (СППЗУ или EPROM), информацию с которых можно стереть, ультрафиолетовым излучением и репрограммировать.

Разводка контактов микросхем  ЗУПВ аналогична ПЭУ, но в них требуется дополнительный сигнал RIW считывания/записи в шине управления ЦП, который управляет направлением передачи байта. Микросхемы ЗУПВ подразделяются на статические с сохранением двоичных наборов данных до выключения питания (такая память называется энергозависимой) и динамические с сохранением двоичных наборов только в течение 2 мс, а затем требующие регенерации.

Полная схема памяти микрокомпьютера  показана на рис. 1.4. Микросхемы ПЗУ  и ЗУПВ подключаются к шине данных и необходимому числу младших линий адреса. Сигналы выборки кристалла формирует дешифратор 2:4, что обеспечивает в системе одновременный выбор только одной микросхемы. Таблица истинности дешифратора приведена в табл. 1.1. В любой момент времени только на одном из его четырех выводов действует сигнал логического 0, а на входе сигнал G (разрешение) должен быть при этом равен 0, иначе ни на одном из выходов не будет сигнала 0. В этой конкретной схеме памяти формируются следующие адреса:

 

	A15	A14	A13	A12	A11	A10		A0
Начало ПЗУ	0	X	X	0	0	0	……	0	0000H
Конец ПЗУ	0	X	X	0	0	1	……	1	07FFH
Начало ЗУПВ	0	X	X	0	1	0	……	0	0800H
Конец ЗУПВ	0	X	X	0	1	1	……	1	0FFFH

 

Сигнал на линии A15 разрешает дешифратор, а сигналы на линиях A12 и А11 дешифрируются и определяют выбор микросхем. Символ X означает, что сигнал не используется и предполагается равным нулю. Заключительная буква Н (Hex-шестнадцатеричный) в записи числа означает представление его в шестнадцатеричном формате.

 

 

 

 

 

 

  Таблица 1.1. Таблица истинности дешифратора 2:4

 

Входы			Выходы
A12 0 0 1 1	A11 0 1 0 1	CS4 1 1 1 0		CS3 1 1 0 1	CS2 1 0 1 1	CS1 0 1 1 1

 

Группирование 16 бит в четыре шестнадцатеричные цифры дает адреса, показанные в таблице справа. Их можно представить на карте памяти для компьютера (рис. 1.5). Карта показывает программисту, где размещать программы и данные.

Если в схеме памяти имеется  больше четырех микросхем, то вместо дешифратора 2: 4 потребуется дешифратор 3:8, а на его входы подключаются неиспользуемые старшие линии шины адреса.

В некоторых микропроцессорах отсутствуют команды ввода-вывода, поэтому микросхемы ввода-вывода приходится подключать так, как будто они являются микросхемами памяти, и адресовать в командах передач с памятью. Такой способ называется вводом-выводом, отображенным на память. Если ЦП не имеет команд ввода-вывода, то для микросхем памяти и ввода-вывода применяются отдельные дешифраторы, как показано на рис. 1.6. В этой конфигурации микросхемы памяти и ввода-вывода могут иметь одни и те же адреса, т.е. карта памяти может перекрываться с картой ввода-вывода. Однако конфликта на шине не возникает, так как ЦП выдает сигнал при выполнении передач с памятью (для выбора первого дешифратора) и сигнал при осуществлении передач ввода-вывода (для выбора второго дешифратора).

ВВОД-ВЫВОД

 

Микросхемы ввода-вывода применяются  для подключения микрокомпьютера к разнообразным периферийным устройствам (внешняя память, принтер, дисплей), линиям связи с другими компьютерами, приборами и электрическому оборудованию в системах управлений, различным индикаторам и т. п. Если микросхемы памяти (ПЗУ и ЗУПВ) выпускаются различными фирмами, не производящими ЦП, к которому подключается память, то микросхемы ввода-вывода обязательно приспосабливаются под ЦП и предлагаются производителями ЦП в качестве вспомогательных.