Общее представление о микропроцессоре

Материал из РадиоВики - энциклопедии радио и электроники
Перейти к: навигация, поиск
Выкупить рекламный блок

В начале 70-х г. зародилось и в настоящее время интен­сивно развивается новое направление в разработке РЭА, основан­ное на широком применении программно-управляемых универсальных цифровых микроэлектронных устройств — микропроцессоров.

Рис. 5.1. Устройство, реа­лизующее алгоритм (5.2) аппаратным способом

Чтобы дать общее представле­ние об устройстве микропроцессора и его особенностях как функцио­нального узла вычислительных средств, рассмотрим простой алго­ритм преобразования информации, например алгоритм вычислений по уравнению:

387.png

Алгоритм вычислений состоят из сле­дующих шагов:

389.png

где А, В, С, X — исходные переменные, М, N, К, Y — переменные, присвоенные результатам выполнения соответствующих операций.

В вычислительных средствах находят применение два способа реализации алгоритмов: аппаратный и программный.

Аппаратный способ реализации алгоритмов характеризуется следующими особенностями: для выполнения каждой операции ис­пользуется свое оборудование, так называемый операционный блок; распределение переменных по входам и выходам операционного бло­ка не изменяется в процессе реализации алгоритма; порядок реали­зации алгоритма определяется схемой соединения операционных блоков.

Структурная схема устройства, реализующего алгоритм (5.2) аппаратным способом, включает два перемножителя и два сумма­тора (рис. 5.1). Недостатки этого способа состоят в том, что, во-первых, схема реализации алгоритма специализирована на решение задач только одного типа, и, во-вторых, число операционных блоков резко увеличивается с ростом сложности алгоритма.

Программный способ реализации алгоритма имеет следующие особенности: однотипные операции выполняются одним операцион­ным блоком, но в разное время; распределение переменных по вхо­дам и выходам блоков изменяется в процессе реализации алгорит­ма; порядок выполнения операций определяется программой.

Программа — это описание алгоритма в форме, воспринимаемой данным вычислительным средством. Программа состоит из отдель­ных команд. Каждая команда предписывает определенное действие и указывает, над какими переменными это действие производится.

При реализации алгоритма (5.2) программным способом необ­ходимы соответствующие операционные блоки — перемножитель, сумматор, а также дополнительное оборудование — ячейки памяти (ЯП) для хранения чисел: одна ячейка для одного числа.

Структурная схема, реализующая алгоритм (5.2) по програм­мному способу, приведена на рис. 5.2. На пересечении каждой вер­тикальной и горизонтальной шин находится управляемый контакт, например полевой или биполярный транзистор (рис. 5.3), замыкание которого соединяет шины в точке пересечения. Каждому контакту присвоен номер.

Программа реализации алгоритма (5.2) представляет собой со­вокупность команд, выполняемых последовательно во времени: 1-я команда — выбрать из ЯП с указанными номерами числа А и X, перемножить эти числа, результат М занести в ЯП с указанным номером; 2-я команда — выбрать из ЯП с указанными номерами числа М и В, сложить их, результат N занести в ЯП с указанным номером; 3-я команда — выбрать числа N и X, перемножить их и результат K занести в ЯП с указанным номером; 4-я команда — выбрать числа К и С, сложить их, результат Y занести в ЯП с ука­занным номером; 5-я команда — вывести результат у.

При реализации программного способа выполнения алгоритма вычислительное средство в своем составе должно иметь совокуп­ность операционных блоков, называемую арифметическим устройст­вом (АУ) или арифметико-логическим устройством (АЛУ), совокуп­ность ЯП для хранения исходных чисел и результатов вычислений, называемую запоминающим устройством (ЗУ). Для управления процессом выполнения вычислений в состав вычислительного сред­ства наряду с АЛУ и ЗУ, должно входить устройство управления (УУ). Для хранения команд необходимы свои ЯП, которые состав­ляют ЗУ команд. Согласованность в работе указанных функцио­нальных узлов обеспечивается генератором тактовых импульсов (ГТИ), следующих с определенной частотой повторения.

Рис. 5.2. Устройство, реализующее алгоритм (5.2) программным спосо­бом
Рис. 5.3. Ключи на МДП- и бипо­лярном транзисто­рах
Таблица 5.1

Каждая команда записывается кодом, состоящим например из кода операции КОп, адресов чисел, над которыми выполняется операция, A1A2 и адреса Аз, по которому надо отправить результат в ЗУ чисел.

