Микропроцессор. Основные сведения

 

Центральное место в структуре любой ЭВМ занимает процессор, т. е. устройство, непосредственно осуществляющее обработку цифровой информации в соответствии с заданной программой. В соответствии с рисунком 112 любое устройство переработки информации можно разделить на два блока: операционный и управляющий.

Рисунок 112

Операционный блок (ОБ) производит прием и временное хранение исходных данных, их преобразование и передачу результата обработки следующим устройствам, проверяет соответствие результата обработки данных заранее обусловленным признакам и сообщает результаты проверки управляющему блоку.

Управляющий блок (УБ) вырабатывает управляющие сигналы, вид которых зависит от кода текущей операции и признаков результата выполнения предыдущей операции.

Процесс выполнения команды в ЭВМ растянут во времени и происходит за несколько машинных тактов. Каждая из элементарных операций, выполняемых за один такт, называется микрооперацией. Совокупность одновременно выполняемых микроопераций называется микрокомандой. Временная последовательность работы процессора определяется программой -> командой -> микрокомандой (микрооперациями). Интервал времени, за который выполняется микрокоманда, называется машинным тактом, а время, необходимое для выполнения команды,— машинным циклом.

Операционный и управляющий блоки должны состоять из комбинационных и запоминающих устройств. Запоминающие устройства, входящие состав процессора, выполнены в виде отдельных быстродействующих регистров и называются местной регистровой памятью. Скорость обращения к этим регистрам значительно больше, чем к основной памяти ЭВМ, и поэтому местную память называют также сверхоперативным запоминающим устройством (СОЗУ).

 

Операционный блок

 

Основой операционного блока (ОБ) микропроцессора является арифметическо-логическое устройство (АЛУ), предназначенное для программируемой обработки информации.

В соответствии с рисунком 113 в состав операционного блока входит часть СОЗУ, представленная группой регистров общего назначения (РОН) и буферными регистрами (РБ). Эти регистры имеют ту же разрядность, что и АЛУ, и соединены в одну систему (операционный блок) при помощи общей n -разрядной шины данных. В РОН хранятся числа, подлежащие обработке, и результаты обработки.

Рисунок 113

Но на рисунке не показаны линии, по которым передаются управляющие сигналы: коды операции АЛУ; адрес выбранного РОН; команды записи и считывания информации из различных регистров. Микрокоманды, выполняемые этим операционным блоком:

- запись слова, находящегося на шине данных, в любой регистр общего назначения или буферный регистр;

- выборка слова из любого РОН на шину данных;

- выполнение одной из 32 арифметическо-логических операций над содержимым двух буферных регистров РБ и запись результата в любой свободный РОН.

Операционный блок имеет серьезные недостатки:

- отсутствуют сигналы признаков результата (равенство результата нулю, отрицательный результат и т. п.);

- не используется сигнал арифметического переноса Р из АЛУ, который может понадобиться при выполнении операций со словами удвоенной длины;

- трудно организовать часто встречающиеся операции поразрядного сдвига результата влево и вправо.

 

Управляющий блок

 

Управляющий блок микропроцессора выполняет две основные функции:

- производит выборку команд программы в необходимом порядке из внешнего ЗУ;

- дешифрует выбранную команду и управляет выполнением микроопераций и микрокоманд в течение одного машинного цикла.

В соответствии с рисунком 114 для выполнения перечисленных функций в состав управляющего блока входят соответствующие аппаратурные средства:

- счетчик команд (СТК);

- регистр адреса (РА);

- регистр команд (РК);

- устройство управления выполнением команды (УУВК).

Рисунок 114

Обрабатываемые данные и программа загружаются пользователем в основную память — ЗУ, которая является внешним по отношению к микропроцессору (МП) устройством. Данные из внешних устройств поступают на внутреннюю шину МП через ШФ в виде п -разрядных слов. Для выборки необходимой команды МП должен обратиться к конкретной ячейке ЗУ, выставив на адресных входах ЗУ код этой ячейки. Эту операцию выполняет регистр адреса, к выходам которого подключена адресная шина. Так как данные и фрагменты программы могут храниться в любом месте ЗУ, то РА памяти должен иметь разрядность, не меньшую адресной разрядности ЗУ. Поэтому в большинстве МП разрядность РА больше длины слова данных.

Номер ячейки памяти, к которой требуется обращение, может находиться в различных узлах процессора. Поэтому при выборке данных из ЗУ адрес ячейки выставляется на шину данных и с нее переписывается в РА по управляющему сигналу Y 25 (вход С регистра). При этом другой управляющий сигнал — Y 26 (Ш/СТК) — устанавливает регистр в режим приема информации с шины (Ш), а не со счетчика (СТК). Так как разрядность шины данных меньше разрядности адреса, то запись адреса производится за два такта: сначала младшие разряды, затем старшие (по управляющему сигналу Y 27«МР/СР»).

Адрес ячейки ЗУ, в которой находится команда, вырабатывается счетчиком команд СТК, многоразрядный выход которого соединен напрямую с входом РА. Поэтому при выборке команд из ЗУ регистр адреса переводят в режим приема информации от счетчика (сигнал Y 26) и сигналом Y 25 переписывают содержимое СТК в РК.

