DEFINICJE
Mikroprocesor - (µP) jest to układ scalony o dużym stopniu scalenia LSI, mający realizować sekwencje elementarnych operacji przetwarzania informacji. Operacje te należą do pewnego zbioru zwanego listą rozkazów - zbiór ten jest funkcjonalnie pełny, tzn. za pomocą należących doń operacji można realizować dowolnie złożony algorytm przetwarzania informacji.
System µP - połączenie mikroprocesora, jego osprzętu ( tzn. pamięci, układów wejścia/wyjścia, układów sterujących oraz urządzeń zewnętrznych ) i oprogramowania.
Budowa i działanie mikroprocesora
· mP wykonuje operacje na słowach.
· Słowo – elementarna jednostka informacji przesyłana pomiędzy zespołami mP; długość słowa – 4, 8, 16, 32 (64) bity
· Produkowane mP różnią się znacznie strukturą logiczną (organizacyjną). Zawierają jednak pewne, powtarzające się (podstawowe) podzespoły:
Þ arytmometr;
Þ rejestry (układy pamięci);
Þ wewnętrzne szyny łączące – magistrale;
Þ układ sterowania i synchronizacji.
· Arytmometr; jednostka
Arytmetyczno-logiczna
ALU (ang. arithmetic and logic unit)
- Wykonuje wszystkie operacje arytmetyczne i logiczne; warunkuje moc obliczeniową mP.
· Rejestry
Þ Dostępne programowo
Þ Niedostępne programowo
Þ Akumulator (1 lub więcej)
A (ang. Accumulator)
(rejestr roboczy)
Þ Licznik rozkazów
PC (ang. program counter)
IC (ang. Instruction pointer)
Þ Rejestr rozkazów
IR (ang. Instruction register)
Þ Zestaw rejestrów roboczych
(uniwersalnych)
Ri ¸ Rn (ang. General purpose
Registers)
- Służą do pamiętania wyników działania lub sterowania programem.
- Niedostępne dla użytkownika – wykorzystywane w układzie sterowania.
- Funkcjonalnie związany z ALU – przechowywanie poszczególnych argumentów przy realizacji operacji dwuargumentowych; przechowywanie wyników operacji.
- Adres następnego rozkazu do wykonania.
- Zawiera kod aktualnie wykonywanego rozkazu.
- Przechowywanie danych, adresowanie (określanie stanu magistrali adresowej) i inne funkcje.
Þ Rejestr znaczników
SF (ang. status flag)
CY (ang. carry) – przeniesienia;
Z (ang. Zero) – zera;
S (ang. Sign) – znaku;
P (ang. parity) – parzystości;
OV (ang. overflow) – przepełnienia.
Þ Wskaźnik stosu
SP (ang. stack pointer)
· Magistrale (szyny)
Þ Jednokierunkowe
Þ Dwukierunkowe
Þ Magistrala danych
(dwukierunkowa)
Þ Magistrala adresowa
(jednokierunkowa)
Þ Magistrala Sterująca
Þ Bufory magistral
· Układ sterowania
CU (ang. control unit)
- Zapamiętywanie charakterystycznych rezultatów operacji wykonywanych w ALU.
- Służy do adresowania wydzielonego obszaru pamięci RAM – stosu.
- Zbiory linii sygnałowych, którymi przesyłane są słowa.
- dekoduje zawartość rejestru rozkazów i generuje sygnały sterujące, zapewniając właściwy przebieg operacji określonej rozkazem.
Schemat działania mP (cykl rozkazowy)
wysłanie na magistralę adresową ma stanu licznika rozkazów PC
wpisanie do rejestru rozkazów IR kodu operacji/rozkazu z magistrali danych MD
zwiększenie przez układ sterowania CU o 1 stanu licznika rozkazów PC
generacja sekwencji sygnałów sterujących
ewentualna modyfikacja stanu licznika rozkazów
określenie adresu pamięci lub układu we/wy
operacja zapisu/odczytu do/z pamięci lub układu we/wy
przebieg różny dla różnych rozkazów
Parametry µP
Istnieje wiele parametrów, według których można klasyfikować mikroprocesory. Wśród nich można wyróżnić między innymi :
a) technologię wykonania ( NMOS, HMOS, CMOS)
b) długość słowa – 4, 8, 16, 32, 64
c) przestrzeń adresową (dostępna pamięć, w tym wirtualna długość adresu)
d) listę rozkazów i sposoby adresowania
e) czas wykonania instrukcji
–
szybkość działania:
MIPS - million instructions per second
MFLOPS - millions floatinf-point operations per second
– minimalny
– maksymalny [µs, ns]
– średni
f) sposób zasilania (jedno lub kilka napięć)
g) możliwości i sposoby komunikacji z urządzeniami zewnętrznymi
h) możliwości współpracy z układami TTL
Parametry mikroprocesorów
Technologie wykonania mikroprocesorów (LSI, VLSI, ULSI)
Technologie mikroelektroniczne Þ technologie scalania
Technologia planarna (monolityczna)
Þ Istota, procesy, skale integracji
Þ Technologia bipolarna ® tranzystor Bi, elementy pasywne (R, C);
® izolacja międzyelementowa:
złączowa;
dielektryczna
(SiO2, SOS);
mieszana;
® właściwości technologii Bi: pojemności, prądy upływu, wytrzymałość elektryczna
izolacji, sterowanie prądowe, rozmiary elementów ® częstotliwość graniczna;
® kierunki rozwoju: w zakresie technologii;
rozwiązania układowe.
Þ Technologia unipolarna ® tranzystor FET, elementy pasywne.
® właściwości: rozmiary elementów, pojemności, rezystancja kanału, częstotliwość
graniczna, sterowanie napięciowe;
TECHNOLOGIA MOS – Istota, problemy
Oxide (SiO2) ® Insulator Þ MIS
...
filop9