Зміст:
Введення
1. Загальна характеристика архітектури процесора
1.1 Базова структура мікропроцесорної системи
1.2 Поняття архітектури мікропроцесора
1.3 Огляд існуючих типів архітектур мікропроцесорів
2. Пристрій управління
3. Особливості програмного та мікропрограмного управління
4. Режими адресації
Висновок
Список використаної літератури
Введення
Процес взаємодії людини з ЕОМ налічує вже більше 40 років. До недавнього часу в цьому процесі могли брати участь лише фахівці - інженери, математики - програмісти, оператори. В останні роки відбулися кардинальні зміни в області обчислювальної техніки. Завдяки розробці і впровадженню мікропроцесорів в структуру ЕОМ з'явилися малогабаритні, зручні для користувача персональні комп'ютери. Ситуація змінилася, в ролі користувача може бути не лише фахівець з обчислювальної техніки, але і будь-яка людина, будь то школяр або домогосподарка, лікар чи вчитель, робітник або інженер. Часто це явище називають феноменом персонального комп'ютера. В даний час світовий парк персональних комп'ютерів перевищує 20 млн.
Чому виник цей феномен? Відповідь на це питання можна знайти, якщо чітко сформулювати, що таке персональний комп'ютер і які його основні ознаки. Треба правильно сприймати саме визначення "персональний", воно не означає приналежність комп'ютера людині на правах особистої власності. Визначення "персональний" виникло тому, що людина отримала можливість спілкуватися з ЕОМ без посередництва професіонала-програміста, самостійно, персонально. При цьому не обов'язково знати спеціальний мову ЕОМ. Існуючі в комп'ютері програмні кошти забезпечать сприятливу "дружню" форму діалогу користувача і ЕОМ.
В даний час одними з найбільш популярних комп'ютерів стали модель IBM PC і її модернізований варіант IBM PC XT, який з архітектури, програмного забезпечення, зовнішнім оформленням вважається базовою моделлю персонального комп'ютера.
Основою персонального комп'ютера є системний блок. Він організовує роботу, обробляє інформацію, проводить розрахунки, забезпечує зв'язок людини і ЕОМ. Користувач не зобов'язаний досконально розбиратися в тому, як працює системний блок. Це доля фахівців. Але він повинен знати, з яких функціональних блоків складається комп'ютер. Ми не маємо чіткого уявлення про принцип дії внутрішніх функціональних блоків навколишніх предметів - холодильника, газової плити, пральної машини, автомобіля, але повинні знати, що закладено в основу роботи цих пристроїв, які можливості складових їх блоків.
З точки зору користувача при виборі мікропроцесора доцільно мати у своєму розпорядженні деякими узагальненими комплексними характеристиками можливостей мікропроцесора. Розробник потребує з'ясуванні і розумінні лише тих компонентів мікропроцесора, які явно відбиваються в програмах і повинні бути враховані при розробці схем і програм функціонування системи. Такі характеристики визначаються поняттям архітектури мікропроцесора.
Рис. 1. Архітектура типового мікропроцесора.
Мікропроцесор координує роботу всіх пристроїв цифрової системи за допомогою шини керування (ШК). Крім ШУ є 16-розрядна адресна шина (ША), яка служить для вибору визначеної комірки пам'яті, порту введення або порту виводу. За 8-розрядної інформаційній шині або шині даних (ШД) здійснюється двунаправленная пересилання даних до мікропроцесора і від мікропроцесора. Важливо відзначити, що МП може посилати інформацію в пам'ять мікроЕОМ або до одного з портів виведення, а також отримувати інформацію з пам'яті або від одного з портів вводу.
Постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ) в мікроЕОМ містить деяку програму (на практиці програму ініціалізації ЕОМ). Програми можуть бути завантажені в запам'ятовуючий пристрій з довільною вибіркою (ЗУПВ) і з зовнішнього запам'ятовуючого пристрою (ВЗУ). Це програми користувача.
Як приклад, що ілюструє роботу мікроЕОМ, розглянемо процедуру, для реалізації якої потрібно виконати наступну послідовність елементарних операцій:
1. Натиснути клавішу з літерою "А" на клавіатурі.
2. Помістити букву "А" у пам'ять мікроЕОМ.
3. Вивести букву "А" на екран дисплея.
Це типова процедура введення-запам'ятовування-висновку, розгляд якої дає можливість пояснити принципи використання деяких пристроїв, що входять до мікроЕОМ.
На рис. 2 наведена докладна діаграма виконання процедури введення-запам'ятовування-висновку. Зверніть увагу, що команди вже завантажені в перші шість комірок пам'яті. Збережена програма містить наступний ланцюжок команд:
1. Увести дані з порту введення 1.
2. Запам'ятати дані в комірці пам'яті 200.
3. Переслати дані в порт виводу 10.
У даній програмі всього три команди, хоча на рис. 2 може здатися, що в пам'яті програм записано шість команд. Це пов'язано з тим, що команда звичайно розбивається на частини. Перша частина команди 1 у наведеній вище програмі - команда введення даних. У другій частині команди 1 указується, звідки потрібно ввести дані (з порту 1). Перша частина команди, що пропонує конкретну дію, називається кодом операції (КОП), а друга частина - операндом. Код операції і операнд розміщуються в окремих елементах пам'яті програм. На рис. 2 КОП зберігається в комірці 100, а код операнда - у клітинці 101 (порт 1); останній вказує звідки потрібно взяти інформацію.
У МП на мал. 2 виділені ще два нові блоки - регістри: акумулятор і регістр команд.
Рис. 2. Діаграма виконання процедури введення-запам'ятовування-висновку
Розглянемо проходження команд і даних усередині мікроЕОМ за допомогою занумеровані гуртків на діаграмі. Нагадаємо, що мікропроцесор - це центральний вузол, керуючий переміщенням усіх даних та виконанням операцій.
Отже, при виконанні типової процедури введення-запам'ятовування-висновку в мікроЕОМ відбувається наступна послідовність дій:
1. МП видає адреса 100 на шину адреси. По шині управління надходить сигнал, що встановлює пам'ять програм (конкретну мікросхему) у режим зчитування.
