Микропроцессордың тектік құрылымы

Ақпаратты цифрлық құрылымдарда (цифрлық құрылымдарда) өңдеу процесін ұйымдастыру ерекшелігін қарастырайық. Екілік сигналдар арқылы белгілі бір әрекетті цифрлық автаматты жасау мәселесі берілген қызметтік түрлендіруді қамтамасыз ететін элемент-терді таңдай және оларды қосу тәсілін қолдану арқылы қойылады. Бұл мәселелерді математикалық логика не логика алгебрасымен шешеді. Логика алгебрасының қызметін қалыптастыратын құрылғыларды логика не цифрлық деп атап, жеке белгілері бойынша жіктейді.

Кірістік және шығыстық айнымалылар арасындағы байланыс пен олардың жұмыс ырғағының өзгерісін ескере отырып, схемалық шешу әрі сипаты бойынша цифрлық құрылғыны екіге: комбинациялық және цифрлық деп бөледі.

Комбинациялық цифрлық құрылғыларда шығыстағы сигналдардың жиынтығы уақыттың нақты әр мезетінде дәл сол мезеттегі оның кірісінде әрекет ететін кірістік сигналдармен анықталады. Комбинациялық құрылғыларды қызмет алгоритмі болатын кірістік сигналдары мәнінің комбинациясымен анықталатын шығыстық сигналдарын қамтитын сәйкестік кесте түрінде болуы мүмкін.

Тізбектегі түрдегі цифрлық құрылғылардың комбинациялық түрден айырмашылығы олардағы жадтың болуы. Олардың кірістік сигналдары тек осы сигналдардың функциясы болып қана қоймай, құрылғының кірістік сигналы түскенге дейінгі ішкі күйінің де функциясы болады.

Тізбекті ретті цифрлық құрылғы негізінде кірістік сигналдарының ретіне тәуелді бола отырып, көп алгоритмнің бірін орындайтын құрылғы жобалануы ықтимал. Бұл кірістік сигналдары басқару жадты деп аталатын сыртқы регистрлер блогына орналасып әрі одан біртіндеп алынып пайдалануы мүмкін. Кейбір шығыстық сигналдары басқарушы жадтан кірістік сигналдарының түсуін үйлестіру және оларды адрестеу үшін пайдаланылады. Мұндай құрылғы программаланатын құрылғы деп аталынады. Мұндай құрылғыларға микропрцессорда жатады.

Микропрцессордың архитектурасы микроЭЕМ жасауға қажет қызметті жүзеге асырудың ақпараттық не программалық мүмкіндігін анықтайтын логикалық ұйымдастырудан тұрады. Микропроцессорлар мынадай сипаттамаға ие: адрес пен деректердің разрядтығы, қорап түрі, температуралық диапазон, разрядтық кеңейту мүмкіндігі, команданы (микрокоманданы) орындау циклінің уақыты, сигналдар деңгейі, бөгелеуге орнықтылық, жүктеме қабілеті, шығыстағы сигналдарды біріктіру, сенімділік т.б.

Микропрцессорлы жиын (МПЖ) ҮИС саны бойынша бір кристалды, көп кристалды, көп кристалды секциялық микропроцессор-лар деп ажыратылады.

Бір кристалды микропроцессорларда процессордың барлық ақпараттық жабдықтары бір ҮИС түрінде жүзеге асырылады. Кристалдардағы элементтердің ингреция дәрежесінің және қораптағы шығыс орны санының артуына сәйкес бәр кристалды микропроцессорлардың параметрі де жақсарады. Әйтсе де бір кристалды микропроцессорлардың мүмкіндігі кристал мен қораптың апаратуралық қорымен шектелуі болады. Сол себепті көп кристалды және көп кристалды секциялық микропроцессорлар кеңінен таралған.

