Безотказность и ремонтопригодность изделий.

1. Коэффициент готовности К_г. Вероятность того, что изделие будет работоспособно в произвольно выбранный момент времени в промежутках времени между выполнением планового технического обслуживания.

2. Коэффициент оперативной готовности К_ог. Вероятность того, что изделие начав в произвольный момент времени выполнение задачи, проработает безотказно в течении требуемого времени.

К_ог = К_г ×Р(t).

3. Коэффициент технического использования К_ти. Показывает, какую часть от суммарного времени работы и простоя изделия (при технических обслуживаниях и ремонтах) составляет время его работы.

,

где ∑Т_р, ∑Т_рем, ∑Т_Тхо – суммарное время работы изделия, ремонтов и

технического обслуживания.

ТРЕТИЙ ВОПРОС

В станках с числовым программным управлением (ЧПУ) проблемы диагностики и контроля решаются с помощью встроенных в устройства внутренних систем контроля и диагностики.

Работа этих устройств осуществляется как во время функционирования станка при обработке детали (Электроника НЦ-31), так и с помощью диагностических тестов (2Р22 и «Контур-1»). Обнаружение неисправности автоматически прекращает обработку детали и на дисплее (2Р22) или табло (Электроника НЦ-31, «Контур-1») индикатируется её код.

Проверка ЧПУ на базе микроЭВМ (Электроника НЦ-31) осуществляется программой – резидентный проверяющий тест (РПТ) и программой анализа ошибок ввода и работы устройства, размещенной в ПЗУ микроЭВМ.

В математическом обеспечении ЧПУ «2Р22» заложена возможность проверки его работоспособности в режиме работы «ТЕСТ» с помощью тестов записанных на магнитной ленте и хранящимися на кассетах типа МК-60.

На примере систем ЧПУ, которые изучаются в колледже можно сделать вывод о том, что средства контроля и диагностики могут быть реализованы как аппаратно, так и программно.

Основная функция систем контроля и диагностики информационно-управляющих вычислительных систем – установления факта отказа элемента, узла, устройства сменного блока, входящего в систему.

В зависимости от характера использования информационно-управляющих вычислительных систем допускают два подхода в организации систем контроля:

- в виде системы встроенного контроля конструктивно объединенной с устройством;

- в виде контрольно-проверочной аппаратуры.

Реализацию первого подхода мы кратко рассмотрели.

При втором подходе, для реализации функций контроля при эксплуатации и ремонте устройств ЧПУ используют следующие устройства: проверочные стенды, установку УТК-2М (автоматизированный тестовый контроль и диагностика), логический зонд ЗЛ-01, испытатель цифровых интегральных микросхем (ИЦИС) и генератор ИЦИС, логические анализаторы, генераторы слов, комплекты диагностирования (Электроника НЦ-603), сигнатурные анализаторы, электронные и цифровые приборы (тестеры, частотомеры, осциллографы и т.п.).

Литература:

1. В.В. Стрыгин «Основы вычислительной, микропроцессорной техники и программирования» стр: 105-108.

2. Б.Я. Лихтциндер «Микропроцессоры и вычислительные устройства в радиотехнике» стр: 43-44.

ТЕМА 1.2 Архитектура микропроцессоров.

ЗАНЯТИЕ 1.2.1 История развития микропроцессорной техники. Преимущества

и недостатки микропроцессорной техники. Терминология.

Классификация.

ВОПРОСЫ ЗАНЯТИЯ:

1. История развития микропроцессорной техники.

2. Преимущества и недостатки микропроцессорной техники. Терминология.

3. Классификация микропроцессоров (МП).

ПЕРВЫЙ ВОПРОС

Создание микропроцессоров открыло новую эру в вы­числительной технике и привело к бурному развитию средств обработки информации. Первый микропроцессор был создан в 1971 г. М. Хоффом (микропроцессор I-4004), сотрудником американской фирмы Интел. Вместо того чтобы создавать на­бор интегральных микросхем, каждая из которых выпол­няла бы одну сложную функцию, М. Хофф предложил реализовать универсальную ЭВМ в виде одной сложной логической схемы в интегральном исполнении.

Выпуск первых микропроцессоров позволил сущест­венно изменить технологию проектирования и производ­ства средств вычислительной техники. Теперь уже нет необходимости для каждого нового изделия разрабаты­вать интегральную микросхему. Вместо этого разрабаты­вается программа для выполнения требуемой функции. Первые микропроцессоры создавались для работы с 4-разрядными двоичными числами. С ростом степени интеграции стали выпускаться 8-, 16-разрядные и в на­стоящее время 32-разрядные МП. С ростом разрядности увеличивается емкость адресуемой памяти в подключае­мом к МП запоминающем устройстве. По своим возмож­ностям современный МП приближается к процессорам средних ЭВМ и мини-ЭВМ.

Создание микропроцессора (МП) явилось следст­вием развития и совершенствования технологии про­изводства интегральных схем. Повышение степени интеграции микросхем привело к закономерному эта­пу в развитии вычислительной техники — реализации архитектуры ЭВМ на одной интегральной схеме.

Способность к программированию последователь­ности выполняемых функций, т. е. способность рабо­тать по заданной программе, является основным от­личием МП от элементов «жесткой» логики (инте­гральных схем малой и средней степени интеграции). Кроме физической структуры микропроцессора, на­зываемой аппаратными средствами, на выполняемый им алгоритм влияют программные средства, т. е. по­следовательность команд и данных, записанных в за­поминающем устройстве.

В общем виде аппаратные средства микропроцессора повторяют структуру про­цессора ЭВМ и включают: арифметическо-логическое устройство, устройство управления и несколько рабо­чих регистров. Микропроцессор может состоять из одной или нескольких интегральных схем, распреде­ленных по принципу выполняемых функций.

Таким образом, микропроцессор — это програм­мно-управляемое устройство, осуществляющее про­цесс обработки информации, управления им, постро­енное на одной или нескольких больших интеграль­ных схемах (БИС).

Совершенствование технологии производства ин­тегральных схем привело к тому, что за сравнительно небольшое время появилось четыре поколения микропроцессоров, отличающихся своими технически­ми характеристиками:

Первое – медленно действующие (время выполне­ния команды 10.. 20 мкс) четырехразрядные МП, имеющие относительно ограниченный набор команд, объем памяти и видов адресации;

Второе –четырех- и восьмиразрядные МП с вре­менем выполнения команд 2...5 мкс, расширенным набором команд, объемом памяти и различными ви­дами адресации Эти МП проще в использовании, так как выпускаются комплектами совместимых и взаим­но дополняющих друг друга БИС;

Третье –быстродействующие (время выполнения команды 100…300 нс) секционированные МП, выпол­няемые с использованием биполярной технологии и микропрограммным принципом управления, а так­же 16-разрядные процессоры и спецпроцессоры;

Четвертое– однокристальные микроЭВМ с встро­енными портами ввода-вывода и запоминающими устройствами, 32-разрядные микропроцессоры.

