Микропроцессордың құрылымдық схемасы

Мазмұны

Кіріспе.......................................................................................................................3

1. Микропроцессордың құрылымдық схемасы..............................................4

2. Микропроцессор архитектураларының типтері.........................................6

3. Фон-Нейман архитектурасы.........................................................................7
4. Гарвард архитектурасы.................................................................................8
5. Микроконтроллерлердiң классификация және құрылымы.....................9

Глоссарий...............................................................................................................13

Қорытынды............................................................................................................14

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі........................................................................15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кіріспе

Электронды есептеуіш машина 50-шы жылдан бастап кең қолданыста болды. Басында олар мемлекеттік ғимараттарда және ірі фирмаларда қолданылатын өте үлкен және қымбат құрылғылар болды. Электронды есептеуіш машинаның формасы мен көлемі микропроцессор деп аталатын жаңа құрылғыны дайындау барысында таңғаларлықтай өзгерді. 

Микропроцессор (МП) – бұл сандық мәліметтерді өңдеу үшін және сол өңдеу процесін бірнеше интегралды сұлбаларда басқару үшін бағдарламалы-басқарулы электронды сандық құрылғы.

Микропроцессор – программа жадында сақталатын, мәліметтер өңдеуді басқаратын функционалды тұйықталған құрылғы. Микропроцессорлардың (МП) пайда болуы интегралды электрониканың дамуының арқасында мүмкіндігі артты. Ол кішкентай және орташа интеграциялық деңгейден үлкен және өте үлкен интегралды микросхемаларға өтуге мұмкіндік берді (БИС и СБИС).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Микропроцессордың құрылымдық схемасы

 

МП логикалық функциясы мен құрылымына қарай қарапайым электронды есептеуіш машина процессорының қысқартылған нұсқасына ұқсайды. Құрылысына қарай ол бірнеше үлкен және өте үлкен интегралды микросхемаларды сәйкестентіреді.

МП құрылысына қарай біркристалды және көпкристалды бөлінеді.Соңғы кездерде микропрограммалы басқару бар біркристалды МП пайда болды. Микропрограммалы басқаруы бар көпкристалды МП архитектурасы, оны қолдануында жеңілдікті қамтамасыз етеді және басқа машина операцияларын параллельді  орындайды. Яғни бұл мұндай МП-да ЭЕМ өнімділігін арттырады. Көпкристалды МП мүмкіндігі біркристалдықтардан жоғары екеніне қарамастан, көптеген қолданбалы есептер біркристалды МП негізінде шығарылады.

Микропроцессордың құрылымдық схемасының сипаттамасы.

 

 

1-сурет. МП құрылымдық схемасы

МП құрамына арифметикалы-логикалық құрылғы, басқару құрылғысы және ішкі регистрлар блогы кіреді.

Арифметикалы-логикалық құрылғы шұғыл ауыстыру сұлбасы бар екіеселенген сумматордан, қозғалмалы регистрдан және операндарды уақытша сақтауға арналған регистрдан құралады. Әдетте, бұл құрылғы бірнеше қарапайым операцияларды орындайды; қосу, алу, орын ауыстыру, жіберу, логикалық қосу (немесе), логикалық көбейту (және), 2 модулі арқылы қосу.

Басқару құрылғысы АЛУ жұмысын және команда орындау процесінде ішкі регистрлар жұмысын басқарады. Команда ішіндегі операция кодына сәйкес, ол МП басқару блогындағы ішкі сигналдарды құрады. Команданың адрестік бөлігі басқару сигналдарымен сәйкес, белгілі бір ұяшық жадысындағы мәліметтерді есептейді. УУ сигналы бойынша әрбір жаңа, келесі команданы таңдау іске асады.

АЛУ мүмкіндігін кеңейтетін ішкі регистрлар блогы МП ішкі жадысы болып қызмет етеді және мәліметтер және команданы уақытша сақтауға қолданылады. Ол тағы да кейбір мәліметтер өңдеу процесін орындайды.

