Принцип действия микропроцессора

Работа МПС сопровождается интенсивным обменом информацией между МП, ЗУ, УВВ. Эффективность решения задач МПС в значительной степени определяется организацией этого обмена и структурой связи между МП, памятью и УВВ. Для организации обмена между указанными устройствами вводится понятие интерфейса – это система шин, вспомогательной аппаратуры и алгоритмов, реализованных на этой аппаратуре. В функции интерфейса входят: дешифрация адреса устройств, синхронизация обмена информацией, согласование форматов слов, дешифрация кода команды, связанной с обращением к памяти или УВВ, электрическое согласование сигналов.

Сложность задач, возлагаемых на интерфейс, а также недостаточная мощность буферных схем, входящих в состав БИС МП, привели к распределению средств интерфейса между различными устройствами:

- устройством управления памятью и вводом-выводом, входящим в состав МП;

- непосредственно интерфейсным устройством, являющимся промежуточным звеном между МП, памятью и УВВ;

- специализированными устройствами управления (контроллерами) УВВ.

Различают следующие способы организации связи между МП и УВВ в МПС: программный обмен данными по командам условного перехода; обмен данными по сигналам прерывания; обмен данными в канале прямого доступа в память; подключение устройств ввода-вывода к МП.

При программном обмене данными по командам условного перехода МП программным путем должен определить, готово ли периферийное устройство к выполнению операций ввода-вывода до того, как начнется программная передача данных. Внешнее устройство должно иметь аппаратурные средства для выработки информации о внутреннем состоянии статусной информации. МП считывает эту информацию, передает ее во внутренний регистр-аккумулятор, анализирует и на основе результата анализа принимает решение о готовности устройства (рис.1.6).

МП может находиться в режиме программного ожидания (готовности) внешнего устройства, выполняя команды блоков 1 и 2. После обнаружения состояния готовности МП передает данные по командам блоку 3, а затем приступает к работе по продолжению основной программы.

Рис. 1.6. Алгоритм программного обмена

На рис. 1.7 приведен пример обмена данными по командам условного перехода. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) при передаче данных имеет трехуровневые выходные каскады, передача данных с которых осуществляется по сигналу “Разрешение выдачи” (РВ). По сигналу “Начало преобразования” (НП) АЦП начинает преобразования мгновенной амплитуды входного аналогового сигнала в восьмиразрядный код. По окончанию преобразования выдается управляющий сигнал “Конец преобразования” (КП).

Сигналы НП, КП и РВ считываются МП из байтового выходного регистра данных. Сигналы Д7 – Д0 имеют правильное значение, если соблюдена последовательность выдачи управляющих сигналов НП, КП и РВ согласно временной диаграмме. Сигнал с дешифратора адреса ДСА вместе с сигналом операции МП Чт/Зп по сигналу импульса синхронизации С определяет генерацию необходимого управляющего сигнала. По сигналам АНП =АРВ = 1 осуществляется запуск АЦП; по сигналам АРВ = АКП = 1 – считывание и ввод в МП значения сигнала КП. Этот сигнал через трехуровневый каскад вводится в МП по шине Д7. Поэтому команда “Условный переход по знаку результата” определит либо окончание преобразования (КП=1), либо необходимость перехода к новому циклу анализа (КП=0). При сигнале КП=1 командой “Прочитать данные по адресу АРВ” осуществляется ввод информации с АЦП в МП.

Для организации обмена данными по сигналам прерывания от внешних устройств в МП должны быть предусмотрены специальные аппаратурные средства анализа состояния внешних устройств. Если они обнаруживают готовность к обмену какого-либо внешнего устройства, то сигнализируют об этом блоку управления МП, который завершает текущую операцию, передает на хранение в память всю информацию внутренних регистров данных и управления и переходит к подпрограмме обслуживания прерывания. Основная часть этой подпрограммы – команды передачи данных между МП и конкретным внешним устройством. В конце нее имеются программы восстановления состояния МП, которое существовало к началу прерывания.