2. ЗУ програм пересилає першу команду ("Увести дані") по шині даних, і МП отримує це закодоване повідомлення. Команда міститься в регістр команд. МП декодує (інтерпретує) отриману команду і визначає, що для команди потрібний операнд.
3. МП видає адреса 101 на ША; ШК використовується для перекладу пам'яті програм у режим зчитування.
4. З пам'яті програм на ШД пересилається операнд "З порту 1". Цей операнд знаходиться в програмній пам'яті в осередку 101. Код операнда (містить адресу порту 1) передається по ШД до МП і направляється в регістр команд. МП тепер декодує повну команду ("Увести дані з порту 1").
5. МП, використовуючи ША і ШУ, що зв'язують його з пристроєм введення, відкриває порт 1. Цифровий код букви "А" передається в акумулятор усередині МП і запомінается.Важно зазначити, що при обробці кожної програмної команди МП діє згідно мікропроцедур вибірки-декодування-виконання.
6. МП звертається до комірки 102 за ША. ШК використовується для перекладу пам'яті програм у режим зчитування.
7. Код команди "Запам'ятати дані" подається на ШД і пересилається в МП, де міститься в регістр команд.
8. МП дешифрує цю команду і визначає, що для неї потрібний операнд. МП звертається до комірки пам'яті 103 і приводить в активний стан вхід зчитування мікросхем пам'яті програм.
9. З пам'яті програм на ШД пересилається код повідомлення "У комірці пам'яті 200". МП сприймає цей операнд і поміщає його в регістр команд. Повна команда "Запам'ятати дані в комірці пам'яті 200" обрана з пам'яті програм і декодована.
10. Тепер починається процес виконання команди. МП пересилає адресу 200 на ША і активізує вхід запису, що відноситься до пам'яті даних.
11. МП направляє зберігається в акумуляторі інформацію в пам'ять даних. Код літери "А" передається по ШД і записується в осередок 200 цієї пам'яті. Виконана друга команда. Процес запам'ятовування не руйнує вмісту акумулятора. У ньому як і раніше знаходиться код букви "А".
12. МП звертається до комірки пам'яті 104 для вибору чергової команди і переводить пам'ять програм у режим зчитування.
13. Код команди виведення даних пересилається по ШД до МП, що поміщає її в регістр команд, дешифрує і визначає, що потрібний операнд.
14. МП видає адреса 105 на ША і встановлює пам'ять програм у режим зчитування.
15. З пам'яті програм по ШД до МП надходить код операнда "У порт 10", який далі міститься в регістр команд.
16. МП дешифрує повну команду "Вивести дані в порт 10". За допомогою ША і ШУ, що зв'язують його з пристроєм виведення, МП відкриває порт 10, пересилає код букви "А" (усе ще знаходиться в акумуляторі) по ШД. Буква "А" виводиться через порт 10 на екран дисплея.
У більшості мікропроцесорних систем (МПС) передача інформації здійснюється способом, аналогічним розглянутому вище. Найбільш істотні розходження можливі в блоках введення і виведення інформації.
Підкреслимо ще раз, що саме мікропроцесор є ядром системи і здійснює керування всіма операціями. Його робота представляє послідовну реалізацію мікропроцедур вибірки-дешифрування-виконання. Однак фактична послідовність операцій у МШС визначається командами, записаними в пам'яті програм.
Таким чином, в МПС мікропроцесор виконує наступні функції:
- Вибірку команд програми з основної пам'яті;
- Дешифрування команд;
- Виконання арифметичних, логічних і інших операцій, закодованих у командах;
- Управління пересиланням інформації між регістрами і основною пам'яттю, між пристроями введення / виведення;
- Відпрацювання сигналів від пристроїв вводу / виводу, в тому числі реалізацію переривань з цих пристроїв;
- Управління та координацію роботи основних вузлів МП.
1.3 Огляд існуючих типів архітектур мікропроцесорів
Існує кілька підходів до класифікації мікропроцесорів за типом архітектури. Так, виділяють МП із CISC (Complete Instruction Set Computer) архітектурою, яка характеризується повним набором команд, і RISC (Reduce Instruction Set Computer) архітектурою, яка визначає систему зі скороченим набором команд однакового формату, виконуваних за один такт МП.
Визначаючи як основну характеристику МП розрядність, виділяють наступні типи МП архітектури:
- З фіксованою розрядністю і списком команд (однокристальні);
- З нарощуваної розрядністю (секційні) і мікропрограмного управлінням.
Аналізуючи адресні простори програм і даних, визначають МП з архітектурою фон Неймана (пам'ять програм і пам'ять даних знаходяться в єдиному просторі і немає ніяких ознак, що вказують на тип інформації в комірці пам'яті) і МП з архітектурою Гарвардської лабораторії (пам'ять програм і пам'ять даних розділені, мають свої адресні простори і способи доступу до них).
Розглянемо більш докладно основні типи архітектурних рішень, виділяючи зв'язок зі способами адресації пам'яті.
1. Реєстрова архітектура визначається наявністю досить великої реєстрового файлу усередині МП. Команди отримують можливість звернутися до операндів, розташованим в одній із двох запам'ятовуючих середовищ: оперативної пам'яті або регістрах. Розмір регістра звичайно фіксований і збігається з розміром слова, фізично реалізованого в оперативній пам'яті. До будь-якого регістру можна звернутися безпосередньо, оскільки регістри представлені у вигляді масиву запам'ятовуючих елементів - реєстрового файлу. Типовим є виконання арифметичних операцій тільки в регістрі, при цьому команда містить два операнда (обоє операнда в регістрі або один операнд у регістрі, а другий в оперативній пам'яті).
До даного типу архітектури належить мікропроцесор фірми Zilog. Процесор Z80 - дітище фірми Zilog крім розширеної системи команд, одного номіналу харчування та здатності виконувати програми, написані для i8080, мав архітектурні "родзинки".
Рис. 3. Мікропроцесор Z80 фірми Zilog.
