Архитектура мини-ЭВМ и микропроцессора

Основные идеи, по которым долгие годы развивалась вычислительная техника, были разработаны крупнейшим американским математиком Джоном фон Нейманом и получили название «архитектура ЭВМ Джона фон Неймана» (рис. 1.19).

Самая простая система содержит пять устройств: ввод исходной информации, управления и арифметических действий, составляющих центральный процессор (ЦП) или центральное устройство, а также память и устройство вывода результатов обработки информации.

Физические устройства (рис. 1.25), являются аппаратными средствами. Самая

Рис. 1.25. Блок-схема традиционного состава ЭВМ: УВВ - устройство ввода-вывода, АЛУ - арифметико-логическое устройство, УУ - устройство управления, ЗУ - запоминающее устройство

простая система содержит пять устройств: ввод исходной информации, управления и арифметических действий, составляющих центральный процессор (ЦП) или центральное устройство, а также память и устройство вывода результатов обработки информации.

Физические устройства, приведенные на рис. 1.19, являются аппаратными средствами. Для их полезного использования занесенная в память программа предписывает центральному процессору то, что он должен выполнять. Подготовка списка команд называется программированием. Подготовленный список команд представляет собой программу, которая временно или постоянно размещается в программной памяти. Эти программы перерабатывают информацию, называемую общим термином - данные. Программные средства - это также общий термин, охватывающий все программы. Помещенные постоянно в программную память, они иногда называются микропрограммными средствами.

Таким образом, микро-ЭВМ функционирует в следующем порядке: программа и данные загружаются в центральный процессор и размещаются в предназначенной для них области памяти. Центральный процессор считывает из памяти первую команду и выполняет ее. Команды могут быть простыми, как, например: ADD (СЛОЖИТЬ) два числа, MOVE (ПЕРЕДАТЬ) данные, INPUT (ВВЕСТИ) или OUTPUT (ВЫВЕСТИ) данные, JUMP (ПЕРЕЙТИ) в другую область программы. Как только обработка данных закончится, результат передается на выход ЭВМ. Подчеркнем, что большинство действий ЦП подчинено командам, размещенным в программной памяти.

Микро-ЭВМ - это цифровая ЭВМ. Она классифицируется как микро вследствие своих малых размеров и низкой стоимости. Обычно роль центрального процессора в таких системах выполняет микропроцессор. На рис. 1.25 приведена архитектура обычной микро-ЭВМ. Она состоит из пяти основных элементов ЭВМ: устройства ввода, устройств управления и арифметических действий (оба входят в микропроцессор), памяти и, наконец, устройства вы вода.

Архитектура микропроцессора - функциональные возможности аппаратурных электронных средств микропроцессора, используемые для представления данных, машинных операций, описания алгоритмов и процессов вычислений.

Архитектура объединяет аппаратурные, микропрограммные и программные средства вычислительной техники и позволяет четко выделить то, что при создании конкретной микропроцессорной системы и использовании возможностей микропроцессорного комплекта БИС должно быть реализовано пользователем программным способом и дополнительными аппаратурными средствами.

Микропроцессор контролирует все системы и управляет ими посредством линий управления и (или) контроля, приведенных на рис. 1.25 слева, параллельно линиям управления расположена адресная шина (16 параллельных проводников), которая выбирает ячейку памяти данных, порты ввода или вывода данных. Шина данных (8 параллельных проводников) на рис. 1.24 справа является двунаправленной и служит для передачи данных в центральное устройство обработки информации или из него. Важно отметить, что ЦП может пересылать данные в память или получать их из нее посредством шины данных.

Когда программа помещается в память постоянно, она обычно располагается в устройстве, называемом постоянным запоминающим устройством (ПЗУ или ROM (Read Only Memory) - память только для считывания.). Постоянное запоминающее устройство является обычно кристаллом программируемой интегральной микросхемы с неизменяемой программой. Память изменяющихся данных, называемая оперативным запоминающим устройством (ОЗУ или RAM (Read/Write Memory) - память для записи/считывания), составляется также обычно из ИС.

Программы пользователя, которые по своей природе изменяемы, также помещаются в оперативной части памяти вместе с данными. На рис. 1.25 ОЗУ и ПЗУ показаны раздельно, потому что они обычно составляются различными ИС.

Приведенная на рис. 1.25 система может рассматриваться как обобщенная архитектура микро-ЭВМ. Большая часть микро-ЭВМ содержит, по меньшей мере, эти характерные устройства, а также и некоторые другие. Для упрощения таких схем обычно не показывают питание, источник тактовых импульсов (часы) и некоторые входящие в микро-ЭВМ линии, необходимые для ее работы.

Таким образом, в состав простейшей микро-ЭВМ входят (рис. 1.26): процессор,

Рис. 1.26. Блок-схема состава простейшей микро-ЭВМ

ОЗУ, ПЗУ, порты ввода/вывода, дешифраторы, осуществляющие выбор запоминающего устройства и порта ввода/вывода. Архитектура простейшей микро-ЭВМ: общая магистраль представлена совокупностью трех специализированных шин: данных, адреса и управления.

Шина данных (ШД) – двунаправленная шина для обрабатываемых данных и машинных кодов команд (между устройствами ЭВМ). Однонаправленная шина адреса (ША) несет адрес ячейки памяти или порта ввода/вывода, который взаимодействует с микропроцессором. Шина управления - сигналы управления, обеспечивающие взаимодействие блоков микро–ЭВМ. Сигнал RESET – приводит микро-ЭВМ в исходное стартовое состояние. Центральный процессор (ЦП) микро-ЭВМ это микропроцессор (МП). Этот модуль содержит также: разного рода вспомогательные устройства, обеспечивающие работу микропроцессора и его связь с магистралью. Центральный процессор, ОЗУ, ПЗУ и порты имеют выходы данных с тремя состояниями или открытым коллектором, поэтому могут отключаться от шины данных. Дешифратор выбора ЗУ генерирует сигнал выбора соответствующего блока памяти ( … ), анализируя старшие биты адреса ячейки памяти, выставленного микропроцессором на шине адреса. Дешифратор выбора порта генерирует сигнал выбора соответствующего порта ( … ), анализируя адрес порта, выставленный микропроцессором на шине адреса. Представленная схема (рис. 1.27) не предусматривает прямого обмена между портами и памятью

Рис. 1.27. Архитектура типового микропроцессора

(прямой доступ к памяти - ПДП), а также возможности прерывать выполнение основной программы для обслуживания внешних запросов, для этого требуется контроллер ПДП и контроллер прерываний.

Приобретая микропроцессоры или микро-ЭВМ, потребители решают задачу построения своей конкретной микропроцессорной системы с позиций системотехнического удовлетворения общих требований. Разработчикам системы на основе микропроцессора недоступен уровень отдельных транзисторов, связей между ними, а также широкая возможность трансформации связей между компонентами микропроцессорного комплекта БИС. Потребитель воспринимает микропроцессор как нечто цельное, имеющее внешние потребительские свойства, заложенные в его архитектуре.

Разрабатывая программное обеспечение для микро-ЭВМ, программист должен знать архитектурные особенности и технические характеристики микро-ЭВМ. Это требование необходимо при использовании языка ассемблера, но оно может оказаться существенным и при использовании языка высокого уровня. Однако программист может разбираться в аппаратуре и тем более схемотехнических элементах микро-ЭВМ не столь детально, как инженер-разработчик микропроцессорных устройств. В отличие от последнего программист может нуждаться в уяснении и понимании лишь элементов и характеристик вычислительной машины, которые явно отражаются в программах и (или) должны быть учтены при разработке и выполнении программ.

К таким элементам и характеристикам микро-ЭВМ следует отнести, в частности, число и имена программно-доступных регистров, разрядность машинного слова, систему команд, доступный размер и адреса оперативной памяти, быстродействие процессора, схему обработки прерываний, способы адресации оперативной памяти и внешних устройств. Совокупность подобных сведений представляет собой модель микро-ЭВМ с точки зрения программиста.

Для эффективного использования микро-ЭВМ потребитель должен владеть языками программирования разного уровня. Задачи системного программирования, например, довольно часто требуют применения языка ассемблера, дающего возможность наиболее полно и рационально использовать аппаратные и программные ресурсы микро-ЭВМ. В то же время целый ряд задач обработки данных может быть решен с помощью языков программирования высокого уровня, обеспечивающих более высокую по сравнению с языком ассемблера производительность труда программиста.

Важной проблемой практического применения микро-ЭВМ является организация в них вычислительных процессов. Эта проблема решается, как правило, с помощью той или иной операционной системы, образующей основу программного обеспечения микро-ЭВМ. Поэтому понимание сущности, состава и функции операционной системы, организующей работу средств микро-ЭВМ, представляет необходимое условие для разработки и отладки прикладных программ.

Приступая к созданию программы или комплекса программ для микро-ЭВМ, программист должен знать соответствующую операционную систему, состав ее компонентов, языки программирования и возможности, а также типовые технологические этапы подготовки и отладки программ в ее среде. Эти знания, объем которых может быть различен для программистов разного уровня, существенно облегчают труд программиста и позволяют правильно и эффективно применять микро-ЭВМ в каждой конкретной области обработки данных.

Принцип работы микро-ЭВМ

В качестве примера, иллюстрирующего работу микро-ЭВМ, рассмотрим процедуру, для реализации которой нужно выполнить следующую последовательность элементарных операций:

1. Нажать клавишу с буквой "А" на клавиатуре.

2. Поместить букву "А" в память микро-ЭВМ.

3. Вывести букву "А" на экран дисплея.

