29 Лекция. Функциональное содержание микропроцессора. Архитектура процессоров. Виды микроконтроллеров
29.1 Функциональное содержание микропроцессора
Микропроцессор (МП) – это устройство цифровой обработки информации, осуществляемой по программе. По назначению он близок к процессору ЭВМ, однако обладает меньшими функциональными возможностями. Микропроцессор реализуется в виде одной или нескольких микросхем высокой степени интеграции.
ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ. Микропроцессор применяется совместно с электронными запоминающим устройством программы (3УП) и запоминающим устройством данных (ЗУД), а также с устройством ввода- вывода (УВВ).
По аналогии с ЭВМ система, состоящая из микропроцессора и указанных устройств, получила название микроЭВМ или микропроцессорной системы (рисунок 29.1).
Рисунок 29.1 – Функциональная схема микроЭВМ
Устройство ЗУ программ предназначено для хранения команд, составляющих программу работы микропроцессора, и выполняется таким образом, что информация, записанная в нем, не теряется при перерывах в напряжении питания.
Устройство ЗУ данных используется для хранения данных, предназначенных для обработки микропроцессором.
Устройство УВВ обеспечивает ввод данных в ЗУД и их вывод к внешним приборам и устройствам.
Микропроцессор состоит:
а) из схем, обеспечивающих выборку команд из ЗУП, их дешифрирование и выполнение;
б) арифметическо-логическое устройство (АЛУ), представляющее собой совокупность схем, реализующих арифметические и логические операции над данными;
в) устройство управления, предназначенное для управления операциями и имеющее связи с ЗУП, ЗУД, и УВВ;
д) различные регистры, служащие местом временного хранения и преобразования данных и команд.
Блоки микропроцессорной системы связаны трактом передачи адресов для выборки микропроцессором команд из ЗУП и данных из ЗУД или УВВ, а также трактом передачи команд из ЗУП в микропроцессор и данных из ЗУД или УВВ в микропроцессор и от него.
Оба тракта передачи информации состоят из некоторого количества проводников, каждый из которых может подключаться к соответствующим приемникам и источникам микропроцессорной системы, осуществляя многократное использование каждого проводника для создания связи между узлами блоков микропроцессорной системы. Это достигается устройством управления микропроцессора, осуществляющим разделение во времени соответствующих связей (мультиплексирование). Тракт передачи информации можно сравнить с двусторонней транспортной магистралью.
Система с микропроцессором оперирует информацией в двоичной системе счисления. Каждый разряд двоичного числа называется битом. Таким образом, 1110 является 4-битовым двоичным число 110 — 3-битовым числом и т. д.
Крайний слева бит имеет наибольший вес, в связи с чем он называется старшим битом (разрядом). Крайний справа бит имеет наименьший вес, поэтому его называют младшим битом (разрядом). Обозначение битов 16-разрядного двоичного числа показано на рисунке 29.2.
Информация, которую обрабатывает микропроцессор, представляется группой битов, составляющих слово.
Рисунок 29.2 – Структура двоичного кода микропроцессорной системы
Количество битов в слове, несущем информацию о данных, зависит от типа микропроцессора. Наиболее распространены слова для передачи данных длиной в 4, 8, 12, 16 и 32 бит. Количеством битов в слове для передачи данных определяется, в частности, число разрядов приемных регистров, входящих в сверхоперативную память микропроцессора.
Длина слова, предназначенного для передачи адресов (адресации) к ЗУП и ЗУД, может превышать длину слова для передачи данных (соответственно может быть больше и число проводников в тракте передачи адресов). Это позволяет существенно увеличить объем памяти ЗУП и ЗУД. Так, при 16-битовом адресном слове (16 проводников в тракте передачи адресов) может быть опрошено 2n = 65536 ячеек ЗУ.
Биты, образующие слово, подразделяют на группы. Группа, состоящая из 8 бит, называется байтом (рисунок 29.2). Деление слова на байты позволяет упростить представление двоичного слова, применив шестнадцатиричную форму записи (шестнадцатиричный код). Так двоичное число, представленное на рисунке 29.2, будет иметь в шестнадцатиричном коде запись в виде E57D16. Представление двоичного слова в шестнадцатиричном коде позволяет уменьшить вероятность появления ошибок при составлении программы работы микропроцессора.
Функционирование всех узлов и блоков микропроцессорной системы (см. рисунок 29.1) инициируется генератором тактовых импульсов.
Для выполнения микропроцессором одной команды, хранящейся в ЗУП, требуется несколько периодов тактовых импульсов. Время выполнения команды называется командным циклом.
Командный цикл может составлять один или несколько машинных циклов.
В машинный цикл входят цикл выборки и исполнительный цикл (рисунок 29.3).
Во время цикла выборки микропроцессор определяет адрес команды, находящейся в ЗУП, и считывает эту команду в микропроцессор.
За время исполнительного цикла микропроцессор осуществляет выполнение считанной команды.