Понятие об уровнях программного управления и представлении данных в микропроцессоре

Рис. 5.5. Структура микро-ЭВМ

Рис. 5.4. Структура микропро­цессора

Рис. 5.3. Ключи на МДП- и бипо­лярном транзисто­рах

Рис. 5.2. Устройство, реализующее алгоритм (5.2) программным спосо­бом

Рис. 5.1. Устройство, реа­лизующее алгоритм (5.2) аппаратным способом

Чтобы дать общее представле­ние об устройстве микропроцессора и его особенностях как функцио­нального узла вычислительных средств, рассмотрим простой алго­ритм преобразования информации, например алгоритм вычислений по уравнению:

Y=(AX+B)X+C. (5.1)

Алгоритм вычислений состоят из сле­дующих шагов:

1) А-Х=М; 2) M+B=N; 3) N-X=K; 4) K+C=Y, (5.2)

где А, В, С, X — исходные переменные, М, N, К, Y — переменные, присвоенные результатам выполнения соответствующих операций.

В вычислительных средствах находят применение два способа реализации алгоритмов: аппаратный и программный.

Аппаратный способ реализации алгоритмов характеризуется следующими особенностями: для выполнения каждой операции ис­пользуется свое оборудование, так называемый операционный блок; распределение переменных по входам и выходам операционного бло­ка не изменяется в процессе реализации алгоритма; порядок реали­зации алгоритма определяется схемой соединения операционных блоков.

Структурная схема устройства, реализующего алгоритм (5.2) аппаратным способом, включает два перемножителя и два сумма­тора (рис. 5.1). Недостатки этого способа состоят в том, что, во-первых, схема реализации алгоритма специализирована на решение задач только одного типа, и, во-вторых, число операционных блоков резко увеличивается с ростом сложности алгоритма.

Программный способ реализации алгоритма имеет следующие особенности: однотипные операции выполняются одним операцион­ным блоком, но в разное время; распределение переменных по вхо­дам и выходам блоков изменяется в процессе реализации алгорит­ма; порядок выполнения операций определяется программой.

Программа — это описание алгоритма в форме, воспринимаемой данным вычислительным средством. Программа состоит из отдель­ных команд. Каждая команда предписывает определенное действие и указывает, над какими переменными это действие производится.

При реализации алгоритма (5.2) программным способом необ­ходимы соответствующие операционные блоки — перемножитель, сумматор, а также дополнительное оборудование — ячейки памяти (ЯП) для хранения чисел: одна ячейка для одного числа.

Структурная схема, реализующая алгоритм (5.2) по програм­мному способу, приведена на рис. 5.2. На пересечении каждой вер­тикальной и горизонтальной шин находится управляемый контакт, например полевой или биполярный транзистор (рис. 5.3), замыкание которого соединяет шины в точке пересечения. Каждому контакту присвоен номер.

Программа реализации алгоритма (5.2) представляет собой со­вокупность команд, выполняемых последовательно во времени: 1-я команда — выбрать из ЯП с указанными номерами числа А и X, перемножить эти числа, результат М занести в ЯП с указанным номером; 2-я команда — выбрать из ЯП с указанными номерами числа М и В, сложить их, результат N занести в ЯП с указанным номером; 3-я команда — выбрать числа N и X, перемножить их и результат K занести в ЯП с указанным номером; 4-я команда — выбрать числа К и С, сложить их, результат Y занести в ЯП с ука­занным номером; 5-я команда — вывести результат у.

При реализации программного способа выполнения алгоритма вычислительное средство в своем составе должно иметь совокуп­ность операционных блоков, называемую арифметическим устройст­вом (АУ) или арифметико-логическим устройством (АЛУ), совокуп­ность ЯП для хранения исходных чисел и результатов вычислений, называемую запоминающим устройством (ЗУ). Для управления процессом выполнения вычислений в состав вычислительного сред­ства наряду с АЛУ и ЗУ, должно входить устройство управления (УУ). Для хранения команд необходимы свои ЯП, которые состав­ляют ЗУ команд. Согласованность в работе указанных функцио­нальных узлов обеспечивается генератором тактовых импульсов (ГТИ), следующих с определенной частотой повторения.

Таблица 5.1

Номер команды	Код команды	Номер замыкаемого контакта
КОn	A1	А2	А3
					1, 12, 37
					21, 26, 38
					6, 12, 39
					23, 27, 40

Каждая команда записывается кодом, состоящим например из кода операции КОп, адресов чисел, над которыми выполняется операция, A₁A₂ и адреса Аз, по которому надо отправить результат в ЗУ чисел.

Код операции определяется условным номером, которым обо­значена та или иная операция, например: сложение — 01, умноже­ние — 02, вывод результата — 03 и т. д. Номер ЯП называется адресом числа, которое записано или будет записано в ЯП. Чтобы записать все переменные, участвующие в процессе вычислений по (5.2), необходимо ЗУ из восьми ЯП. Если принять следующее распределение чисел по ячейкам памяти: А->ЯП₁, В->ЯП₂, С->ЯПз, X->ЯП₄, М->ЯП₅, N ->ЯП_б, K->ЯП₇, Y->Я₈, то программа реали­зации алгоритма (5.2) может быть представлена табл. 5.1,

Вычислительное устройство работает в следующем порядке. Предварительно в ЗУ команд заносится программа вычислений, а в ЗУ чисел — числа, над которыми должны быть выполнены опре­деленные программой операции. С началом работы вычислительного средства из ЗУ команд по сигналу УУ выбирается первая команда, дешифруется в УУ и превращается в систему сигналов, управляю­щих состоянием контактов (см. табл. 5.1). Арифметико-логическое устройство выполняет над выбранными из ЗУ числами операцию, предписываемую сигналами УУ. Результат на выходе АЛУ записы­вается в ЗУ чисел по адресу, указанному в команде.

