Microprocesoare

Microprocesoare

1. PREZENTARE FUNCTIONALA

Intrebarile la care vom incerca sa raspundem in urmatoarele paragrafe sunt: ce este un microprocesor? ce poate face el? cum functioneaza? cum interactioneaza cu lumea inconjuratoare? cum se implementeaza, pe baza lui, un sistem microprocesor?

Cunoasterea raspunsurilor la aceste intrebari ofera baza necesara pentru evaluarea justa a

posibilitatilor si performantelor diverselor sisteme, in vederea alegerii solutiei optime (combinatia hardware - software cea mai indicata) pentru o aplicatie data.

Deci, ce este un microprocesor? In esenta, un circuit integrat LSI, reprezentand elemental central (CPU1 ), ca importanta si posibilitati, in efectuarea sau coordonarea tuturor operatiilor ce au loc in functionarea unui microcalculator.

Intr-un mod oarecum figurat, el reprezinta un circuit logic de o extrema complexitate, reprezentabil, din punct de vedere functional, printr-o structura formata din elemente de logica combinationala si secventiala. Elementul specific, care diferentiaza microprocesorul de o astfel de configuratie clasica, si care ii confera totodata exceptionala gama de posibilitati de utilizare, practic

intr-un numar nelimitat de aplicatii, il reprezinta flexibilitatea sa , la nivelul software al sistemului.

Aceasta face ca, de fapt, implementarea acelei structuri logice echivalente, pentru o aplicatie data, sa nu reprezinte o interventie la nivelul structurii constructive, hardware, a sistemului microprocesor, ci sa se obtina prin implementarea unui program specific. Modificarea aplicatiei nu reprezinta altceva decat modificarea programului microprocesorului.

2. PREZENTARE HARDWARE

Sa trecem acum la o examinare detaliata a structurii functionale a microprocesorului. Acesta va fi prezentat in maniera de abordare a utilizatorului orientat spre hardware-ul sistemului. Fiecare dintre cele cinci sectiuni de baza sunt identificate in mod unic. Trebuie insa mentionata prezenta unor portiuni ale functiei MEMORY atasate celorlalte sectiuni, cat si prezenta in mai multe locatii a elementelor de INPUT-OUTPUT. Aceasta s-a facut pentru o mai buna intelegere a operarii detaliate a hardware-ului microprocesorului, dupa cum se va vedea in continuare.

Figura 1 prezinta diagrama functionala detaliata a microprocesorului. Se vor

Fig.1 Structura interna a unui microprocesor discuta pe rand: fiecare sectiune

functionala a acestuia, operatiile sale si

legatura cu celelalte sectiuni.

2.1 Functia de control

Dupa cum s-a aratat, microprocesorul opereaza in mod secvential, determinat de catre un program memorat, format din instructiuni. Dar programul in sine nu este suficient pentru functionarea sistemului. (De exemplu, calculatorul trebuie sa stie de unde sa inceapa citirea din memorie a primei instructiuni din program). Trebuie sa fie activate in mod corespunzator semnalele de control, la momente adecvate de timp, pentru sectiunile de MEMORY, ALU, INPUT/OUTPUT, in vederea citirii, decodificarii si executarii instructiunilor in ordinea dorita si evitandu-se interferenta operatiilor.

Toate aceste cerinte sunt indeplinite de catre sectiunea de CONTROL. In esenta, sectiunea de

CONTROL reprezinta "sistemul nervos" al microprocesorului, asigurand secventializarea, decodificarea si activarea operatiilor acestuia.

2.1.1 Ciclul microprocesorului

Realizarea operatiilor microprocesorului are loc in mod secvential-repetitiv. Semnalul de temporizare minima, in raport cu care se desfasoara toate celelalte temporizari sincronizate din functionarea acestuia, se numeste semnal de ceas (clock) al sistemului. Se defineste ciclul de instructiune al microprocesorului, care dureaza un numar variabil de perioade de ceas, in functie de microprocesor si de instructiunea ce se executa, ca fiind secventa de operatii efectuate pentru a extrage o instructiune din memorie, a o decodifica si executa.

Ciclul microprocesorului este format din unul sau mai multe subcicluri, fiecare la randul lui durand mai multe perioade de ceas (fig. 2.a). Cate un subciclu este utilizat pentru obtinerea fiecarui

Fig. 2.a. Structura ciclului microprocesorului cuvant de instructiune sau date, sau pentru fiecare

operatie de baza ce trebuie executata.

Deoarece microprocesorul executa cate o instructiune la un moment dat, incepand cu prima instructiune din program, este necesar a se cunoaste in permanenta care instructiune se executa (sau va fi executata la pasul urmator). Se utilizeaza in acest scop un registru special, numit registru contor de program (PC = program counter), care contine adresa urmatoarei instructiuni de program care va fi citita din memorie. Deoarece programul este memorat la adrese succesive, contorul de program va fi actualizat uzual prin simpla incrementare cu 1, la fiecare transfer al unui cuvant de instructiune din memorie in registrul de instructiuni al microprocesorului (descris in sectiunea urmatoare). Astfel, putem considera registrul PC ca un indicator (pointer) aratand unde s-a ajuns cu executia programului la un moment dat. Primul subciclu al fiecarui ciclu al procesorului este utilizat pentru extragerea de informatie din memorie (fetch) si are de regula patru perioade de ceas. In prima perioada, continutul numaratorului de adresa (PC), reprezentand adresa de unde se va citi instructiunea curenta, este adus pe magistrala de adrese, selectand, impreuna cu semnalele de control, celula de memorie dorita. In a doua perioada, continutul PC este incrementat, pregatindu-l pentru urmatoarea extragere din memorie. In a treia perioada, continutul memoriei adresate este adus in microprocesor si memorat temporar. In perioadele t4, t5 (prezente sau nu, in functie de operatia ce se executa), se transfera informatia intre registre sau se efectueaza operatii aritmetice simple. (In functie de procesor si de instructiunea executata, un subciclu poate dura si mai multe perioade de ceas). Trebuie accentuat ca intotdeauna, in primul subciclu, procesorul citeste un cuvant considerat ca primul din instructiune. Odata decodificat, acest

cuvant va indica ce instructiune se executa, si daca este necesara citirea suplimentara de cuvinte de date din memorie (efectuata in subciclurile urmatoare). O instructiune poate fi formata din unul sau mai multe - de regula, pana la trei - cuvinte.