Архитектуры микропроцессорных систем

 
Рис. 9.5 Временная диаграмма сигналов МП, управляющих считыванием слова из ПЗУ

На рис. 9.5 использованы кружки и стрелки. Эти индикаторы применяются для обозначения соотношений причины и следствия на временной диаграмме. В качестве примера переход от   – к   – уровню (от HIGH к LOW) на выходе считывания осуществит переключение тристабильных выводов шины данных МП из состояния высокого сопротивления в состояние для приема данных на входе. Штриховая часть временной диаграммы по линии ввода соответствует состоянию высокого сопротивления. При переходе от   – к   – уровню выхода   выводы шины данных МП снова переключатся в третье состояние и не примут данные с шины. Интерфейс с ОЗУ подобен рассмотренной схеме. Его своеобразие заключается в возможности не только считывания информации из памяти, но и записи информации в ОЗУ.

4,Оперативное запоминающее устройство

Для хранения информации в микропроцессорных  системах используются запоминающие устройства на основе полупроводниковых материалов, а также магнитные и оптические внешние носители. Внутренняя память компьютера представлена в виде отдельных  интегральных микросхем (ИМС) собственно памяти и элементов, включенных в  состав других ИМС, не выполняющих непосредственно  функцию хранения программ и данных - это и внутренняя память центрального процессора, и видеопамять, и контроллеры  различных устройств. Для функционирования компьютерной системы необходимо наличие  как оперативного запоминающего  устройства (ОЗУ), так и постоянного  запоминающего устройства (ПЗУ), обеспечивающего  сохранение информации при выключении питания. ОЗУ может быть статическим  и динамическим, а ПЗУ однократно или многократно программируемым.

Другим важным функциональным узлом компьютера является запоминающее устройство, или память. Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), или RAM ( Random Access Memory ) —памятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считывать информацию из ячейки, обращаясь к ней по ее номеру или адресу. Ячейка памяти имеет стандартное число двоичных разрядов. В настоящее время стандартный размер ячейки ОЗУ равняется одному байту. Информация в ОЗУ сохраняется все время, пока на схемы памяти подается питание, т.е. она является энергозависимой.

Существует два  вида ОЗУ, отличающиеся техническими характеристиками: динамическое ОЗУ, или DRAM ( Dynamic RAM ), и статическое ОЗУ,или SRAM ( Static RAM ). Разряд динамического ОЗУ 
построен на одном транзисторе и конденсаторе, наличие или отсутствие заряда на котором определяет значение, записанное в данном бите. При записи или чтении информации из такой ячейки требуется время для накопления (стекания) заряда на конденсаторе. Поэтому быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у статического ОЗУ, разряд которого представляет собой триггер на четырех или шести транзисторах. Однако из-за большего числа эле- 
ментов на один разряд в одну СБИС статического ОЗУ помещается гораздо меньше элементов, чем у динамического ОЗУ. Например, современные СБИС динамических ОЗУ способны хранить 256—1024 
Мбайт информации, а схемы статических ОЗУ только 256—512 Кбайт. Кроме этого статические ОЗУ более энергоемки и значительно дороже. Обычно, в качестве оперативной или видеопамяти используется динамическое ОЗУ. Статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти. В кэш-память из динамической памяти заносятся команды и данные, которые процессор будет выполнять в данный момент.

Скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие процессора, поэтому применяются различные  методы для повышения ее производительности. Одним из способов увеличения быстродействия ди- 
намического ОЗУ является размещение в одном корпусе микросхемы СБИС нескольких модулей памяти с чередованием адресов. Байт с нулевым адресом находится в первом модуле, байт с первым адресом во втором модуле, байт со вторым адресом в первом модуле и т.д. Поскольку обращение к памяти состоит из нескольких этапов: установка адреса, выбор ячейки, чтение, восстановление, то эти этапы можно совместить во времени для разных модулей. Другим 
способом увеличения быстродействия является чтение из памяти содержимого ячейки с заданным адресом и нескольких ячеек, расположенных рядом. Они сохраняются в специальных регистрах — защелках. Если следующий адрес указывает на одну из уже считанных ячеек, то ее содержимое читается из защелки.