На додаток до основного набору РОН, в кристалі був реалізований другий комплект аналогічних регістрів. Це значно спрощувало роботу при виклику підпрограм або процедур обслуговування переривань, оскільки програміст міг використовувати для них альтернативний набір регістрів, уникаючи збереження в стеці вмісту Ронова для основної програми за допомогою операцій PUSH. Крім того, в систему команд був включений ряд спеціальних інструкцій, орієнтованих на обробку окремих бітів, а для підтримки регенерації динамічної пам'яті в схему процесора уведені відповідні апаратні засоби. Z80 застосовувався в машинах Sinclair ZX, Sinclair Spectrum, Tandy TRS80.
Граничний варіант - архітектура з адресацією допомогою акумуляторів (менший набір команд).
МП фірми Motorola мав ряд істотних переваг. Перш за все, кристал МС6800 вимагав для роботи одного номіналу харчування, а система команд виявилася досить прозорою для програміста. Архітектура МП також мала ряд особливостей.
Рис 4. Мікропроцесор МС6800 фірми Motorola.
Мікропроцесор МС 6800 містив два акумулятори, і результат операції АЛУ міг бути поміщений в будь-який з них. Але найціннішим якістю структури МС 6800 було автоматичне збереження в стеці вмісту всіх регістрів процесора при обробці переривань (Z80 було потрібно для цього декілька команд PUSH). Процедура відновлення РОН зі стека теж виконувалася апаратно.
2. Стекова архітектура дає можливість створити поле пам'яті з упорядкованою послідовністю запису і вибірки інформації.
У загальному випадку команди неявно адресуються до елемента стека, розташованому на його вершині, або до двох верхніх елементів стека.
3. Архітектура МП, орієнтована на оперативну пам'ять (типу "пам'ять-пам'ять"), забезпечує високу швидкість роботи і велику інформаційну ємність робочих регістрів і стека при їхній організації в оперативній пам'яті.
Архітектура цього типу не припускає явного визначення акумулятора, регістрів загального призначення або стека; всі операнди команд адресуються до області основної пам'яті.
З точки зору важливості для користувача-програміста під архітектурою в загальному випадку розуміють сукупність наступних компонентів і характеристик:
- Розрядності адрес і даних;
- Складу, імен і призначення програмно-доступних регістрів;
- Форматів і системи команд;
- Режимів адресації пам'яті;
- Способів машинного представлення даних різного типу;
- Структури адресного простору;
- Способу адресації зовнішніх пристроїв і засобів виконання операцій вводу / виводу;
- Класів переривань, особливостей ініціювання й обробки переривань.
Керуючий пристрій має достатньо коштів для того, щоб після сприйняття та інтерпретації інформації, одержуваної в команді, забезпечити переключення (спрацювання) всіх необхідних функціональних частин машини, а також для того, щоб підвести до них дані і сприйняти отримані результати. Саме спрацьовування, тобто зміна стану двійкових логічних елементів на протилежне, дозволяє за допомогою комутації вентилів виконувати елементарні логічні і арифметичні дії, а також передавати необхідні операнди в функціональні частини мікроЕОМ.
Пристрій управління в суворій послідовності в рамках тактових і циклових тимчасових інтервалів роботи мікропроцесора (такт - мінімальний робочий інтервал, протягом якого відбувається одна елементарна дія; цикл - інтервал часу, протягом якого виконується одна машинна операція) здійснює: вибірку команди; інтерпретацію її з метою аналізу формату, службових ознак і обчислення адреси операнда (операндів); встановлення номенклатури і часовій послідовності всіх функціональних керуючих сигналів; генерацію керуючих імпульсів і передачу їх на керуючі шини функціональних частин мікроЕОМ і вентилі між ними; аналіз результату операції і зміну свого стану так, щоб визначити місце розташування (адреса) наступної команди.
3. Особливості програмного та мікропрограмного управління
У мікропроцесорах використовують два методи вироблення сукупності функціональних керуючих сигналів: програмний та мікропрограмних.
Виконання операцій в машині зводиться до елементарних перетворень інформації (передача інформації між вузлами в блоках, зсув інформації у вузлах, логічні поразрядное операції, перевірка умов і т.д.) в логічних елементах, вузлах і блоках під впливом функціональних керуючих сигналів блоків (пристроїв) управління. Елементарні перетворення, нерозкладних на більш прості, виконуються протягом одного такту сигналів синхронізації і називаються мікрооперацій.
В апаратних (схемних) пристроях управління кожної операції відповідає свій набір логічних схем, що виробляють певні функціональні сигнали для виконання мікрооперацій в певні моменти часу. При цьому способі побудови пристрою управління реалізація мікрооперацій досягається за рахунок одного разу з'єднаних між собою логічних схем, тому ЕОМ з апаратним пристроєм управління називають ЕОМ з жорсткою логікою управління. Це поняття відноситься до фіксації системи команд у структурі зв'язків ЕОМ і означає практичну неможливість будь-яких змін в системі команд ЕОМ після її виготовлення.
При мікропрограмного реалізації пристрою управління до складу останнього вводиться ЗУ, кожен розряд вихідного коду якого визначає появу певного функціонального сигналу керування. Тому кожній мікрооперації ставиться у відповідність свій інформаційний код - мікрокоманда. Набір мікрокоманд і послідовність їх реалізації забезпечують виконання будь-якої складної операції. Набір мікрооперацій називається мікропрограмою. Спосіб управління операціями шляхом послідовного зчитування та інтерпретації мікрокоманд з ЗУ (найбільш часто у вигляді мікропрограмного ЗУ використовують швидкодіючі програмовані логічні матриці), а також використання кодів мікрокоманд для генерації функціональних керуючих сигналів називають мікропрограмним, а мікроЕОМ з таким способом управління - мікропрограмним або зі збереженою ( гнучкої) логікою управління.
До мікропрограма пред'являють вимоги функціональної повноти і мінімальності. Перша вимога необхідно для забезпечення можливості розробки мікропрограм будь-яких машинних операцій, а друге пов'язане з бажанням зменшити обсяг використовуваного обладнання. Облік чинника швидкодії веде до розширення мікропрограм, оскільки ускладнення останніх дозволяє скоротити час виконання команд програми.
Перетворення інформації виконується в універсальному арифметико-логічному блоці мікропроцесора. Він зазвичай будується на основі комбінаційних логічних схем.