Код операции определяется условным номером, которым обо­значена та или иная операция, например: сложение — 01, умноже­ние — 02, вывод результата — 03 и т. д. Номер ЯП называется адресом числа, которое записано или будет записано в ЯП. Чтобы записать все переменные, участвующие в процессе вычислений по (5.2), необходимо ЗУ из восьми ЯП. Если принять следующее распределение чисел по ячейкам памяти: А->ЯП1, В->ЯП2, С->ЯПз, X->ЯП4, М->ЯП5, N->ЯПб, K->ЯП7, Y->Я8, то программа реали­зации алгоритма (5.2) может быть представлена табл. 5.1,

Вычислительное устройство работает в следующем порядке. Предварительно в ЗУ команд заносится программа вычислений, а в ЗУ чисел — числа, над которыми должны быть выполнены опре­деленные программой операции. С началом работы вычислительного средства из ЗУ команд по сигналу УУ выбирается первая команда, дешифруется в УУ и превращается в систему сигналов, управляю­щих состоянием контактов (см. табл. 5.1). Арифметико-логическое устройство выполняет над выбранными из ЗУ числами операцию, предписываемую сигналами УУ. Результат на выходе АЛУ записы­вается в ЗУ чисел по адресу, указанному в команде.

По окончании выполнения одной команды из ЗУ выбирается следующая по новому адресу, который формируется счетчиком при­бавлением единицы к предыдущему адресу. Такой способ форми­рования адреса очередной команды, при котором команды выбира­ются из ЗУ в порядке номеров ЯП, где они хранятся, называется естественным.

При управлении работой вычислительного устройства УУ учи­тывает результат выполненных вычислений по каждой команде. Учет ведется по признакам результата: нулевой, единичный, пере­полнение и т. д. Признаки, представляемые 0 или 1, записываются в триггеры регистра признаков и передаются в УУ.

Итак, программный способ реализации алгоритмов имеет по сравнению с аппаратным два основных преимущества, во-первых, с усложнением алгоритма объем оборудования увеличивается не­значительно, главным образом за счет ЯП, во-вторых, путем изме­нения программы можно на одном оборудовании решать различные задачи.

Именно эти положительные свойства программного способа реализации алгоритмов предопределили появление микропроцессоров и сопутствующих им микро­схем как элементной базы вы­числительных и управляющих средств четвертого поколения.

Рис. 5.4. Структура микропро­цессора

Рассмотренное програм­мно-управляемое вычислитель­ное средство по своей струк­туре и выполняемым функци­ям аналогично ЭВМ. Та его часть, которая осуществляет процесс вычислений и управ­ляет им, называется процес­сором.

Процессор, реализованный средствами интегральной тех­нологии в одной или несколь­ких БИС, получил название микропроцессора (МП). Струк­тура МП в общем случае (рис. 5.4) включает три ос­новных функциональных- узла: АЛУ, УУ и блок регистров: регистры общего назначения (РОН), регистры адреса и ко­манды,, регистры для кратко­временного хранения чисел, участвующих в операции, а также для хранения результата вычислений. Числа и команды пред­ставляются двоичным кодом, поэтому все показаные на рис. 5.4 со­единения являются многопроводными (многоразрядными) шинами.

В зависимости от назначения различают шины адресные (ША), шины чисел (ШЧ) и шины управления (ШУ).

Микропроцессор, выполненный на одном кристалле, т. е. в виде одной БИС, называют однокристальным. Если входящие в струк-ТУРУ МП функциональные узлы выполнены в виде БИС, то такой микропроцессор, иногда называемый многокристальным, собирается на печатной плате из нескольких микросхем. В состав вычислитель­ного средства МП входят наряду с микроэлектронными ЗУ для хранения чисел и программ. В качестве ЗУ для программ нередко используют постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), особенно удобные в тех случаях, когда вычислительное средство работает по одной программе, выполняя, например, функции устройства управления каким-нибудь объектом. Для хранения чисел использу­ют оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) (см. § 5.4 — 5.6).

Наряду с МП, ПЗУ и ОЗУ, в состав вычислительного средства входит набор микросхем вспомогательного назначения, обеспечиваю­щих сопряжение МП с ПЗУ и ОЗУ, а также с внешними устройст­вами — телетайпами, внешней долговременной памятью на магнит­ных накопителях, дисплеями и другими устройствами самого различного назначения, принципа действия и режима работы.

Рис. 5.5. Структура микро-ЭВМ

Необходимость совместного применения МП с другими функцио­нальными узлами в виде БИС для создания вычислительных средств обусловливает целесообразность изготовления МП в ком­плекте с этими БИС, чтобы была обеспечена их совместимость по электрическим конструктивно-технологическим и эксплуатационным параметрам. В состав такого комплекта входят БИС МП, ПЗУ, ОЗУ, а также различные функциональные узлы сопряжения. Такие комплекты микросхем получили название микропроцессорных ком­плектов БИС.

Структура вычислительного средства, построенного с использо­ванием МП комплекта БИС и содержащего МП, полупроводнико­вую память и БИС ввода/вывода для связи с периферийными устройствами, приведена на рис. 5.5. По принципу действия, струк­туре и выполняемым функциям такое вычислительное средство пред­ставляет собой -ЭВМ, реализованную на микросхемах и поэтому получившую название микро-ЭВМ.