Рис. 1.7. Схема подключения АЦП к МП при программном вводе данных

Если необходимо осуществить обмен между внешним устройством и памятью, то нет необходимости пересылать данные через МП, так как в противном случае затраты времени МП будут очень большими. Можно ввести в МПС контроллер прямого доступа в память, который берет на себя управление передачей. Построение канала ПДП является альтернативой программному обмену, поэтому и в данном случае справедливы общие закономерности балансировки программно-аппаратурных средств. Средства канала ПДП могут быть подключены параллельно процессору (рис.1.8, а), с передачей функции арбитража ОЗУ.

Рис. 1.8. Схема подключения КПД к ОЗУ в МПС

Однако при этом усложняются схемы управления ОЗУ, появляется второй информационный канал, состоящий из информационных МД и МА и управляющих сигналов МУ. Поэтому в МПС решается задача разделения единого информационного канала между МП и КПД в память посредством использования свойств трехуровневого состояния информационных подмагистралей. МП во время передачи информации по КПД переводит выходные схемы управления всех магистралей в высокоомное состояние и изолируется от остальной части системы, что аналогично обрыву его информационного канала (рис. 1.8,б).

Способы подключения внешних устройств к МП определяются возможностями его корпуса, аппаратурно-программных средств, количеством и особенностями устройств ввода-вывода. Запрос на простое прерывание привлекает внимание МП к внешней системе и требует анализа ее состояния.

Если несколько устройств ввода-вывода (УВВ) подключены к своим индивидуальным аппаратурным ресурсам (радиальный интерфейс) (см. рис. 1.9,а), то внутри МП необходимо иметь мультиплексор для последовательного опроса всех УВВ. В случае подключения многих УВВ к одному уровню прерывания при простом прерывании требуется обзор всех причин прерывания и выделения активного УВВ.

Последовательное расположение подпрограмм анализа причин прерываний УВВ в программе может считаться приоритетным, если не задан другой алгоритм. Следовательно, первое активное устройство, обнаруженное программой прерывания, получает ресурс на обслуживание. Аппаратурно этот алгоритм реализуется в “цепочечной” схеме подключения УВВ (рис. 1.9,б).

Рис.1.9. Схемы подключения УВВ к МП МПС

Векторное прерывание возникает в том случае, когда УВВ, выставившее запрос на прерывание, посылает после выполнения запроса адрес ячейки, где расположена программа прерывания данного УВВ (рис. 1.9,в).

Многоуровневые групповые системы (рис. 1.9,г) прерывания требуют наличия в МП несколько входов и могут быть векторными, приоритетными или обзорными.

Принципиальные отличия в организации структуры микропроцессора МПС от организации структуры процессора классической ЭВМ (наличие нескольких внутренних шин, РОН, стека и т.п.) приводят к особенностям функционирования МП при организации процессов обработки информации и управления этими процессами.

Процесс обработки информации осуществляется в МПС с помощью его центрального устройства - микропроцессора, типовая структура которого в самом общем случае состоит из АЛУ (см. рис. 1.10,а), набора регистров общего назначения (РОН), буферного регистра (БР) и регистра сдвига (Рсдв).

Представленная структура обладает очень широкими возможностями: содержимое любого РОН может быть передано на БР и на Рсдв, а стандартное четырехразрядное АЛУ (рис. 1.10,б) может выполнить 16 логических и 32 арифметических операции над содержимым обоих регистров; результат может быть записан в любой из РОН.

При подаче соответствующих управляющих сигналов в этой системе, например, возможны:

- передача данных из одного РОН в другой (транзитом через БР и АЛУ);

- увеличение или уменьшение на единицу содержимого любого из РОН путем изменения в АЛУ выбранного из РОН значения на единицу и засылки полученного результата в тот же регистр;

- сдвиг содержимого любого РОН путем передачи любого выбранного из РОН числа в Рсдв, сдвига этого числа и записи через АЛУ в тот же РОН.

Рис. 1.10. Типовая структура МП

Очевидно, что для выполнения этих и других операций очень важно распределение подаваемых управляющих сигналов во времени. Например, для передачи данных из одного РОН в другой требуется два такта: 1 такт: адресация РОН, выборка содержимого РОН, прием выбранного слова в БР; 2 такт: адресация РОН, запись в РОН информации через АЛУ. Из этого примера видно, что при определенной последовательности управляющих сигналов будет выполняться определенная операция над данными, хранимыми в РОН. При этом необходимо выполнять два требования (см. рис. 1.11): обеспечение анализа логических условий и ветвление процесса; сохранение сигнала арифметического переноса из АЛУ (триггер Т1) и выходного бита Рсдв (триггер Т2), т.к. они могут понадобиться при выполнении следующей операции.

С этими изменениями становятся возможными операции над словами с разрядностью, большей, чем разрядность АЛУ, РОН и вспомогательных регистров.

Рис. 1.11. Структура обрабатывающей части МПС

Наиболее полно организацию процесса обработки информации в МПС отображает структурная схема МП, приведенная на рис. 1.12. Для упрощения структуры МП и организации его работы признаки условий обычно хранятся на специально выделенном регистре - регистре признаков, разрядность которого не превышает разрядности внутренних шин МП.

В состав МП, помимо ранее рассмотренных устройств, введены регистр результата (РР), мультиплексоры M1 - M4, цепи анализа значений логических условий и необходимые управляющие входы.

Рассмотрим назначение введенных мультиплексоров и соответствующих управляющих сигналов, с помощью которых организован процесс обработки информации в МПС.

Мультиплексор M1 - мультиплексор цепи переноса: в зависимости от назначения управляющего сигнала У6 (0 или 1) к входу переноса АЛУ подключается или внешний вход, или выход триггера переноса T1.

Мультиплексор M2 - мультиплексор цепи сдвига, подключающий к входу триггера сдвига T2 в зависимости от значения сигнала У14 выход старшего или младшего разряда регистра Рсдв.

Мультиплексор M3 - мультиплексор цепи сдвига, подключающий к входам старшего или младшего разрядов регистра Рсдв один их четырех выходов в зависимости от комбинации значений сигналов У15 и У16 : выход М2 (У15 =У16 =0), выход триггера Т2 (У15 = 0, У16 =1), логическую единицу (У15 =1, У16 = 0), логический нуль (У15, У16 =1,). Первая комбинация соответствует организации циклического сдвига, оставшиеся отличаются тем, что при сдвиге содержимого Рсдв влево или вправо в освобождающийся заряд записывается, соответственно, содержимое триггера T2, логическая единица или нуль.

Мультиплексор M4 - мультиплексор анализа условий, подключающий к выходу P в зависимости от комбинаций сигналов У8 и У9: выход старшего разряда регистра PP; выход схемы ИЛИ-НЕ, единичное значение на котором будет только при нулевом содержимом регистра PP; логическую единицу.

Устройство управления МПС должно выполнять две основные функции: управление выполнением операций и выборку команд программы в нужной последовательности, их дешифрацию и обработку. Существуют два подхода к организации управления выполнением операций.

Первый заключается в том, что n управляющих входов МП объединяются в отдельную n-разрядную шину, на которую для выполнения передачи и (или) обработки информации на каждом шаге алгоритма необходимо подавать n-разрядный вектор (микрокоманду). Этот способ позволяет легко реализовать любой алгоритм, но поскольку на каждом шаге только некоторая часть сигналов имеет единичное значение, а большинство - нулевое, то используется лишь незначительная часть всех n разрядов. Проанализировав архитектуру и назначение МПС, можно выделить группы сигналов, которые никогда одновременно не вырабатываются, и использовать в каждой группе для формирования управляющих сигналов дешифраторы. Такой способ организации управления называется микропрограммным. Структурная схема МП с микропрограммным устройством управления выполнением операций приведена на рис. 1.13,а.