Для прискорення виконання певних операцій вводяться додатково спеціальні операційні вузли (наприклад, циклічні сдвігателі). Крім того, до складу мікропроцесорного комплекту (МПК) БІС вводяться спеціалізовані оперативні блоки арифметичних розширювачів.
Операційні можливості мікропроцесора можна розширити за рахунок збільшення числа регістрів. Якщо в регістровому буфері закріплення функцій регістрів відсутній, то їх можна використовувати як для зберігання даних, так і для зберігання адрес. Подібні регістри мікропроцесора називаються регістрами загального призначення (РОН). У міру розвитку технології реально здійснено виготовлення в мікропроцесорі 16, 32 і більше регістрів.
У цілому ж, принцип мікропрограмного управління (ПМУ) включає наступні позиції:
1) будь-яка операція, реалізована пристроєм, є послідовністю елементарних дій - мікрооперацій;
2) для керування порядком проходження мікрооперацій використовуються логічні умови;
3) процес виконання операцій у пристрої описується у формі алгоритму, репрезентованої в термінах мікрооперацій і логічних умов, званого мікропрограмою;
4) мікропрограма використовується як форма подання функції пристрою, на основі якої визначаються структура і порядок функціонування пристрою в часі.
ПМУ забезпечує гнучкість мікропроцесорної системи і дозволяє здійснювати проблемну орієнтацію мікро-і мініЕВМ.
Режим адресації пам'яті - це процедура або схема перетворення адресної інформації про операнді в її виконавчий адресу.
Усі способи адресації пам'яті можна розділити на:
1) прямий, коли виконавча адреса береться безпосередньо з команди або обчислюється з використанням значення, зазначеного в команді, і вмісту якого-небудь регістра (пряма адресація, реєстрова, базова, індексний і т.д.);
2) непрямий, який передбачає, що в команді міститься значення непрямого адреси, тобто адреси комірки пам'яті, в якій знаходиться остаточний виконавчий адреса (непряма адресація).
У кожній мікроЕОМ реалізовані тільки деякі режими адресації, використання яких, як правило, визначається архітектурою МП.
Аналіз нових рішень побудови структури комп'ютера показує, що процесор, пам'ять, пристрої введення - виведення складають основу будь-якого комп'ютера. Розглянемо найбільш поширену структурну схему, яка лежить в основі найбільш часто зустрічаються моделей комп'ютерів, зокрема персональних.
Сучасний комп'ютер можна представити у більшості випадків спрощеною структурною схемою, де виділені центральна та периферійна частини. До центральної частини належать процесор і внутрішня пам'ять, до периферійної частини - пристрої введення-виведення і зовнішня пам'ять. В основу спрощеної структурної схеми закладені принципи магістрального, модульності, мікропрограммірумостью.
Не слід сподіватися, що розвиток обчислювальної техніки якось кардинально змінить наше існування. Комп'ютер не більш (але й не менше) ніж один із потужних двигунів прогресу (як енергетика, металургія, хімія, машинобудування), який бере на свої "залізні плечі" таку важливу функцію, як рутину обробки інформації. Ця рутина завжди і скрізь супроводжує найвищі польоти людської думки. Саме в цій рутині дуже часто тонуть зухвале рішення, недоступні комп'ютера. Тому так важливо "звалити" на комп'ютер рутинні операції, щоб звільнити людину для його дійсного призначення-творчості.
Майбутнє мікропроцесорної техніки пов'язано сьогодні з двома новими напрямами - нанотехнологіями та квантовими обчислювальними системами. Ці поки ще головним чином теоретичні дослідження стосуються використання в якості компонентів логічних схем молекул і навіть субатомних частинок: основою для обчислень повинні служити не електричні ланцюги, як зараз, а положення окремих атомів або напрямок обертання електронів. Якщо "мікроскопічні" комп'ютери будуть створені, то вони обійдуть сучасні машини по багатьом параметрам.
2. Єрьомін Є.А. Популярні лекції про пристрій комп'ютера. - СПб.: БХВ-Петербург, 2003.
3. Ібрагім К.Ф. Пристрій і настройка ПК / Пер. з англ. - М.: Біном, 2004 ..
4. Косарєв В.П., Сурков Є.М., Бакова І.В. Технічні засоби систем управління. - М.: Изд-во "Фінанси і статистика", 2006.
5. Леонтьєв В.П. Новітня енциклопедія персонального комп'ютера 2003. - М.: ОЛМА-ПРЕСС, 2004.
6. Столлінгс У. Структурна організація та архітектура комп'ютерних систем. - М.: Вільямс, 2002.
7. Уїнн Л. Рош. Біблія по модернізації персонального комп'ютера. - М.: тива-Стиль, 2005.
8. Фігурне В.Е. IBM PC для користувача, 6-е видання, перероблене і доповнене. - M.: ИНФРА-М, 1996.
Введення
1. Загальна характеристика архітектури процесора
1.1 Базова структура мікропроцесорної системи
1.2 Поняття архітектури мікропроцесора
1.3 Огляд існуючих типів архітектур мікропроцесорів
2. Пристрій управління
3. Особливості програмного та мікропрограмного управління
4. Режими адресації
Висновок
Список використаної літератури
Введення
Процес взаємодії людини з ЕОМ налічує вже більше 40 років. До недавнього часу в цьому процесі могли брати участь лише фахівці - інженери, математики - програмісти, оператори. В останні роки відбулися кардинальні зміни в області обчислювальної техніки. Завдяки розробці і впровадженню мікропроцесорів в структуру ЕОМ з'явилися малогабаритні, зручні для користувача персональні комп'ютери. Ситуація змінилася, в ролі користувача може бути не лише фахівець з обчислювальної техніки, але і будь-яка людина, будь то школяр або домогосподарка, лікар чи вчитель, робітник або інженер. Часто це явище називають феноменом персонального комп'ютера. В даний час світовий парк персональних комп'ютерів перевищує 20 млн.