1-суретте біркристалды МП құрылымдық  схемасы көрсетілген. Мұнда ішкі  регистрлар блогында жалпы тағайындалған  және арнайы регистрлар құралған: регистр-аккумулятор, буферлі адрестік регистр, буферлі мәліметтер регистрі, командалар счетчигі, стектар.

4-тен 64-ке өзгере алатын жалпыға  тағайындалған регистрлар, МП есептеуіш  мүмкіндіктерін анықтайды. Олардың  функциясы – операндардың сақталуы. Бірақ олар регистр ролін орындауы  да мүмкін. Барлық жалпыға тағайындалған регистрлер асаоперативті  сақтаушы құрылғы ретінде қарастыратын программисттерге рұқсат.

Регистр – аккумулятор (“жинақтаушы”), операндарды уақытша сақтауға арналған.

Буферлі мәліметтер регистріішкі шина мәліметтерді тасымалдаудан бұрын,  таңдалған сөз жадысының  уақытша пайдаланылуы үшін қолданады. Оның разрядтылығы ақпаратты сөздің байт мөлшерімен анықталады.

Командар есептеуіші орындалатын команданың байттары орналасқан жады ұяшығының адресін құрайды.

Командалар регистрі командалар есептеуішінде жататын адрестегі келесі командаларды қабылдап, сақтайды.

Стек регистрларыстек және стек көрсеткіш болып бөлінеді. Микропроцессорларда стек – қайтару командалар адресін сақтайтын регистрлар жиынтығы. МП бөлігін құрайтын стек МП ішкі регистарлар да ғана емес, ОЗУда да орындалады. Соңғы жағдайда байланыста болу үшін арнайы регистр – стек көрсеткіші қажет.

Стек көрсеткіші шың деп аталатын стектің соңғы бос емес ұяшығының адресін сақтайды. Көрсеткішті құрайтын сан стектің шыңын қайда орналасқандығын көрсетеді. Стекке келесі сөз жазылғанда, стек көрсеткішіндегі сан сәйкес ұлғаяды. Стектен сөз шығарылғанда, керісінше, стек көрсеткішін толтыратын сан азаяды. Бұдан басқа процедурадан, өзгерілмеген сан негізінде кез келген ұяшықтың бұзылмауынсыз есептеуге мүмкіндік етеді.

Белгілер регистрі өз алдына триггерлар жиынтығын – жалауларды қарастырады. АЛУда орындалатын операциялар результаттарына байланысты, кез келген триггер 0 немесе 1 жағдайында орнатылады. Регистр құрамын анықтайтын жалаулық биттер шартты белгілерді реттейді; нольдік результат, результат белгілері, қайтаорындау және т.б.

Микропроцессор архитектураларының типтері

Микропроцессорлардың классификациясына жататын  архитектуралар типіне байланысты әр түрлі шешімдері бар. Осылай МП барлық командаларын көрсететін CISC (Complete Instruction Set Computer) архитектурасымен және бірдей форматта қысқартылған командалар жүйесін анықтайтын   RISC (Reduce Instruction Set Computer) архитектурасымен бейнеленеді.

Негізгі сипаттама ретінде МП разрядтылығын анықтағанда, МП архитектурасыкелесі түрлерге:

- бекітілген разрядтылығы мен командалар спискасымен (біркисталды);

- өсірілген разрядтылығымен (секционды) жәнемикропрограммды басқаруымен.

Программалар мен мәліметтердің адрестік кеңістіктігін талдасақ, МП-ны Фон Нейман архитектурасы (мәліметтер жадысы мен программалар жадысы бір кеңістікте орнатылады, және ұяшық жадысындағы ақпарат типіне нұсқайтын ешқандай белгілері болмайды) мен Гарвардтық лабораторияның архитектурасы(программа жадысы және мәліметтер жадысы бөлінген, өздерінің адрестік кеңістігі мен соларға рұқсат әдістері бар) анықтайды.