В настоящее время микропроцессоры и изготов­ленные на их базе микроЭВМ присутствуют практи­чески во всех областях деятельности человека.

ВТОРОЙ ВОПРОС

Основные причины широкого внедрения микропро­цессорной техники:

- использование в микропроцессорных системах цифрового способа представления информации, поз­воляющего значительно повысить помехоустойчивость создаваемых на их базе устройств, обеспечить простоту передачи и преобразования информации без потерь и долговременное ее хранение;

- применение программного способа обработки информации, позволяющего создавать в значительной степени, унифицированные технические средства, от­личающиеся практически лишь содержимым запоми­нающего устройства и специфическими устройствами ввода — вывода информации;

- компактность, высокая надежность и низкая потребляемая мощность микропроцессорных средств, обеспечивающие возможность расположения управ­ляющих устройств, созданных на их основе, в непо­средственной близости от управляемого оборудова­ния;

- относительно низкая стоимость микропроцес­сорных средств и высокая степень их эффективности.

Эти факторы позволили МП в короткое время за­нять ведущее место в совершенствовании целых отраслей промышленности, создании гибких автомати­зированных производств, информационных сетей, ав­томатизированных систем управления технологичес­кими процессами, систем автоматического проектиро­вания и т. п.

Микропроцессор решает задачи методами последова­тельных вычислений, что приводит к большим затратам времени. Поэтому быстродействие любых микропроцес­сорных систем меньше, чем электронных систем на основе схем с произвольными связями, выполненных на основе тех же схемотехнологических принципов. С учетом этого очень важного для практической работы фактора можно отметить следующие преимущества микропроцессорных систем перед электронными системами на основе ИС с произвольными связями:

1) меньше корпусов ИС и БИС, более простые печатные платы, меньшее их число и мень­шее число разъемов для реализации одних и тех же функций;

2) более высокая надежность вследствие мень­шего числа контактов, связей и компонентов;

3) меньшая мощность потребления и снижение требований к источни­кам питания;

4) более простые сборка и испытание системы; легкость изменения и наращивания функций изменением программного обеспечения;

5) возможность выпуска все более усложняющихся систем (непрерывная эволюция) при использовании конструктивного и програм­много задела.

Микропроцессор — центральная часть любой элек­тронной системы управления и обработки данных, но не сама система. Отдельный микропроцессор не может выполнить каких-либо полезных функций во всех сферах, где его применение имеет какой-либо технико-экономи­ческий смысл. Это обстоятельство определяется тем, что для получения реальной пользы от функционирования микропроцессора в него необходимо вводить исходные данные о текущем состоянии какого-либо управляемого объекта (процесса) и использовать выводимые данные, полученные в результате обработки исходных данных по заранее отработанному алгоритму, для задания опреде­ленных управляющих воздействий на некоторую совокуп­ность управляющих органов (исполнительных механиз­мов). Следовательно, электронная система с микропроцес­сором (или на основе микропроцессора) обязательно должна содержать следующие функциональные части — подсистемы: ввода — вывода данных, обработки данных, накопления и хранения данных об особенностях внутрен­ней структуры и функционировании объекта или процесса (памяти системы).

Для размещения всех аппаратурных средств электрон­ной системы необходимо иметь конструктив, определяемый особенностями управляемого объекта (процесса), со сред­ствами электрического, электронного и механического сопряжения частей системы и управляемого объекта (процесса).

Объект управления и электронная система управления на основе микропроцессора могут иметь общий или раздельные источники питания, но в любом случае должны быть решены все аспекты проблемы элек­тромагнитной совместимости.

Создание микропроцессорного комплекта МПК БИС привело к появлению принципиально новых направлений в применении цифровой вычислительной техники и позво­лило осуществить встроенное управление простым обору­дованием и приборами, распределенное управление слож­ным оборудованием и агрегатами, распределенные вычис­ления в многопроцессорных системах.

Использование микропроцессоров и микро-ЭВМ дает возможность получить существенный технико-экономиче­ский эффект, но требует значительных трудовых и денеж­ных затрат.

Оборудование, в которое встраивается микропроцессор, должно быть оснащено датчиками, определяющими режи­мы работы его отдельных частей или технологического процесса, а также исполнительными механизмами, позво­ляющими влиять на протекающий процесс. Информация от датчиков и сигналы воздействия на исполнительные механизмы почти всегда имеют параметры сигналов, отли­чающиеся от принятых в микропроцессоре.

Устройства согласования сложно изготовлять в виде интегральных схем, поскольку в них происходит усиление очень малых сигналов, преобразование аналоговых сигна­лов в дискретные и, наоборот, световых, магнитных и других в электрические и т. д. Естественным выходом из этого положения является миниатюризация всех компо­нентов управляющих систем, которая приводит к необхо­димости создания не только самого МП, но и семейства интегральных схем, совместимых электрически и конструк­тивно между собой, а также с семействами датчиков и исполнительных механизмов.

Комплексный подход к созданию и применению микро­процессорных информационно-управляющих систем га­рантирует полную и эффективную реализацию тех преи­муществ, которые потенциально предполагает использо­вание микропроцессоров для решения важных задач.

Микропроцессорная техника имеет свою специфи­ческую терминологию. Ниже приведены рекомендован­ные Международным центром научной и технической информации и Международным научно-исследова­тельским институтом проблем управления терми­ны и определения, используемые при изучении курса дискретной автоматики.

Основные термины и определения:

адрес – указание местоположения объекта в памяти ЭВМ;

алгоритм - набор предписаний, однозначно определяющих содержание и последовательность выполнения операций для сис­тематического решения определенной задачи;

аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — устройство, пре­образующее непрерывный (аналоговый) сигнал в дискретные цифровые величины;

арифметическо-логическое устройство (АЛУ) — функциональ­ная часть процессора, выполняющая арифметические и логические действия над данными;

Ассемблер — системная обслуживающая программа, преобра­зующая символические инструкции в команды машинного языка и позволяющая производить диагностику, формирование ссылок для редактора связей и т. д.;

байт — обрабатываемый как единое целое элемент данных, состоящий из последовательности двоичных разрядов; в микро-ЭВМ обычно используется восьмибитовый байт;

БЕЙСИК — популярный алгоритмический язык программиро­вания высокого уровня, первоначально созданный для целей обучения программированию. Язык имеет относительно простой син­таксис, что облегчает его быстрое освоение;

бит— одиндвоичный разряд машинного слова или единица информации, принимающая значения 0 или 1;

бод — единица скорости передачи информации последователь­ным двоичным кодом (бит в секунду);

буфер — запоминающее устройство для временного хранения дачных с целью согласования асинхронно работающих устройств, либо область ОЗУ, временно резервируемая для выполнения про­цедуры ввода—вывода;

видеотерминал — устройство, обеспечивающее возможность обмена данными по каналу связи с удаленной ЭВМ. Включает клавиатуру для ввода и дисплей для вывода информации;