Көп кристалды микропроцессорлар оның логикалық құрылымын ҮИС арқылы функционалды аяқталған бөліктерге бөлу арқылы алынады. Көп кристалды микропроцессорлардың ҮИС-інің функ-ционалды аяқталуы оның бөліктерінің алдын ала анықталған қызметті орындай отырып, дербес жұмыс істей алатындығын білдіреді, ал кемел процестерді жасау үшін көп санды жаңа байланыстарды және басқа да интегралдық схемалар (ИС) мен ҮИС-терді іздестірудің қажеті болмайды.

Процессор құрылымын бөлудің мүмкіндік нұсқаларының бірі – құрамында ҮИС операциялық процессор, басқарушы процессор мен интерфейсті процессор болатын үш кристалды микропроцессор жасау. Операциялық процессор (ОП) деректерді өңдеу үшін пайдаланылады, басқарушы процессор(БП) операнд адрестерін іріктеу, декодтау және есептеу қызметін атқарады және микркомандалардың реттілігін тудырады. Дербестігі мен өте тез әрекеттігі нәтижесінде ҮИС, ҮИС ОП-ға қарағанада жадтан командаларды үлкен жылдамдықпен іріктеуге мүмкіндік береді. Бұл жағдайда БП-ға орындалмаған командалар кезегі түзіліп, келесі жұмыс циклі үшін ОП-ға қажет деректер алдын ала әзірленеді. Командаларды іріктеуде бұлайша озып отыру ОП-дың программа командаларын орындауға қажет операндтарды күту уақытын үнемдеуге мүмкіндік береді. Интерфейсті процессор (ИП) жадпен шеткі құралдарды микропроцессорға қосуға жағдай туғызады. ИП-дың үлкен интегралдық схемасы жадқа тікелей арласатын қызметті атқарады.

Көп кристалды секциялық микропроцессорлар процессордың логикалық құрылымының бөліктері (секциялары) ҮИС түрде жүзеге асқан кезде алынады. Микропроцессорлық секция – деректердің бірнеше разрядын өңдеуге немесе белгілі бір басқарушы операцияларды орындауға арналған ҮИС.

МП ИС-тің секциялығы өңделетін деректердің разрядтығын «күшейту» не микропроцессорлардың көп санды ҮИС-ті «параллель» қосқанда басқару құрылғысының қиындап кету мүмкіндігін анықтайды. Көп кристалды секциялық микропроцессорлардың разрядтығы 2-4 тен 8-16 бит болып, ЭЕМ-нің өнімділігі жоғары процессорларын жасауға мүмкіндік береді.

Пайдалануына қарай микропроцессорлар әмбебапты және маман-дандырылған болып ажыратылады. Әмбебап микропроцессорларды әралуас есептерді шешуге пайдаланылады. Олардың тиімді өнімділігінің шешетін есептің проблемалық ерекшеліктеріне тәуелділігі шамалы. МП-ны мамандандыру, яғни белгілі бір функцияны тездеп орындау тұрғысындағы проблемалық программалау, оның тиімді өнімділігін тек белгілі бір есептерді шешу кезінде күрт арттыруға мүмкіндік береді. Мамандандырылған МП-лардың ішінен: күрделі ретті логикалық операцияларды орындауға бейімделген микроконтроллерді; арифметикалық амалдарды, айталық матрицалық тәсілмен орындау есебінен өнімділікті арттыруға арналған математикалық МП-ларды; әр салада деректерді өңдеуге арналған МП-ларды; т.б бөліп алуға болады.

Өңделетін кірістік сигналының түрі бойынша цифрлық және аналогтық микропроцессорлар болады. Микропроцессорлардың өзара жалпы цифрлық құрылғылары, әйтсе де қондырылған аналогтық-цифрлық және цифрлық-аналогтық түрлендіргіштері де болуы ықтимал. Сондықтан кірістік аналогтық сигналдар МП-ға түрлендіргіш арқылы цифрлық түрде беріліп, өңделеді де, аналогты түрге кері өңделгеннен сон шығысқа келеді. Архитектурасы тұрғысында мұндай микропроцес-сорлар сигналдың аналогты функционалдық түрлендіргіштері болып, аналогты микропроцессорлар деп аталынады. Олар кез келген аналогты схемалардың қызметін атқара алады.

