A mikroprocesszor felépítése és működése

Átírás

1 A mikroprocesszor felépítése és működése + az egyes részegységek feladata! Információtartalom vázlata A mikroprocesszor feladatai A mikroprocesszor részegységei A mikroprocesszor működése A mikroprocesszor regiszterei A mikroprocesszor buszrendszere Kidolgozás: Mikroszámítógép: Minden mikroprocesszor, függetlenül attól, hogy milyen jellemzőkkel rendelkezik - hány bites, stb. - a működéséhez szükséges elemekkel kiegészítve (órajelgenerátor, buszmeghajtók, memóriák, perifériák, stb.) egy mikroszámítógépnek tekinthető. Mikroprocesszor: Egyetlen integrált áramkörrel megvalósított központi feldolgozó egység, amely képes a mikroszámítógép elemeinek vezérlésére, aritmetikai és logikai műveletek elvégzésére a memóriában tárolt program alapján. A mikroszámítógép általános felépítése: Vezérlő busz Címbusz Adatbusz CPU MEM I/O CPU - Central Processing Unit Vezérli a mikroszámítógép működését és aritmetikai / logikai műveleteket végez a memóriában tárolt program alapján. MEM - Memória (tár) Tárolja a programot illetve a működéshez szükséges vagy a működés során keletkező adatokat. I/O - Input / Output egység A be- és kimeneti egységek csatolója, kapcsolatot teremt a külvilággal. Busz: Azonos funkciójú vezetékek összessége. Háromállapotú, ha a vezetékeire kapcsolódó kimenetek háromállapotúak. Kétirányú, ha a buszra csatlakozó áramkörök a busz vezetékein információ továbbítására és fogadására egyaránt képesek. A rá csatlakozó egységek közül egy időben csak egy helyezhet el információt a buszon, a többi egység kimeneteinek inaktívnak kell lennie. Adatbusz: Az adatbusz vezetékei szolgálnak arra, hogy az adat olvasáskor a megcímzett egységtől eljusson a CPU-ba, írásnál a CPU-ból a megcímzett egységhez. Kétirányú és háromállapotú. A 8-bites mikroszámítógépek egy lépésben 8-bites információ feldolgozására képesek, így adatbuszuk 8 db adatvezetékből áll. (D0 - D7) Címbusz: A CPU a címbuszon adja ki az írásra vagy olvasásra kijelölt memóriarekeszek címét. Egyirányú és háromállapotú. A 8-bites mikroszámítógépek esetén a memória címzésre rendszerint 16 címvezeték szolgál (A0 - A15), ez 64 kbyte címzésére elegendő. A perifériák címzése rendszerint 8-biten történik, ami 256 periféria megkülönböztetését tesz lehetővé.

2 Vezérlőbusz: Egy-egy vezetéken vagy a CPU adja ki a végezni kívánt műveletre vonatkozó információkat, vagy pedig a vezetéken érkező jel befolyásolja a CPU működését. Bitenként egyirányú, és tartalmaz két- illetve háromállapotú vezérlőjeleket. Multiplexelt cím/adatbusz: A kivezetések számának csökkentése érdekében a CPU-k egy része ugyanazt a 8 vezetéket használja az alsó 8 címbit és az adat továbbítására (AD0 - AD7). Először mindig a címinformáció (A0 - A7) jelenik meg ezen a 8 vezetéken, amit a kiválasztott memória vagy periféria áramkör eltárol, ezt követi az adat átvitele. I/O egységek: A mikroszámítógép és a környezetének kapcsolatát teremtik meg. Leggyakoribb feladataik: soros illetve párhuzamos adatátvitel biztosítása események számlálása, időzítése analóg jelek fogadása és előállítása billentyűzet, display, háttértárolók illesztése Memóriák: Tárolják a mikroszámítógép működéséhez szükséges programot és adatokat. A bekapcsolás után végrehajtandó programok tárolásához csak olvasható memóriákat használunk, mivel ezek a tápfeszültség megszűnésekor sem felejtik el az információt. Az írható / olvasható memóriák pedig lehetővé teszik a nagy mennyiségű adat tárolását, szubrutinok és megszakítások használatát. -A digitális berendezések, számítógépek, mikroprocesszoros rendszerek nélkülözhetetlen elemei a tárak, amelyek az információ hosszabb-rövidebb ideig tartó tárolására szolgálnak. A tárak tulajdonságai alapvetően meghatározzák a rendszer működési jellemzőit, áruk a teljes hardware rendszer árát, teljesítményük annak teljesítményfelvételét. A digitális információ egységét, a bit -et (binary digit) olyan elem tudja tárolni, amely két stabil állapottal rendelkezik (log 0 és log 1). A szó olyan bitcsoportot jelent, amely egy egységet alkot. A szóban található bitek számát szóhossznak nevezzük. A szóhossz rendszerint 4, 8, 16, 32, 64,... bites lehet a berendezés vagy számítógép felépítésétől függően. A memóriák rekeszekre vannak osztva. Minden memóriarekesz egy szónyi információt tárol. A memóriarekeszen belül az egyes bitek tárolására a memóriacellák szolgálnak. A memóriák fontos jellemzője a memóriakapacitás, amelyet a maximálisan tárolható bitek vagy szavak számával adnak meg.