Чому виник цей феномен? Відповідь на це питання можна знайти, якщо чітко сформулювати, що таке персональний комп'ютер і які його основні ознаки. Треба правильно сприймати саме визначення "персональний", воно не означає приналежність комп'ютера людині на правах особистої власності. Визначення "персональний" виникло тому, що людина отримала можливість спілкуватися з ЕОМ без посередництва професіонала-програміста, самостійно, персонально. При цьому не обов'язково знати спеціальний мову ЕОМ. Існуючі в комп'ютері програмні кошти забезпечать сприятливу "дружню" форму діалогу користувача і ЕОМ.
В даний час одними з найбільш популярних комп'ютерів стали модель IBM PC і її модернізований варіант IBM PC XT, який з архітектури, програмного забезпечення, зовнішнім оформленням вважається базовою моделлю персонального комп'ютера.
Основою персонального комп'ютера є системний блок. Він організовує роботу, обробляє інформацію, проводить розрахунки, забезпечує зв'язок людини і ЕОМ. Користувач не зобов'язаний досконально розбиратися в тому, як працює системний блок. Це доля фахівців. Але він повинен знати, з яких функціональних блоків складається комп'ютер. Ми не маємо чіткого уявлення про принцип дії внутрішніх функціональних блоків навколишніх предметів - холодильника, газової плити, пральної машини, автомобіля, але повинні знати, що закладено в основу роботи цих пристроїв, які можливості складових їх блоків.
1. Загальна характеристика архітектури процесора
1.1 Базова структура мікропроцесорної системи
Завдання управління системою покладається на центральний процесор (ЦП), який пов'язаний з пам'яттю і системою введення-виведення через канали пам'яті і введення-виведення відповідно. ЦП зчитує з пам'яті команди, які утворюють програму і декодує їх. Відповідно до результату декодування команд він здійснює вибірку даних з пам'яті портів введення, обробляє їх і пересилає назад у пам'ять або порти висновку. Існує також можливість введення-виведення даних з пам'яті на зовнішні пристрої і назад, минаючи ЦП. Цей механізм називається прямим доступом до пам'яті (ПДП).З точки зору користувача при виборі мікропроцесора доцільно мати у своєму розпорядженні деякими узагальненими комплексними характеристиками можливостей мікропроцесора. Розробник потребує з'ясуванні і розумінні лише тих компонентів мікропроцесора, які явно відбиваються в програмах і повинні бути враховані при розробці схем і програм функціонування системи. Такі характеристики визначаються поняттям архітектури мікропроцесора.
1.2 Поняття архітектури мікропроцесора
Архітектура типової невеликої обчислювальної системи на основі мікроЕОМ показана на рис. 1. Така мікроЕОМ містить всі 5 основних блоків цифрової машини: пристрій введення інформації, керуючий пристрій (УУ), арифметико-логічний пристрій (АЛП) (що входять до складу мікропроцесора), що запам'ятовують пристрої (ЗП) і пристрій висновку інформації.Рис. 1. Архітектура типового мікропроцесора.
Мікропроцесор координує роботу всіх пристроїв цифрової системи за допомогою шини керування (ШК). Крім ШУ є 16-розрядна адресна шина (ША), яка служить для вибору визначеної комірки пам'яті, порту введення або порту виводу. За 8-розрядної інформаційній шині або шині даних (ШД) здійснюється двунаправленная пересилання даних до мікропроцесора і від мікропроцесора. Важливо відзначити, що МП може посилати інформацію в пам'ять мікроЕОМ або до одного з портів виведення, а також отримувати інформацію з пам'яті або від одного з портів вводу.
Постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ) в мікроЕОМ містить деяку програму (на практиці програму ініціалізації ЕОМ). Програми можуть бути завантажені в запам'ятовуючий пристрій з довільною вибіркою (ЗУПВ) і з зовнішнього запам'ятовуючого пристрою (ВЗУ). Це програми користувача.
Як приклад, що ілюструє роботу мікроЕОМ, розглянемо процедуру, для реалізації якої потрібно виконати наступну послідовність елементарних операцій:
1. Натиснути клавішу з літерою "А" на клавіатурі.
2. Помістити букву "А" у пам'ять мікроЕОМ.
3. Вивести букву "А" на екран дисплея.
Це типова процедура введення-запам'ятовування-висновку, розгляд якої дає можливість пояснити принципи використання деяких пристроїв, що входять до мікроЕОМ.
На рис. 2 наведена докладна діаграма виконання процедури введення-запам'ятовування-висновку. Зверніть увагу, що команди вже завантажені в перші шість комірок пам'яті. Збережена програма містить наступний ланцюжок команд:
1. Увести дані з порту введення 1.
2. Запам'ятати дані в комірці пам'яті 200.
3. Переслати дані в порт виводу 10.
У даній програмі всього три команди, хоча на рис. 2 може здатися, що в пам'яті програм записано шість команд. Це пов'язано з тим, що команда звичайно розбивається на частини. Перша частина команди 1 у наведеній вище програмі - команда введення даних. У другій частині команди 1 указується, звідки потрібно ввести дані (з порту 1). Перша частина команди, що пропонує конкретну дію, називається кодом операції (КОП), а друга частина - операндом. Код операції і операнд розміщуються в окремих елементах пам'яті програм. На рис. 2 КОП зберігається в комірці 100, а код операнда - у клітинці 101 (порт 1); останній вказує звідки потрібно взяти інформацію.
У МП на мал. 2 виділені ще два нові блоки - регістри: акумулятор і регістр команд.
Рис. 2. Діаграма виконання процедури введення-запам'ятовування-висновку
Розглянемо проходження команд і даних усередині мікроЕОМ за допомогою занумеровані гуртків на діаграмі. Нагадаємо, що мікропроцесор - це центральний вузол, керуючий переміщенням усіх даних та виконанням операцій.
Отже, при виконанні типової процедури введення-запам'ятовування-висновку в мікроЕОМ відбувається наступна послідовність дій:
1. МП видає адреса 100 на шину адреси. По шині управління надходить сигнал, що встановлює пам'ять програм (конкретну мікросхему) у режим зчитування.
2. ЗУ програм пересилає першу команду ("Увести дані") по шині даних, і МП отримує це закодоване повідомлення. Команда міститься в регістр команд. МП декодує (інтерпретує) отриману команду і визначає, що для команди потрібний операнд.