Рис. 1.12. Структурная схема МП

В управляющем ЗУ для каждой операции хранится набор микрокоманд (МК), называемых микропрограммой, последовательная выборка и выполнение которых обеспечивает в обрабатывающей части МП преобразование информации, соответствующее коду операции. По коду операции из ЗУ выбирается первая МК микропрограммы выполнения этой операции и поступает на дешифратор микрокоманд ДСМК и схему управления их выполнением. Дешифратор МК расшифровывает код операционной части МК и вырабатывает управляющие сигналы, поступающие в обрабатывающую часть МП. Схема управления выполнением МК по коду адресной части МК и признакам условий формирует адрес следующей МК, который подается на ЗУ. Таким образом будут выбраны и выполнены все МК микропрограммы, что обеспечивает выполнение нужной операции.

а б

Рис. 1.13. Структура устройств управления МП

Второй подход заключается в том, что все управляющие входы сводятся в один управляющий блок, который расшифровывает приходящую команду и в соответствии с ней вырабатывает необходимую последовательность сигналов (см. рис. 1.13,б). Такой способ организации управления получил название схемного или “жесткого” управления. «Жесткость» и сложность структуры этого типа управления являются его недостатком, высокое быстродействие - главным преимуществом. Таким образом, МП должен обеспечивать выборку команд, их дешифрацию, выполнение требуемых операций в соответствии с содержанием полей команды и передачу кода операции в устройство управления. Для выполнения этих функций МП имеет (рис. 1.14): программный счетчик (ПС), регистр команды (РК), схемы выдачи адресов, операндов и содержимого ПС на адресную шину МП, схему приема данных и команд с внешней шины данных на РК; дешифратор команд ДСК.

Рис. 1.14. Структура МП

Адрес подлежащей выполнению команды хранится в ПС, с выхода которого он поступает через буфер адреса (БА) на адресные входы внешнего ЗУ команд. Выбранная по сигналу Уi команда поступает через буфер данных (БД) на РК. Код команды расшифровывается дешифратором команд (ДСК), который передает код операции в УУ. Последнее вырабатывает требуемую последовательность управляющих сигналов Уi, обеспечивающих выполнение нужной операции в МП. Если в процессе выполнения операции требуется обращение к РОН, то ДСК выставляет адрес регистра на адресных входах РОН - (см. рис. 1.12).

ЛИТЕРАТУРА

Основная

8. Касаткин В.С., Немцов М.В., Электротехника. - М.; Энергоатомиздат, 2000.

9. Основы промышленной электроники /Под ред. В.Г. Герасимова.- М.: Высшая школа, 1985.

10. Основы теории цепей; Учебник для ВУЗов. /В.П.Бакалов и др. 2-ое изд. перераб. и доп. – М.; 2000.

11. Сборник задач по электротехнике и основам электроники / Под ред. В.Г. Герасимова.- М.: Высшая школа, 1987.

12. Прянишников В.А. Электроника. - СПб; Корона принт, 2002.

13. Хоровиц П., Хилл У.. Искусство схемотехники.- М.:Мир, 1997.

14. Амочаева Г.Г. Электронный конспект лекций.

Дополнительная

6. Алексеенко А.Г., Шагурин Н.И. Микросхемотехника. Учебное пособие для вузов.- М.: Радио и связь, 1990.

7. Жеребцов И.П. Основы электроники.- Л.: Энергоатомиздат, 1990.

8. Попов В.П., Основы теории цепей.- Учебник для ВУЗов.- 3-е изд. испр.-М.: Высшая школа, 2000.

9. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench. в 2-х томах, Под ред. Д.И. Панфилова ДОДЭКА, 1999.-т.1-Электроника.

10. Электротехника/Ю.М. Борисов, Д.Н. Липатов, Ю.Н. Зорин. Учебник для вузов.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1985.

Лекция №25 – 28