встраиваемая микроЭВМ — микроЭВМ, конструктивно при­способленная для работы в составе приборов и оборудования;

графопостроитель — устройство вывода, предназначенное для представления данных в виде графического изображения на бумаге;

диалоговый режим — режим взаимодействия пользователя с ЭВМ, при котором каждый запрос пользователя вызывает не­медленное ответное действие ЭВМ;

дисплей — устройство, обеспечивающее визуальное представ­ление цифровой, алфавитно-цифровой и (или) графической ин­формации на экране электронно-лучевой трубки, в плазменных панелях, на жидких кристаллах, светодиодах и т. п. в форме, удобной для оператора;

длина слова — количество битов в одном машинном слове;

доступ (обращение) — процедура установления связи с ЗУ для выборки/записи данных;

емкость памяти — наибольший объем данных, выраженный в единицах информации, который может одновременно храниться в ЗУ;

загрузчик — обслуживающая программа для загрузки объ­ектной программы в ОЗУ;

запоминающее устройство (ЗУ) — изделие, реализующее функциональную часть ЭВМ, которая предназначена для запоми­нания и (или) выдачи информации;

интерпретатор — обслуживающая программа, осуществляю­щая пооператорную трансляцию и выполнение исходной про­граммы;

интерфейс — совокупность унифицированных технических и программных средств, необходимых для подключения данных уст­ройств к системе или одной системы к другой;

канал передачи данных — совокупность технических средств, обеспечивающих передачу информации, и устройств преобразова­ния сигналов;

команда — предписание, определяющее шаг процесса выпол­нения программы. Содержит указание операции, адрес операндов и другие служебные признаки;

компилятор — обслуживающая программа, выполняющая трансляцию на машинный язык программы, записанной на исходном языке программирования;

контроллер — устройство, выполняющее функции управления, передачи данных и освобождающее от этих функций процессор;

контроль четности — метод контроля данных, при котором сумма по модулю 2 двоичных единиц в машинном слове, включая контрольный разряд, должна иметь определенную четность, т. е. быть всегда четной или нечетной;

косвенная адресация — система адресации, при которой ад­ресная часть инструкции содержит адрес ячейки памяти, содер­жащей прямой адрес или другой косвенный адрес;

магистраль — совокупность шин, связывающих собой все устройства микропроцессорной системы;

маркер (курсор) — специальный знак на экране дисплея для указания определенных позиций или элементов;

машинное слово — последовательность битов или знаков, трактуется в процессе обмена или обработки как единый элемент данных;

машинный код — двоичный код, в котором по специфическим для данной ЭВМ правилам кодируется ее система команд;

микропроцессор (МП) — программно-управляемое устройст­во, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управления им, построенное, как правило, на одной или не­скольких больших интегральных схемах;

микропроцессорный комплект — совокупность микропроцес­сорных и других интегральных микросхем, совместимых по кон­структивно-технологическому исполнению п предназначенных для совместного применения;

микроЭВМ — ЭВМ, состоящая из микропроцессора, полупро­водниковой памяти, средств связи с периферийными устройствами и при необходимости пульта управления и источника питания, объединенных общей конструкцией;

модем — модулятор и демодулятор, объединенные в одном устройстве и осуществляющие преобразование сигналов для пе­редачи их по линии связи;

монитор — записанная в ПЗУ системная программа, реализу­ющая операции обмена с внешними устройствами и помогающая осуществить отладку программ;

накопитель на гибком магнитном диске — внешнее ЗУ, в ко­тором носителями информации являются сменные гибкие маг­нитные диски;

однокристальная ЭВМ — микроЭВМ, построенная в виде од­ной большой или сверхбольшой интегральной схемы;

операнд — элемент данных, над которым выполняется опера­ция;

оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — ЗУ с прямой адресацией, отличающееся быстротой доступа;

оператор — допустимая в языке программирования синтакси­ческая конструкция, отражающая определенное действие в про­грамме (присвоение значения, передачу управления и т. д.);

операционная система — комплекс взаимосвязанных управля­ющих и обслуживающих программ, обеспечивающих автоматиче­ское управление вычислительными процессами и ресурсами ЭВМ при решении задач;

параллельный порт — порт ввода—вывода, через который дан­ные передаются и принимаются параллельно, т. е. одновременно все разряды, относящиеся к данному символу или блоку данных;

подпрограмма — часть программы, допускающая многократнoe обращение к ней из различных точек программы;

пользователь—лицо, использующее данное вычислительное устройство для выполнения необходимых ему работ;

порт ввода-вывода — средство для подключения периферий­ных устройств к ЭВМ;

последовательный порт — порт ввода-вывода, через который данные передаются и принимаются последовательно разряд за разрядом;

постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)—ЗУ с неизменяемым содержанием памяти;

прерывание — временное прекращение выполнения текущей программы и переход к выполнению программы обслуживания устройства, вызвавшего прерывание;

программа — последовательность инструкций, реализующих алгоритм. Программы обычно могут быть написаны: а) в двоич­ном или шестнадцатеричном (машинном) коде, который непосред­ственно воспринимается процессором; б) на языке типа Ассемб­лер; в) на языке высокого уровня;

программа на исходном языке — программа, представленная в системе в исходном виде, т. е. написанная на одном из языков программирования. Требует для своего выполнения предваритель­ного преобразования, например трансляции;

программатор — специальное устройство для записи подго­товленных пользователем программ в ППЗУ или РПЗУ;

программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ)—ПЗУ в которое информация заносится однократно пользователем и после этого не меняется;

программная совместимость — возможность выполнения од­них и тех же программ на ЭВМ различных типов с получением идентичных результатов;

программное обеспечение — совокупность программ, обеспе­чивающих реализацию функций микроЭВМ, микропроцессорного устройства или системы;

прямая адресация — система адресации, при которой адрес­ная часть инструкции содержит адрес, определяющий непосред­ственно ячейку памяти или место на носителе, содержащее тре­буемый операнд;

прямой доступ в память — метод, позволяющий с большой скоростью осуществлять загрузку данных с периферийного уст­ройства прямо в оперативное ЗУ;

регистр — функциональный блок для хранения машинного слова или его части;

редактор — обслуживающая программа для редактирования, набора данных с целью представления их в виде, воспринимаемом средствами обработки, либо представления в соответствующем формате вывода;

режим работы в реальном масштабе времени — режим рабо­ты системы, обеспечивающий прием к обработке данных по мере их поступления без каких-либо ограничений и выдачу результа­тов в требуемые интервалы времени;

репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (РПЗУ) —ЗУ, в которое информация, подлежащая хранению, за­носится многократно, но при этом время записи значительно пре­вышает время выборки;

секционный микропроцессор — микропроцессор, полученный на основе соединения однотипных 2-, 4-, 8- или 16-разрядных микропроцессорных интегральных схем, каждая из которых имеет в своем составе АЛУ и несколько общих регистров. Параллель­ное соединение этих микросхем позволяет построить микроЭВМ с любой желаемой длиной машинного слова;