3. МП видає адреса 101 на ША; ШК використовується для перекладу пам'яті програм у режим зчитування.
4. З пам'яті програм на ШД пересилається операнд "З порту 1". Цей операнд знаходиться в програмній пам'яті в осередку 101. Код операнда (містить адресу порту 1) передається по ШД до МП і направляється в регістр команд. МП тепер декодує повну команду ("Увести дані з порту 1").
5. МП, використовуючи ША і ШУ, що зв'язують його з пристроєм введення, відкриває порт 1. Цифровий код букви "А" передається в акумулятор усередині МП і запомінается.Важно зазначити, що при обробці кожної програмної команди МП діє згідно мікропроцедур вибірки-декодування-виконання.
6. МП звертається до комірки 102 за ША. ШК використовується для перекладу пам'яті програм у режим зчитування.
7. Код команди "Запам'ятати дані" подається на ШД і пересилається в МП, де міститься в регістр команд.
8. МП дешифрує цю команду і визначає, що для неї потрібний операнд. МП звертається до комірки пам'яті 103 і приводить в активний стан вхід зчитування мікросхем пам'яті програм.
9. З пам'яті програм на ШД пересилається код повідомлення "У комірці пам'яті 200". МП сприймає цей операнд і поміщає його в регістр команд. Повна команда "Запам'ятати дані в комірці пам'яті 200" обрана з пам'яті програм і декодована.
10. Тепер починається процес виконання команди. МП пересилає адресу 200 на ША і активізує вхід запису, що відноситься до пам'яті даних.
11. МП направляє зберігається в акумуляторі інформацію в пам'ять даних. Код літери "А" передається по ШД і записується в осередок 200 цієї пам'яті. Виконана друга команда. Процес запам'ятовування не руйнує вмісту акумулятора. У ньому як і раніше знаходиться код букви "А".
12. МП звертається до комірки пам'яті 104 для вибору чергової команди і переводить пам'ять програм у режим зчитування.
13. Код команди виведення даних пересилається по ШД до МП, що поміщає її в регістр команд, дешифрує і визначає, що потрібний операнд.
14. МП видає адреса 105 на ША і встановлює пам'ять програм у режим зчитування.
15. З пам'яті програм по ШД до МП надходить код операнда "У порт 10", який далі міститься в регістр команд.
16. МП дешифрує повну команду "Вивести дані в порт 10". За допомогою ША і ШУ, що зв'язують його з пристроєм виведення, МП відкриває порт 10, пересилає код букви "А" (усе ще знаходиться в акумуляторі) по ШД. Буква "А" виводиться через порт 10 на екран дисплея.
У більшості мікропроцесорних систем (МПС) передача інформації здійснюється способом, аналогічним розглянутому вище. Найбільш істотні розходження можливі в блоках введення і виведення інформації.
Підкреслимо ще раз, що саме мікропроцесор є ядром системи і здійснює керування всіма операціями. Його робота представляє послідовну реалізацію мікропроцедур вибірки-дешифрування-виконання. Однак фактична послідовність операцій у МШС визначається командами, записаними в пам'яті програм.
Таким чином, в МПС мікропроцесор виконує наступні функції:
- Вибірку команд програми з основної пам'яті;
- Дешифрування команд;
- Виконання арифметичних, логічних і інших операцій, закодованих у командах;
- Управління пересиланням інформації між регістрами і основною пам'яттю, між пристроями введення / виведення;
- Відпрацювання сигналів від пристроїв вводу / виводу, в тому числі реалізацію переривань з цих пристроїв;
- Управління та координацію роботи основних вузлів МП.
1.3 Огляд існуючих типів архітектур мікропроцесорів
Існує кілька підходів до класифікації мікропроцесорів за типом архітектури. Так, виділяють МП із CISC (Complete Instruction Set Computer) архітектурою, яка характеризується повним набором команд, і RISC (Reduce Instruction Set Computer) архітектурою, яка визначає систему зі скороченим набором команд однакового формату, виконуваних за один такт МП.
Визначаючи як основну характеристику МП розрядність, виділяють наступні типи МП архітектури:
- З фіксованою розрядністю і списком команд (однокристальні);
- З нарощуваної розрядністю (секційні) і мікропрограмного управлінням.
Аналізуючи адресні простори програм і даних, визначають МП з архітектурою фон Неймана (пам'ять програм і пам'ять даних знаходяться в єдиному просторі і немає ніяких ознак, що вказують на тип інформації в комірці пам'яті) і МП з архітектурою Гарвардської лабораторії (пам'ять програм і пам'ять даних розділені, мають свої адресні простори і способи доступу до них).
Розглянемо більш докладно основні типи архітектурних рішень, виділяючи зв'язок зі способами адресації пам'яті.
1. Реєстрова архітектура визначається наявністю досить великої реєстрового файлу усередині МП. Команди отримують можливість звернутися до операндів, розташованим в одній із двох запам'ятовуючих середовищ: оперативної пам'яті або регістрах. Розмір регістра звичайно фіксований і збігається з розміром слова, фізично реалізованого в оперативній пам'яті. До будь-якого регістру можна звернутися безпосередньо, оскільки регістри представлені у вигляді масиву запам'ятовуючих елементів - реєстрового файлу. Типовим є виконання арифметичних операцій тільки в регістрі, при цьому команда містить два операнда (обоє операнда в регістрі або один операнд у регістрі, а другий в оперативній пам'яті).
До даного типу архітектури належить мікропроцесор фірми Zilog. Процесор Z80 - дітище фірми Zilog крім розширеної системи команд, одного номіналу харчування та здатності виконувати програми, написані для i8080, мав архітектурні "родзинки".
Рис. 3. Мікропроцесор Z80 фірми Zilog.
На додаток до основного набору РОН, в кристалі був реалізований другий комплект аналогічних регістрів. Це значно спрощувало роботу при виклику підпрограм або процедур обслуговування переривань, оскільки програміст міг використовувати для них альтернативний набір регістрів, уникаючи збереження в стеці вмісту Ронова для основної програми за допомогою операцій PUSH. Крім того, в систему команд був включений ряд спеціальних інструкцій, орієнтованих на обробку окремих бітів, а для підтримки регенерації динамічної пам'яті в схему процесора уведені відповідні апаратні засоби. Z80 застосовувався в машинах Sinclair ZX, Sinclair Spectrum, Tandy TRS80.
