Ядром любой микропроцессорной системы является микропроцессор или просто процессор (от английского processor). Перевести на русский язык это слово правильнее всего как «обработчик», так как именно микропроцессор — это тот узел, блок, который производит всюобработку информации внутри микропроцессорной системы.
Микропроцессором будем называть программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и выработки сигналов, управляющих этой обработкой.
Остальные узлы выполняют всего лишь вспомогательные функции: хранение информации (в том числе и управляющей информации, то есть программы), связи с внешними устройствами, связи с пользователем и т.д. Процессор заменяет практически всю «жесткую логику», которая понадобилась бы в случае традиционной цифровой системы. Он выполняет арифметические функции (сложение, умножение и т.д.), логические функции (сдвиг, сравнение, маскирование кодов и т.д.), временное хранение кодов (во внутренних регистрах), пересылку кодов между узлами микропроцессорной системы и многое другое. Количество таких элементарных операций, выполняемых процессором, может достигать нескольких сотен. Процессор можно сравнить с мозгом системы. Но при этом надо учитывать, что все свои операции процессор выполняет последовательно, то есть одну за другой, по очереди. Конечно, существуют процессоры с параллельным выполнением некоторых операций, встречаются также микропроцессорные системы, в которых несколько процессоров работают над одной задачей параллельно, но это редкие исключения. С одной стороны, последовательное выполнение операций — несомненное достоинство, так как позволяет с помощью всего одного процессора выполнять любые, самые сложные алгоритмы обработки информации. Но, с другой стороны, последовательное выполнение операций приводит к тому, что время выполнения алгоритма зависит от его сложности. Простые алгоритмы выполняются быстрее сложных. То есть микропроцессорная система способна сделать все, но работает она не слишком быстро, ведь все информационные потоки приходится пропускать через один-единственный узел — микропроцессор (рис. 1.3). В традиционной цифровой системе можно легко организовать параллельную обработку всех потоков информации, правда, ценой усложнения схемы
.
Управляющая
информация
(программа)
Рис. 1.3.Информационные потоки в микропроцессорной системе.
Итак, микропроцессор способен выполнять множество операций. Но откуда он узнает, какую операцию ему надо выполнять в данный момент? Именно это определяется управляющей информацией, программой.
Программа представляет собой набор команд (инструкций),то есть цифровых кодов, расшифровав которые, процессор узнает, что ему надо делать. Программа от начала и до конца составляется человеком, программистом, а процессор выступает в роли послушного исполнителя этой программы, никакой инициативы он не проявляет (если, конечно, исправен). Поэтому сравнение процессора с мозгом не слишком корректно. Он всего лишь исполнитель того алгоритма, который заранее составил для него человек. Любое отклонение от этого алгоритма может быть вызвано только неисправностью процессора или каких-нибудь других узлов микропроцессорной системы.
Все команды, выполняемые процессором, образуют систему командпроцессора. Структура и объем системы команд процессора определяют его быстродействие, гибкость, удобство использования. Всего команд у процессора может быть от нескольких десятков до нескольких сотен. Система команд может быть рассчитана на узкий круг решаемых задач (у специализированных процессоров) или на максимально широкий круг задач (у универсальных процессоров). Коды команд могут иметь различное количество разрядов (занимать от одного до нескольких байт). Каждая команда имеет свое время выполнения, поэтому время выполнения всей программы зависит не только от количества команд в программе, но и от того, какие именно команды используются.
Для выполнения команд в структуру процессора входят внутренние регистры, арифметико-логическое устройство (АЛУ, ALU — Arithmetic Logic Unit), мультиплексоры, буферы, регистры и другие узлы. Работа всех узлов синхронизируется общим внешним тактовым сигналом процессора. То есть процессор представляет собой довольно сложное цифровое устройство (рис. 1.4).
Рис. 1.4.Пример структуры простейшего процессора.
Впрочем, для разработчика микропроцессорных систем информация о тонкостях внутренней структуры процессора не слишком важна. Разработчик должен рассматривать процессор как «черный ящик», который в ответ на входные и управляющие коды производит ту или иную операцию и выдает выходные сигналы.
Разработчику необходимо знать систему команд, режимы работы процессора, а также правила взаимодействия процессора с внешним миром или, как их еще называют, протоколы обмена информацией.
О внутренней структуре процессора надо знать только то, что необходимо для выбора той или иной команды, того или иного режима работы.
Микропроцессорная система -этовычислительная, контрольно-измерительная или управляющая система, в которой основным устройством обработки информации является МП. Микропроцессорная система строится из набора микропроцессорных БИС.
В основу построения МПС систем положено три принципа: магитральности; модульности; микропрограммного управления.
Принцип магистральностиопределяет характер связей между функциональными блоками МПС - все блоки соединяются с единой системной шиной.