Аналогтық микропроцессорларды қолдану нәтижесінде аналогтық сигналдарды өңдеу дәлдігімен олардың өнімдері айтарлықтай артады, микропроцессорлардың цифрлық бөлігін программалы өзгерту есебінен сигналдарды өңдеудің әртүрлі алгоритміне қызмет жасау мүмкіндігін кеңейтеді. Әдетте бір кристалды аналогты МП-дың құрамына аналогты-цифрлық және цифрлық-аналогтық түрлендірудің бірнеше канал енеді. Аналогтық микропроцессорларда өңделетін деректердің разрядтығы 24 битке кейде одан да көп битке жетеді, арифметикалық амалдарды орындау тездігін арттыруға айрықша көңіл бөледі.

Жұмысты уақытша ұйымдастыру уақыты бойынша синхронды және асинхронды микропроцессорлар болады. Синхронды микропро-цессорларда операцияның басы мен аяғы орындау командасы басқару құрылғысы арқылы белгіленеді. Асинхронды микропроцессорлар әрбір келесі операцияның басын алдындағы операцияның нақты аяқталу сигналы бойынша анықтауға мүмкіндік береді.

Орындалатын программа саны бойынша бір және көп программалы микропроцессорлар болады. Бір программалы микропроцессорларда тек бір ғана программа орындалады. Келесі программаны орындауға тек алдындағы біткен сон ғана ауысады.

Көп және мультипрограммалы микропроцессорларда бір мезгілде бірнеше программа орындалады. Микропроцессорлы басқару жүйесінде мультипрограммалық жұмыстарды ұйымдастыру көп санды ақпарат көзін не ақпарат қабылдағышты басқаруға мүмкіндік береді.

Микропроцессордың тектік құрылымы 6,1-суретте көрсетілген. Микропроцессор үш негізігі блоктан: арифметикалық-логикалық құрылғыдан (АЛҚ), ішкі регистрлер блогынан және басқару құрылғысынан тұрады.

Сурет 6,1

Осы блоктардың арасында деректерді беру үшін олардың ішкі шинасын пайдаланылады. Арифметикалық-логикалық құрылғы микропроцессордың негізгі қызметінің бірі – деректерді өңдеуді орындайды. АЛҚ қызметінің тізімі микропроцессор түріне байланысты. Кейбір АЛҚ көптеген операцияларды орындауға қабілетті, ал басқаларында операция жиынтығы шектеулі. АЛҚ қызметі микропроцессордың тұтастай архитектурасын анықтайды. АЛҚ орындайтын операциялар микропроцессордың көпшілігінде былай: қосу, алу, ЖӘНЕ, НЕМЕСЕ, НЕМЕСЕ жоятын, инверсия, оңға ығысу, солға ығысу, оң және теріс өсімше. 77-сурет. Микропроцессор сұлбасы..

Микропроцессордың негізгі құрамдас бөлігі - регистрлер. Микропроцессордың әр регистрін деректердің бір сөзін уақытша сақтауға пайдалануға болады. Кейбір регистрлер арнаулы мақсатты, ал келесілер – көп регистрлер (ЖМР) деп, оны программист өз қалауы бойынша пайдалана алады. Микропроцессордағы регистр саны мен мақсааты оның архитектурасына байланысты. Микропроцессорлардың барлығында бар негізгі регистрлердің қолданылуын қарастырайық.

