Архітектура мікропроцесорів

Поняття архітектури мікропроцесора визначає його скла­дові частини та зв'язки і взаємодію між ними. Архітектура містить: структурну схему самого МП; програмну модель МП (описання функцій регістрів); інформацію про організа­цію пам'яті (ємність пам'яті та способи її адресації); опис організації процедур введення-виведення.

Існують два основних типи архітектури — фоннейманівська і гарвардська. Фоннейманівську архітектуру (рис. 1.6, а) у 1945 р. запропонував американський математик Джо фон Нейман. Особливістю цієї архітектури є те, що програма і дані знаходяться у спільній пам'яті, доступ до якої здійснюєть­ся по одній шині даних і команд.

Гарвардську архітектуру вперше запроваджено у 1944 р. в релейній обчислювальній машині Гарвардського універси­тету (СІЛА). Особливістю цієї архітектури є те, що пам'ять даних і пам'ять програм розділені і мають окремі шину даних і шину команд (рис. 1.6, б), що дає змогу підвищити швидко­дію МП системи.

Структурні схеми обох архітектур містять: процесорний елемент, пам'ять, інтерфейси введення-виведення (ІВВ) і ПВВ. Пам'ять і ІВВ для різних типів МП можуть бути як внутріш­німи, тобто розміщуватися на тому самому кристалі, що й процесорний елемент, так і зовнішніми. Процесорний елемент містить регістри, арифметико-логічний пристрій (АЛП), пристрій керування і виконує функції оброблення даних та керування процесами обміну інформацією.

Рис. 1.6. Основні типи архітектури:

а — фоннейманівська; 6 — гарвардська

Пам'ять забезпе­чує зберігання кодів команд програми і даних. Інтерфейси призначені для зв'язку з ПВВ, наприклад з клавіатурою, дис­плеєм, друкувальними пристроями, датчиками інформації. Усі елементи структурної схеми з'єднані за допомогою шин.

Розширену структурну схему з процесором фоннейманівської архітектури зображено на рис. 1.7.

Схема процесора містить пристрій керування, АЛП і ре­гістри: адреси, даних, команд, а також стану, акумулятор, лічиль­ник команд, покажчик стеку.

Пристрій керування відповідно до кодів команд і зовнішніх керуючих сигналів та сигналів синхронізації фор­мує керуючі сигнали для всіх блоків структурної схеми МП, а також керує обміном інформацією між МП, пам'яттю і ПВВ. Пристрій керування реалізує такі функції: початкового вста­новлення МП, синхронізації, переривань, узгодження швид­кодії модулів МП системи.

Функція початкового встановлення МП. Зовнішній сигнал початкового встановлення процесора RESET формується під час ввімкнення джерела живлення МП або під час натискан­ня кнопки RESET. Після появи цього сигналу пристрій керування забезпечує завантаження нульового значення у про­грамний лічильник, що ініціює вибирання з пам'яті байта команди з нульовою адресою. Наприкінці вибирання вміст лічильника команд збільшується на одиницю, після чого ви­бирається байт команд з наступною адресою. Так виконуєть­ся вся записана у пам'яті програма.

Рис. 1.7. Структур­на схема з процесо­ром фоннейманівської архітектури

Функція синхронізації. Згідно із зовнішніми керуючими сигналами і сигналами синхросигналізації пристрій керуван­ня синхронізує роботу всіх блоків МП.

Функція переривань. З надходженням сигналу перери­вання пристрій керування ініціює роботу підпрограми об­робки відповідного переривання. Потреба у реалізації функцій переривань виникає тоді, коли під час виконання основної програми треба перевести МП на розв'язання іншої задачі, наприклад оброблення аварійної ситуації або роботи з ПВВ.

Функція узгодження швидкодії модулів мікропроцесор­ної системи. Під час обслуговування пам'яті та ПВВ із значно меншою швидкодією, ніж МП, узгодження швидкодії вирі­шується генерацією тактів очікування МП, а під час обслуго­вування пристроїв з більшою швидкодією, ніж МП, викорис­товується режим безпосереднього доступу до пам'яті.

Арифметико-логічний пристрій (АЛП) - комбіна­ційна схема на основі суматора, який сигналами з виходів пристрою керування налагоджується на виконання певної арифметичної або логічної операції — додавання, відніман­ня, ЛОГІЧНЕ І, ЛОГІЧНЕ АБО, логічне НІ, ВИКЛЮЧАЛЬНЕ АБО, зсуву, порівняння, десяткової корекції. Отже, АЛП виконує арифметичні або логічні операції над операндами, які пересилаються з пам'яті і (або) регістрів МП.

Операнд - це об'єкт у вигляді значення даних, вмісту регістрів або вмісту комірки пам'яті, з яким оперує команда, наприклад, у команді додавання операндами є доданки. Опе­ранд може задаватися у команді у вигляді числа або знахо­дитися в регістрі чи комірці пам'яті. Отриманий після вико­нання команди в АЛП результат пересилається в регістр або комірку пам'яті.

Регістри призначені для зберігання га-розрядного двійко­вого числа. Це п тригерів зі схемами керування читанням-записом та вибірки. Регістри створюють внутрішню пам'ять МП і використовуються для зберігання проміжних резуль­татів обчислень.

Акумулятор — регістр, в якому зберігається один з операндів. Після виконання команди в акумуляторі замість операнду розміщується результат операції. У 8-розрядних процесорах акумулятор бере участь у всіх операціях АЛП пристрою. Однак у 16-розрядних МП більшість команд ви­конуються без участі акумулятора, але в деяких командах (введення, виведення, множення, ділення) акумулятор діє так само, як і в 8-розрядних МП, тобто зберігає один з операндів, а після виконання команди - результат операції.

Лічильник команд, або програмований лічильник, призначений для зберігання адреси комірки пам'яті, яка містить код наступної команди. Програма дій МП записана в пам'яті у вигляді послідовності кодів команд. Для переходу до наступної команди вміст лічильника збільшується на оди­ницю у момент вибирання команди з пам'яті. Отже, наприкінці виконання команди в лічильнику команд зберігається адреса наступної команди.

Покажчик стеку — це регістр, який зберігає адресу останньої зайнятої комірки стеку. Стеком, або степовою па­м'яттю, називають область пам'яті, яка організована за прин­ципом «останній прийшов — перший пішов».

Регістр команд зберігає код команди впродовж усього часу виконання команди.

Регістр адреси і регістри даних призначені для збе­рігання адрес та даних, що використовуються під час вико­нання поточної команди в МП.

Регістр стану, або регістр прапорців (ознак), при­значений для зберігання інформації про результат операції в АЛП і складається з кількох тригерів, які набувають одинич­них або нульових значень. Наприклад, прапорець нуля встановлюється у стан логічної одиниці за нульового результату операції.