1.1 Базова структура мікропроцесорної системи

Завдання управління системою покладається на центральний процесор (ЦП), який пов'язаний з пам'яттю і системою введення-виведення через канали пам'яті і введення-виведення відповідно. ЦП зчитує з пам'яті команди, які утворюють програму і декодує їх. Відповідно до результату декодування команд він здійснює вибірку даних з пам'яті портів введення, обробляє їх і пересилає назад в пам'ять або порти виводу. Існує також можливість введення-виведення даних з пам'яті на зовнішні пристрої і назад, минаючи ЦП. Цей механізм називається прямим доступом до пам'яті (ПДП).

З точки зору користувача при виборі мікропроцесора доцільно розташовувати деякими узагальненими комплексними характеристиками можливостей мікропроцесора. Розробник потребує з'ясуванні і розумінні лише тих компонентів мікропроцесора, які явно відбиваються в програмах і повинні бути враховані при розробці схем і програм функціонування системи. Такі характеристики визначаються поняттям архітектури мікропроцесора.

1.2 Поняття архітектури мікропроцесора

Архітектура типової невеликої обчислювальної системи на основі мікроЕОМ показана на рис. 1. Така мікроЕОМ містить всі 5 основних блоків цифрової машини: пристрій введення інформації, керуючий пристрій (КП), арифметико-логічний пристрій (АЛП) (входять до складу мікропроцесора), що запам'ятовують пристрої (ЗУ) і пристрій виведення інформації.

Мал. 1. Архітектура типового мікропроцесора.

Мікропроцесор координує роботу всіх пристроїв цифрової системи за допомогою шини управління (ШУ). Крім ШУ є 16-розрядна адресна шина (ША), яка служить для вибору певної комірки пам'яті, порту введення або порту виведення. За 8-розрядної інформаційної шині або шині даних (ШД) здійснюється двонаправлене пересилання даних до мікропроцесора і від мікропроцесора. Важливо відзначити, що МП може посилати інформацію в пам'ять мікроЕОМ або до одного з портів виводу, а також отримувати інформацію з пам'яті або від одного з портів введення.

Постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ) в мікроЕОМ містить деяку програму (на практиці програму ініціалізації ЕОМ). Програми можуть бути завантажені в пристрій з довільною вибіркою (ЗУПВ) і з зовнішнього пристрою, що запам'ятовує (ВЗУ). Це програми користувача.

Як приклад, що ілюструє роботу мікроЕОМ, розглянемо процедуру, для реалізації якої потрібно виконати наступну послідовність елементарних операцій:

1. Натиснути кнопку з буквою "А" на клавіатурі.

2. Помістити букву "А" в пам'ять мікроЕОМ.

3. Вивести букву "А" на екран дисплея.

Це типова процедура введення-виведення, розгляд якої дає можливість пояснити принципи використання деяких пристроїв, що входять в мікроЕОМ.

На рис. 2 приведена докладна діаграма виконання процедури введення-запам'ятовування-висновку. Зверніть увагу, що команди вже завантажені в перші шість осередків пам'яті. Збережена програма містить наступний ланцюжок команд:

1. Ввести дані з порту введення 1.

2. Запам'ятати дані в комірці пам'яті 200.

3. Переслати дані в порт виводу 10.

У даній програмі всього три команди, хоча на рис. 2 може здатися, що в пам'яті програм записано шість команд. Це пов'язано з тим, що команда зазвичай розбивається на частини. Перша частина команди 1 у наведеній вище програмі - команда введення даних. У другій частині команди 1 вказується, звідки потрібно ввести дані (з порту 1). Перша частина команди, до якої конкретна дія, називається кодом операції (КОП), а друга частина - операндом. Код операції і операнд розміщуються в окремих осередках пам'яті програм. На рис. 2 КОП зберігається в осередку 100, а код операнда - в осередку 101 (порт 1); останній вказує звідки потрібно взяти інформацію.

У МП на рис. 2 виділені ще два нові блоки - регістри: акумулятор і регістр команд.

Мал. 2. Діаграма виконання процедури введення-запам'ятовування-висновку

Розглянемо проходження команд і даних всередині мікроЕОМ за допомогою занумерованих гуртків на діаграмі. Нагадаємо, що мікропроцесор - це центральний вузол, керуючий переміщенням всіх даних і виконанням операцій.