Аккумулятор – микропроцессордың деректермен әртүрлі манипуляциясын жүргізетін негізгі регистрі. Арифметикалық және логикалық операциялардың басым көпшілігі АЛҚ мен аккумуляторды пайдалану арқылы жүзеге асады. Деректердің екі сөзімен жүргізілетін мұндай операциялардың кез келгені сөздің бірін акумуляторға, келесісін жадқа не қайсы бір регистрге орналастыруды қарастырады. Айталық, шартты түрде аккумуляторға орналасқан А және жадта орналасқан В екі сөзді қосқанда, қорытқы С сөз А сөзін алмастырып аккумуляторда орналасады. АЛҚ операциясының орындалу нәтижесі де аккумуляторда орналасып, ондағы болған мән жойылады.аккумуляторды пайдаланып операцияның басқа түрі деректерді программалап микропроцессордың бір бөлігін келесіне беру болады. Мысалы, деректерді ендіру-шығару порты мен жад арасында тасымалдау т.с.с. «Деректерді программалап беру» операциясы екі кезеңде орындалады: алдымен деректер көзден аккумуляторға жіберіледі, содан кейін аккумулятордан қажетті жаққа беріледі.

Микропроцессор деректермен кейбір әрекетті тікелей аккумуляторда орындай алады. Мысалы, аккумуляторды оның бүкіл разрядына екілік нөлді жазу жолмен тазалауға болады, сондай-ақ екілік бірліктерді оның барлық разрядына жазу арқылы аккумулятордың бірлік күйін тағайындауға болады.

Аккумулятор микропроцессордың ең әмбебап регистрі болып табылады: деректермен кез келген операцияны орындау үшін ең алдымен оларды аккумуляторға орналастыру керек. Деректер микропроцессордың деректерінің ішкі шинасынан түседі. Өз кезегінде аккумулятор деректерді осы шинаға жібере алады. Аккумулятордың разряд саны микропроцессордағы сөз ұзақтығына сәйкес, әйтсе де кейбір микропроцессорларда ұзақтықты аккумулятор болады. Аккумулятордың қосымша разрядтығына кейбір арефметикалық операцияларды орындау кезінде пайда болатын биттер жазылады. Мысалы, екі 8 биттік сөзді көбиткенде, нәтижесі (16 биттік сөз) ұзындықты аккумуляторға орналастырады.

Команда санаушы – микропроцессордың негізгі регистрінің бірі. Программа микроЭЕМ жадында сақталатын және қойылған есепті қалай шешетіні жайлы машинаға нұсқау беретін команда реті екені белгілі. Оны нақты орындау үшін командалар қатаң ретпен келуі тиісті команда санауышы жадта жазылған келесі команда адресін қалыптастыруды қамтамасыз етеді.

Микропроцессор жұмыс істей бастағанда бастапқы қойылым командасы бойынша команда санауышына жадтан микропроцессор жобалаушысы тапсырған арнайы деректер беріледі. Ал, программа орындала бастағанда, команда санауышындағы бірінші мән осы алдын ала анықталған адрес болады.

Аккумулятормен салыстырғанда команда санауышы операцияны орындай алмайды. Программа орындалар алдында программаның бірінші командасын көрсететін адреспен команда санауышын толтыру керек. Программаның бірінші командасының адресі жадты басқару схемасына адрестік шина бойынша жіберіледі, нәтижесінде оның мазмұны көрсетілген адрес бойынша саналады. Одан ары бұл команда микропроцессордың команда регистрі деп аталатын арнаулы регистріне жіберіледі.

Команданы жадтан алғаннан кейін микропроцессор автоматты түрде команда санауышына ішіндегі дерекке өсімше қосады. Бұл өсімшені команда санаушысы микропроцессор жадтан осы мезетте алынған команданы орындай бастаған кезде алады. Демек, осы мезеттен бастап команда сануышында келесі команданың адресі сақтаулы тұратын болады. Команда санауышын ерекше команда тобын орындау кезінде басқа деректермен толықтыруға болады. Кейде негізгі (бас) программаның ретінен оның «түсіп» қалған бөлігін орындау қажет болуы ықтимал. Мысалы, барлық программаны орындау процесіне қайталанатын бөлігі. Программаның бұл бөлігін ол қажет болғанда қайта-қайта жазбай, оны бір рет қана жазады да, көрсетілген реттен ауытқи отырып, оны орындауға қайта оралады. Бас программа командаларының ретінен ауытқу жолымен орындалатын программа бөлігін қосалқы программа дейді. Бұл жағдайда команда санауышына тікелей қажет адрес жазылады.

