Внутренняя архитектура микропроцессора

Основными внутренними компонентами МП являются арифметико-логическое устройство, реализующее множество арифметических и логических функций МП, узел синхронизации и управления, воспринимающий и генерирующий  внешние  управляющие сигналы; набор регистров  для  временного  хранения  кодов  команд, данных,  адресов  и  информации  о  внутреннем  состоянии МП (рис.4.1).

         Рис.4.1. Внутренняя организация микропроцессора

Содержимое некоторых из внутренних регистров МП может быть изменено программным путем, другая их часть недоступна программисту. Общее число внутренних регистров МП разных семейств различно, как различны конкретные функции, выполняемые ими. Тем не менее при  всем многообразии внутренних регистров МП наиболее значимыми являются следующие виды.

Регистр команды воспринимает код текущей команды с шины данных и хранит его в течение всего времени ее исполнении. Регистр команды недоступен программисту.

Для хранения данных и промежуточных результатов в МП используются программно-доступные рабочие регистры. Если все рабочие регистры в составе МП позволяют непосредственно записывать в них результаты вычислений, выполненных АЛУ, их обычно называют регистрами общего назначения (РОН). Если в МП имеется всего лишь один такой специализированный регистр, его называют аккумулятором.

Регистры для хранения адресов (указательные регистры) также программно доступны. К указательным регистрам относятся программный счетчик (другое наименование – указатель команды), а также регистры –  +

стека.

Программный счетчик (РС) обеспечивает хранение двоичного кода адреса ячейки памяти, где помещена команда, которую предстоит выполнить процессору вслед за исполняемой им в данный момент командой.

Новый цикл выбора команды МП всегда начинается с того, что на его шине адреса появляется содержимое РС, и очередная команда по этому адресу переписывается с шины данных в регистр команд, после чего она поступает на дешифратор команды. Выходы дешифратора подключены к узлу синхронизации и управления, определяющему требуемое для выполнения этой команды направление передачи данных и реагирующему на внешние сигналы, поступающие по шине управления от других устройств. В процессе исполнения команды содержимое РС автоматически увеличивается. Таким образом, в любой момент времени его содержимое представляет собой адрес очередной ячейки памяти, где может храниться либо следующая команда, либо дополнительные данные, привлекаемые МП для исполнения данной команды.

Регистр-указатель стека SP используется для хранения адреса последней использованной ячейки стека (области памяти, размер которой изменяется в процессе обработки). Работа стека организована по принципу «последним пришел – первым вышел». При записи данных в стек содержимое регистра SP автоматически уменьшается, и по этому адресу данные заносятся в память. При удалении данных из стека они переписываются из ячейки, адрес которой хранится в SP, после чего его содержимое автоматически увеличивается. Таким образом, этот регистр всегда следит за положением вершины стека (наиболее удаленной от начала стека ячейки памяти).

Информация об особенностях результата последней операции, выполненной АЛУ (информация о внутреннем состоянии МП), хранится в регистре флажков (другие его названия – регистр состояния, регистр кода условия). В микропроцессорной технике так обычно называют простой набор триггеров, состояния которых зависят от результатов операции АЛУ (строго говоря, простой набор отдельных триггеров нельзя называть регистром, но применительно к МП это не вызывает особых недоразумений). Каждый триггер в составе регистра состояния устанавливается (или сбрасывается) при какой-то своей особенности результата в АЛУ (например, триггер нуля Z, переполнения V, отрицательного результата N переноса С и др.). Регистры состояния программно-доступны, причем программист может установить (или сбросить) каждый триггер в отдельности или одновременно весь регистр. 

Рассмотренные основные компоненты в составе МП связаны между собой быстродействующей внутренней шиной данных, а его внешние шины отделены от нее буферными каскадами, повышающими нагрузочную способность внешних шин. Отметим, что разрядность МП определяется числом бит данных, обрабатываемых в одной операции АЛУ, и всегда равна числу проводников внешней шины данных. Объем адресуемой памяти МП зависит от проводников внешней адресной шины. Нетрудно убедиться в том, что с помощью адресной шины из N проводников МП можно передать 2^N различных двоичных адресов ячеек памяти. Всякому внешнему устройству ввода/вывода также присваивается определенный адрес, что позволяет МП осуществлять операции ввода/вывода подобно обращению к обычной ячейке памяти.

Все операции в МП инициируются импульсами синхронизации от внешнего (реже встроенного) генератора тактовых импульсов (ТГ), стабилизированного кварцевым резонатором. По значению частоты следования импульсов синхронизации в первом приближении можно судить о быстродействии МП. При прочих равных условиях оно тем больше, чем выше частота синхронизации. Первые образцы МП работали при частотах тактового генератора

2…4 МГц, для современных МП типичны значения частоты порядка 1…3 ГГц и выше.