По окончании выполнения одной команды из ЗУ выбирается следующая по новому адресу, который формируется счетчиком при­бавлением единицы к предыдущему адресу. Такой способ форми­рования адреса очередной команды, при котором команды выбира­ются из ЗУ в порядке номеров ЯП, где они хранятся, называется естественным.

При управлении работой вычислительного устройства УУ учи­тывает результат выполненных вычислений по каждой команде. Учет ведется по признакам результата: нулевой, единичный, пере­полнение и т. д. Признаки, представляемые 0 или 1, записываются в триггеры регистра признаков и передаются в УУ.

Итак, программный способ реализации алгоритмов имеет по сравнению с аппаратным два основных преимущества, во-первых, с усложнением алгоритма объем оборудования увеличивается не­значительно, главным образом за счет ЯП, во-вторых, путем изме­нения программы можно на одном оборудовании решать различные задачи.

Именно эти положительные свойства программного способа реализации алгоритмов предопределили появление микропроцессоров и сопутствующих им микро­схем как элементной базы вы­числительных и управляющих средств четвертого поколения.

Рассмотренное програм­мно-управляемое вычислитель­ное средство по своей струк­туре и выполняемым функци­ям аналогично ЭВМ. Та его часть, которая осуществляет процесс вычислений и управ­ляет им, называется процес­сором.

Процессор, реализованный средствами интегральной тех­нологии в одной или несколь­ких БИС, получил название микропроцессора (МП). Струк­тура МП в общем случае (рис. 5.4) включает три ос­новных функциональных- узла: АЛУ, УУ и блок регистров: регистры общего назначения (РОН), регистры адреса и ко­манды,, регистры для кратко­временного хранения чисел, участвующих в операции, а также для хранения результата вычислений. Числа и команды пред­ставляются двоичным кодом, поэтому все показаные на рис. 5.4 со­единения являются многопроводными (многоразрядными) шинами.

В зависимости от назначения различают шины адресные (ША), шины чисел (ШЧ) и шины управления (ШУ).

Микропроцессор, выполненный на одном кристалле, т. е. в виде одной БИС, называют однокристальным. Если входящие в струк-^ТУРУ МП функциональные узлы выполнены в виде БИС, то такой микропроцессор, иногда называемый многокристальным, собирается на печатной плате из нескольких микросхем. В состав вычислитель­ного средства МП входят наряду с микроэлектронными ЗУ для хранения чисел и программ. В качестве ЗУ для программ нередко используют постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), особенно удобные в тех случаях, когда вычислительное средство работает по одной программе, выполняя, например, функции устройства управления каким-нибудь объектом. Для хранения чисел использу­ют оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) (см. § 5.4 — 5.6).

Наряду с МП, ПЗУ и ОЗУ, в состав вычислительного средства входит набор микросхем вспомогательного назначения, обеспечиваю­щих сопряжение МП с ПЗУ и ОЗУ, а также с внешними устройст­вами — телетайпами, внешней долговременной памятью на магнит­ных накопителях, дисплеями и другими устройствами самого различного назначения, принципа действия и режима работы.

Необходимость совместного применения МП с другими функцио­нальными узлами в виде БИС для создания вычислительных средств обусловливает целесообразность изготовления МП в ком­плекте с этими БИС, чтобы была обеспечена их совместимость по электрическим конструктивно-технологическим и эксплуатационным параметрам. В состав такого комплекта входят БИС МП, ПЗУ, ОЗУ, а также различные функциональные узлы сопряжения. Такие комплекты микросхем получили название микропроцессорных ком­плектов БИС.

Структура вычислительного средства, построенного с использо­ванием МП комплекта БИС и содержащего МП, полупроводнико­вую память и БИС ввода/вывода для связи с периферийными устройствами, приведена на рис. 5.5. По принципу действия, струк­туре и выполняемым функциям такое вычислительное средство пред­ставляет собой -ЭВМ, реализованную на микросхемах и поэтому получившую название микро-ЭВМ.

Различают два уровня программного управления: командный и микропрограммный. В зависимости от реализации того или дру­гого уровня программного управления МП делят на два класса. Кратко рассмотрим основные особенности каждого из них.

Микропроцессоры с управлением на уровне команд требуют, чтобы программа была составлена с использованием строго опре­деленного набора (списка) команд. Эта особенность МП обусловле­на принципом «жесткой логики» для реализации УУ. В соответствии с этим принципом логические связи в УУ закреплены таким обра­зом, что каждому поступившему на вход коду команды соответст­вует своя система управляющих сигналов. Изменение и наращива­ние списка команд не допускается. Поэтому при необходимости вы­полнить операции, для которых нет соответствующих команд в спис­ке, требуется подпрограммы. Каждая подпрограмма составляется из группы разрешенных для данного МП команд.

Решение задач с использованием подпрограмм значительно сни­жает скорость обработки и, следовательно, эффективность примене­ния МП. Поэтому стремятся к тому, чтобы микропроцессоры с управлением на командном уровне имели гибкую и развитую си­стему команд. Примером МП рассмотренного класса может служить К580ИК80.