Команда санауышының микропроцессор деректерінің сөз ұзындығына қарағанда разряды айтарлықтай көп болады. Айталық, 8-разряды микропроцессорлардың көпшілігінде команда санауышының разряд саны 16-ға тең.

Кірістік деректер регистрге жадтан команда іріктеу ретіне қарай түседі. әдетте деректерді команда регистріне ЭЕМ басқару пультіндегі қосқыштар мен түймешелер көмегімен жазуға болады. Бұл мүмкіндікті программа басында басқару командасын беру үшін пайдаланылады.

Жад адресінің регистрі микроЭЕМ жадына әрдайым жүгінген сайын микропроцессор пайдаланатын жад облысының адресін көрсетеді. Жад адресінің регистрінде екілік сан – жад облысының адресі болады. Бұл регистрдің шығысы адрестік шина деп аталып, ол жад облысын таңдау үшін не енгізу-шығару портын іріктеу үшін пайдаланылады.

Буферлік регистр деректерді уақытша сақтауға арналған.

Күй регистрі программаны орындау процесінде жүзеге асыратын кейбір тексеріс нәтижелерін сақтауға арналады. Айтылған тексеру нәтижесін есте сақтау ауысуы бар программаны пайдалануға мүмкіндік береді.

Белгіленген белгі бойынша программада ауысу болса, команданың орындалуы жадтың қайсыбір жаңа облысынан басталады, яғни команда санауышы жаңа санмен толықтырылады. Шартты ауысу кезінде, мұндай жағдайдың болуы белгіленген тексеріс нәтижесінің күтілген мәнмен сәйкес келген кезінде байқалады. Көрсетілген нәтижелер күй регистрінде болады. Күй регистрі программашыға микропроцессордың жұмысын белгілі бір жағдайда команданың орындалу ретін өзгертіндей етіп ұйымдастыруына мүмкіндік береді.

Жалпы мақсаттық регистрлер (ЖМР). Көпшілік МП құрамында есте сақтау құрылғысы ретінде пайдаланылатын регистрлер жиыны болады. Ал, АЛҚ ЖМР ішіндегі деректермен адрестермен деректердің сыртқы магистралына шықпай-ақ операция жасай алатындықтан, ол сыртқы жадпен жасалатын операциямен салыстырғанда едәуір тез өтеді. Сол себепті ЖМР-ды кейде аса жедел жад дейді. ЖМР саны мен оған программалық қол жеткізу әрбір микропроцессорларда әртүрлі.

Стек көрсеткіші. Стек – микропроцессорлардағы не жедел жад ұяшығындағы регистрлер жиыны, онда деректермен немесе адрестер «жоғарыдан»: бірінші – соңғы келіп түскені деген принциппен таңдалады. Стекке келесі сөзді жазу кезінде бұрынғы жазылған барлық сөздер бір регистр төмен жылжиды. Стектен сөз іріктегенде қалған сөздер бір регистр жоғары ығысады.

Аталған әрекеттер 6,2-суретте көрсетілген. Мұнда стек жеті регистрден тұрады. Егер стекке қайсыбір, айталық А5 сөзі енгізілсе, онда ол жоғары регистрге жазылады, ал А1... А4 сөздерінің әрқайсысы көршіліс төменгі регистрлерге ығысады. А4-ті А5-тен ерте алуға болмайды, яғни жоғарыдағы принцип автоматты түрде орындалады. Стекті, әдетте микропроцессорларда қосалқы программаны пайдалану кезінде қайтару адрестерін сақтау үшін, сондай-ақ үзілісті өңдеу кезінде ішкі регистрлердің күйін есте сақтау үшін пайдаланады. Жадта стекті ұйымдастырғанда оған жіберілетін уақыт жадқа жіберілетін циклге тең. Бұл операция егер стек регистр жиыны түрінде микропроцессор құрамына кірсе, айтарлықтай тез орындалады. Бұл жағдайда негізгі параметр стектің регистр саны болып табылады. Стекке оның регистрлер санынан көп сөз жазу керек болса, бірінші сөз жойылып кетеді. Кейбір микропроцессорларда стек регистрі толып кеткенде, керекті сәйкес сөздер жад стегіне жазылады.