Отже, при виконанні типової процедури введення-запам'ятовування-висновку в мікроЕОМ відбувається наступна послідовність дій:

1. МП видає адреса 100 на шину адреси. По шині управління надходить сигнал, що встановлює пам'ять програм (конкретну мікросхему) в режим зчитування.

2. ЗУ програм пересилає першу команду ( "Увести дані") по шині даних, і МП отримує це закодоване повідомлення. Команда поміщається в регістр команд. МП декодує (інтерпретує) отриману команду і визначає, що для команди потрібний операнд.

3. МП видає адреса 101 на ША; ШУ використовується для перекладу пам'яті програм в режим зчитування.

4. З пам'яті програм на ШД пересилається операнд "З порту 1". Цей операнд знаходиться в програмній пам'яті в осередку 101. Код операнда (що містить адресу порту 1) передається по ШД до МП і направляється в регістр команд. МП тепер декодує повну команду ( "Увести дані з порту 1").

5. МП, використовуючи ША і ШУ, що зв'язують його з пристроєм введення, відкриває порт 1. Цифровий код букви "А" передається в акумулятор всередині МП і запомінается.Важно відзначити, що при обробці кожної програмної команди МП діє згідно мікропроцедур вибірки-декодірованія- виконання.

6. МП звертається до комірки 102 по ША. ШУ використовується для перекладу пам'яті програм в режим зчитування.

7. Код команди "Запам'ятати дані" подається на ШД і пересилається в МП, де поміщається в регістр команд.

8. МП дешифрує цю команду і визначає, що для неї потрібен операнд. МП звертається до комірки пам'яті 103 і призводить в активний стан вхід зчитування мікросхем пам'яті програм.

9. З пам'яті програм на ШД пересилається код повідомлення "В осередку пам'яті 200". МП сприймає цей операнд і поміщає його в регістр команд. Повна команда "Запам'ятати дані в комірці пам'яті 200" обрана з пам'яті програм і декодована.

10. Тепер починається процес виконання команди. МП пересилає адреса 200 на ША і активізує вхід записи, що відноситься до пам'яті даних.

11. МП направляє зберігається в акумуляторі, в пам'ять даних. Код букви "А" передається по ШД і записується в осередок 200 цієї пам'яті. Виконано другу команду. Процес запам'ятовування не руйнує вмісту акумулятора. У ньому як і раніше знаходиться код букви "А".

12. МП звертається до комірки пам'яті 104 для вибору чергової команди і переводить пам'ять програм в режим зчитування.

13. Код команди виведення даних пересилається по ШД до МП, який поміщає її в регістр команд, дешифрує і визначає, що потрібний операнд.

14. МП видає адреса 105 на ША і встановлює пам'ять програм в режим зчитування.

15. З пам'яті програм по ШД до МП надходить код операнда "У порт 10", що далі міститься в регістр команд.

16. МП дешифрує повну команду "Вивести дані в порт 10". За допомогою ША і ШК, що зв'язують його з пристроєм виведення, МП відкриває порт 10, пересилає код букви "А" (все ще знаходиться в акумуляторі) по ШД. Буква "А" виводиться через порт 10 на екран дисплея.

У більшості мікропроцесорних систем (МПС) передача інформації здійснюється способом, аналогічним розглянутому вище. Найбільш істотні відмінності можливі в блоках введення і виведення інформації.

Підкреслимо ще раз, що саме мікропроцесор є ядром системи і здійснює управління всіма операціями. Його робота представляє послідовну реалізацію мікропроцедур вибірки-дешифрування-виконання. Однак фактична послідовність операцій в МПС визначається командами, записаними в пам'яті програм.

Таким чином, в МПС мікропроцесор виконує наступні функції:

- вибірку команд програми з основної пам'яті;

- дешифрування команд;

- виконання арифметичних, логічних і інших операцій, закодованих в командах;

- управління пересиланням інформації між регістрами і основною пам'яттю, між пристроями введення / виводу;

- відпрацювання сигналів від пристроїв введення / виводу, в тому числі реалізацію переривань з цих пристроїв;

- управління та координацію роботи основних вузлів МП.