Тимофеев А.С. Цифровые устройства и микропроцессоры по дисциплине Микропроцессорные устройства: учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

последовательную загрузку и считывать в обратном порядке ранее

загруженные данные. При обращении к стеку в РА загружается

адрес из регистра указателя стека. Таким образом, мы, в основном,

определили состав элементов, входящих в структуру

микропроцессора, и указали необходимые связи между

компонентами. Приведем полную структурную схему

микропроцессора (рисунок 1.4).

Внутренняя

шина

Регистр

команд

Устройство

управления

Счетчик

команд

АЛУ

Аккумулятор

Мультиплексор

выбора

РОН

Регистр

Данных

Регистр

Адреса

ШУ

ШД

Блок

РОН

ССП

Дешифратор

команд

ША

Указатель

стека

Рисунок 1.4 − Полная структурная схема микропроцессора

Дополнительно в функции УУ МП может входить

обслуживание прерываний, режим прямого доступа к памяти,

режим синхронизации с работой медленных внешних устройств т.д.

Прерыванием называется некое внешнее или внутреннее

событие, требующее немедленной реакции, например, готовность

устройства к вводу/выводу, которое специальными аппаратными

средствами прерывает текущий программный процесс и вынуждает

микропроцессор загрузить специальную подпрограмму

обслуживания прерывания. После ее завершения МП возвращается

к выполнению прерванной программы.

Режим прямого доступа к памяти (ПДП) предполагает, что

на некоторое время МП полностью отключается от всех шин. В это

время аппаратное устройство, называемое контроллер ПДП,

формирует адреса памяти и сигналы записи/чтения, а некоторое

устройство ввода/вывода напрямую записывает или считывает

ячейки памяти. Этот режим позволяет наиболее быстро загрузить

или считать большой блок памяти.

1.2 Контрольные вопросы

1.Перечислите основные функции, которые выполняет

обычная ЭВМ.

2.Чем отличаются понятия микро-ЭВМ и микропроцессор?

3.Для каких целей в состав МП введены регистры общего

назначения?

4.Какие преимущества можно отметить у структуры МП, в

которой используется аккумулятор?

5.Для чего в структуре МП используется внутренняя шина?

6.Перечислите основные функции каждого из компонентов,

входящих в состав микропроцессора.

2 КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

2.1 Микропроцессоры с фиксированной системой команд

Рассмотрим последовательность элементарных действий при

выполнении некоторой простой команды. Процесс выполнения

команды в МП может включать следующие шаги:

1.Устройство управления УУ загружает в регистр адреса РА

адрес следующей команды из счетчика команд СК и формирует

сигнал чтения памяти. Содержимое адресуемой ячейки памяти в

виде слова команды загружается в регистр данных РД.

2.Команда из РД записывается в регистр команд и поступает

на дешифратор команд. Дешифратор сообщает УУ о

запрашиваемой функции обработки в АЛУ и об указанных в

команде регистрах.

3.Устройство управления задает в АЛУ требуемый тип

операции, передает в мультиплексор выбора РОН адрес

запрашиваемого регистра.

4.На вход АЛУ поступают операнды из аккумулятора и

выбранного регистра РОН. АЛУ выполняет требуемую операцию.

5.Результат операции через внутреннюю шину загружается в

заданный командой регистр–приемник.

6.Устройство управления проверяет состояние внешних

входных сигналов с целью формирования необходимой реакции на

текущее внешнее воздействие.

7.УУ вычисляет адрес следующей команды.

В данной команде предполагается, что операнды уже

загружены во внутренние регистры, а один из операндов размещен

в аккумуляторе. Количество шагов значительно увеличивается при

необходимости выборки операндов из произвольных регистров, из

памяти, или размещения результата в памяти. В этом случае

выполнение команды может занимать до 10 – 15 и более шагов.

Набор шагов различается для разных команд. Несмотря на то, что

часть шагов в каждой команде может быть выполнена параллельно

(одновременно), для выполнения всей команды требуется

определенный отрезок времени, кратный периоду тактовых

импульсов. С каждым тактовым импульсом выполняется одна или

несколько элементарных операций. Таким образом, для управления

шагами при выполнении команды необходим многофазный

генератор тактовых импульсов. Как различаются команды между

собой? Все многообразие выполняемых команд, включая разные

типы операций, различные методы адресации операндов,

распознается по первому слову команды, который называется

кодом операции (КОП). Типичная команда состоит из кода

операции и нескольких операндов. Например, команда сложения

может потребовать до четырех операндов. В общем случае, для

этой операции нужны адреса двух операндов, адрес

регистра/ячейки результата и адрес следующей команды. Большое

количество операндов снижает быстродействие всей системы, так

как разрядность ШД ограничена, а операнды друг за другом

считываются из медленной внешней памяти. Поэтому, для

повышения быстродействия, стремятся снизить количество

операндов в команде. В большинстве МП любой команде требуется

не более двух операндов. Это можно достигнуть несколькими

приемами, каждый из которых дает некоторый выигрыш по

времени выполнения команды.

1.Очередная команда располагается непосредственно за

текущей, поэтому адрес следующей команды можно опустить.

Адрес следующей команды указывается только в специальных

командах переходов, которые изменяют последовательный

характер выполнения программы.

2.Один или оба операнда размещаются во внутренних

регистрах МП, для обращения к которым требуются короткие

адреса. Эти адреса можно совместить в одном операнде и опустить

другой операнд.

3.Результат запоминается в одном из операндов,

участвующих в операции, поэтому адрес регистра результата в

команде не задается. В типичном микропроцессоре могут

применяться команды длиной от одного до нескольких байт

(рисунок 2.1 а, б, в).

КОД КОМАНДЫ

(КОП)

АДРЕС

РЕГИСТРА - ПРИЕМНИКА

АДРЕС

РЕГИСТРА - ИСТОЧНИКА

а)

НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ

ОПЕРАНД

КОП

б)

СТАРШИЙ БАЙТ

16 БИТНОГО АДРЕСА

МЛАДШИЙ БАЙТ

16 БИТНОГО АДРЕСА

КОП

в)

а – однобайтовая команда; б – двухбайтовая команда; в –

трехбайтовая команда с 16-битовым адресом

Рисунок 2.1 − Типы команд

Микропроцессоры, имеющие неизменяемый набор команд,

постоянную длину командного слова и неизменную ширину

информационных шин, называются МП с фиксированной

системой команд. Такие микропроцессоры, чаще всего,

выполняются на одном кристалле. В этих МП, как правило,

устройство управления выполнено в виде автомата на жесткой

логике. Такой автомат функционирует, используя различные

сигналы с выходов дешифратора команд, разные фазы генератора

тактовых импульсов и различные сигналы на входах УУ. Система

команд, в этом случае, закладывается на этапе разработки

микропроцессора. При разработке прикладной МП системы у

разработчика нет возможности изменять систему команд, исходя из

потребностей задачи. Можно отметить некоторые достоинства МП

с фиксированной системой команд:

1.Неизменная система команд и фиксированная ширина шин

определяют типовую структуру МП-системы. Поэтому разработка

такой МП-системы отличается невысокими затратами и простотой

проектирования и конструирования аппаратной части проекта.

2.Большая номенклатура выпускаемых МП-комплектов

позволяет несложно подобрать подходящий микропроцессор.

3.Для большого числа МП-комплектов имеются различные

программные и аппаратные разработки, позволяющие повысить

эффективность труда разработчиков. Сюда могут входить

различные библиотеки подпрограмм, средства трансляции

программ в машинный язык, программные и аппаратные средства

эмуляции и моделирования работы МП и компонентов системы,

различные средства отладки аппаратуры и программ с

использованием, например, мощной ЭВМ и фирменных

отладчиков. У микропроцессоров с фиксированной системой

команд можно отметить и ряд недостатков:

1.В разных задачах требования к системе команд могут

сильно различаться. Поэтому, часть команд в текущей задаче

оказывается невостребованной, в то время как другая часть команд

явно перегружена, что показывает неэффективность конечной МП

системы.

2.Отсутствует возможность увеличения производительности

МП, так как использование усовершенствованного набора команд

требует усложнения аппаратуры, особенно УУ, и фактически

требует разработки другого микропроцессора.

3.Фиксированная разрядность шины данных снижает

эффективную пропускную способность всей системы при

обработке многоразрядных чисел.

4.Последовательный характер выполнения операций не

позволяет использовать МП для решения задач, требующих

высокого быстродействия.

Несмотря на недостатки, микропроцессоры с фиксированной

системой команд находят применение для решения огромного

числа прикладных задач в различных областях науки, техники и

производства: медицине, физике, радиоэлектронике, бытовой

технике, системах управления производственными процессами и

т.д.

2.2 Микропроцессоры с разрядно-модульной организацией

Как было ранее показано, для разных задач может

требоваться свой специфический набор команд. Например, в

системах сбора и обработки данных, работающих в реальном

времени, часто требуется выполнение команд умножения, деления

и операций с плавающей запятой, а при обработке аудио и

видеоданных чаще других используются логические функции и

операции с целыми числами.

Как же можно реализовать структуру микропроцессора,

лишенную многих недостатков? Как создать возможность

изменения набора команд в различных задачах, позволить выбирать

необходимую разрядность обрабатываемых данных? Как повысить

быстродействие МП? Для ответа на эти и другие вопросы

рассмотрим другой подход для построения устройства управления

МП.

Вспомним, что для выполнения определенной команды

устройство управления реализует заданный набор шагов с

помощью цифрового автомата. А если поручить выполнение

функции управления последовательностью шагов, функции

синхронизации во времени, функции обслуживания запросов

внешних устройств и многие другие функции какому-либо

процессору? То есть фактически внутри микропроцессора

реализовать микро-ЭВМ, которой и поручить выполнение

некоторого количества четко определенных последовательностей

операций управления.

Программа такой управляющей микро-ЭВМ будет

фиксированная. Каждая команда этой программы называется

микрокомандой. Микрокоманда содержит управляющую

информацию, задающую выполнение всех отдельных

элементарных операций, необходимых при выполнении машинной

команды, например, увеличение на единицу содержимого счетчика

или запись в регистр. Микрокоманды объединяются в

микропрограммы, каждая из которых предназначена для

выполнения определенной машинной команды.

Для хранения микропрограмм используется

программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ),

которое обычно называют управляющей памятью.

Управляющая память хранит набор микропрограмм. Для

выполнения текущей машинной команды нужно сначала

определить адрес первой микрокоманды, входящей в

соответствующую микропрограмму, и обеспечить

последовательный выбор всех микрокоманд данной

микропрограммы. Для этих целей требуется специальная схема

определения адреса следующей микрокоманды. Часто такая

специальная схема называется устройством управления

последовательностью микрокоманд. Структура

микропрограммного устройства управления (рисунок 2.2) также

содержит конвейерный регистр для хранения микрокоманды в

период ее выполнения и мультиплексор сигналов условий,

позволяющий управлять ходом выполнения микропрограммы и

реагировать на различные условия, включая и внешние.

Обычно микропрограммное устройство управления

осуществляет выборку машинных команд и их дешифрирование. В

качестве дешифратора команд используется ППЗУ, которое

позволяет преобразовать код операции в начальный адрес

последовательности микрокоманд, реализующих данную команду.

УУ также выбирает из памяти все операнды, необходимые для

выполнения машинной команды, и передает их в АЛУ для

обработки.

Схема алгоритма работы (рисунок 2.3) поясняет метод

функционирования типичного устройства управления.

Несложно определить предельный объем управляющей

памяти, необходимой для функционирования устройства

управления. Код машинной команды длиной 8 бит позволяет

выполнять до 256 различных команд. Если для выполнения каждой

команды в среднем требуется до 8 микроопераций (шагов

микропрограммы), то объем управляющей памяти составит около 2

тысяч слов, что является очень незначительной величиной.

В этом случае устройство управления последовательностью

микрокоманд будет представлять простой счетчик. За счет

изменения алгоритма работы, связанного с устранением

повторяющихся участков микропрограммы, создания подпрограмм

для универсальных законченных фрагментов микропрограммы,

использования условных переходов, объем управляющей памяти

можно снизить в два – три раза. При этом значительно усложняется

устройство управления последовательностью микрокоманд, но во

многих случаях это вполне приемлемая цена за получаемый

выигрыш.

В отличие от кода операции для МП с фиксированной

системой команд, для типичных разрядно-модульных систем

разрядность микрокоманды может составлять от 32 до 128 бит.

всеми устройствами МП

Линии управления

Шина данных

ГТИ



Регистр команд

Дешифратор команд

Устройство управления

последовательностью

микрокоманд

Конвейерный регистр

Управляющая память

Мультиплексор

сигналов

условий

Сигналы

условий

Рисунок 2.2 − Микропрограммное устройство управления

Рисунок 2.3 − Схема алгоритма работы устройства управления

Для процессоров с очень большим быстродействием и

высокой степенью «распараллеливания» процессов

микропрограммного управления число битов в управляющем слове

может быть еще больше.

Почему так много? Микрокоманда (рисунок 2.4) обычно

содержит поля, предназначенные для указания исходных

операндов, функции обработки в АЛУ, места записи результата

операции, поля, служащие для выдачи сигналов разрешения

загрузки адреса перехода, управления мультиплексором сдвига и

циклом управления работой шин и т.д.

Адрес перехода

Код операции

Управление

мультиплексором

сигналов условий

Управление

загрузкой регистра

команд

Управление

функцией АЛУ

Управление

размещением

результата

Управление

загрузкой адреса

перехода

Управление

мультиплексором

сдвига

И т. д.

32 – 128 бит

Рисунок 2.4 − Формат типичной микрокоманды

Эти поля используются для управления различными устройствами-

компонентами машины, что позволяет параллельно выполнять

необходимые действия в течение каждого импульса временной

синхронизации и значительно повысить быстродействие всей

системы.

Для построения процессора разработаны микропроцессорные

комплекты, в состав которых входят 1, 2-х, 4-х или 8-ми битовые

секции различных устройств, входящих в структуру МП. Из этих

секций (модулей), как из конструктора, строится необходимая

архитектура микропроцессора, а с помощью параллельного

наращивания этих секций обеспечивается необходимая разрядность

обрабатываемых, передаваемых и хранимых данных. Поэтому

микропроцессоры получили название разрядно-модульных.

Что же все эти решения дают потребителю? Для конкретной

задачи потребитель может создать свою, специализированную

машину, наиболее отвечающую заданным требованиям. Структура

этой системы будет уникальной, имеющей наибольшую

производительность в решаемой задаче.

На этапе разработки подобной системы несложно исправлять

большинство ошибок. Например, устранение ошибок, допущенных

при проектировании системы на основе фиксированного набора

команд, приводит к изменению конструкции и, как правило,

требуется заново изготовить всю ЭВМ. В машине с

микропрограммным управлением для исправления большинства

ошибок достаточно изменить значения соответствующих битов в

микропрограмме.