сеть микроЭВМ — система соединенных между собой и обменивающихся информацией микроЭВМ;

символ — отдельный знак из заданного набора условных обо­значений, используемых для представления данных в ЭВМ;

система команд — полный набор всех инструкций, допусти­мых в машинном языке данной ЭВМ;

стек — память магазинного типа;

счетчик команд — регистр, на основе содержимого которого вырабатывается адрес следующей команды;

техническое обеспечение — совокупность технических компо­нентов микроЭВМ, микропроцессорного устройства или системы;

указатель стека — регистр, определяющий адрес верхней ячейки используемого стека;

устройство ввода-вывода — устройство, обеспечивающее об­мен данными между оперативной памятью ЭВМ и периферийны­ми устройствами;

файл — последовательность записей, размещаемая на внеш­них ЗУ и рассматриваемая в процессе пересылки и обработки как единое целое;

центральный процессор — процессорная БИС, непосредственно осуществляющая процесс обработки данных;

цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) — устройство, пре­образующее дискретный цифровой сигнал в непрерывный аналого­вый сигнал;

шина — группа линий передачи информации, объединенных общим функциональным признаком (например, шина данных, ад­ресов, управления);

эмуляция — имитация функционирования одной системы средствами другой системы без потери функциональных возможностей или искажения получаемых результатов;

язык Ассемблер — символический язык программирования, структура операторов которого определяется форматами команд и данными машинного языка;

язык высокого уровня — язык программирования, средства которого допускают описание проблемы в наглядном, легко вос­принимаемом виде.

ТРЕТИЙ ВОПРОС

Микропроцессоры обладают следующими характе­ристиками: разрядность адреса и данных, тип корпу­са, количество источников питания, мощность рассея­ния, температурный диапазон, возможность расшире­ния разрядности, время цикла выполнения команд (микрокоманд), уровни сигналов, помехоустойчи­вость, нагрузочная способность, объединение сигна­лов на выходах, надежность и т. д.

По числу БИС в микропроцессорном комплекте (МПК) различают однокристальные, многокристаль­ные, многокристальные секционные микропроцессоры.

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС. По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микро­процессоров улучшаются. Однако возможности одно­кристальных микропроцессоров ограничены аппара­турными ресурсами кристалла и корпуса. Поэтому более распространены многокристальные и много­кристальные секционные микропроцессоры.

Многокристальные микропроцессоры получаются при разбиении его логической струк­туры на функционально законченные части, которые реализуют в виде БИС. Функциональная закончен­ность БИС многокристального микропроцессора озна­чает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно, а для построе­ния развитого процессора не требуется организации большого количества новых связей и каких-либо дру­гих интегральных схем (ИС) или БИС.

Один из возможных вариантов разбиения структу­ры процессора – это создание трехкристального мик­ропроцессора, содержащего БИС операционного про­цессора, управляющего процессора и интерфейсного процессора. Операционный процессор (ОП) служит для обработки данных, управляющий процессор (УП) выполняет функции выборки, декодирования и вы­числения адресов операндов и также генерирует по­следовательности микрокоманд. Автономность рабо­ты и большое быстродействие БИС позволяют выби­рать команды из памяти с большей скоростью, чем БИС ОП. При этом в УП образуется очередь еще не исполненных команд, заранее подготавливаются те данные, которые потребуются ОП в следующих цик­лах работы. Такая опережающая выборка команд экономит время ОП на ожидание операндов, необхо­димых для выполнения команд программ. Интер­фейсный процессор (ИП) позволяет подключить па­мять и периферийные средства к микропроцессору. Большая интегральная схема ИП выполняет также функции канала прямого доступа к памяти. Выбираемые из памяти команды распознаются v выполняются каждой частью микропроцессора авто­номно, и поэтому может быть обеспечен режим одно­временной работы всех БИС МП, т. е. конвейерный поточный режим исполнения последовательности ко­манд программы (выполнение последовательности с небольшим временным сдвигом). Такой режим рабо­ты значительно повышает производительность микропроцессора.

Многокристальные секционные мик­ропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора. Микропроцессорная секция — это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных уп­равляющих операций. Секционность БИС МП опре­деляет возможность «наращивания» разрядности об­рабатываемых данных или усложнения устройств уп­равления микропроцессором при «параллельном» включении большего числа БИС. Многокристальные секционные микропроцессоры имеют разрядность от 2—4 до 8—16 бит и позволяют создавать высокопроиз­водительные процессоры ЭВМ.

По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.

Универсаль­ные микропроцессоры можно применять для решения разнообразных задач. Их эффективная производи­тельность мало зависит от проблемной специфики решаемых задач.

Специализация МП, т. е. его проблем­ная ориентация на ускоренное выполнение определен­ных функций, позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач. Среди специализированных микропро­цессоров можно выделить: микроконтроллеры, ориен­тированные на выполнение сложных последовательно­стей логических операций; математические МП, пред­назначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения; МП для об­работки данных в различных областях применения и т.д. С помощью специализированных МП можно эф­фективно решать сложные задачи параллельной об­работки данных.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые мик­ропроцессоры.

Сами микропроцессоры — это цифро­вые устройства, однако могут иметь встроенные ана­лого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обра­батываются и после обратного преобразования в ана­логовую форму поступают на выход. С точки зрения архитектуры такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессо­рами. Они могут выполнять функции любой аналоговой схемы. Применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналого­вых сигналов и их воспроизводимость, расширяет функциональные возможности за счет программной «настройки» цифровой части микропроцессора на раз­личные алгоритмы обработки сигналов.

Обычно в состав однокристальных аналоговых МП входят несколько каналов аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования. В аналоговом микропроцессоре разрядность обрабатываемых дан­ных достигает 24 бит и более, большое значение уде­ляется увеличению скорости выполнения арифметиче­ских операций.

По характеру временной организа­ции работы различают синхронные и асинхрон­ные микропроцессоры.

Синхронные микропроцессо­ры— это микропроцессоры, в которых начало и ко­нец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

Асинхронные микропроцессоры позволя­ют начало каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения преды­дущей операции. Для более эффективного использова­ния каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функ­ционирование устройств.

Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал за­проса, означающий его готовность к выполнению сле­дующей операции. При этом функции естественного распределителя работ принимает на себя память, ко­торая в соответствии с заранее установленным прио­ритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.

По количеству выполняемых прог­рамм различают одно- и многопрограммные микро­процессоры.

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к вы­полнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

В много- или мультипрограммных .микропроцессо­рах одновременно выполняются несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мульти­программной работы микропроцессорных управляю­щих систем позволяет осуществлять контроль за со­стоянием и управлять большим числом источников или приемников информации.

Литература:

1. М.В. Напрасник «Микропроцессоры и микроЭВМ», стр: 4-10, 21-25.

ЗАНЯТИЕ 1.2.2 Микропроцессор как средство программного управления.

Общие принципы обработки и представления информации в

МП. Типовая структура обрабатывающей части МП (АЛУ,

РОН, буферные регистры). Взаимодействие узлов МП.

Вспомогательные элементы МП.

ВОПРОСЫ ЗАНЯТИЯ:

1. Микропроцессор как средство программного управления. Общие принципы обработки и представления информации в МП.

2. Типовая структура обрабатывающей части МП (АЛЛУ, РОН, буферные регистры).

3. Взаимодействие узлов МП. Вспомогательные элементы МП.

ПЕРВЫЙ ВОПРОС

Наметившийся в последние годы прогресс в области микроэлект­роники изменил подход к проектированию средств вычислительной техники. На смену компонентам малой и средней степеней интеграции приходят БИС, содержащие по несколько десятков тысяч транзисто­ров на одном кристалле.

Однако современная технология производства БИС, обеспечи­вающая очень высокую плотность размещения транзисторов, не обес­печивает столь же высокой плотности выполнения электрических соединений. Чем ниже степень регулярности соединений, тем менее технологичен компонент и тем ниже предельно допустимый уровень его интеграции. Компоненты с «жесткой» реализацией логических функций, обычно характеризуемые сложность и разнородностью внутренних соединений при малом числе транзисторов, не полностью позволяют использовать возможности современной технологии БИС.

В отличие от них элементы программируемой логики, например ЗУ, имеют регулярную структуру межсоединений и наиболее приспособ­лены к реализации с использованием современных технологических процессов производства БИС, что послужило одной из наиболее веских причин вытеснения устройств с «жесткой» логикой устройствами с программной реализацией, содержащими элементы памяти.

Другая причина преимущественного использования программи­руемых устройств заключается в их высокой универсальности, гиб­кости и простоте настройки на заданный алгоритм функционирования. Чем сложнее становились БИС с «жесткой» логикой, тем уже оказы­валась их специализация. Каждая новая реализация устройств кон­кретного применения требовала разработки специализированных БИС. В то же время объем выпуска компонентов каждого типа оставался небольшим.

Известно, что стоимость компонента данного типа обратно пропор­циональна объему его выпуска. Низкая универсальность и, как след­ствие, малый объем выпуска специализированных БИС с «жесткой» логикой вызывают значительное повышение стоимости изделий с их использованием. Отмеченные обстоятельства привели к появлению нового подхода при проектировании средств вычислительной техники на основе программируемых логических БИС.

Структура подобных БИС стандартна и достаточно универсальна, а требуемые конкретные функциональные особенности достигаются за счет программного уп­равления. Такие универсальные программно-управляемые БИС по­лучили название микропроцессоров (МП).

Микропроцессор — это конструктивно и функционально закон­ченное устройство, выполненное с использованием технологии БИС и обладающее способностью производить обработку цифровых дан­ных согласно программе, хранимой в элементах памяти.

По своим функциональным возможностям МП представляет собой упрощенный вариант процессорного устройства универсальной ЭВМ. В его состав обычно входят арифметико-логическое устройство (АЛУ), а также устройство управления (УУ), регистровые устройства (РУ) и интер­фейсные устройства (ИУ). Таким образом, МП — это лишь часть вы­числительного устройства, для нормальной организации которого тре­буются память и устройства ввода — вывода информации.

В табл. 1 приведены выпускаемые отечественной промышленностью микропроцессорные комплекты БИС (МПК БИС). Практически МП используется вместе с другими интегральными схемами (ИС), поэтому в таб­лице указаны число ИС в базовом комплекте (собственно микропроцессор) и общее количество сопрягаемых ИС в комплекте. Однокристальные МП изготовляются преиму­щественно на основе р-МДП и n-МДП технологии унипо­лярных полупроводниковых приборов, а секционные многокристальные МП — на основе ТТЛДШ, И²Л, ЭСЛ быстродействующих биполярных полупроводниковых при­боров.

Таблица .I

Примечание, n — 1, 2, 4.....

Низкое потребление электрической энергии достигается в МП, выполненных на основе КМОП микроэлек­тронной технологии.

Высокоскоростные секционные бипо­лярные ИС, имеющие малую физическую разрядность и монтируемые в корпусе с большим числом выводов, позволяют организовать разветвленные связи в процес­соре и за счет конвейерной обработки получить высокую производительность.

Разработчикам системы на основе микропроцессора недоступен уровень отдельных транзисторов, связей между ними, а также широкая возможность трансформации связей между компонентами микропроцессорного комплекта БИС. Потребитель воспринимает микропроцессор как нечто цельное, имеющее внешние потребительские свойства, заложенные в его архитектуре.

Архитектура микропроцессора — функциональные возможности аппаратурных электронных средств микро­процессора, используемые для представления данных, и машинных операций, описания алгоритмов и процессов

вычислений.

Архитектура объединяет аппаратурные, микропрограм­мные и программные средства вычислительной техники и позволяет четко выделить то, что при создании конкрет­ной микропроцессорной системы и использовании возмож­ностей микропроцессорного комплекта БИС должно быть реализовано пользователем программным способом и дополнительными аппаратурными средствами.

Принципы управления. Микропроцессор можно пред­ставить в виде некоторого последовательностного циф­рового устройства (ПЦУ), состоящего из двух частей: операционной и управляющей (рис. 1).

Процесс функционирования операционного ПЦУ со­стоит из последовательности элементарных действий в его узлах. Элементарными действиями являются: уста­новка регистра в некоторое состояние, инвертирование содержимого разрядов регистра, передача информации от одного узла к другому (например, передача содержи­мого из регистра в регистр), сдвиг информации в узле влево или вправо, логические поразрядные операции, проверка условий и т. д. Эти действия производятся под воздействием сигналов управляющего ПЦУ. Такие эле­ментарные акты преобразования информации выполня­ются в течение одного такта сигналов синхронизации и называются микрооперациями. В течение одного такта сигналов синхронизации могут выполняться несколько микроопераций. Совокупности одновременно выполняе­мых микроопераций в течение одного такта ставится в соответствие понятие микрокоманды, а весь набор раз­личных микрокоманд называют микропрограммой. По­скольку управляющее ПЦУ определяет микропрограмму (последовательность выполнения микроопераций), оно получило название микропрограммного автомата.

Рис. 1

Рис. 2

Формирование управляющих сигналов для выполнения не­которых микрокоманд может потребовать учета состоя­ния узлов операционного ПЦУ или внешних сигналов. Для построения микропрограммного автомата (управ­ляющего ПЦУ) используются принципы схемной и про­граммируемой логики. В первом случае каждой опера­ции соответствует свой набор логических схем, выраба­тывающих определенные управляющие сигналы для выполнения микроопераций в определенные моменты времени. При таком способе построения управляющего ПЦУ микрооперации реализуются за счет однажды со­единенных между собой логических схем, поэтому такие микропроцессоры называются МП с жесткой логикой управления. Это означает, что для МП фиксируются на­бор команд по числу операций и структура связей между узлами, обеспечивающих заданную последовательность выполнения каждой операции (рис. 2). В управляющем устройстве (УУ) предусматриваются ряд узлов для вы­полнения различных операций на одном и том же обо­рудовании операционного устройства (ОУ). Каждой вы­полняемой в МП операции соответствует команда. Команда поступает из ОЗУ, и с помощью дешифратора команд в УУ ее код преобразуется в сигналы, которые включают узлы управления процессом выполнения опера­ции. Реализация принципа схемной логики в МП озна­чает практическую невозможность изменений в системе команд после изготовления МП. Она приводит к узкой специализации БИС, что снижает серийность выпуска и удорожает их производство.

