Занимательно о микроконтроллерах

Отличие архитектуры фон Неймана заключается в принципиальной возможности работы над управляющими программами точно так же, как и над данными. Это позволяет производить загрузку и выгрузку управляющих программ в произвольное место памяти процессора, которая в этой архитектуре не разделяется на память программ и память данных.

Любой участок памяти может служить как памятью программ, так и памятью данных. Причем в разные моменты времени одна и та же область памяти может использоваться и как память программ, и как память данных. Для того чтобы программа могла работать в произвольной области памяти, ее необходимо модифицировать перед загрузкой, т. е. работать с нею как с обычными данными. Эта особенность архитектуры позволяет наиболее гибко управлять работой микропроцессорной системы, но создает принципиальную возможность искажения управляющей программы, что понижает надежность работы аппаратуры. Архитектура фон Неймана используется в универсальных компьютерах и в некоторых видах микроконтроллеров.

В качестве примера реализации микропроцессора в. дальнейшем рассмотрим устройство процессора с полным набором команд. При этом будет рассматриваться упрощенная модель процессора.

Ядро CISC-микропроцессора состоит из двух основных частей:

— операционного блока;

— блока микропрограммного управления.

Операционный блок (ОБ) предназначен для считывания команд из системной памяти и выполнения считанных команд. Эти действия он осуществляет под управлением блока микропрограммного управления (БМУ), который формирует последовательность микрокоманд, необходимую для выполнения машинной команды. Микрокоманды меняются каждый раз после прихода импульса синхронизации микропроцессора.

Операционный блок микропроцессора

Основным принципом работы любого цифрового устройства с памятью, в том числе и микропроцессора, является наличие цепи синхронизации CLK. Синхросигнал, как и цепь питания, подводится к любому регистру цифрового устройства. Схема одного из вариантов операционного блока приведена на рис. 4.19.

Рис. 4.19.Операционный блок

В схеме, приведенной на рис. 4.19, явно просматривается, что отдельные биты микрокоманды (обозначены надписями внизу схемы) управляют различными элементами ОБ, поэтому их можно рассматривать независимо друг от друга. Такие группы битов называются полями микрокоманды. Кроме битов, управляющих арифметико-логическим устройством (АЛУ) и регистрами общего назначения (РОН), в микрокоманде есть биты, управляющие БМУ. Формат микрокоманды рассматриваемого процессора приведен на рис. 4.20. Результат выполнения микрокоманды записывается во внутренние регистры ОБ по сигналу синхронизации микропроцессора CLK.

Рис. 4.20.Формат микрокоманды процессора

Попробуем реализовать аккумуляторный процессор с архитектурой фон Неймана. В этом случае потребуется более простая система команд. Что такое команды микропроцессора и как они реализуются, мы рассмотрим позднее.

Для реализации аккумуляторного процессора необходимо один из регистров ОБ выделить в качестве аккумулятора АСС. Для хранения и декодирования выполняемой команды выделим 8-разрядный регистр, который назовем RI.

Для дальнейших рассуждений лучше иметь перед глазами временную диаграмму записи или чтения ОЗУ или чтения из ПЗУ. Можно воспользоваться временными диаграммами, приведенными на рис. 3.30 или 4.25.

Для работы с микросхемами ОЗУ и ПЗУ, в которых может храниться программа, требуется специальный счетчик, который будет определять начальный адрес команд микропроцессора. Назовем это устройство программным счетчиком. Счетчик можно реализовать на любом регистре, подключенном к АЛУ. Для этого к содержимому регистра будем добавлять длину команды и, тем самым, вычислять адрес следующей команды.

Выход программного счетчика можно было бы подключить к внешним выводам микропроцессора, в состав которого входит рассматриваемый операционный блок. Однако кроме адресов команд нам потребуются адреса данных, над которыми будет производиться работа. Поэтому выделим отдельный регистр, в который мы будем записывать необходимый адрес. Выходы этого регистра подключим к внешним выводам микропроцессора. Этот регистр назовем регистром адреса, а выводы, к которым будут подключены выходы этого регистра, — шиной адреса.

Значения битов регистра адреса непосредственно определяют уровни сигналов на линиях шины адреса. Таким образом, в данной главе впервые рассказано о записи двоичного кода в регистр для формирования логических сигналов на внешних выводах микросхемы. Этот метод широко используется в микропроцессорной технике, и примеры его применения будут часто встречаться в последующих главах.