1.4.Структура типовой микропроцессорной системы
МС состоит из построенного на базе МП центрального процессора (ЦП), основной памяти для хранения программ и данных, устройств ввода – вывода для связи МС с внешними (периферийными) устройствами (рис. 1.2.):
На физическом уровне ЦП взаимодействует с памятью и устройствами ввода – вывода через единый набор системных шин – системную магистраль (шину) SB (Systems Bus). В общем случае системная шина состоит из:
шины данных DB (Data Bus), по которой производится обмен данными между ЦП, памятью и устройствами ввода – вывода;
шины адреса AB (Address Bus), используемой для передачи адресов ячеек памяти и портов ввода – вывода, к которым осуществляется обращение;
шины управления CB ( Control Bus), реализующей функцию управления циклами обмена и работы системы.
Системная шина SB такого типа носит название трехшинной с раздельными шинами адреса и данных.
В некоторых МС с целью сокращения числа линий системной шины SB вводят совмещенную шину адреса/данных AD (Address/Data Bus), по которой передают как адреса, так и данные. Этап передачи адресной информации отделен во времени от этапа передачи данных и стробируется специальным сигналом ALE (Address Latch Enable), который включен в состав шины CB. Такую магистраль называют двухшинной (мультиплексированной) с совмещенными шинами передачи адреса и данных. Такую системную шину формирует, например, МП i8085 (К1821ВМ85А), МП i8086/88 (К 1810ВМ86), а также микроконтроллеры семейства MCS-51. В высокопроизводительных МС, выполненных на базе МП последних поколений (например, класса Pentium*), часто используются раздельные системные шины, как более быстродействующие.
Использование системной шины для организации взаимодействия модулей, образующих микропроцессорную систему, является отличительным признаком микропроцессорных систем. Шинные структуры унифицируют включение функциональных модулей в МС, благодаря чему системы приобретают свойства открытости и масштабируемости: функциональные возможности систем легко изменять за счет включения или удаления модулей. Недостаток шинной структуры состоит в том, что в каждый момент времени на шине допускается только один активный модуль, в распоряжение которого отдаются все ресурсы шины. В простых МС роль активного модуля всегда выполняет ЦП, который и организует управление шиной. В более сложных системах со многими активными модулями (параллельно работающими другими независимыми процессорами или сопроцессорами) ресурсы шины распределяются между ними в соответствии с последовательностью запросов на захват шины и приоритетными соглашениями. Другими словами в каждый момент времени обмен по шине допустим только между двумя модулями МС, другие же вынуждены ожидать своей очереди. Поэтому шина является одним из «узких мест» системы, ограничивающим ее быстродействие.
1.4. Командный цикл и его фазы
Работа ЦП состоит из ввода, обработки и вывода данных в соответствии с программой, хранимой в памяти CSEG.
Программа – это упорядоченная последовательность команд и данных. Процесс исполнения программы заключается в последовательности исполнения команд, образующих программу.
Команда – это функционально завершенное элементарное действие, которое определяется типом используемых данных, операций над ними, приемником размещения результата, а также источником получения следующей команды.
Время, необходимое для выполнения одной команды, называется командным циклом. Командный цикл делится на две фазы: выборки и исполнения. Работа ЦП заключается в непрерывном повторении чередующихся фаз командного цикла /6/.
Основное содержание фазы выборки состоит в считывании первого байта (слова) команды из памяти МС и его ввод в специальный регистр команд IR (Instruction Register). Считывание байта (слова) происходит по адресу, хранящимся в программном счетчике PC (счетчике команд). Одновременно с этим содержимое PC увеличивается на 1 или 2, указывая на следующий элемент объектного кода. Фаза выборки одинакова для всех команд.
Фаза исполнения состоит в дешифрации содержимого IR и выполнении действий, определяемых этим содержимым. Состав и порядок и порядок действий фазы исполнения для каждой команды свой. Эта фаза может включать считывание дополнительных байтов (слов) команды и соответствующего изменения PC, чтение операнда из памяти данных или обращение к портам ввода - вывода, собственно исполнение инструкции команды и размещение результата.
В классическом процессоре командный цикл состоит из указанных пяти действий - ступеней: одна - в фазе выборки и четыре – в фазе исполнения. Ступени командного цикла первых микропроцессоров выполнялись последовательно во времени, что существенно ограничивало быстродействие ЦП.
При включении источника питания или нажатии клавиши сброса RESET в PC записывается адрес первой команды программы. Далее выбирается и исполняется первая команда программы, по результатам которой управление передается второй и т. д. При считывании специальной команды останова МС приостанавливает свою работу до следующего пуска.
Существует возможность ввода – вывода данных из памяти на внешние устройства (ВУ) и обратно, минуя ЦП. В этом случае обмен данными выполняется через канал прямого доступа к памяти (ПДП), работой которого управляет специальная БИС – контроллер прямого доступа к памяти (КПДП). Этот режим обмена характеризуется большой скоростью и используется для ввода – вывода больших объемов данных.