Лекция №5. Структура и принцип действия типового однокристального микропроцессора
Содержание лекции: состав, структура и принцип действия 8-разрядного однокристального микропроцессора, назначение основных узлов. Цели лекции:изучить основной состав типового микропроцессора, его структуру и принцип действия, освоить назначение основных узлов. Развитие микроэлектронной технологии привело к появлению микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции (БИС и СБИС), которые стали основой для создания микропроцессоров (МП). МП – это программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, реализованное в виде одной (однокристальный МП) или нескольких БИС или СБИС (модульный МП). Под обработкой цифровой информации понимается выполнение некоторых арифметических и логических операций. Исходя из определения, данному МП, он должен состоять из арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства управления процессором (УУП). Кроме того, ему необходима внутренняя память, реализованная на регистрах общего назначения (РОН), для хранения кодов и адресов команд и операндов (двоичные слова, участвующие в операциях). На рисунке 15 представлен основной состав МП и внешнее оборудование, необходимое для его нормального функционирования.
Рисунок 15 – Упрощенная схема типовой микропроцессорной системы
Как видно из рисунка 15, в качестве внешнего оборудования используются: а) память (ОЗУ и ПЗУ) для хранения программ и данных; б) внешние запоминающие устройства (ВЗУ) для увеличения объема памяти (накопители на магнитных лентах, дисках); в) специальные устройства, предназначенные для ввода в МП или вывода из него информации (УВВ); г) блок управления для координации управления всех вышеперечисленных узлов. Функционирование процессора происходит в следующем порядке: 1) выборка из памяти команды; 2) анализ кода операции и определение ее типа, количества операндов; 3) вычисление адресов и выборка из памяти операндов; 4) выполнение команды; 5) переход к адресу следующей команды и повторение цикла. Для изучения основных принципов работы МП выберем наиболее простую его модель фирмы Intel i8080А (аналог - К580ВМ80А) или i8085 (аналог – К1821ВМ85А). Несмотря на свой многолетний возраст, эти МП до сих пор встречаются в каталогах фирм и применяются в системах управления различной аппаратурой, где возможностей микропроцессора хватает. На рисунке 16 представлена структурная схема однокристального восьмиразрядного МП i8080A, из которой видно, что МП связан с внешним оборудованием через магистральную систему шин: однонаправленной 16-разрядной магистралью адреса (МА), двунаправленной 8-разрядной магистралью данных (МД) и 12 сигналами управления по шине управления (6 входных и 6 выходных). Данный МП рассчитан на выполнение логических и арифметических операций с 8-разрядными числами в двоичной и двоично-десятичной системах счисления, а также операций с двойной разрядностью. Функциональное назначение внешних выводов МП следующее: А0...А15 - адресная магистраль, обеспечивающая адресацию любой из 216 8-разрядных ячеек памяти или внешнего устройства (ВУ); Д0...Д7 - двунаправленная магистраль данных, используемая для обмена информацией с памятью или ВУ; СИНХР (SYNC) - выход сигнала СИНХРОНИЗАЦИЯ появляется в начале каждого машинного цикла для временного согласования МП с ВУ; П (DBIN) – выход сигнала ПРИЕМ указывает на готовность к приему данных, выданных из памяти или ВУ; ОЖД – выход сигнала ОЖИДАНИЕ указывает на то, что МП находится в режиме ожидания готовности ВУ к работе; ЗП (WR) - выход сигнала ЗАПИСЬ указывает, что данные выданы МП и установлены на МД, т.е. могут быть записаны в память или переданы в ВУ; Зх (HOLD) - вход сигнала ЗАХВАТ указывает на запрос ВУ на управление МА и МД; П.ЗХ.(HLDA) - выход сигнала ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ЗАХВАТА указывает на перевод МД и MA в состояние высокого сопротивления, используется при режиме прямого доступа к памяти; З.Пр.(INT) - вход сигнала ЗАПРОС ПРЕРЫВАНИЯ, поступает от внешнего устройства с требованием прерывания основной программы и перехода на выполнение подпрограммы обслуживания прерывания; Р.Пр.(INTE) - выход сигнала РАЗРЕШЕНИЕ ПРЕРЫВАНИЯ указывает на состояние внутреннего триггера разрешения прерывания МП; Г (READY) - сигнал ГОТОВ информирует о готовности ВУк обмену информацией с МП. При Г = 0 МП будет находиться в состоянии ОЖД; УСТ (RESET) – вход СБРОС, для сбрасывания в 0 счетчика команд и передачи в регистр адреса нулевого адреса первой команды; Ф1 и Ф2 - входы для подачи тактовых противофазных сигналов Ф1 и Ф2 , которые определяют тактовую частоту работы МП (2,08; 2,63; 3,125).