3 Az i8085-s részei: 1, ALU Aritmetikai és logikai egység: (Arithmetic and Logic Unit=ALU) Az ALU, amint a neve is mutatja, azon aritmetikai és logikai műveletek végrehajtását teszi lehetővé, amelyekkel a program által meghatározott számolási és logikai műveletek sorozata végezhető el. Minél több művelet elvégzésére képes, annál könnyebben tudja megoldani a bonyolultabb feladatokat. Általában a következő alapvető bináris műveleteket végezheti el: két szám összeadása, és kivonása, egy szám jobbra vagy balra léptetése, két számmal végzett logikai ÉS, VAGY valamint KIZÁRÓ - VAGY művelet, egy szám komplemensének képzése és két szám összehasonlítása. E műveletek segítségével más komplexebb műveletek is elvégezhetők. Pl.: a szorzást ismételt összeadás és helyérték eltolás segítségével lehet elvégezni. Az ALU központi regisztere az un. akkumulátor (ACC) regiszter. Ebben a művelet végrehajtása előtt az egyik operandus, a művelet végrehajtása után pedig az eredmény található. Ezen kívül még egy regisztertömb (register array) is van az ALU-ban. Ennek a regiszteri bizonyos utasítások végrehajtásában vesznek részt. Az akkumulátor és a regisztertömb a memóriából és a ki/beviteli egységen keresztül kapja az adatokat. Egy műveletet az ALU egy vagy több utasítás segítségével végez el. Az utasítás a program legkisebb funkcionális egysége. 2, Vezérlőegység (Control Unit) Feladata: a számítógép működésének, tehát a műveletek program szerinti végrehajtásának az irányítása. A következő négy részegységből épül fel: - Programszámláló - Veremtár-mutató - Utasításdekódoló - Órajelgenerátor

4 2.1. Programszámláló (PC-Program Counter) A soron következő utasítás címét jelöli ki. Minden egyes utasítás kiolvasása után az órajelgenerátor a PC tartalmát eggyel növeli. Elágaztató vagy ugróutasítás esetén tartalma egy adott címre cserélődik Veremtár-mutató (SP- Stack Pointer) Szerepe alprogramok (szubrutinok) alkalmazása esetén nyilvánul meg. Szubrutin: A programban többször előforduló azonos részek, melyeket külön megírnak és a program bármelyik részén közvetlenül felhasználhatók. A főprogramban két utasítás segítéségével ékelik be: a szubrutinhívó és a szubrutin-visszatérési utasítással. A szubrutinhívó utasítás a PC-be a szubrutin kezdőcímét írja, a szubrutin-visszatérési utasítás pedig azt a címet ahova a főprogramba vissza kell majd térni. Ezt a címet a veremmemóriában tárolják Utasításdekódoló Feladata: Az utasításokat ábrázoló kódszámokat megfelelő vezérlőjelekké alakítja. A vezérlőjelek egy része közli az ALU-val a végrehajtandó művelet típusát. Másik része a számítógépen belüli információáramlást ellenőrzi és szabályozza. Az utasítást az utasítás regiszterből kapja Órajelgenerátor Feladata: A gép időbeni működéséhez szükséges vezérlőjelek előállítása. A számítógép időbeni működését rendszerint a következő négy gépi ciklus írja le: 1. ciklus: A címregiszterbe beíródik a PC tartalma. 2. ciklus: PC tartalma eggyel nő. 3. ciklus: Az 1. ciklus alatt megcímzett utasítás beíródik az utasításregiszterbe. 4. ciklus: Az utasításregiszter tartalmát értelmezi az utasításdekódoló, amely biztosítja az utasítás által meghatározott művelet végrehajtását. 3. Ki/beviteli egység A számítógép és az ember, valamint a számítógép és az általa vezérelt berendezés közti kapcsolatot teszi lehetővé. A beviteli egység feladatai: - A program bevitele az operatív memóriába (pl.: mágneslemezről, optikai tárolóról, stb.). - Az információ kézi betáplálásának biztosítása (billentyűzet segítségével). - Ipari folyamatot szabályozó számítógép esetén a folyamat paramétereit figyelő érzékelők és átalakítók jeleinek bevitele. A kiviteli egység feladatai: - A számítási folyamat eredményeit további felhasználásra is alkalmas formában kell megadnia. Ezt nyomtató, rajzolókészülék (plotter), optikai tároló, monitor segítségével lehet megvalósítani. - Ipari folyamatok szabályozása esetén olyan elektromos jeleket is kell, hogy szolgáltasson, amely motorokat, elektormechanikus csapokat és más vezérlőműveket is képes működtetni. A számítógép ki/beviteli egységéhez kapcsolt készülékeket (pl.: billentyűzet, egér, nyomtató, monitor, stb.) perifériáknak nevezik. Ezek egy sajátos illesztőegységen un. interfészen keresztül kapcsolódnak a ki/beviteli egységhez. Általános célú regiszterek: B, C, D, E, H, L: mindegyik 8 bites

5