Дата последнего обновления файла 17.03.2012

Внутреннее устройство микропроцессора (типовые структуры операционного блока)

Теперь, после того, как мы познакомились с системами команд микропроцессора, можно перейти к изучению устройства микропроцессора. Микропроцессор обычно состоит из операционного блока и блока микропрограммного управления, который им управляет. Именно операционный блок осуществляет все математические операции микропроцессора. Блок микропрограммного управления обеспечивает их последовательность.

Основным узлом операционного блока микропроцессора является арифметико-логическое устройство, внутреннее устройство которого мы рассмотрели в предыдущей главе. У этого узла присутствуют два входа и один выход данных. В результате логичным образом получается структурная схема операционного блока, являющегося основой внутреннего устройства микропроцессора. Трехшинная структура операционного блока микропроцессора приведена на рисунке 1.

трёхшинная
Рисунок 1. Трёхшинная структура операционного блока микропроцессора

На этом рисунке источники информации и результат выполнения операции хранятся в специальном сверхоперативном ОЗУ, которое представляет собой небольшое количество регистров с возможностью одновременного считывания из двух регистров и записи в третий. Так как для передачи данных требуется три шины данных, то такая структура операционного блока микропроцессора называется трехшинной.

Обратите внимание, что теперь в составе нашего вычислительного цифрового устройства присутствуют регистры, и, следовательно, для запоминания результатов работы арифметико-логического устройства на вход синхронизации этих регистров необходимо подавать сигнал синхронизации CLK. Сигнал тактовой синхронизации обязательно требуется для правильной работы любого операционного блока микропроцессора.

Тактовые сигналы на операционный блок микропроцессора поступают с выхода тактового генератора, причем, максимально возможная частота этого генератора, а, следовательно, и время выполнения микропроцессором одной операции будет определяться временем прохождения цифровых сигналов через арифметико-логическое устройство и регистры сверхоперативного запоминающего устройства. Очень часто быстродействие микропроцессоров оценивают именно по значению максимально возможной частоты тактового генератора.

Обычно при построении операционного блока микропроцессора один из регистров-источников и регистр-приемник информации объединяют. Это позволяет сократить количество адресных шин в управляющем коде микропроцессора и тем самым упростить внутреннее устройство микропроцессора. В результате описанного принципа минимальное количество регистров в сверхоперативном ОЗУ может составлять всего два регистра, однако количество регистров в операционном блоке обычно делается равным шестнадцати. Этого количества регистров в составе внутреннего устройства микропроцессора вполне достаточно для реализации достаточно сложных алгоритмов обработки данных и в то же время не приводит к необходимости значительного увеличения адресной части управляющей микрокоманды.

В микропроцессоре, построенном с применением трехшинного операционного блока возможно выполнение арифметических и логических операций в течение одного такта сигнала синхронизации. Это позволяет достигнуть его максимального быстродействия. Именно поэтому подобная структура операционного блока широко используется в сигнальных процессорах (DSP). Внутреннее устройство сигнальных микропроцессоров обычно реализуется на базе трехшинного операционного блока.

Для обеспечения возможности работы с числами, число разрядов в которых превышает разрядность АЛУ, в состав операционного блока включен дополнительный триггер, в котором хранится флаг переноса в следующий разряд "C". При этом для того, чтобы операционный блок мог выполнять команды суммирования или вычитания с одиночной разрядностью чисел, к входу переноса АЛУ можно подключать не только выход триггера хранения флага переноса C, но и подавать уровень логического нуля или единицы.

В качестве недостатка устройства микропроцессора, реализованного на базе трехшинной структуры операционного блока следует назвать то, что шины передачи данных занимают огромную площадь на кристалле микросхемы, поэтому в более дешевых микропроцессорах используется другая структура операционного блока. Структурная схема подобного операционного блока микропроцессора приведена на рисунке 2.

Двухшинная структура операционного блока микропроцессора
Рисунок 2. Двухшинная структура операционного блока микропроцессора

На данном рисунке, отражающем внутреннее устройство микропроцессора, сигнал синхронизации не показан, однако этот сигнал подводится ко всем регистрам и триггеру хранения признака переноса C. В этой структуре операционного блока микропроцессора используется только две шины передачи данных, поэтому она получила название двухшинной. Для формирования двух источников данных для входов АЛУ в двухшинной схеме операционного блока микропроцессора используются два регистра временного хранения TMP1 и TMP2. Как видите, в этом случае внутреннее устройство микропроцессора получилось значительно проще.

В результате того, что входные данные к арифметико-логическому устройству передаются по одной шине данных, получается, что для выполнения одной операции требуется, как минимум, два такта сигнала синхронизации CLK. Это приводит к тому, что быстродействие микропроцессора, устроенного подобным образом, при той же частоте тактовой синхронизации будет ниже быстродействия микропроцессора, построенного на базе трехшинной структуры операционного блока.

Наименьшую площадь на кристалле занимает одношинная структура операционного блока микропроцессора. Устройство микропроцессора при этом получается самым простым. Структурная схема подобного операционного блока микропроцессора приведена на рисунке 3.

Одношинная структура операционного блока микропроцессора
Рисунок 3. Одношинная структура операционного блока микропроцессора

Теперь давайте рассмотрим подробнее особенности работы процессора, устроенного на основе подобного операционного блока. Прежде чем рассматривать внутреннее устройство микропроцессора, определим, какие же задачи он должен решать. Как уже упоминалось ранее, операционный блок микропроцессора предназначен для считывания команд из системной памяти процессора и последующего их выполнения. При этом не важно будет ли программа размещена в постоянном (ПЗУ) или оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Именно поэтому прежде чем перейти к реализации операционного блока микропроцессора рассмотрим особенности команд, управляющих работой микропроцессора.

Наиболее простой структурой, как это тоже уже упоминалось ранее, обладают команды аккумуляторного микропроцессора. Давайте остановимся подробнее на принципах построения системы команд подобного микропроцессора.

Литература:

  1. Микушин А.В. Занимательно о микроконтроллерах. СПб, БХВ-Петербург, 2006.
  2. Микушин А.В., Сажнев А.М., Сединин В.И. Цифровые устройства и микропроцессоры. СПб, БХВ-Петербург, 2010.
  3. С.А. Майоров, В.В. Кириллов, А.А. Приблуда Введение в микро ЭВМ. Ленинград, Машиностроение, 1988.
  4. Михаил Гук Аппаратные средства IBM PC. СПб, Питер, 2006.

Вместе со статьей "Внутреннее устройство микропроцессора" читают:

EEPROM и flash память
http://digteh.ru/proc/flash/

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)
http://digteh.ru/proc/ROM.php

Статические оперативные запоминающие устройства - ОЗУ (RAM)
http://digteh.ru/proc/RAM.php

Системная шина микропроцессора
http://digteh.ru/proc/SysBus.php

Шинные формирователи
http://digteh.ru/proc/BusForm/


Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2015

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

пЕИРХМЦ@Mail.ru


Rambler's Top100