Счетчик команд определяет очередность выборки команд из ЗУ. Команды в программе располагаются одна за другой в определенном порядке. Обычно каждая следующая команда имеет адрес, на единицу больший адреса предыдущей команды. Однако в случае ветвления программы или перехода к подпрограмме возникает необходимость обратиться к новому адресу, значительно отличающемуся от предыдущего. Таким образом, СТК должен уметь подсчитывать количество сделанных шагов (выполненных команд) начиная с любого исходного адреса. В начале работы микропроцессора (по сигналу начальной установки) или в процессе работы (по командам условных и безусловных переходов) на внутренней шине данных выставляется некий исходный адрес начала нового фрагмента программы. Этот адрес поступает на входы параллельной записи СТК и по управляющему сигналу Y 22 (режим «запись с входов») записывается в СТК. Так как разрядность шины данных меньше разрядности адреса, то запись исходного адреса производится за два такта (так же как и в РА). Затем СТК сигналом Y 22 переводится в режим «счет импульсов с входа С» (СЧ) и последовательно подсчитывает количество выполненных команд в данном фрагменте программы. СТК имеет возможность передать адрес команды не только в РА, но и в шину данных (режим «чтение», сигнал Y 24 и выход Qш), что позволяет использовать некоторые дополнительные способы адресации ЗУ.

Регистр команд (РК) предназначен для хранения кода выполняемой команды. Сменить информацию в этом регистре можно только после, выполнения всех микрокоманд, составляющих текущую команду. Разрядность зависит от числа команд, выполняемых МП.

Процесс выборки из ЗУ адреса команды после включения микропроцессора.

Первый этап. Исходный адрес устанавливается на шине данных и переписывается в счетчик команд СТК.

Второй этап. С выхода СТК адрес переписывается в регистр адреса РА и по внешней адресной шине поступает на ЗУ.

Третий этап. По заданному адресу из ЗУ считывается необходимая команда и через шинный формирователь ШФ поступает в МП на внутреннюю шину данных.

Четвертый этап. С шины данных команда по сигналу К21 переписывается в регистр команд РК. Этот же сигнал (Y21) увеличивает на единицу адрес команды, формируемой в СТ.

На этом заканчивается процесс выборки команды из ЗУ, называемый подциклом выборки, и МП переходит ко второму подциклу: выполнению команды. В течение второй части машинного цикла операционный блок (под действием сигналов управления) выполняет все необходимые микрокоманды. Если при этом операционному блоку понадобятся какие-либо данные из ЗУ, то ОБ может воспользоваться РА (через шину данных) и выставить на адресной шине код необходимой ячейки ЗУ. Еще раз отметим, что такое обращение к РА не изменяет содержимого РК и СТК и, следовательно, не нарушает выполнение текущей команды и порядок следования команд.

После завершения всех операций текущей команды начинается новый цикл. При этом второй и все следующие подциклы выборки будут короче первого, так как они начнутся со второго этапа: записи в РК адреса, подготовленного СТК во время второй части предыдущего цикла.

В соответствии с рисунком 115 после выборки команды из ЗУ она поступает в устройство управления выполнением команды УУВК.

Рисунок 115

Устройство управления предназначено для организации необходимой последовательности действия всех остальных узлов микропроцессора. УУВК состоит из дешифратора команд DK, устройства памяти микрокоманд ПЗУ_МК, счетчика микрокоманд СТ_МК и устройства управления выполнением микрокоманд УУВ_МК. Дешифратор команд DK расшифровывает код команды с учетом признаков П выполнения логических условий в предыдущем машинном цикле (при выполнении предыдущей команды). Преобразованный многоразрядный код команды поступает на ПЗУ_МК, в котором хранятся микропрограммы выполнения всех команд. Выбор необходимой микропрограммы осуществляется кодом, поступающим от DK, а пошаговое исполнение микропрограммы управляется счетчиком микрокоманд. СТ_МК получает единичное приращение после выполнения очередной микрооперации и обнуляется при окончании последнего машинного такта, заданного кодом команды.

Устройство управления выполнением микрокоманд УУВ_МК формирует последовательность сигналов, управляющих микрооперациями, необходимыми для выполнения данной микрокоманды. Эта последовательность формируется в пределах одного машинного такта и обычно является многофазной (2...4 фазы). Временные границы такта и фазы управляющих сигналов задаются синхроимпульсами (СИ), которые или генерируются внутри УУВК, или поступают от внешнего генератора синхросигналов. Пример образования двухфазной последовательности СИ показан в соответствии с рисунком 116. Благодаря многофазности синхросигналов в одном такте микропроцессора может совершаться несколько последовательных групп событий.

Рисунок 116

Схемотехнически УУВ_МК представляет собой набор формирователей управляющих сигналов, фазы и длительность которых согласованы с синхроимпульсами. Количество формирователей определяется числом управляющих сигналов, выходящих из УУВ_МК. Разрешение на работу того или иного формирователя в данном такте поступает от ПЗУ_МК в виде кода микрокоманды.

Хранение микропрограмм в специальном ПЗУ позволяет вносить изменения в систему команд микропроцессора и на основе одной и той же базовой БИС получать специализированные устройства обработки данных, ориентированные на выполнение различных задач. Чтобы предоставить такую возможность не только разработчику, но и пользователю МП, устройство памяти можно выполнять в виде перепрограммируемого ПЗУ. Такое ППЗУ встраивается в БИС микропроцессора и дает возможность потребителю записать в него необходимую систему команд.

Если же специализация МП не требуется и система команд жестко определена разработчиком, то ПЗУ_МК можно заменить дешифратором микрокоманд D_MK.

Такая замена усложняет структуру УУВмк, но увеличивает быстродействие микропроцессора.