Граничний варіант - архітектура з адресацією допомогою акумуляторів (менший набір команд).
МП фірми Motorola мав ряд істотних переваг. Перш за все, кристал МС6800 вимагав для роботи одного номіналу харчування, а система команд виявилася досить прозорою для програміста. Архітектура МП також мала ряд особливостей.
Рис 4. Мікропроцесор МС6800 фірми Motorola.
Мікропроцесор МС 6800 містив два акумулятори, і результат операції АЛУ міг бути поміщений в будь-який з них. Але найціннішим якістю структури МС 6800 було автоматичне збереження в стеці вмісту всіх регістрів процесора при обробці переривань (Z80 було потрібно для цього декілька команд PUSH). Процедура відновлення РОН зі стека теж виконувалася апаратно.
2. Стекова архітектура дає можливість створити поле пам'яті з упорядкованою послідовністю запису і вибірки інформації.
У загальному випадку команди неявно адресуються до елемента стека, розташованому на його вершині, або до двох верхніх елементів стека.
3. Архітектура МП, орієнтована на оперативну пам'ять (типу "пам'ять-пам'ять"), забезпечує високу швидкість роботи і велику інформаційну ємність робочих регістрів і стека при їхній організації в оперативній пам'яті.
Архітектура цього типу не припускає явного визначення акумулятора, регістрів загального призначення або стека; всі операнди команд адресуються до області основної пам'яті.
З точки зору важливості для користувача-програміста під архітектурою в загальному випадку розуміють сукупність наступних компонентів і характеристик:
- Розрядності адрес і даних;
- Складу, імен і призначення програмно-доступних регістрів;
- Форматів і системи команд;
- Режимів адресації пам'яті;
- Способів машинного представлення даних різного типу;
- Структури адресного простору;
- Способу адресації зовнішніх пристроїв і засобів виконання операцій вводу / виводу;
- Класів переривань, особливостей ініціювання й обробки переривань.
2. Пристрій управління
Коди операції команд програми, які сприймаються керуючої частиною мікропроцесора, розшифровані і перетворені в ній, дають інформацію про те, які операції треба виконати, де в пам'яті розташовані дані, куди треба спрямувати результат і де розташована наступна за виконуваною команда.Керуючий пристрій має достатньо коштів для того, щоб після сприйняття та інтерпретації інформації, одержуваної в команді, забезпечити переключення (спрацювання) всіх необхідних функціональних частин машини, а також для того, щоб підвести до них дані і сприйняти отримані результати. Саме спрацьовування, тобто зміна стану двійкових логічних елементів на протилежне, дозволяє за допомогою комутації вентилів виконувати елементарні логічні і арифметичні дії, а також передавати необхідні операнди в функціональні частини мікроЕОМ.
Пристрій управління в суворій послідовності в рамках тактових і циклових тимчасових інтервалів роботи мікропроцесора (такт - мінімальний робочий інтервал, протягом якого відбувається одна елементарна дія; цикл - інтервал часу, протягом якого виконується одна машинна операція) здійснює: вибірку команди; інтерпретацію її з метою аналізу формату, службових ознак і обчислення адреси операнда (операндів); встановлення номенклатури і часовій послідовності всіх функціональних керуючих сигналів; генерацію керуючих імпульсів і передачу їх на керуючі шини функціональних частин мікроЕОМ і вентилі між ними; аналіз результату операції і зміну свого стану так, щоб визначити місце розташування (адреса) наступної команди.
3. Особливості програмного та мікропрограмного управління
У мікропроцесорах використовують два методи вироблення сукупності функціональних керуючих сигналів: програмний та мікропрограмних.
Виконання операцій в машині зводиться до елементарних перетворень інформації (передача інформації між вузлами в блоках, зсув інформації у вузлах, логічні поразрядное операції, перевірка умов і т.д.) в логічних елементах, вузлах і блоках під впливом функціональних керуючих сигналів блоків (пристроїв) управління. Елементарні перетворення, нерозкладних на більш прості, виконуються протягом одного такту сигналів синхронізації і називаються мікрооперацій.
В апаратних (схемних) пристроях управління кожної операції відповідає свій набір логічних схем, що виробляють певні функціональні сигнали для виконання мікрооперацій в певні моменти часу. При цьому способі побудови пристрою управління реалізація мікрооперацій досягається за рахунок одного разу з'єднаних між собою логічних схем, тому ЕОМ з апаратним пристроєм управління називають ЕОМ з жорсткою логікою управління. Це поняття відноситься до фіксації системи команд у структурі зв'язків ЕОМ і означає практичну неможливість будь-яких змін в системі команд ЕОМ після її виготовлення.
При мікропрограмного реалізації пристрою управління до складу останнього вводиться ЗУ, кожен розряд вихідного коду якого визначає появу певного функціонального сигналу керування. Тому кожній мікрооперації ставиться у відповідність свій інформаційний код - мікрокоманда. Набір мікрокоманд і послідовність їх реалізації забезпечують виконання будь-якої складної операції. Набір мікрооперацій називається мікропрограмою. Спосіб управління операціями шляхом послідовного зчитування та інтерпретації мікрокоманд з ЗУ (найбільш часто у вигляді мікропрограмного ЗУ використовують швидкодіючі програмовані логічні матриці), а також використання кодів мікрокоманд для генерації функціональних керуючих сигналів називають мікропрограмним, а мікроЕОМ з таким способом управління - мікропрограмним або зі збереженою ( гнучкої) логікою управління.
До мікропрограма пред'являють вимоги функціональної повноти і мінімальності. Перша вимога необхідно для забезпечення можливості розробки мікропрограм будь-яких машинних операцій, а друге пов'язане з бажанням зменшити обсяг використовуваного обладнання. Облік чинника швидкодії веде до розширення мікропрограм, оскільки ускладнення останніх дозволяє скоротити час виконання команд програми.
Перетворення інформації виконується в універсальному арифметико-логічному блоці мікропроцесора. Він зазвичай будується на основі комбінаційних логічних схем.