Рис. 3

Вместе с тем МП с жест­кой логикой управления обеспечивает наивысшее быст­родействие при заданной технологии изготовления.

При реализации принципа программируемой логики (рис. 3, а) кодовые комбинации управляющих сигналов представляются в виде кодов микрокоманд, которые можно хранить в управляющей памяти (УП). При вы­полнении некоторой операции из УП выбирается микро­команда и выдается в виде совокупности управляющих сигналов в ОУ. В УП для каждой операции хранится своя микропрограмма. Из оперативной памяти выбира­ется команда, и с ее помощью определяется соответст­вующая ей микропрограмма в УП. Микрокоманды най­денной микропрограммы последовательно считываются и подаются на ОУ. В результате реализуется операция, определяемая данной командой. Такой способ реализа­ции операций получил название микропрограммного, а МП с устройством управления на этом принципе на­зывается МП с программируемой логикой.

Структура микрокоманды (МК) представлена на рис. 3, б. Микрокоманда содержит поле адреса, поле условных переходов, поле управляющих сигналов. По содержимому поля адреса определяется адрес следую­щей МК. Для реализации условных переходов в МК предусматривается поле условных переходов, в котором указывается наличие безусловного или условного пере­хода, а в случае условного перехода отмечаются условия определения адреса очередной МК. Поле управляющих сигналов МК служит для организации функционирова­ния ОУ. В УУ предусматриваются управляющая память (УП) и блок микропрограммного управления (БМУ).

Поступающая из ЗУ команда используется для опре­деления с помощью БМУ адреса первой МК той микро­программы, которая реализует заданную командой опе­рацию. Адреса последующих МК определяются БМУ сле­дующим образом.

В МК предусматривается поле адреса, которое содер­жит адрес очередной МК. В случае условного перехода один из разрядов поля условных переходов отводится для указания вида перехода (например 0 — безуслов­ный переход 1 —условный переход). Для каждого ус­ловия отводится разряд, определяющий участие данного условия в определении адреса. В зависимости от усло­вия образуются два различающихся младшим разрядом адреса и очередная МК считывается из одной или другой ячейки УП. В результате получается разветвление на два направления. Таким образом, микрокоманда может быть разбита на две. Микрокоманда МУ определяет функцио­нирование БМУ при определении адреса очередной МК по полю адреса и полю условных переходов. Микро­команда ОУ определяет функционирование ОУ по полю управляющих сигналов.

Использование принципа программируемой логики при построении УУ может привести к снижению быстро­действия МП из-за увеличения числа тактовых периодов реализации микропрограммы. Достоинство такой орга­низации управления заключается в возможности гибко­го изменения набора команд в МП с помощью измене­ния совокупности микропрограмм, реализующих эти команды.

Организация прерывания работы МП. Реализация механизма прерываний по сигналам запросов внешних устройств имеет наибольшую важность при обмене дан­ными МП с большим числом асинхронно работающих внешних устройств.

Практически все МП имеют отдельные выводы для ввода и вывода сигналов при определении запросов и удовлетворения запросов на прерывание. Сигналы за­проса прерываний текущей программы поступают в про­извольный момент времени. Поэтому МП должен закон­чить выполнение текущей микрокоманды или команды и только после этого приступить к удовлетворению за­проса. При этом промежуточные результаты работы МП по программе должны быть зафиксированы в регистрах и переданы на хранение в память. После удовлетворения запроса и обработки прерывания зафиксированные в па­мяти промежуточные результаты должны быть возвра­щены обратно в регистры МП. Такой порядок реализации процесса прерывания дает возможность переходить от программы к подпрограмме обработки прерываний и об­ратно без потерь промежуточной информации и без на­рушений процесса вычислений. Если МП построен так, что нельзя прервать прерывающую программу, то счи­тается, что МП имеет нулевой уровень программного прерывания.

Для большинства МП имеется возможность обеспе­чения многократного прерывания прерываний. В этом случае допускаются прерывания внутри прерываний, что ведет к появлению последовательности вложенных друг в друга подпрограмм. Для сохранения и возврата данных при реализации прерываний используется стек. Стек представляет собой совокуп­ность ячеек памяти, организованных так, что обращение к списку слов может происходить в процессе, обратном записи. В стеке последнее из записанных слов считается первым. В стеке всегда чтение или запись происходит в верхней ячейке. При удовлетворении запроса на пре­рывание текущей программы осуществляется запись со­стояния рабочих регистров МП в стек, при этом авто­матически добавляется в указатель стека единица пос­ле каждой записи. Поэтому с помощью одной команды «Записать состояние в стек» осуществляются считыва­ние регистров и хранение содержимого в стеке. Восста­новление также происходит автоматически по команде «Восстановить состояние прерванной программы», кото­рая ставится последней в подпрограмме прерывания.

Запросы прерывания в большинстве МП делятся на немаскируемые и маскируемые.

Немаскируемые запро­сы на прерывание реализуются аппаратно вне програм­много контроля и не управляются программно. Эти пре­рывания имеют высший приоритет, исполняются ранее других запросов на прерывания. Примерами немаски­руемых запросов могут служить запросы на прерывания от схем питания, схем контроля правильности передачи данных.

Маскируемые запросы на прерывания управля­ются командами программы и обеспечивают возмож­ность гибкого управления вычислительным процессом.

Для определения адреса программы при прерывании по запросу от внешнего устройства используются раз­личные методы, которые различаются числом дополни­тельных схем в МП или в контроллере внешнего устрой­ства.

Наиболее простой метод основан на записи кода адреса памяти, где записана подпрограмма прерывания, в специальном регистре адреса прерывания. Другой ме­тод основан на асинхронном запросе со стороны МП внешним устройством с целью определения устройства, которое выработало сигнал запроса на прерывание. По запросу МП контроллер внешнего устройства выставля­ет код команды, вызывающий ветвление в устройстве управления МП по одному из множества адресов. В сложных МП используется специальный регистр век­тора прерывания для задания векторов прерываний внешних устройств.

Организация ввода-вывода данных.Существуют раз­личные способы обмена данными между МП и другими устройствами.

