Общая характеристика микропроцессора

Введение в микропроцессоры

Эта глава начинается кратким изложением истории создания микропроцессоров как результата достижений вычислительной техники и полупроводниковой технологии. Затем объясняется, что такое микропроцессор и каковы его две основные функции: обработка и управление. Вводится соответствующая терминология, которая хотя и лишена четких, научно обоснованных определений, закрепленных соответствующими стандартами, но поясняется применительно к основным понятиям.

Сравнение микропроцессора с электронными вычислительными машинами
прошлого неизбежно. Поэтому объясняется разница между микропроцессором
и микро-ЭВМ, хотя называть первый вычислительной машиной на одном кристалле - явное преувеличение. В заключение дается определение мощности микропроцессора посредством таких понятий, как размер слова данных, диапазон адресуемой памяти и скорость выполнения операций.

Цифровая вычислительная машина выполняет расчеты под управлением программы. Общие принципы работы машины определяются ее архитектурой. Архитектура микропроцессора подобна архитектуре цифровой вычислительной машины. Иными словами, микропроцессор подобен цифровой машине, поскольку в обоих случаях вычисления выполняются под управлением программы. Следовательно, знакомство с историей создания цифровых вычислительных машин поможет нам лучше понять устройство и работу микропроцессоров. Столь же полезно знакомство с историческими сведениями, касающимися
развития и совершенствования полупроводниковых схем, ибо микропроцессор -
полупроводниковая схема, или точнее большая интегральная микросхема

Первые ЭВМ общего назначения появились в начале 50-х годов. Для построения основных логических элементов (вентилей и триггеров) в этих ЭВМ в качестве активных элементов использовались электровакуумные лампы. Из вентилей и триггеров собирались основные узлы машины, предназначенные для выполнения вычислений, управления и хранения информации.

Электровакуумные лампы использовались также и для построения средств связи машины с «внешним» миром.

Согласно современным стандартам, лампы тех лет были ненадежны, Как следствие этого, первые ЭВМ были дороги в производстве и эксплуатации. Недостатки электровакуумных приборов препятствовали совершенствованию цифровых вычислительных машин. Тем не менее уже в машинах того времени был заложен принцип запоминаемой программы.

В конце 40-х и начале 50-х годов вычислительные машины располагали для программирования коммутационными панелями. Манипулируя различными соединениями проводов, программист последовательно сообщал машине, что делать с данными. Кроме данных, в памяти не содержалось никакой информации. Позже, с реализацией принципа запоминаемой программы, последовательность операций над данными стала записываться в памяти в виде слов в цифровой форме. Единственным отличительным признаком этих слов от данных было их местоположение в памяти. Принцип запоминаемой программы явился важной фундаментальной концепцией, оказавшей влияние на архитектуру вычислительных машин.

Указанные достижения привели к следующему закономерному этапу в развитии вычислительной техники-реализации архитектуры ЭВМ на одной интегральной схеме, получившей название микропроцессор.

Общая характеристика микропроцессора

Термин «микропроцессор», конечно, несет определенную информацию об устройстве, названном этим именем. Микропроцессор, который иногда называют сокращенно МП, базируется на логических схемах того же типа, что и центральный процессор (ЦП) цифровой вычислительной машины. В обоих случаях для манипулирования данными и выполнения вычислений
под управлением программы используются цифровые схемы. Иначе говоря, микропроцессор - это устройство обработки данных.

В отличие от стандартного ЦП цифровые логические схемы микропроцессора реализованы на одной или нескольких БИС, а так как последние тоже называют микросхемами, то становится понятным происхождение термина «микропроцессор».

Совершенно очевидно, что обработка данных - одна из главных функций микропроцессора, включающая как вычисления, так и манипулирование данными. Схемы, выполняющие вычисления, образуют так называемое арифметико-логическое устройство (АЛУ), в результате работы которого данные изменяют свои значения. К функциям, выполняемым АЛУ, относятся сложение (Add), вычитание (Subtract), И (AND), ИЛИ (OR), сравнение (Compare), положительное приращение (Increment) и отрицательное приращение (Decrement).

Для выполнения этих операций АЛУ необходимы данные. Так, для выполнения сложения двух чисел эти числа должны быть заблаговременно размещены в нужном месте. Но АЛУ не осуществляет перемещение данных ни до, ни после выполнения операции. Оно лишь выполняет операции над данными, обнаружив их в определенном месте. АЛУ работает подобно слепому жонглеру, который может выполнять удивительные трюки только после того, как ему вручены объекты манипулирования.

Слепой жонглер не может взять предмет без посторонней помощи. Подобно слепому жонглеру, АЛУ ожидает, пока данные не будут размещены в определенных местах. Но как АЛУ получает данные, подлежащие обработке?

В микропроцессоре, за пределами АЛУ, имеются другие схемы, манипулирующие данными, и в частности, перемещающие их в места, доступные АЛУ. После того как АЛУ выполнило требуемые операции, эти схемы пересылают данные другим адресатам. Но если, упомянутый жонглер не может сменить объекты манипулирования, то АЛУ выполняет операции, меняющие данные. Кто же информирует АЛУ, как обрабатывать данные, какие из возможных операций должны быть выполнены?

Управление системой - другая главная функция микропроцессора. Схемы управления позволяют декодировать (расшифровывать) и выполнять программу - набор команд для обработки данных. Схемы управления записывают команды (шаги программы) в память на хранение и извлекают их оттуда одну за другой. После извлечения команды из памяти микропроцессор декодирует ее. Схемы управления контролируют процесс выполнения декодированной команды.

Поскольку команды хранятся в памяти, вы можете менять их по своему желанию, изменяя при этом характер обработки данных. Команды, которые вы записываете в память, определяют будущую работу микропроцессора. Это очень важный момент для правильного понимания функционирования микропроцессора.

Подведем итоги рассмотренному выше. Микропроцессор выполняет две функции - обработку и управление. Обработка включает перемещение данных
с одного места на другое и выполнение операций над ними, управление определяет, как обрабатывать данные. Работа микропроцессора состоит из следующих шагов: сначала извлекается команда, затем логическая схема управления ее декодирует, после этого осуществляется выполнение этой команды. Эти шаги называют циклом «выборка-выполнение». Для каждой команды, хранимой в памяти, микропроцессор выполняет один такой цикл.

Помимо извлечения команд из памяти и их выполнения схемы управления выполняют ряд других важных функций, таких, как обмен информацией с внешними устройствами, подсоединяемыми к процессору. Каким бы мощным ни казался процессор, он ничего не может делать сам по себе. Микропроцессору нужна помощь со стороны других устройств. Необходимы схемы для хранения команд программы, а также для ввода данных в микропроцессор и вывода из него (схемы ввода-вывода). Для хранения данных требуется дополнительная память. Микропроцессор нуждается в электропитании от внешнего источника. Обратимся к простейшим играм, выполненным на базе микропроцессора. Для их реализации необходима панель с клавиатурой для ввода данных и устройство отображения информации (дисплей) того или иного вида для получения ответа. В качестве источника питания нужна батарея. И все это должно быть
компактно размешено в некотором корпусе.

Настал момент провести четкую грань между такими понятиями, как микропроцессор и микро-ЭВМ. Микропроцессор является основой - «сердцем» многих устройств, однако отдельный микропроцессор не представляет собой законченное, самостоятельно функционирующее устройство¹¹. Схемы управления микропроцессора могут управлять работой других составных частей вычислительной системы, создаваемой на основе микропроцессора.