Рисунок 16 - Структурная схема однокристального МП i8080A
Микропроцессор i8080A состоит из следующих функциональных блоков: 1) блока регистров общего назначения PОH; 2) арифметико-логического блока АЛБ; 3) регистра команд РгК; 4) устройства управления УУ; 5) буферов магистрали данных - БФД и магистрали адреса - БФА. Блок PОH включает в себя шесть программно-доступных регистров: В, С, D, Е, Н, L. Их можно использовать как отдельные 8-разрядные регистры или как три 16-разрядных регистра ВС, DЕ, HL. Регистры W и Z не доступны программисту и используются для выполнения команд внутри МП. Программный счетчик PC содержит текущий адрес памяти. Содержимое PC автоматически изменяется в течение каждого цикла команды. Указатель стека SP содержит адрес последней записанной в стек информации. PA - регистр для хранения адреса памяти. MX - двунаправленный мультиплексор для связи РОН с магистралью данных. АЛБ включает в себя 8-разрядное АЛУ, схему десятичной коррекции ДК, 5-разрядный регистр признаков, аккумулятор А, буфер аккумулятора БФА и буферный регистр БФРг. АЛБ осуществляет арифметические операции сложения и вычитания, логические операции И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩИЕ ИЛИ и сдвиги. При проведении операций одно число всегда берется из БФА, а другое - из БФРг. По результату выполнения арифметическо-логических операции АЛБ устанавливает в регистре признаков один из пяти разрядов: 1) бит переноса C устанавливается в состояние логической 1 при переносе из старшего разряда числа при выполнении арифметических операций, а при операциях сдвига – в состояние, соответствующее содержимому выдвигаемого из аккумулятора разряда; 2) дополнительный признак переноса (при обработке двоично-десятичных чисел) хранит при выполнении операции перенос из 4-го разряда; 3) бит знака устанавливается в состояние, соответствующее значению старшего разряда операции АЛУ; 4) бит нулевого признака устанавливается в состояние логической 1, если результат операции АЛУ равен нулю; 5) разряд признака четности устанавливается в состояние логической 1, если число единиц в разрядах результата четное. Регистр команд РгК и дешифратор команд ДШК используются в МП для получения и дешифрации кода команды. Устройство управления совместно с дешифратором формирует управляющие сигналы для всех внутренних блоков микропроцессора, а также его выходные сигналы управления и состояния. Буферы МД и МА обеспечивают хранение соответственно данных и адресов на время, необходимое для их обработки. Выполнение каждой команды производится МП в строгой последовательности, определяемой кодом команды, и синхронизируется во времени сигналами Ф1 и Ф2 тактового генератора. Период синхросигналов Ф1 и Ф2 называется машинным тактом. Машинный цикл - время, требуемое для извлечения одного байта информации из памяти или выполнения команды, определяемой одним машинным словом. Машинный цикл может состоять из 3...5 машинных тактов. Время выполнения команды - время получения, декодирования и выполнения команды. В зависимости от вида команды оно может состоять из I...5 машинных циклов.
Популярное: Генезис конфликтологии как науки в древней Греции: Для уяснения предыстории конфликтологии существенное значение имеет обращение к античной... Почему стероиды повышают давление?: Основных причин три... Как распознать напряжение: Говоря о мышечном напряжении, мы в первую очередь имеем в виду мускулы, прикрепленные к костям ... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (768)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |