СКЛАД І ПРИЗНАЧЕННЯ ОСНОВНИХ ВУЗЛІВ МІКРОПРОЦЕСОРА
АРХІТЕКТУРА МІКРОПРОЦЕСОРІВ
Мікропроцесор є напівпровідниковий прилад, що складається з однієї або декількох програмно-керованих БІС і виконує функції автоматичної обробки цифрової інформації. Під архітектурою мікропроцесора розуміють принцип його внутрішньої організації, яка зумовлюється конкретною внутрішньою логічною структурою, сукупністю команд та взаємодією елементів структури.
Визначаючи поняття мікропроцесора загалом, необхідно уявляти, що його склад входить, передусім, арифметико-логічний пристрій (АЛУ) – блок, виконує дії над інформацією представленої в двійковому коді. Перебудова АЛУ з виконання однієї операції в іншу здійснюється з допомогою структурної перебудови його внутрішніх елементів. Перебудова здійснюється під впливом послідовності управляючих кодів – програми. Для ефективнішої організації обчислювального процесу до складу структури мікропроцесора обов'язково включають кілька регістрів, які використовують як своєрідне внутрішнє ОЗУ для зберігання операндів та проміжних результатів обчислень. За послідовністю виконання всіх процесів у мікропроцесорі – зчитуванням команд, окремих операцій у межах виконання кожної команди стежить пристрій управління. Прийом або передача інформації ззовні (команд або даних) здійснюється за спеціальними лініями, які називаються шинами. Таке уявлення про мікропроцесор (див. рис.14) є гранично спрощеним, але розкриває загальний підхід до його побудови.
Мал. 14. Узагальнена структура мікропроцесора
Однак такого уявлення для детального розуміння роботи самого мікропроцесора і, тим більше, ЕОМ, створеної на його основі, недостатньо. Розглянемо склад та призначенняйого вузлів детальніше (рис.15).
Арифметико-логічний пристрій (АЛУ), що служить ядром мікропроцесора, як правило, складається з двійкового суматора зі схемами прискореного перенесення, регістра, що зсуває, і регістрів для тимчасового зберігання операндів. Зазвичай цей пристрій виконує по командам кілька найпростіших операцій: додавання, віднімання, зсув, пересилання, логічне додавання (АБО), логічне множення (І) і т.д.
Оскільки з'явилися нові поняття – регістр і операнд, пояснимо їх, як описувати інші вузли мікропроцесора.
Мал. 15. Внутрішня структура мікропроцесора
Реєстром називається електронна схема для тимчасового зберігання двійкової інформації (машинного слова). Її будують на тригерах, загальна кількість яких визначає розрядність регістру. Кожен тригер регістру використовується для введення, зберігання та виведення одного розряду (1 або 0) двійкового числа. Розрядність регістру відповідає довжині слова, що зберігається в ньому.
Операндом називають число чи символ, що у машинної операції. Так, у виразі у = а + b або w = 2k - 1 операнди - це а, b, 2, k, 1. Типовим прикладом операнда, що використовується при процедурі обробки даних мікропроцесором, є байт.
Пристрій управління «керує» роботою АЛУ та внутрішніх регістрів у процесі виконання команди. Згідно з кодом операції, що міститься в команді, воно формує внутрішні сигнали управління блоками мікропроцесора. За сигналами УУ здійснюється вибірка кожної нової, чергової команди.
Регістри загального призначення (РОН), число яких може бути для різних мікропроцесорів різним, значною мірою визначають обчислювальні можливості мікропроцесора. Їхня основна функція – зберігання операндів, тобто.підлягають обробці даних. Всі РОН доступні програмісту, який їх розглядає як осередки внутрішнього супероперативного пристрою.
Регістр-акумулятор (А), зазвичай званий просто акумулятором (зустрічається також назва накопичувач), призначений для тимчасового зберігання операнда або проміжного результату арифметичних та логічних операцій, які проводять АЛУ. При виконанні будь-якої операції з двома операндами в цьому регістрі міститься один із операндів, а після виконання операції - її результат. Розрядність регістру дорівнює розрядності внутрішньої шини даних. Часто введення та виведення всіх даних у мікропроцесорі виробляються через акумулятор. Зустрічаються мікропроцесори з двома та більше акумуляторами, що дозволяє підвищити гнучкість роботи та ефективність вирішення завдань.
Буферний регістр даних – двонаправлений регістр, що служить для тимчасового зберігання даних, що приймаються з пам'яті перед видачею їх внутрішню шину МП або виданих на зовнішню шину даних для передачі в пам'ять або зовнішні пристрої. Також він забезпечує потрібну здатність навантаження МП по лініях шини даних і можливість переведення їх в Z-стан.
Регістр команд приймає та зберігає код операції чергової команди під час її виконання.
Регістр ознак представляє набір тригерів, званих прапорцями. Залежно від результатів операцій, що виконуються АЛУ, кожен тригер встановлюється в стан 0 або 1. Прапорцеві біти, що визначають вміст регістру, індикують умовні ознаки: нульового результату, знака результату, переповнення тощо. Ця інформація, що характеризує стан процесора, важлива для вибору подальшого шляху обчислень (розгалуження алгоритмів програми).
Внутрішня шинаданих - служить для магістрального з'єднання між собою структурних елементів мікропроцесора. Розрядність внутрішньої шини даних, т. е. кількість бітів числа, що передаються по ній одночасно (паралельно), відповідає розрядності слів, якими оперує мікропроцесор в рамках однієї команди. У найпростішому випадку розрядність внутрішньої та зовнішньої шин даних та сама. Слід пам'ятати, що у шині даних передаються як оброблювані АЛУ слова, а й командна інформація. Отже, недостатньо висока розрядність шини даних може обмежити склад (складність) команд та його число. Тому розрядність шини даних відносять до важливих характеристик мікропроцесора - вона великою мірою визначає його структуру та її можливості. Внутрішня шина даних, як і зовнішня шина даних, працює як двонаправленої передачі.
Знаючи склад і призначення структурних елементів мікропроцесора, можна детальніше уявити загальний порядок його функціонування.
Після закінчення початкової установки мікропроцесор розпочинає виконання програми – команда за командою. Розглянемо загальну процедуру виконання структурними елементами МП.