Несмотря на разработку новых типов схем динамических ОЗУ, снижающую время обращения  к ним, это время все еще  остается значительным и сдерживает дальнейшее увеличение производительности процессора. Для уменьшения влияния  времени обращения процессора к  ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается  сверхбыстродействующая буферная память, выполненная на микросхемах статической  памяти. Эта память называется кэш-памятью (от англ. cache — запас). Время обращения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ, и сравнимо со скоростью работы самого процессора.

Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновременно копируются и в кэш-память. Если процессор  повторно обратится к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем в интервалы, когда  шина свободна, переписываются в ОЗУ. Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри процессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, кэш-память делится на уровни. На кристалле самого 
процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет объем порядка 16—128 Кбайт и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэшпамять второго уровня, которая имеет объем порядка 256 Кбайт — 4 Мбайта. И, наконец, кэш-память третьего уровня расположена на системной плате, ее объем может составлять 2—24 Мбайта.

Управление записью  и считыванием данных в кэш-память выполняется автоматически. Когда  кэш-память полностью заполняется, то для записи последующих данных устройство управления кэш- 
памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет те данные, которые реже всего использовались процессором на текущий момент. Использование процессором кэш-памяти увеличивает производительность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит 
по-следовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно во время преобразования хранятся в кэш-памяти.

В одном адресном пространстве с ОЗУ находится  специальная память, предназначенная  для постоянного хранения таких  программ, как тестирование и начальная  загрузка компьютера, управление внешними устройствами. Она является энергонезависимой, т.е. сохраняет записанную информацию при отсутствии напряжения питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM ( Read Only Memory ). Постоянные запоминающие 
устройства можно разделить по способу записи в них информации на следующие категории:

— ПЗУ, программируемые  однократно. Программируются при  изготовлении и не позволяют изменять записанную в них информацию.

— Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). Позволяют перепрограммировать их многократно. Стирание хранящейся в ППЗУ информации осуществляется или засветкой полупроводникового кристалла ультрафиолетовым излучением, или электрическим сигналом повышенной мощности, для этого в корпусе микросхемы предусматривается специальное окно, закрытое кварцевым стеклом.

3.4.   ИНТЕРФЕЙС МИКРОПРОЦЕССОРА С ОЗУ

     Устройства  размещения данных, допускающие их запись и считывание, обычно называются ОЗУ. В  настоящее время  существуют оперативные  запоминающие устройства статического и динамического  типа:. Рассмотрим подключение  к МП статических  ОЗУ, которые более  просты для выполнения интерфейса, чем динамические.

     Рассмотрим  рис.3.9, где представлены ОЗУ и МП некоторой  системы. Отметим, что  ОЗУ составлено устройствами 4 КХ8 бит, т. е. может разместить 4096 слов емкостью 8 бит каждое. Еще совсем недавно ОЗУ такого типа составлялись из нескольких ИС (например, 32 ИС ОЗУ 1024Х1 бит). Модуль памяти (или карта памяти) содержит также около десятка дополнительных ИС (порты и буферы), и ОЗУ, представленное как один блок, в действительности является сложной системой. Как и в случае ПЗУ, дешифратор предназначен для выбора сегмента (банка) памяти, а декодирование младших 12бит адреса (A0-A11) осуществляется системой декодирования ОЗУ.

     Шина  данных становится двунаправленной 8-разрядной  для считываемых  и записываемых в  ОЗУ данных. Двенадцать линий младших разрядов МП идут прямо на адресные входы модуля ОЗУ через адресную шину. Четыре линии старших разрядов соединены с дешифратором адреса. Выход  записи в МП соединен по линии управления со входом    ОЗУ. Заметим, что входОЗУ является входом записи/чтения. Это означает, что когда МП  не активизирует выход записи L-сигналом  

  выдает Н-сигнал в ОЗУ, который  точно определяет операцию считывания. Выход   считывания МП соединен по линии управления считыванием с выходом  .

