Рисуное 29.3 – Цикл работы микропроцессора
Функциональная схема микропроцессора. Микропроцессор представляет собой сложное цифровое устройство, состоящее из большого количества функциональных узлов. Но независимо от типа микропроцессора можно выделить отдельные функциональные узлы, составляющие основу его построения. Такие функциональные узлы представлены на структурной схеме, рисунок 29.4.
Рисунок
29.4 – Обобщённая функциональная схема
микропроцессора
А) Счетчик команд создаёт адрес (0, 1, 2, 3, ...) команды, выбираемой микропроцессором из ЗУП в текущий момент времени.
Он представляет собой суммирующий счетчик, содержание которого увеличивается на единицу к концу выполнения текущей команды. Этим достигается выбор адреса следующей команды из ЗУП.
Микропроцессор может работать с подпрограммами: в этом случае в счетчик команд принудительно записывается число, соответствующее адресу первой команды подпрограммы, а к завершению последней команды в подпрограмме счетчик команд устанавливается на адрес команды основной программы. Количество ячеек (битов), из которых состоит счетчик команд, зависит от типа микропроцессора. Так, при 16-битовом счетчике команд микропроцессор имеет возможность обращаться к ЗУП, содержащему 216 адресов (команд).
Б) Регистр команд предназначен для хранения в микропроцессоре команды, считанной из ЗУП, на период ее выполнения.
Выполнение команды осуществляется блоком управления (управление машинным циклом), который получает с выходов дешифратора необходимые сигналы для приведения в действие требуемых узлов микропроцессора.
В) Формирователь адресов операндов состоит из одного или нескольких регистров, в которых составляется адрес данных (операнда) перед обращением к ЗУД.
Д) АЛУ – арифметическо-логическое устройство – осуществляет операции сложения, вычитания, сравнения, а также операции И, ИЛИ над двумя числами (операндами) с выдачей результата по одному выходу. Вид операции задается командным кодом, содержащимся в регистре команд.
Е) Аккумулятор представляет собой основной регистр, предназначенный для ввода данных в микропроцессор и вывода их от него.
В аккумулятор поступает операнд из ЗУД перед проведением соответствующей операции в АЛУ.
В аккумулятор вводится результат проведенной в АЛУ операции.
Ж) Регистры сверхоперативной памяти предназначены для временного хранения данных перед проведением операций в АЛУ. Если, например, требуется провести операцию арифметического сложения двух чисел, то одно число предварительно хранится в аккумуляторе, а второе – в одном из регистров сверхоперативной памяти.
К началу выполнения программы микропроцессор должен находиться в исходном состоянии. С этой целью предусматривается подача сигнала «Установка нуля», которым все регистры микропроцессора, в том числе счетчик команд, устанавливаются в исходное нулевое состояние.
Регистр адреса команд (счетчик команд), устанавливается на соответствующий адрес ЗУП. Старт-адрес первого слова команды обычно представляется числом ноль.
История микропроцессорных средств началась в 1971 г., когда фирма “Intel” объявила о выпуске семейства интегральных микросхем, предназначенных для построения программируемых калькуляторов.
В 1973 г. появились однокристальные МП, в которых управляющее устройство было выполнено по схеме с жесткой логикой, операционное устройство обрабатывало 8-разрядные данные. Типичными представителями МП этого времени являются МП фирм Intel и Motorola – I8080 и M6800. Аналогом микропроцессора 8080 в СССР стал микропроцессор К580ВМ80.
В 1974-76 г.г. были разработаны МП с наращиваемой разрядностью и микропрограммным управлением (секционные МП).
Следующий, не только количественный, но и качественный скачок в развитии микропроцессорных БИС произошел в 1978 г., когда фирмой Intel был выпущен однокристальный микропроцессор 8086 (30 тыс. транзисторов на кристалле), изготовленный по усовершенствованной n-МОП технологии. МП имеет разрядность данных 16 бит, объем адресуемой памяти до 1 Мбайт, fт = 5 МГц.
Помимо традиционных МП с полным набором команд (CISC-архитектура) ряд фирм, начиная с конца 70-х г.г., разрабатывали МП с сокращенным набором команд (RISC-архитектура).
Фирма Intel в 1989 г. выпустила 64-разрядный МП 80860, который содержит более 1 млн. транзисторов, реализующих на одном кристалле RIS -процессор с плавающей точкой, процессор обработки графической информации и 12 байт КЭШ-памяти.
Другим направлением развития микропроцессорных средств является однокристальные микроконтроллеры, первые из которых появились в начале 80-х годов. Фактически это те же однокристальные МП с расширенными схемами постоянной (или полупостоянной) и оперативной памяти, портами ввода-вывода, таймерами.