Для прискорення виконання певних операцій вводяться додатково спеціальні операційні вузли (наприклад, циклічні сдвігателі). Крім того, до складу мікропроцесорного комплекту (МПК) БІС вводяться спеціалізовані оперативні блоки арифметичних розширювачів.
Операційні можливості мікропроцесора можна розширити за рахунок збільшення числа регістрів. Якщо в регістровому буфері закріплення функцій регістрів відсутній, то їх можна використовувати як для зберігання даних, так і для зберігання адрес. Подібні регістри мікропроцесора називаються регістрами загального призначення (РОН). У міру розвитку технології реально здійснено виготовлення в мікропроцесорі 16, 32 і більше регістрів.
У цілому ж, принцип мікропрограмного управління (ПМУ) включає наступні позиції:
1) будь-яка операція, реалізована пристроєм, є послідовністю елементарних дій - мікрооперацій;
2) для керування порядком проходження мікрооперацій використовуються логічні умови;
3) процес виконання операцій у пристрої описується у формі алгоритму, репрезентованої в термінах мікрооперацій і логічних умов, званого мікропрограмою;
4) мікропрограма використовується як форма подання функції пристрою, на основі якої визначаються структура і порядок функціонування пристрою в часі.
ПМУ забезпечує гнучкість мікропроцесорної системи і дозволяє здійснювати проблемну орієнтацію мікро-і мініЕВМ.
4. Режими адресації
Для взаємодії з різними модулями в ЕОМ повинні бути засобу ідентифікації осередків зовнішньої пам'яті, осередків внутрішньої пам'яті, регістрів МП і регістрів пристроїв введення / виводу. Тому кожній з запам'ятовуючих осередків привласнюється адреса, тобто однозначна комбінація біт. Кількість біт визначає число ідентифікованих осередків. Зазвичай ЕОМ має різні адресні простори пам'яті і регістрів МП, а іноді - окремі адресні простори регістрів пристроїв введення / виводу і внутрішньої пам'яті. Крім того, пам'ять зберігає як дані, так і команди. Тому для ЕОМ розроблена безліч способів звертання до пам'яті, що називаються режимами адресації.Режим адресації пам'яті - це процедура або схема перетворення адресної інформації про операнді в її виконавчий адресу.
Усі способи адресації пам'яті можна розділити на:
1) прямий, коли виконавча адреса береться безпосередньо з команди або обчислюється з використанням значення, зазначеного в команді, і вмісту якого-небудь регістра (пряма адресація, реєстрова, базова, індексний і т.д.);
2) непрямий, який передбачає, що в команді міститься значення непрямого адреси, тобто адреси комірки пам'яті, в якій знаходиться остаточний виконавчий адреса (непряма адресація).
У кожній мікроЕОМ реалізовані тільки деякі режими адресації, використання яких, як правило, визначається архітектурою МП.
Висновок
Число персональних комп'ютерів як у світі, так і, зокрема, в Росії стрімко зростає; ринок ПК - найперспективніший і прибутковий серед інших ринків обчислювальної техніки. У північній Америці та Західній Європі відсоток сімей, що мають ПК, наближається до 30. Без сумніву, в наші дні кожен повинен вивчити і зрозуміти комп'ютер не тільки теоретично, але, що найбільш важливо, і практично.Аналіз нових рішень побудови структури комп'ютера показує, що процесор, пам'ять, пристрої введення - виведення складають основу будь-якого комп'ютера. Розглянемо найбільш поширену структурну схему, яка лежить в основі найбільш часто зустрічаються моделей комп'ютерів, зокрема персональних.
Сучасний комп'ютер можна представити у більшості випадків спрощеною структурною схемою, де виділені центральна та периферійна частини. До центральної частини належать процесор і внутрішня пам'ять, до периферійної частини - пристрої введення-виведення і зовнішня пам'ять. В основу спрощеної структурної схеми закладені принципи магістрального, модульності, мікропрограммірумостью.
Не слід сподіватися, що розвиток обчислювальної техніки якось кардинально змінить наше існування. Комп'ютер не більш (але й не менше) ніж один із потужних двигунів прогресу (як енергетика, металургія, хімія, машинобудування), який бере на свої "залізні плечі" таку важливу функцію, як рутину обробки інформації. Ця рутина завжди і скрізь супроводжує найвищі польоти людської думки. Саме в цій рутині дуже часто тонуть зухвале рішення, недоступні комп'ютера. Тому так важливо "звалити" на комп'ютер рутинні операції, щоб звільнити людину для його дійсного призначення-творчості.
Майбутнє мікропроцесорної техніки пов'язано сьогодні з двома новими напрямами - нанотехнологіями та квантовими обчислювальними системами. Ці поки ще головним чином теоретичні дослідження стосуються використання в якості компонентів логічних схем молекул і навіть субатомних частинок: основою для обчислень повинні служити не електричні ланцюги, як зараз, а положення окремих атомів або напрямок обертання електронів. Якщо "мікроскопічні" комп'ютери будуть створені, то вони обійдуть сучасні машини по багатьом параметрам.
Список використаної літератури
1. Балашов Е.П., Григор'єв В.Л., Петров Г.А. Мікро-і мініЕВМ. - СПб.: Вища школа, 2004.2. Єрьомін Є.А. Популярні лекції про пристрій комп'ютера. - СПб.: БХВ-Петербург, 2003.
3. Ібрагім К.Ф. Пристрій і настройка ПК / Пер. з англ. - М.: Біном, 2004 ..
4. Косарєв В.П., Сурков Є.М., Бакова І.В. Технічні засоби систем управління. - М.: Изд-во "Фінанси і статистика", 2006.
5. Леонтьєв В.П. Новітня енциклопедія персонального комп'ютера 2003. - М.: ОЛМА-ПРЕСС, 2004.
6. Столлінгс У. Структурна організація та архітектура комп'ютерних систем. - М.: Вільямс, 2002.
7. Уїнн Л. Рош. Біблія по модернізації персонального комп'ютера. - М.: тива-Стиль, 2005.
8. Фігурне В.Е. IBM PC для користувача, 6-е видання, перероблене і доповнене. - M.: ИНФРА-М, 1996.