Басқару шина көмегімен микропроцессордың барлық сандық жүйесін бағыттайды. Басқару шинасынан басқа 16-разрядтық адрестік шинасы белгілі бір ұяшық жадысын таңдау үшін және портты енгізу немесе портты шығару үшін қызмет етеді. 8-разрядтық шинада немесе мәліметтер шинасында микропроцессордан микропроцессорге мәліметтерді қайта сілтеу орындалады. МП микро ЭЕМ-нің жадысына ақпаратты жібереді немесе шығыс порттардың біріне, сондай-ақ жадыдан ақпаратты алады немесе кіріс порттардың біріннен. Тұрақтты сақтаушы құрылғысы (ПЗУ) микро ЭЕМде біраз программаны құрайды. Программа сақтаушы құрылғысы.

Фон-Нейман архитектурасы

 

Фон-Нейман архитектурасың негізгі ерекшелігі программаны және мәлеметті сақтау үшін ортақ жадыны қолдануы. 2-суретте көрсетілген.

 

2-сурет МПЖ мен фон-нейман архитектурасының құрылымы

 

Фон-Нейман архитектурасының негізгі артықшылығы МПЖ құрылымының жіктелуі, себебі тек қана бір ортақ жадқа үндеуді жүзеге асырады. Бұдан басқа бағдарламаларды және программаларды қамтамасыз ету жадта біртұтас аймақта қолданады. Жадтағы стегiнiң орналастыруы ол рұқсат iшiндегi жеңiлдеттi. Фон сондықтан кездейсоқ емес - нейман архитектурасы әмбебап компьютерлер, дербес компьюлердi қоса негiзгi архитектура болды.

Фон-Нейман архитектурасының иілгіштік және әмбебаптық сияқты артықшылықтары басқарудың алгоритмдарының көпшілігі іске асырылу үшін және әр түрлі басқарылуы үшін МПЖ-ның қолдануының тәжiрибесiне жан-жағынан алып қарағандай үлкен мәндi алмайды. Әдеттегiдей аралық нәтижелердiң сақтауы үшiн және бағдарламалардың аз тиiстi жадтың көлемiнiң ретiне қолданылуы  үшiн МП-ға көлемді мәлеметті жады қажет басқарудың нақты бағдарламаларының талдауы көрсеттi. Қолдану шарттар бұл қолдану бiртұтас адрестi кеңiстiк операндтарды бағыттау үшiн дәрежелердiң саны командалардың қалыбының үлкею есебiнен алып келдi. Мәлiметтердiң жадтың көлемi бойынша қолдану жеке ептеген командалардың ұзындығының қысқартуы және мәлiметтердiң жадындағы ақпараттi iздестiруiн үдеуге мүмкiндiк туғызды.

 

Гарвард архитектурасы

 

Негiзгiсi Гарвард архитектурасының ерекшелiгi командалар және мәлiметтердiң сақтауы үшiн қолдану бөлек адрестi кеңiстiк болып табылады. 3-суретте көрсетілген.

3-сурет МПЖ мен гарвард архитектурасының құрылымы

 

Гарвард архитектурасын 70-ші жылдарға дейін қолданбаған, себебі МП-ның өндірушілері басқарудың автономды жүйелерiнiң өңдеушiлерi нақтылы артықшылықтарды бергенiн түсiнбедi. Бұдан басқа, Гарвард архитектурасы параллель операциялардың iске асыруы бағдарламаның орындауы жоғары дылдамдықты Фон-Нейманмен салыстырғанда мүмкіндік есебінен парраллель қамтамасыз етеді. Келесi команданың iрiктеуi орындаумен алдыңғы бiр уақытта бола алады, және команданың iрiктеуi процессор уақытша тоқтатуға қажетi жоқ. Бұл операциялардың iске асыруының әдiсi циклдер және бағдарламаның сын көзiмен бөлiмшелерiнiң орындау уақытын анықтауға жай ғанарақ мүмкiндiк беретiн такттердiң бiрдей санға әр түрлi командаларының орындауы қамтамасыз етуге мүмкiндiк бередi.

Микроконтроллерлердiң классификация және құрылымы.

 

          Микроконтроллерлер – құрамында жадысы және кіріс/шығыс интерфейстері бар бір кристалдағы интергалданған сұлбалар.