При программном обмене данными по командам условного перехода МП определяет програм­мным путем, готово ли внешнее устройство к выполне­нию операций ввода-вывода до начала передачи данных. МП считывает информацию о состоянии готовности внешнего устройства, передает ее во внутренний регистр и на основе анализа результата принимает решение о го­товности устройства. При этом МП находится в режиме программного ожидания готовности внешнего устройст­ва, выполняя соответствующую подпрограмму. После обнаружения готовности МП передает данные и затем приступает к продолжению основной программы.

При обмене данными по сигналам прерывания рабо­ты МП от внешних устройств последние являются сами инициаторами обмена. МП работает параллельно с внеш­ними устройствами по основной программе и не занима­ется анализом состояния внешних устройств. В этом слу­чае в МП предусматриваются специальные средства анализа состояния внешних устройств. При выполнении сигнала готовности к обмену от какого-либо внешнего устройства МП завершает текущую операцию, передает на хранение в память всю информацию и переходит к подпрограмме обслуживания прерывания. Основной частью этой подпрограммы является команда обмена данными между МП и внешними устройствами. В конце подпрограммы включается подпрограмма возврата к ос­новной программе.

При обмене данными между внешними устройствами и памятью нет необходимости пересылать данные через микропроцессор. Для этих целей используется обмен данными в канале прямого доступа. Вводится специаль­ный контроллер прямого доступа в память, который бе­рет на себя управление передачей без применения МП. Средства канала прямого доступа подключаются парал­лельно МП. Разделение единого информационного ка­нала между МП и каналом прямого доступа осуществ­ляется посредством использования трехуровневого со­стояния информационных шин МП.

Во время передачи информации по каналу прямого доступа МП переводит выходные схемы управления ши­нами данных, адреса и управления в высокоомные со­стояния и тем самым изолируется от остальной части си­стемы.

ВТОРОЙ ВОПРОС

Типовая структура микропроцессора приведена на рис. 4. Микропроцессор состоит из трех основных блоков: арифметическо-логическое устройство (АЛУ), блок внутренних регистров, устройство управления. Объединяет эти блоки интерфейс.

Рис. 4 Типовая структурная схема микропроцессора.

АЛУ и блок внутренних регистров часто объединяют в один блок, который называют операционным блоком (ОБ). Для передачи данных между этими блоками используется внутренняя шина данных.

Арифметическо-ло­гическое устройство выполняет одну из главных функ­ций микропроцессора — обработку данных. Перечень функций АЛУ зависит от типа микропроцессора. Не­которые АЛУ способны выполнять множество различных операций, у других набор операций ограничен. Функции АЛУ определяют архитектуру микропроцес­сора в целом.

Арифметическо-логическое устройство состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса,. сдвигающего регистра и регистров для временного хранения опе­рандов. Обычно это устройство выполняет по командам несколько простейших операций: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2, инверсия, приращения положитель­ное и отрицательное.

Важная составная часть микропроцессора — реги­стры. Каждый регистр микропроцессора можно ис­пользовать для временного хранения одного слова данных. Некоторые регистры имеют специальное на­значение, другие – многоцелевое. Последние называ­ются регистрами общего назначения (РОН) и могут использоваться программистом по его усмотрению. Количество и назначение регистров в микропроцессо­ре зависят от его архитектуры.

Регистры общего назначения (РОН). Большинство МП имеют в своем составе набор реги­стров, используемых в качестве запоминающих уст­ройств. Так как АЛУ может совершать операции с содержимым РОН без выхода на внешнюю магистраль адресов и данных, то они происходят много быстрее, чем операции с внешней памятью. Поэтому иногда РОН называют сверхоперативной памятью. Количе­ство РОН и возможность программного доступа к ним у равных микропроцессоров различны.

Буферный регистр предназначен для времен­ного хранения (буферирования) данных.

Буферный регистр адреса служит для приема и хранения адресной части исполняемой команды. Иначе говоря, адрес слова в нем содержится до выдачи на адресную шину. Возможное количество адресов, т. е. непосредственно адресуемых слов па­мяти, определяется разрядностью этого регистра. Так, в 16-раз­рядном регистре, изменяя значения разрядов двухбайтового слова, можно поместить любое из 2¹⁶ = 65536 адресов ячеек (слов) памяти.

Буферный регистр данных используется для временного хранения выбранного из памяти слова перед выдачей его во внешнюю шину данных. Его разрядность определяется количе­ством байтов информационного слова.

Устройство управления управляет работой АЛУ и внутренних регистров в процессе выполнения команды. Согласно коду операции, содержащемуся в команде, оно формирует внутрен­ние сигналы управления блоками МП. Адресная часть команды совместно с сигналами управления используется для считывания данных из определенной ячейки памяти или для записи данных в

ячейку. По сигналам УУ осуществляется выборка каждой новой, очередной команды.

Для стандартного подключения к МП портов внеш­них устройств и запоминающего устройства служит ин­терфейс, в состав которого входят буфер адреса (БА), буфер данных (БД), шины. Шина данных (ШД) предна­значается для передачи чисел и команд, с которыми ра­ботает МП. Шина адреса (ША) используется для адресации памяти и внешних устройств. По шине управ­ления (ШУ) передаются управляющие сигналы от внеш­них устройств к МП и обратно.

Конкретные МП могут отличать­ся друг от друга, но каждый из них содержит следую­щие основные узлы и устройства: арифметическо-логическое устройство (АЛУ); устройство управления (УУ); регистры (Рг); интерфейс.

ТРЕТИЙ ВОПРОС

Аккумулятор — это главный регистр микро­процессора при различных манипуляциях с данными. Большинство арифметических и логических операций осуществляется путем использования АЛУ и аккуму­лятора. Любая из таких операций над двумя словами данных (операндами) предполагает размещение од­ного из них в аккумуляторе, а другого в памяти или каком-либо регистре. Так, при сложении двух слов, называемых условно А и Б и расположенных в акку­муляторе и памяти соответственно, результирующая сумма С загружается в аккумулятор, замещая слово А. Результат выполнения операции АЛУ тоже обыч­но размещается в аккумуляторе, содержимое которо­го при этом теряется.

Операцией другого типа, использующей аккумуля­тор, является программируемая передача данных из одной части микропроцессора в другую. Например, пересылка данных между портом ввода-вывода и памятью, между двумя областями памяти и т. д. Вы­полнение операции «программируемая передача дан­ных» осуществляется в два этапа: сначала выполня­ется пересылка данных из источника в аккумулятор, затем — из аккумулятора в пункт назначения.

Микропроцессор может выполнять некоторые дей­ствия над данными непосредственно в аккумуляторе. Например, аккумулятор можно очистить путем записи двоичных нулей во все его разряды, установить в еди­ничное состояние путем записи во все его разряды двоичных единиц. Содержимое аккумулятора можно сдвигать влево или вправо, получать его инвертированное значение, а также выполнять другие операции.

Аккумулятор является наиболее универсальным регистром микропроцессора: для выполнения любой операции над данными, прежде всего, необходимо по­местить их в аккумулятор. Данные поступают в него с внутренней шины данных микропроцессора. В свою очередь, аккумулятор может посылать данные на эту шину.

Количество разрядов аккумулятора соответствует длине слова микропроцессора, однако некоторые мик­ропроцессоры имеют аккумуляторы двойной длины. В дополнительные разряды аккумулятора записыва­ются при этом биты, появляющиеся при выполнении некоторых арифметических операций. Например, при умножении двух 8-битовых слов результат (16-битовое число) размещается в аккумуляторе двойной длины.

Счетчик команд — это один из наиболее важ­ных регистров микропроцессора. Как известно, прог­рамма — это последовательность команд (инструк­ций), хранимых в памяти микроЭВМ и предназначен­ных для того, чтобы инструктировать машину, как решать поставленную задачу. Для корректного ее вы­полнения команды должны поступать в строго опре­деленном порядке. Счетчик команд обеспечивает фор­мирование адреса очередной команды, записанной в памяти.

Когда микропроцессор начинает работать, то по команде начальной установки в счетчик команд за­гружаются данные из области памяти, заданной про­ектировщиком микропроцессора. Когда программа начинает выполняться, первым значением содержимо­го счетчика команд является этот, заранее определен­ный адрес.

В отличие от аккумулятора счетчик команд не мо­жет выполнять операции различного типа. Набор ко­манд, его использующих, крайне ограничен по срав­нению с подобным набором для аккумулятора.

Перед выполнением программы счетчик команд необходимо загрузить адресом, указывающим на пер­вую команду программы. Адрес первой команды про­граммы посылается по адресной шине к схемам уп­равления памятью, в результате чего считывается ее содержимое по указанному адресу. Далее эта коман­да передается в специальный регистр микропроцессо­ра, называемый регистром команд.

После извлечения команды из памяти микропро­цессор автоматически дает приращение содержимому счетчика команд. Это приращение счетчик команд по­лучает в тот момент, когда микропроцессор начинает выполнять команду, только что извлеченную из па­мяти. Следовательно, с этого момента счетчик команд содержит адрес следующей команды.

Счетчик команд можно загрузить иным содержи­мым при выполнении особой группы команд. Может возникнуть необходимость выполнить часть програм­мы, которая «выпадает» из последовательности ко­манд основной (главной) программы. Например, та­кую часть программы, которая повторяется в процес­се выполнения всей программы. Вместо того чтобы писать эту часть программы каждый раз, когда в ней возникает необходимость, ее записывают один раз и возвращаются к ее повторному выполнению, отступая от указанной последовательности. Часть программы, выполняемая путем отступления от последовательнос­ти команд главной программы, называется подпрог­раммой. В данном случае в счетчик команд непосред­ственно записывается требуемый адрес.

Часто счетчик команд имеет намного больше раз­рядов, чем длина слова данных микропроцессора. Так, в большинстве 8-разрядных микропроцессоров, число разрядов счетчика команд равно 16.

Регистр команд содержит команду в процес­се ее дешифрования и выполнения. Входные данные поступают в регистр из памяти по мере последова­тельной выборки команд. Обычно существует возмож­ность записи данных в регистр команд при помощи набора переключателей и кнопок на пульте управле­ния ЭВМ. Как правило, этой возможностью пользу­ются для передачи управления в начало программы.

Регистр адреса памяти при каждом обра­щении к памяти микроЭВМ указывает адрес области памяти, подлежащей использованию микропроцессо­ром. Регистр адреса памяти содержит двоичное чис­ло — адрес области памяти. Выход этого регистра на­зывается адресной шиной и используется для выбора области памяти или порта ввода—вывода.

В течение выборки команды из памяти регистры адреса памяти и счетчика команд имеют одинаковое содержимое, т.е. регистр адреса памяти указывает местоположение команды, извлекаемой из памяти. После декодирования команды счетчик команд полу­чает приращение в отличие от регистра адреса па­мяти.

В процессе выполнения команды содержимое ре­гистра адреса памяти зависит от выполняемой коман­ды. Если в соответствии с командой микропроцессор должен произвести еще одно обращение к памяти, то регистр адреса памяти подлежит вторичному исполь­зованию в процессе обработки этой команды. Для некоторых команд, например команды очистки акку­мулятора, адресация к памяти не требуется. При об­работке таких команд регистр адреса памяти исполь­зуется лишь один раз — в течение выборки команды из памяти.

В большинстве микропроцессоров регистры адре­са памяти и счетчика команд имеют одинаковое коли­чество разрядов. Как и счетчик команд, регистр адре­са памяти должен располагать количеством разрядов, достаточным для адресации любой области памяти микроЭВМ. У большинства 8-разрядных микропро­цессоров количество разрядов регистра адреса памя­ти равно 16.

Поскольку регистр адреса памяти подключен к внутренней шине данных микропроцессора, он может загружаться от различных источников. Большинство микропроцессоров располагают командами, позволяю­щими загружать этот регистр содержимым счетчика команд, регистра общего назначения или какой-либо области памяти. Некоторые команды предоставляют возможность изменять содержимое регистра адреса памяти путем выполнения вычислений: новое значе­ние содержимого этого регистра получается путем сложения или вычитания содержимого счетчика ко­манд с числом, указанным в самой команде. Адреса­ция такого типа называется адресацией с использова­нием смещения.

Регистр состояния предназначен для хране­ния результатов некоторых проверок, осуществляемых в процессе выполнения программы. Разряды регистра состояний принимают то или иное значение при вы­полнении операций, использующих АЛУ и некоторые регистры. Запоминание результатов упомянутых прове­рок позволяет использовать программы, содержащие

переходы (нарушения естественной последовательно­сти выполнения команд).

При наличии в программе перехода по заданному признаку выполнение команд начинается с некоторой новой области памяти, т.е. счетчик команд загружа­ется новым числом. В случае условного перехода та­кое действие имеет место, если результаты определен­ных проверок совпадают с ожидаемыми значениями. Указанные результаты находятся в регистре состоя­ния. Регистр состояния предоставляет программисту возможность организовать работу микропроцессора так, чтобы при определенных условиях менялся поря­док выполнения команд.

Рассмотрим некоторые наиболее часто используе­мые разряды регистра состояния.

1. Перенос/заем. Данный разряд указывает, что последняя выполненная операция сопровождалась переносом или заемом (отрицательным переносом). Значение разряда переноса устанавливается равным 1, если в результате сложения двух чисел имеет мес­то перенос из старшего разряда АЛУ. Отрицательный перенос (заем) фиксируется в регистре состояния при вычитании большего числа из меньшего.

2. Нулевой результат. Принимает единич­ное значение, если после окончания операции во всех разрядах регистра результата обнаружены двоичные нули. Установка этого разряда в 1 происходит не только при отрицательном приращении содержимого регистра, но и при любой другой операции, результат которой — число из двоичных нулей.

3. Знаковый. Принимает единичное значение, когда старший значащий бит содержимого регистра, предназначенного для записи результата операции, становится равным 1. При выполнении арифметиче­ских операций с числами в дополнительн