Принцип модульностисостоит в том, что система строится на основе ограниченного количества типов конструктивно и функционально завершенных модулей. Каждый модуль МПС системы имеет вход управления третьим (високоимпедансным) состоянием. Этот вход называется СS (Сhір Sеlеkt) - выбор кристалла или ОЕ (Output Епаbіе) - разрешение выхода.
Рис. 1.5. Действие сигнала СS для триггера
Действие сигнала СS для триггера показан на рис. 1.5. Исходный сигнал триггера Q появится на выводе лишь при активном (в этом случае - нулевом) уровне сигнала СS. Если СS = 1, триггер переводится в високоимпедансное состояние. Выход триггера является трёхстабильним, то есть может находиться в одном из трех состояний: логической единицы, логического нуля или в високоимпедансном. В каждый момент времени к системной шине МПС присоединен лишь два модуля - тот, что принимает, и тот, что передает информацию. Другие находятся в високоимпедансном состоянии.
Принципы магистральности и модульности позволяют наращивать управляющие и вычислительные возможности МП за счёт присоединение других модулей.
Принцип микропрограммного управлениясостоит в возможности осуществления элементарных операций - микрокоманд (сдвига, пересылки информации, логических операций). Определенной комбинацией микрокоманд можно создать набор команд, который максимально будет отвечать назначению системы, то есть создать технологический язык.
Рассмотрим обобщенную структурную схему МПС (рис. 1.6.) В состав МПС входят: центральный процессор (ЦП), ПЗП, ОЗП; система прерываний, таймер, УВВ. Устройства ввода-вывода присоединены к системной шине через интерфейсы ввода-вывода.
Постоянное и оперативное запоминающие устройства составляют систему памяти, предназначенную для хранения информации в виде двоичных чисел. Постоянное запоминающее устройство предназначено для хранения программ, таблиц, констант.
Оперативное запоминающее устройство - для хранения промежуточных результатов вычислений. Память организована в виде массива ячеек, каждая из которых имеет свой адрес и содержит байт или слово.
Модуль центрального процессора обрабатывает данные и руководит всеми другими модулями системы. Центральный процессор, кроме БИС МП, содержит схемы синхронизации и интерфейса с системной шиной. Он выбирает коды команд из памяти, дешифрует их и выполняет. На протяжении времени выполнения команды - командного цикла - ЦП выполняет такие действия:
- выставляет адресу команды на шину адреса АВ;
- получает код команды из памяти и дешифрует его;
- вычисляет адреса операнда и считывает данные;
- выполняет операцию, определенную командой;
- воспринимает внешние управляющие сигналы, (например, запрос прерываний);
- генерирует сигналы состояния и управления, необходимые для работы памяти и УВВ.
Устройства ввода-вывода или внешние устройства - это устройства, предназначенные для ввода информации в МП или вывода информации из него. Примерами УВВ являются дисплеи, печатающие устройства, клавиатура, цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи, реле, коммутаторы. Для соединения УВВ с системной шиной их сигналы должны отвечать определенным стандартам. Это достигается с помощью интерфейсов ввода-вывода.
Интерфейсы ввода-вывода выполняют функцию согласования сигналов УВВ с сигналами системной шины МП. Их называют также контролерами или адаптерами. Микропроцессор обращается к интерфейсам с помощью специальных команд ввода-вывода. При этом МП выставляет на шину адреса АВ адрес интерфейса, а по шине данных DВ считывает данные из устройства ввода или записывает в устройство вывода. На рис. 1.6 показан один интерфейс ввода и один интерфейс вывода.
Система прерываний разрешает МПС реагировать на внешние сигналы -запросы прерываний, источниками которых могут быть: сигналы готовности от внешних устройств, сигналы от генераторов, сигналы из выходов датчиков. С появлением запроса прерывания ЦП перерывает основную программу и переходит к выполнению подпрограммы обслуживания запроса прерывания. Для построения системы прерываний МПК содержат БИС специальных программируемых контролеров прерываний.
Таймер предназначен для реализации функций, связанных с отсчетом времени. После того, как МП загружает в таймер число, которое задает частоту, задержку или коэффициент деления, таймер реализует нужную функцию самостоятельно.
Действие сигнала СS для триггера показан на рис. 1.5. Исходный сигнал триггера Q появится на выводе лишь при активном (в этом случае - нулевом) уровне сигнала СS. Если СS = 1, триггер переводится в високоимпедансное состояние. Выход триггера является трёхстабильним, то есть может находиться в одном из трех состояний: логической единицы, логического нуля или в високоимпедансном. В каждый момент времени к системной шине МПС присоединен лишь два модуля - тот, что принимает, и тот, что передает информацию. Другие находятся в високоимпедансном состоянии.