Структура микропроцессора и его основные характеристики

Упрощенно структуру МП можно представить в следующем виде (рис. 11.87).

Основными узлами МП являются:

• • операционное устройство;
• • управляющее устройство;
• • счетчик команд;
• • регистр команд;
• • регистры 1… п;
• • регистр признаков.

Операционное устройство (ОУ) — это устройство, в котором выполняются операции. Оно включает в себя следующие узлы: регистры, сумматоры, каналы передачи информации, мультиплексоры для коммутации каналов, шифраторы, дешифраторы и т. д. Основу ОУ составляет арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое предназначено для выполнения предусмотренных МП арифметических и логических операций.

Управляющее устройство (УУ) координирует действия узлов ОУ. Оно вырабатывает в некоторой временной последовательности управляющие сигналы, пол действием которых в узлах ОУ выполняются требуемые действия.

Счетчик команд (СК) (программный счетчик) — это регистр, который хранит адрес следующей команды, которая должна быть выполнена вслед за предыдущей. В процессе исполнения команды содержимое СК автоматически инкрементируется (увеличивается) после выборки каждого байта команды. Таким образом, в любой момент времени его содержимое представляет собой адрес очередной ячейки памяти, где может храниться либо следующая команда, либо дополнительные данные, привлекаемые МП для исполнения данной команды. СК является программно доступным. На содержимое СК пользователь может повлиять только с помощью команд, изменяющих последовательное выполнение программы (например, команд безусловного перехода), а также с помощью некоторых специальных команд.

Регистр команд (РК) — регистр, который воспринимает код текущей команды (первый байт кода команды, код операции) с шины данных и осуществляет его хранение в течение всего времени ее исполнения. РК не доступен программисту. После выполнения очередной команды в РК автоматически записывается код следующей команды из ячейки оперативной памяти, адрес которой содержится в счетчике команд.

Рис. 11.87. Упрощенная структура МП.

Регистры l… n — регистры общего назначения, предназначенные для оперативного хранения данных и промежуточных результатов, участвующих в процессе выполнения программы.

Регистр признаков (РП) (регистр флагов, регистр состояния) — регистр, представляющий собой набор триггеров (индикаторов, флагов). РП дает информацию об особенностях результата последней операции, выполненной АЛУ. Каждый триггер РП предназначен для хранения одного признака результата выполнения операции.

По шине данных передаются двоичные сигналы, соответствующие кодам данных и команд управляющих программ.

Шина адреса служит для указания места (адреса) расположения данных. По ней МП передает двоичный код соответствующей ячейки памяти (откуда взять или куда записать двоичный код, передаваемый по шине данных).

По шине управления передаются сигналы, соответствующие направлению передачи информации, т. е. откуда нужно считать данные (источник) и куда их нужно записать (приемник).

Причем существуют как внутренние шины МП, так и системные шины МПС. Указанные шины согласованы между собой буферными схемами, расположенными также в МП.

Укрупненная функциональная схема УУ приведена на рис. 11.88.

Дешифратор команд (ДК) — логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.

Постоянное запоминающее устройство микропрограмм хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках МП операций обработки информации. Импульс по выбранному ДК в соответствии с кодом операции считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов.

Рис. 11.88. Укрупненная функциональная схема УУ.

Кодовые шины данных, адреса и управления являются внутренними шинами МП.

Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП) — устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из РК и регистров МП памяти (МПП).

В общем случае УУ формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур:

• • выборки из регистра-счетчика адреса команды МП памяти адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;
• • выборки из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;
• • расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;
• • считывания из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов), определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;
• • считывания из регистра команд и регистров МП памяти отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях, и формирования полных адресов операндов;
• • выборки операндов (по сформированным адресам) и выполнения заданной операции обработки этих операндов;
• • записи результатов операции в память;
• • формирования адреса следующей команды программы.

Функциональная схема ОУ приведена на рис. 11.89.

Рис. 11.89. Функциональная схема ОУ.

Регистры 1 и 2 — быстродействующие ячейки памяти. Причем регистр 1 служит источником одного из операндов и местом запоминания результата выполнения операции и часто называется аккумулятором. Регистр 2 служит источником другого операнда при выполнении операций в АЛУ и часто называется регистром временного хранения.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций над числами в параллельном двоичном коде, а также операций циклического сдвига.

При проведении операций одно число всегда берется из регистра 1 (аккумулятора), а другое — из регистра 2 (регистра временного хранения). Результат операции обычно пересылается в аккумулятор посредством внутренней шины данных. По результату выполнения операции в АЛУ устанавливаются или сбрасываются триггеры в РП.

Схема управления принимает по шине управления управляющие сигналы от УУ и преобразует их в сигналы для управления работой регистров и АЛУ.

Схема десятичной коррекции (СДК) предназначенная для коррекции результата при выполнении операций с двоично-десятичными числами.

Процесс функционирования ОУ можно представить в виде ряда последовательных элементарных действий:

• • установка регистра в некоторое состояние (например, запись в регистр числа 0);
• • инвертирование содержимого разрядов регистра;
• • пересылка содержимого одного узла в другой (например, пересылка содержимого одного регистра в другой);
• • сдвиг содержимого узла влево, вправо (например, сдвиг содержимого аккумулятора на один разряд влево, вправо);
• • инкрементирование, декрементирование содержимого узла (например, прибавление, вычитание единицы из содержимого аккумулятора) ;
• • сложение (например, сложение содержимого аккумулятора с содержимым регистра);
• • сравнение содержимого регистра на равенство с некоторым числом, в результате сравнения устанавливается или сбрасывается соответствующий флаг в регистре признаков;
• • некоторые логические операции, которые выполняются поразрядно.

Каждое элементарное действие, выполняемое в одном из узлов ОУ в течение одного тактового периода, называется микрооперацией.

В определенные тактовые периоды одновременно могут выполняться несколько микроопераций. Такая совокупность одновременно выполняемых микроопераций называется микрокомандой, а весь набор микрокоманд, предназначенных для решения определенной задачи, называется микропрограммой.

Важнейшими характеристиками МП являются следующие:

• 1) тактовая частота. Характеризует быстродействие МП. Режим работы процессора задается микросхемой, называемой генератором тактовых импульсов. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций выполняет микропроцессор за одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах;
• 2) разрядность процессора — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция. Чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может обрабатывать в единицу времени и тем больше его производительность.