     Временная диаграмма, иллюстрирующая изменения  сигналов МП и ОЗУ в ходе операции считывания, приведена на рис.3.10.

     Адресные  линии МП активизированы и содержат требуемый адрес. Выход считывания   переходит к L-уровню. Тристабильная шина данных переходит в состояние считывания, и МП готов принять с нее данные. Линия выбора модуля  ОЗУ и вход активизации выхода   - оба переходят к L-уровню или активизируются дешифратором адреса и линией управления считыванием микропроцессора. Сигнал входа   сохраняется на Н-уровне или в состоянии считывания. За короткое время после того, как активизация выхода ОЕ приняла L-уровень, активизируются выходы данных. Данные из памяти помещаются на шину данных по выходам ОЗУ. Как и в ПЗУ, время доступа в память при считывании является важным показателем ОЗУ, это время может изменяться в различных статических ОЗУ от 250 до 1000 нс (у отечественных) и 40-70 нс (у западных аналогов).

     На  рис.3.11 приведена временная диаграмма  процесса записи в ОЗУ. Последовательность событий в ходе этой операции начинается посылкой адреса в ОЗУ и дешифратор адреса, который в свою очередь активизирует линию выбора модуля  , составленную входами выбора кристалла на отдельных ИС. После интервала времени, называемого временем адресации, импульсом записиWR МП активизирует вход RIW ОЗУ и устанавливает его в состояние записи. Импульс записи должен быть установлен в кратчайшее время, называемое временем импульса записи (или шириной импульса записи). Когда импульс выдан, записываемые в память данные помещаются МП на шину данных. Короткое время спустя ОЗУ принимает данные с шины и записывает их в ячейку памяти. Минимальное время цикла записи для определенного ОЗУ может изменяться в пределах от 250 до 1000 нс; время адресации составляет 20-200, а длительность импульса записи 180-750 нс  (40-70 нс у западных аналогов).

Временная диаграмма сигналов МП при чтении из ОУ.

6. Програмістська  модель мікропроцесора

Как следует  из названия, пользовательскими регистры называются потому, что программист может использовать их при написании своих программ. К этим регистрам относятся (рис. 1):

• восемь 32-битных регистров, которые могут использоваться программистами для хранения данных и адресов (их еще называютрегистрами общего назначения (РОН)):
• eax/ax/ah/al;
• ebx/bx/bh/bl;
• edx/dx/dh/dl;
• ecx/cx/ch/cl;
• ebp/bp;
• esi/si;
• edi/di;
• esp/sp.
• шесть регистров сегментов: cs, ds, ss, es, fs, gs;
• регистры состояния и управления:
• регистр флагов eflags/flags;
• регистр указателя команды eip/ip.

Рис. 1. Пользовательские регистры микропроцессоров i486 и Pentium

Почему многие из этих регистров приведены с  наклонной разделительной чертой?  
Нет, это не разные регистры — это части одного большого 32-разрядного регистра. Их можно использовать в программе как отдельные объекты.  
Так сделано для обеспечения работоспособности программ, написанных для младших 16-разрядных моделей микропроцессоров фирмы Intel, начиная с i8086.  
Микропроцессоры i486 и Pentium имеют в основном 32-разрядные регистры. Их количество, за исключением сегментных регистров, такое же, как и у i8086, но размерность больше, что и отражено в их обозначениях — они имеют  
приставку e (Extended).

Разберемся подробнее  с составом и назначением пользовательских регистров.

Регистры  общего назначения

Все регистры этой группы позволяют обращаться к своим  
“младшим” частям (см. рис. 1).  
Рассматривая этот рисунок, заметьте, что использовать для самостоятельной адресации можно только младшие 16 и 8-битные части этих регистров. Старшие 16 бит этих регистров как самостоятельные объекты недоступны. Это сделано, как мы отметили выше, для совместимости с младшими 16-разрядными моделями микропроцессоров фирмы Intel.