Контрольные вопросы:

1 Пояснить структуру процессора.

2 В чем суть аппаратного принципа управления операциями микропро-цессора?

3 Пояснить работу микропроцессора с микропрограммным управлением.

4 Каково назначение управляющего устройства микропроцессора?

5 Что представляет собой операционное устройство?

6 Каковы преимущества принципа микропрограммного управления микропроцессором?

Тема 1.3 Общая схема микропроцессора. Cisc и risc архитектура, основные принципы

План:

1 Построение микропроцессорных систем

2 Режим выполнения основной программы

3 Режим вызова программы

4 Режим обслуживания прерываний и исключений

5 Режим прямого доступа к памяти

6 Конвейерный принцип выполнения команд

1 Построение микропроцессорных систем

Большинство микропроцессорных систем имеет магистрально-модульную структуру (Рисунок 5), в которой отдельные устройства (модули), входящие в состав системы, обмениваются информацией по общей системной шине – магистрали (фон Неймановская архитектура). Основным модулем системы является микропроцессор, который содержит устройство управления (УУ), операционное устройство (ОУ) и регистровое запоминающее устройство (РЗУ) - внутреннюю память, реализованную в виде набора регистров. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) служит для хранения выполняемой программы (или ее фрагментов) и данных, подлежащих обработке. В простейших микропроцессорных системах объем ОЗУ составляет десятки и сотни байт, а современных персональных компьютерах, серверах и рабочих станциях он достигает сотен Мбайт и более.

Так как обращение к ОЗУ по системной шине требует значительных затрат времени, в большинстве современных высокопроизводительных микропроцессоров дополнительно вводится быстродействующая промежу-точная память (кэш-память) ограниченного объема (от нескольких Кбайт до сотен Кбайт). Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) служит для хранения констант и стандартных (неизменяемых) программ. В ПЗУ обычно записываются программы начальной инициализации (загрузки) систем, тестовые и диагностические программы и другое служебное программное обеспечение, которое не меняется в процессе эксплуатации систем. В микропроцессорных системах, управляющих определенными объектами с использованием фиксируемых или редко изменяемых программ, для их хранения также обычно используется ПЗУ (память ROM – Read -Only Memory) или репрограммируемое ПЗУ (память EEPROM - Electrically Erased Programmable Read -Only Memory или флэш-память).

Остальные устройства являются внешними и подключаются к системе с помощью интерфейсных устройств (ИУ), реализующих определенные протоколы параллельного или последовательного обмена. Для реализации различных режимов работы к системе могут подключаться дополнительные устройства - контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти и другие, реализующие необходимые специальные функции управления. Данная структура соответствует архитектуре Фон-Неймана.

Системная шина содержит несколько десятков проводников, которые в соответствии с их функциональным назначением подразделяются на отдельные шины - адреса А, данных D и управления С. Шина А служит для передачи адреса, который формируется микропроцессором и позволяет выбрать необходимую ячейку памяти ОЗУ (ПЗУ) или требуемое ИУ при обращении к внешнему устройству. Шина D служит для выборки команд, поступающих из ОЗУ или ПЗУ в УУ микропроцессора, и для пересылки обрабатываемых данных (операндов) между микропроцессором и ОЗУ или ИУ (внешним устройством). По шине С передаются разнообразные управляющие сигналы, определяющие режимы работы памяти (запись или считывание), интерфейсных устройств (ввод или вывод информации) и микропроцессора (запуск, запросы внешних устройств на обслуживание, информация о текущем режиме работы и другие сигналы).

Разрядность шины данных обычно соответствует разрядности операндов, обрабатываемых микропроцессором. Поэтому чаще всего шина D содержит 8, 16 или 32 линии для передачи соответствующих разрядов данных и команд.

Рисунок 5 - Типовая структура микропроцессорной системы

Разрядность шины адреса определяет максимальный объем адресуемой процессором внешней памяти. Например, 16-разрядная шина А обеспечивает адресацию памяти объемом до 64 Кбайт, а 32-разрядная шина-до 4 Гбайт.

В некоторых системах для уменьшения числа необходимых линий связи и соответствующих выводов и контактов используется мультиплексирование линий адреса и данных. В таких системах для передачи адреса и данных используются одни и те же линии связи, на которые сначала выдается адрес, а затем поступают данные. Обмен информацией по мультиплексированной шине AD требует введения отдельного регистра для хранения адреса в процессе пересылки данных.

Разрядность шины управления С определяется организацией работы системы, возможностями реализации различных режимов ее функционирования, используемыми методами контроля микропроцессора и других устройств. Поэтому набор передаваемых по шине С управляющих сигналов является индивидуальным для каждой модели микропроцессора. В процессе функционирования микропроцессорной системы реализуются следующие основные режимы ее работы:

• выполнение основной программы;

• вызов подпрограммы;

• обслуживание прерываний и исключений;

• прямой доступ к памяти.

Рассмотрим основные принципы реализации этих режимов.