Микропроцессоры и микроЭВМ

· Процессором называют основную часть ЭВМ, непосредственно осуществляющую процесс обработки данных и управляющую этим процессом.

Успехи микроэлектроники позволили создать микропроцессор (МП), реализованный на одной или нескольких больших и сверхбольших интегральныхмикросхемах.

· ЭВМ, в которых используются микропроцессоры, получили название миниЭВМ и микроЭВМ.

МиниЭВМ используются для управления группой оборудо­вания или микровычислительными системами. Быстродействие миниЭВМ укладывается в диапазон от сотен тысяч до десятков миллионов простых операций в секунду. МикроЭВМ применяют в основном для встраивания в технологическое, измерительное или другое оборудование или самостоятельно с собственным источником питания,запоминающими устройствами и набором интегральных микросхем. Быстродействие микроЭВМ составляет десятки—миллионы простых операций в секунду при разрядно­сти от 4 до 32.

Микропроцессор вместе с запоминающими устройствами — постоянным (ПЗУ) и оперативными (ОЗУ), а также другими ИМС, обеспечивающими его работу и сопряжение с внешними устройствами, представляет микропроцессорный комплект (МПК), на основе которого можно построить микропроцессорное вычислительное устройство, например микроЭВМ.

Структурная схема МП включает арифметико-логическое уст­ройство (АЛУ), устройство управления (УУ) и рабочие регист­ры (Р). Кроме того, в состав МП, точнее в физическом объеди­нении с ним, могут быть устройства ввода — вывода (УВВ) для обмена информацией между МП и другими устройствами, гене­ратор тактовых импульсов (таймер) и некоторые другие элемен­ты. На рис. 6.28 показана обобщенная структурная схема микро­процессора. Рассмотрим кратко ее элементы.

Сигналы трех видов — информационные, адресные и управ­ляющие — могут передаваться по одной, двум или трем шинам. Шина представляет собой группу линий связи, число которых определяет разрядность одновременно передаваемой по шине ин­формации от одного или нескольких источников к одному или нескольким приемникам. Шины, как правило, двунаправленные, т. е. могут передавать информацию в обоих направлениях.

АЛУ совершает различные арифметические и логические опе­рации над числами и адресами, представленными в двоичном коде. В набор команд АЛУ входят арифметические и логические сложения и умножения, сдвиги, сравнения и т. д. Арифметиче­ские операции выполняются в соответствии с правилами двоич­ной арифметики, а логические — по правилам алгебры логики.

Рис. 6.28. Обобщенная структурная схема микропроцессора с тремя раздельными шинами информационных (И), адресных (А) и управляющих (У) сигналов:

АЛУ – арифметико-логическое устройство; УУ – устройство управления; УВВ – устройство ввода-вывода; Т – таймер; Р – рабочие регистры: О – операндов, К – команд, А – адресов, Ф – фланговые, С – состояний, СК – счетчика команд, ОН – общего назначения, СТЕК – стековые.

Устройство управления управляет работой АЛУ и всех других элементов структуры МП. Поступающие в УУ из памяти команды преобразуются в двоичные сигналы, непосредственно воздейст­вующие на все элементы структуры и стимулирующие выполне­ние данной команды. Кроме того, УУ, синхронизируемое тайме­ром, распределяет процесс выполнения команды во времени. Команда представляет собой двоичное слово из 8, 16, 24 и более разрядов (до 64), часть которых представляет собой код операции, а остальные распределены между адресами операндов в памяти. //Операндом называют исходный элемент данных, над которыми выполняется операция.//

Все операции по распределению информационных, адресных и управляющих сигналов между элементами структуры МП, па­мятью и периферийными устройствами осуществляются с по­мощью устройства ввода-вывода. Устройство ввода-вывода (УВВ) представляет собой специализированный МП, называе­мый также контроллером ввода-вывода или интерфейсным устройством, и может быть совмещено на одном кристалле с собственно МП либо занимать отдельный кристалл или несколько кристаллов. УВВ имеет свою систему команд.

Рабочие регистры МП физически представляют собой одина­ковые ячейки памяти, служащие для сверхоперативного хранения текущей информации (часто их объединяют одним названием — сверхоперативное запоминающее устройство — СОЗУ), однако по выполняемым функциям они разбиты на группы, связанные с определенными элементами структуры МП.

Регистры операндов О в течение времени выполнения опера­ции в АЛУ хранят два логических числа, одно из которых по окончании операции заменяется результатом, т. е. как бы накап­ливается, отсюда и название регистра «аккумулятор» — накопитель. Содержимое второго регистра операндов заменяется в следующей операции другим операндом, в то время как содержимое аккумулятора может быть сохранено по ряду специальных команд.

Регистр команд К хранит несколько разрядов командного слова, представляющих код выполнения операции, в течении времени ее выполнения. Адресная часть командного слова содержится в регистре адреса А. После выполнения какой-либо операции разрядность результата может оказаться больше разрядности каждого из операндов, что регистрируется состоянием специального флангового регистра Ф. В процессе отладки составленной программы программист следит за состоянием флангового регистра и в случае необходимости устраняет возникшие переполнения.

В системе команд МП очень важны команды переходов к выполнению заданного участка программы по определенным признакам и условиям – так называемые команды условных переходов. Их наличие характеризует способность МП принимать альтернативные решения и выбирать различные пути в зависимости от возникающих в ходе условия решений. Для определения таких условий служит специальный регистр состояний С, фиксирующий состояния МП в каждый момент выполнения программы и посылающий в УУ сигнал перехода к команде, адрес которой содержится в специальном регистре, называемом счетчиком команд СК.

Регистры ОН используются для хранения промежуточных результатов адресов и команд, возникающих в ходе выполнения программы, и могут связываться по общим шинам с другими рабочими регистрами, а также со счетчиком команд и УВВ. Число регистров ОН в МП обычно не превышает 10-16 разрядностью 2-8 бит каждый и в некоторой степени служит косвенным показателем вычислительных возможностей МП. Программист может использовать эти регистры, обращаясь к ним по адресам для записи или извлечения и передачи информации элементам структуры МП и в память.

У многих типов МП содержится группа регистров, имеющих магазинную или стековую организацию – так называемый стек. Стек позволяет без обмена с памятью получать правильную последовательность выполнения различных по старшинству арифметических действий (сложение старше умножения, умножение старше сложения и т. д.). Операнд или другая информация может посылаться в стек, занимать сначала первый регистр, а затем «проталкивается» последующими словами каждый раз на регистр глубже. Выводится информация в обратном порядке, начиная с первого регистра, в котором хранится слово, посланное в стек последним, при этом последние регистры очищаются. Заполняется стек до появления в первом разряде команды, младшей или равной по отношению к командам, находящимся в стеке. Появление такой команды служит сигналом возможности выполнения всей последовательности. Количество регистров или уровней (глубина) стека – важная характеристика структуры МП.

Глубина стека может быть значительно увеличена за счет размещения его не в самом МП, а в памяти. В этом случае в Р размещается регистр указателя стека, содержание которого определяет адрес соответствующих ячеек памяти в оперативном запоминающем устройстве. От разрядности этого адреса зависит наибольшее число уровней или глубина стека.

В состав МП может входить таймер Т, работа которого определяет динамику всех информационных, адресных и управляющих сигналов и синхронизирует работу УУ, а через него и других элементов системы.

· Отечественная микропроцессорная техника развивается в направлении создания рядов универсальных микропроцессоров микроЭВМ, перекрывающих по своим техническим характеристикам все возможные области их применения.

Укажем наиболее распространенные отечественные микропроцессоры.

Микропроцессоры серии К536, построенные на базе р-канальной МОП-технологии с временем выполнения команды 60 мкс и тактовой частотой около 200 КГц, имеют многоуровневую систему прерывания и раздельные шины данных и адреса.

Микропроцессоры серии К580, К586, построенные на базе n-канальной технологии с временем выполнения команд 2–3,5 мкс и тактовой частотой до 2 МГц, представляют собой однокристальные 8- и 16-разрядные приборы, совместимые со стандартными ТТЛ-схемами. Микропроцессор серии К580 содержит шесть регистров общего назначения, программный стек, указатель стека и регистр адреса. Максимальный объем адресуемой памяти – до 64 К байт. Микропроцессор серии К586 имеет внутреннее ОЗУ емкостью 256 бит. Максимальный объем адресуемой памяти – 32 К 16-разрядных слов. Число команд расширяется с помощью внешнего ПЗУ. Микропроцессоры серии К581, К582, К584, К585, К587, К588, К589 – многокристальные микропрограммируемые 2- и 4-разрядные интегральные микросхемы.

Микропроцессоры серии К1804 построены на базе ТТЛШ-технологии, состоят из шести серийно выпускаемых четырехразрядных БИС. Их основные характеристики приведены в табл. 6.5.

Таблица 6.5