4-шi суретте микроконтроллердің жалпы блок-схемасы көрсетiлген. Әдетте микроконтроллерлер бірнеше кіріс-шіғіс порттардан тұрады, олардың кейбірі сигналдарды не қабылдау, не беру үшін бағдарламаланды. Кіріс порттардың біреуінің өзінің аналогтық-сандық түрлендіргіші болады, сондықтан оған аналогтық сигналдар тікелей қосыла алады. Порт каналдарының біреуі көбінесе сигналдарды қабылдау немесе беру үшін бағдарламаланады. Микроконтролер құрамына сондай-ақ таймерлер сияқты құрылғылар да кіреді.

4 – сурет. Микропроцессордың негізгі элементтері

 

Микроконтроллердің түрлерiнiң бiр қатары дәл қазiр шығарылады. Мына барлық құралдар үш негiзгi топқа шартты түде бөлуге болады: 8-дәрежелiк  МК-лер; 16 - және 32-дәрежелiк МК-лер; (DSP ) санды сигналдық процессорлар.

Өнеркәсiпте, тұрмыстық және компьютер техника кең қолданылатын 8-дәрежелiк құралдар болып табылады. Олар қарапайым құралдан нақты уақыт масштабында күрделi алгоритмдарды iске асыруды қамтамасыз ететiн көп функционалды контроллерлерге дейін өз даму жолын өтті.  8-дәрежелiк  МК-дің өміршеңділігіне себеп нақты объекттердi басқаруы болып табылады ,негізінде, логикалық операцияларды орындау процессордың разрядына тәуелді  емес. 8-дәрежелiк МК-лердің қабылетінің өсуі  Motorola, Microchip, Zilog, Atmel, Zilog, Atmel және көп басқа белгiлi фирмаларда шығарылатын бұйымдардың номенклатурасының тұрақты кеңейуi мүмкiндiк туғызады. Қазiргi 8-дәрежелiк МК-лер өте жақсы белгілерге ие. Негiзгілерін санап шығайық:

• Модулдiк ұйым, бiр процессорлық ядроның (орталық процессор)базасында МК-дің қатары жобаланады,мәлiметтердiң көлеммен және бағдарламалардың жадлық түрi ажыртылады, мәліметтер жадысының көлемі, шеттік молулдің жиыны, синхронизацияның жиiлiгi.
• МК-дің жабулы архитектурасын қолдану,МК корпус қорытындыларындағы  мәлiметтердiң және мәліметтер магистральінің жолақтарының жоқтығымен сипатталады.
• Әр түрлi өндiрушiлердiң МК-де жұмыс iстеуi алгоритмдарындағы болмашы айырмашылық бар болатын (түрлендiргiштер, таймерлер, оқиғалардың процессоры, бірізді интерфейстердiң контроллерi, аналогтық-цифрлықты тағы басқалар)бiр үлгiдегi функционалдық модулдарды қолдану.
• МК-ның арнайы функцияларында регистрлерiнiң инициализация процесстерi кезінде берілетін шеттегi модулдардың жұмыс тәртiптерiнiң санының кеңейтуi.

Барлық МК-ге бірдей барлық МК-лер модульдік қағида бойынша құрастырғанда бір түрдегі процессорлық ядро болады, және әр түрлі үлгідегі МК-ді айыратын өзгеретін функционалдық блок. Модулдiк МК-ның құрылымы 4-шi сурет көрсетiлген.

 

5-шi сурет.Модулдiк МК-ның құрылымы

 

МК- дің процессорлық ядросы :

• орталық процессор;
• құрамында адрестік шиналары бар iшкi контроллер магистральсi, мәліметтер және басқару;
• МК синхронизациясының схемасы;
• МК- жұмыс істеу режимін басқаратын сұлбадан  тұрады.

 

Өзгеретін функционалдық блок әр түрлi түрдiң жадысы,  енгізу/шығару порты, тактылы генераторлардың модулы (Г ), таймерлерден тұрады. Үзулердi өңдеу модульі процессорлық ядро құрамына кiредi. Ол күрделi МК-де астам дамыған мүмкiншiлiктерi бар жеке модул болады.