Общая структурная схема микропроцессора
Как и любое сложное цифровое устройство, МП может быть представлен соединением двух устройств – операционного и управляющего. Исходя из этого, общая структурная схема МП имеет вид, представленный на рисунке 2.
Рисунок 2 – Общая структурная схема микропроцессора
В ОУ производится непосредственное выполнение операций. ОУ содержит узлы следующих типов: регистры, сумматоры, каналы передачи данных, мультиплексоры, производящие переключение каналов передачи, дешифраторы, шифраторы и др.
УУ координирует работу узлов ОУ, формируя управляющие сигналы Y1, Y2, …, Yn в определенной временной последовательности. УУ обеспечивает в определенных узлах ОУ требуемые для выполнения операции действия.
Любая операция, выполняемая в узлах ОУ, делится на последовательность элементарных действий, называемых микрооперациями. К микрооперациям относятся:
установка регистра в некоторое состояние;
пересылка содержимого одного регистра в другой;
суммирование содержимого двух регистров;
инвертирование содержимого регистра и т. д.
Указанные микрооперации выполняются не во всех узлах ОУ. Каждая микрооперация выполняется под действием одного управляющего сигнала на выходе УУ, поэтому УУ имеет число управляющих цепей, равное общему количеству микроопераций, выполняемых в ОУ.
В одном и том же тактовом периоде может выполняться несколько микроопераций, осуществляемых в разных узлах ОУ. В этом случае управляющие сигналы поступают в несколько цепей.
Набор управляющих сигналов, обеспечивающих выполнение одной или нескольких микроопераций в одном и том же тактовом периоде, называется микрокомандой (МК), следовательно, управляющие сигналы являются микрокомандами. Последовательность МК, обеспечивающая выполнение одной операции, называется микропрограммой.
Иногда последовательность действий при выполнении операций зависит от состояния узлов ОУ или, иначе, от некоторых признаков, связанных с результатами микроопераций. Такие признаки X1, X2, …, Xp выдаются из ОУ и поступают в УУ. Некоторые признаки Xp + 1, …, Xs могут поступать извне, определяя порядок работы МП. Формируя управляющие сигналы УУ обязано в соответствующие тактовые периоды ориентироваться на признаки. В ОУ поступают данные и выдаются данные.
Два подхода в построении уу микропроцессора
При проектировании УУ МП используются два принципа:
принцип схемной или «жесткой» логики;
принцип программируемой логики.
При построении УУ МП по принципу схемной логики можно подобрать набор микросхем малой и средней степени интеграции. Затем определяется схема соединения выводов микросхем, обеспечивающая генерацию требуемой последовательности МК.
Достоинством принципа схемной логики является возможность достижения максимального быстродействия при заданной технологии элементной базы.
Недостатки принципа схемной логики:
всякое изменение последовательности МК требует демонтажа старого УУ и монтажа нового, т.е. принцип схемной логики не обеспечивает гибкости применения;
экономически не выгодно использовать последние достижения микроэлектроники – БИС и СБИС, так как разработка специализированных БИС обходится дорого.
При использовании принципа программируемой логики в УУ используется память, хранящая микропрограммы, т.е. последовательности МК.
Считывая из памяти МК и подавая их в управляющие цепи, УУ обеспечивает их выполнение в ОУ. В этом случае МП может быть выполнен в виде некоторого универсального устройства, например БИС. Изменение функционирования этого устройства обеспечивается помещением в память новой микропрограммы, т.е. этот метод обеспечивает гибкость применения. Однако при использовании принципа программируемой логики снижается быстродействие МП, так как требуется дополнительное время для формирования адресов МК и их считывания из памяти.