Это типичная процедура ввода-запоминания-вывода, рассмотрение которой дает возможность пояснить принципы использования некоторых устройств, входящих в микро-ЭВМ.

На рис. 1.28 приведена подробная диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода. Обратите внимание, что команды уже загружены в первые шесть ячеек памяти. Хранимая программа содержит следующую цепочку команд:

Рис. 1.28. Диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода

1. Ввести данные из порта ввода 1.

2. Запомнить данные в ячейке памяти 200.

3. Переслать данные в порт вывода 10.

В данной программе всего три команды, хотя на рис. 1.28. может показаться, что в памяти программ записано шесть команд. Это связано с тем, что команда обычно разбивается на части.

Первая часть команды 1 в приведенной выше программе - команда ввода данных. Во второй части команды 1 указывается, откуда нужно ввести данные (из порта 1). Первая часть команды, предписывающая конкретное действие, называется кодом операции (КОП), а вторая часть - операндом. Код операции и операнд размещаются в отдельных ячейках памяти программ. На рис. 1.28. КОП хранится в ячейке 100, а код операнда - в ячейке 101 (порт 1); последний указывает откуда нужно взять информацию.

В микропроцессоре на рис. 1.28 выделены еще два новых блока - регистры: аккумулятор и регистр команд.

Рассмотрим прохождение команд и данных внутри микро-ЭВМ с помощью нумерации потоков на диаграмме. Напомним, что микропроцессор - это центральный узел, управляющий перемещением всех данных и выполнением операций.

Итак, при выполнении типичной процедуры ввода-запоминания-вывода в микро-ЭВМ происходит следующая последовательность действий:

1. МП выдает адрес 100 на шину адреса. По шине управления поступает сигнал, устанавливающий память программ (конкретную микросхему) в режим считывания.

2. ЗУ программ пересылает первую команду ("Ввести данные") по шине данных, и МП получает это закодированное сообщение. Команда помещается в регистр команд. МП декодирует (интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нужен операнд.

3. МП выдает адрес 101 на ША; ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.

4. Из памяти программ на ШД пересылается операнд "Из порта 1". Этот операнд находится в программной памяти в ячейке 101. Код операнда (содержащий адрес порта 1) передается по ШД к МП и направляется в регистр команд. МП теперь декодирует полную команду ("Ввести данные из порта 1").

5. МП, используя ША и ШУ, связывающие его с устройством ввода, открывает порт 1. Цифровой код буквы "А" передается в аккумулятор внутри МП и запоминается. Важно отметить, что при обработке каждой программной команды МП действует согласно микропроцедуре выборки-декодирования-исполнения.

6. МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.

7. Код команды "Запомнить данные" подается на ШД и пересылается в МП, где помещается в регистр команд.

8. МП дешифрирует эту команду и определяет, что для нее нужен операнд. МП обращается к ячейке памяти 103 и приводит в активное состояние вход считывания микросхем памяти программ.

9. Из памяти программ на ШД пересылается код сообщения "В ячейке памяти 200". МП воспринимает этот операнд и помещает его в регистр команд. Полная команда "Запомнить данные в ячейке памяти 200" выбрана из памяти программ и декодирована.

10. Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пересылает адрес 200 на ША и активизирует вход записи, относящийся к памяти данных.

11. МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в память данных. Код буквы "А" передается по ШД и записывается в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая команда. Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем по-прежнему находится код буквы "А".

12. МП обращается к ячейке памяти 104 для выбора очередной команды и переводит память программ в режим считывания.

13. Код команды вывода данных пересылается по ШД к МП, который помещает ее в регистр команд, дешифрирует и определяет, что нужен операнд.

14. МП выдает адрес 105 на ША и устанавливает память программ в режим считывания.

15. Из памяти программ по ШД к МП поступает код операнда "В порт 10", который далее помещается в регистр команд.

16. МП дешифрирует полную команду "Вывести данные в порт 10". С помощью ША и ШУ, связывающих его с устройством вывода, МП открывает порт 10, пересылает код буквы "А" (все еще находящийся в аккумуляторе) по ШД. Буква "А" выводится через порт 10 на экран дисплея.

В большинстве микропроцессорных систем (МПС) передача информации осуществляется способом, аналогичным рассмотренному выше. Наиболее существенные различия возможны в блоках ввода и вывода информации.

Подчеркнем еще раз, что именно микропроцессор является ядром системы и осуществляет управление всеми операциями. Его работа представляет последовательную реализацию микропроцедур выборки-дешифрации-исполнения. Однако фактическая последовательность операций в МПС определяется командами, записанными в памяти программ.

Таким образом, в МПС микропроцессор выполняет следующие функции:

- выборку команд программы из основной памяти;

- дешифрацию команд;

- выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах; - управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода;

- отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств;

- управление и координацию работы основных узлов МП.