Obsah tém zameraných na Architektúru mikropočítačov. 

  1. Základný princíp práce počítačov
  2. Bloková schéma mikropočítača
  3. Koncepcia Von Neuman
  4. Koncepcia Harward
  5. História mikroprocesorov série Intel 80x68 - adresovanie
  6. Práca s dátovými objektmi
  7. MIKROPOČÍTAČE (CZ)
  8. Nové pojmy
  9. Zdroje informácií
 

Základný princíp práce počítačov

Architektúra mikropočítačov  je založená na troch zberniciach vychádzajúcich z CPU:

Čo sú to zbernice? Vo svojej podstate sú to obyčajné paralelne vedené drôty ktoré sú číslované poradovým číslom sprava doľava, tak ako je to zvykom v pozičných číselných sústavách. Vodič najviac vpravo predstavuje 0-tý bit binárneho slova. Pozície rastú smerom doľava. Vodiče zbernice spolu kódujú a prenášajú binárnu hodnotu. Všetky zariadenia v počítači sú napojené na dátovú zbernicu súčasne. Podľa charakteru či je to vstupné alebo výstupné zariadenie, v jeden čas môžu spolu komunikovať len dve zariadenia. Napríklad pamäť ROM môže dáta jedine vysielať. Pamäť RAM môže dáta aj vysielať aj prijímať. Výmenu dát medzi ROM pamäťou a RAM pamäťou sprostredkuje procesor cez pracovné registre. Najprv prenesie dáta z ROM pamäti do pracovného registra mikroprocesora, a potom obsah tohto registra zapíše do RAM pamäte.  Tento proces zabezpečujú všetky tri zbernice naraz. 

DÁTOVÁ ZBERNICA je určená na prenos dát. Podľa toho koľko paralelných drôtov dátová zbernica obsahuje rozpoznávame triedu počítača 8, 16, 32 a 64 bitového. 

ADRESNÁ ZBERNICA vysiela identifikačný kód zariadenia. Adresovaná je každá bunka RAM pamäte, ale aj iné hardwarové zariadenia. Adresa je však len jednou z podmienok prenosu dát. Na spustenie výmeny dát to však nestačí. Spolu s adresou musí proces synchronizovať Riadiaca zbernica. 

RIADIACA ZBERNICA dáva konečný povel k vykonaniu akcie. 

Nasledovný obrázok predstavuje funkčný model počítača, ktorý poslúži na pochopenie konštrukcie a základný princíp práce počítačov.

      Na obrázku vidíme napájace vedenia +5V a uzemnenie. Pod ním je dátová zbernica s označenými vodičmi 0 - 7. Za vzor na obrázku slúži vodič 7 dátovej zbernice, ktorý má uzemnené oba konce odpormi cca 220 ohm. V obrázku je naznačená adresná zbernica, a Riadiaca jednotka z ktorej vychádzajú vodiče riadiacej zbernice. Riadiaca jednotka je napojená na zdroj hodinových impulzov riadených kryštálom. Taktiež na vstupe RJ sa nachádza Register inštrukcií, ktorý riadi chod riadiacej jednotky. V obrázku sú ďalej zobrazené 3 modely zariadení: 
  1. Spínač S7 zdroj logických stavov 0 a 1 - obdoba klávesnice
  2. Žiarovka ako signalizačný prvok stavu zbernice
  3. Bistabilný preklápací obvod - 7 bit registra A 

Príklad: 1.  Po stlačení tlačidla S7 chceme aby sa napätie 5V prenieslo na zbernicu ako logická 1. Tento stav spôsobí rozsvietenie žiarovky. Podmienkou je aby riadiace signály RD/s7 odblokoval výstup oddeľovača zbernice a zároveň WR/ž odblokoval vstup oddeľovača zbernice aby signály prenikli.

Príklad: 2. Ak chceme zapísať stav tlačidlom S7 do registra A, musíme vygenerovať riadiaci signál WR/a7 a počkať na hodinový impulz CLK ktorý údaj do registra zapíše.

Príklad: 3.  Ak chceme monitorovať stav registra A, privedieme riadiaci signál RD/a7 na oddeľovač zbernice výstupu registra - dáta sa prenesú na dátovú zbernicu - a signál WR/ž ktorý odblokuje oddeľovač zbernice vstupu žiarovky Ž. 

Nasleduje ukážka prenosu dát z registra A do registra B

     V tomto obrázku vidíme dva 8 bitové registre A a B. Oba majú prepojené aj vstupy ale aj výstupy na dátovú zbernicu cez oddeľovače zberníc riadené Riadiacou jednotkou. Kombináciou riadiacich signálov RD/a WR/b odblokuje sa výstup A registra a vstup B registra. Príchod časového signálu CLK zapíše hodnoty A registra do B registra.

     Naopak riadiace signály RD/b WR/a odblokujú výstup B registra a vstup A registra. príchod časového signálu CLK zapíše hodnoty z B registra do A registra.

Posledná ukážka ukazuje spoluprácu registra Acc s Aritmeticko Logickou Jednotkou (ALU - Arithmetic Logic Unit)

     Na obrázku vidíme špeciálny register Acc - akumulátor - v ktorom končia výsledky matematických operácií ALU. Aritmetická logická jednotka má dva pomocné registre na vstupe a jeden pomocný register na výstupe. Tieto registre slúžia len na vykonanie operácie. 
     Pôvodné vstupné hodnoty môžu byť uložené v registroch Acc a B napríklad. Riadiaca jednotka otvorí výstup jedného z pracovných registrov a vstup pomocného registra "A"  na vstupe ALU - dáta prenesie. Potom to isté urobí s druhým operandom "B". Vygeneruje príkaz na operáciu + alebo -. 
     Výsledok sa umiestni do pomocného výstupného registra "C" ALU. nakoniec RJ otvorí vstup WR/a na zápis údaja do Acc registra a RD/c na prenesenie výsledku.   

Bloková schéma mikropočítača    

Skutočnú architektúru mikropočítačov Von Neumannovho typu ukazuje nasledovný obrázok:

  

 

Návrat na začiatok

Koncepcia Von Neumanna

    Počítač Von Neumanna používa jednu pamäť pre program aj pre dáta a jeho jadrom je Centrálna procesorová jednotka - CPU (Central procesor unit) - do ktorej sa prenášajú a spracovávajú dáta z pamätí (RAM, HD, FDD, CD, ...) a vstupných jednotiek podľa programu (softwéru) uloženého v Operačnej pamäti (OP)  (OM - Operating memory). Operačnú pamäť realizuje pamäť RAM (Random access memory) t.j. pamäť s náhodným prístupom, ktorá má dočasný charakter, a po vypnutí napájania počítača stráca svoj obsah. 

    Počas vykonávania programu sa jednotlivé inštrukcie z operačnej pamäti, v poradí ako sú v OP uložené, postupne prenášajú do CPU do registra inštrukcií v ktorom sa inštrukcie dekódujú a vykonávajú . Na ich adresovanie slúži programový čítač inštrukcií (PC), ktorý sa počas vykonávania inštrukcie automaticky inkrementuje (zvyšuje) o dĺžku vykonávanej inštrukcie, tak že pred začiatkom nasledovného inštrukčného cyklu ukazuje na začiatok nasledovnej inštrukcie ktorá sa bude vykonávať. Túto postupnosť môžu zmeniť tzv. skokové inštrukcie, ktoré samé vložia nový obsah do programového čítača a umožňujú pokračovanie programu od inej adresy. 

Centrálna procesorová jednotka - CPU (Central procesor unit) sa skladá z : 

Programový čítač inštrukcií - je register slúžiaci na adresovanie nasledovnej inštrukcie, ktorá sa bude vykonávať po ukončení práve vykonávanej inštrukcie. Jeho obsah sa inkrementuje v prvých taktoch vykonávania aktuálnej inštrukcie. Inkrementácia závisí od operačného kódu inštrukcie, ktorý určuje koľko slovná je práve vykonávaná inštrukcia. 

Inštrukčný register - je miesto do ktorého sa inštrukcia z operačnej pamäti presunie počas Inštrukčného cyklu a ktorá určuje ďalšiu činnosť riadiacej jednotky procesora.  

Akumulátor -  je register úzko spolupracujúci s aritmeticko logickou jednotkou, v ktorom sa nachádza jeden z operandov a do ktorého sa ukladajú výsledky aritmetických a logických operácií.  

Aritmetická logická jednotka - je obvod v procesore, ktorý má dva vstupy a jeden výstup. Vykonáva operácie sčítania, odčítania, inkrementácie o 1 a dekrementácie o 1, operácie logického súčtu, logického súčinu a negácie ako aj operácie EXCLUSIVE OR t.j. NON EKVIVALENCIE. 

Architektúra počítača je sústredená okolo obojsmernej  dátovej zbernice  po ktorej sa prenášajú dáta aj inštrukcie. Zbernica je n-bitová, kde n je dĺžka strojového slova a pre daný typ počítača je konštantná. (8- bitové počítače, 16- bitové počítače, 32- bitové počítače, 64-  bitové počítače, ?- ...)

Inštrukčný cyklus - (t.j. čas za ktorý sa vykonajú inštrukcie v počítači Von Neumanna) sa skladá z týchto činností

    Inštrukčný cyklus končí prechodom na ďalšiu inštrukciu

Algoritmus inštrukčného cyklu. 

 


Typické znaky architektúry riešenia Von Neumanna:

Ukážkovým predstaviteľom Von NEUMANNOVSKEJ koncepcie je mikroprocesor I8080 ktorý bol zakladateľom následnej rady procesorov I8088, I8086, I808286,I80386, I80486, Pentium, Celeron, ... a zo stajne AMD  ... klony I80286-486, Durony a Athlony používané v počítačoch typu IBM PC  AT a ATX.

 

Návrat na začiatok

Koncepcia Harward.

    Harwardská architektúra používa dve oddelené pamäti pre dáta a program. t.j. pamäť dát a riadiacu pamäť. 

Riadiaca pamäť - obsahuje informácie o riadení systému. Tieto informácie dekóduje riadiaca jednotka. ktorá zabezpečuje následnosť výberu riadiacich signálov z riadiacej pamäti. 

Podstatnou charakteristikou tejto architektúry je, že zmenou obsahu riadiacej pamäti je možné meniť riadenie systému, t.j. meniť inštrukčnú sadu systému a operačný kód a teda programovať na úrovni riadiacich signálov. Tieto postupy tvoria podstatu mikro-programovania. 

   
Principiálna schéma Harwardskej konfigurácie.
   

Rozdiely v dvoch koncepciách spočívajú v týchto znakoch:

  1. PC register u von NEUMANNovskej koncepcie adresuje RAM pamäť a u HARWARDskej adresuje  ROM pamäť.   
  2. Na rozdiel od von NEUMANNovskej koncepcie HARWARDská nemá v inštrukčnom cykle krok  prenášajúci kód inštrukcie z RAM pamäte do Registra inštrukcií.  ROM pamäť supluje funkciu Registra inštrukcií. Jej výstup je priamo napojený na RJ a tak stačí mať v  PC registri adresu inštrukcie, ktorá sa bude vykonávať. 
  3. U von NEUMANNovskej koncepcie v RAM sa nachádzajú inštrukcie aj dáta (t.j. premenné aj konštanty), u HARWARDskej sa v RAM nachádzajú z len premenné dáta  a v ROM sa nachádzajú inštrukcie a z dát len konštanty (zapisujú sa tam spolu s programom). 

Procesor I8051 je jedným z najpopulárnejších mikroprocesorov Harwardskej koncepcie  - ktorý je zároveň aj najmenším mikropočítačom. Prečo? Lebo v sebe obsahuje všetko čo mikropočítač potrebuje ku svojej práci:  

Návrat na začiatok

Zdroje informácií

  1. Číslicové elektronické systémy - Ing. Dušan Levický, Skriptá VŠT Košice, 1982
  2. Uživateľská příručka mikropočítačů řady 48 - Ing.Vojtech Mužík a kolektiv, ČSVTS 1985
Návrat na začiatok.

Nové pojmy

RAM - Random access memory

CPU- Central procesor unit.

HD- Hard disk

FDD- Floppy disk drive

CD - Compact disk

 

Návrat na začiatok.
Author Ing.  JANOUŠEK  Jaroslav.
Copyright © 2003   ManINFO - Košice.  All rights reserved.
Revised: januára 10, 2009 .