Сурет 6,2. Стек көрсеткіші

Стекті жүзеге асыруды былайша түсіндіруге болады, оның қызмет процесі бір бума құжатпен жұмыс істегенді елестетеді, мысалы әрбір жаңа бума құжат екі бума үстіне салынып отырады. Стекті осылайша пайдаланғанда арнаулы регистр – стек элементінің уақыт бойынша соңғы түскенінің адресін сақтап қалуға арналған стек көрсеткіші (СК) қажет.

6,3-суретте стек көрсеткіші ақпаратты екілік түрде көрсететін үш разряды регистр түрінде болады. Алдымен стек көрсеткіші 011 санын қамтиды. Бұл соңғы элемент – «стек шоғы» – 011 (не 3) адресі бар регистрде болады деген сөз. Жүктеме операциясы кезінде регистріне А5 саны жазылады да стек көрсеткішінің құрамы 4 регистрді көрсететіндей болып өзгереді. Стектен алу операциясы кезінде кері әрекеттер жүргізіледі.

Сурет 6,3. Екілік түрде стек көрсеткіші

Басқару схемалары. Микропроцессордағы басқару схемасы оның басқа буындарының қызметінің қажетті ретін сақтап отыруға арналған. Басқару схемасының сигналы бойынша кезекті команда регистрден алынады. Бұл орайда дерекпен не істеу керектігі анықталып, содан кейін қойылған міндетті орындау үшін реттілік қамтамасыз етіледі.

Басқару схемаларының негізгі қызметінің бірі ­– команда регистріндегі командаларды дешифратормен декодтау. Мұның нәтижесінде осы команданы орындату сигналы берілетін болады.

Жоғарыдағы әрекеттен басқа басқару схемалары қорекке қосылу және үзіліс процесін реттейді. Үзіліс – басқару схемасына басқа құрылғыдан (жад, ендіру-шығару) келетін шақыру іспеттес. Үзіліс – микропроцессордың деректерінің ішкі шинасын пайдалануға байланысты. Басқару схемалары басқа құрылғылардың деректердің ішкі шинасымен қашан және қай ретпен пайдалануы туралы шешім қабылдайды.

Шиналық жүйелер. Микропроцессордың сипаттамасына оның сыртқы ортамен – ендіру-шығару құрылғыларымен (ЕШҚ) және есте сақтау құрылғыларымен (ЕСҚ) байланысын ұйымдастыру әдісі үлкен себебін тигізеді. Сыртқы ортамен байланысты ұйымдастыру әдісіне орай микропроцессорлар адрес пен деректердің шиналары мультиплек-сирленген (6,4.а-сурет) және адрес пен деректердің шиналары бөлек-бөлек (6,4.б-сурет) болып ажыратылады. Адрес пен деректер шиналары бөлек-бөлек болатын микропроцессор 6,4.а, б-суретте бейнеленген.

а) б)

Сурет 6,4

Мультиплексирлі шиналы миропроцессорларда адрес шинада уақыттың қысқа аралығында сақталады, сол себепті шинаға қосылған құрылғыларға адрес регистрі (P r F) қажет. Мұндай микропроцессорларда ақпарат алмасуды ұйымдастыру үшін «адрес-дерек» басқару сигналын пайдалану қажет. Адрес пен дерек шиналары бөлек-бөлек болған жағдайда басқару сигналының керегі жоқ. Оған қоса шинаға қосалқы құрылғыларда адрес регистрінің қажеті болмайды, өйткені ол микропроцессор кристалына бірден орнатылуы ықтимал. Мұндай микропроцессорларда адрестік шинаның разрядтылығымен байланысы жоқ.

6.2. Микропроцессорлық жүйелердің

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: