Основы организации МК

МК — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный МК сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе МК. МК являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить во многих современных приборах, таких, как телефоны, стиральные машины и т. п. Бо?льшая часть выпускаемых в мире процессоров — МК. Во многих моделях МК используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт К возможность работать на меньших частотах и не терять данные при полной остановке тактового генератора. Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль. Большое распространение получили МК с RISC-архитектурой. Сокращенный набор команд позволяет выполнять большинство инструкций за один такт, что обеспечивает высокое быстродействие даже при относительно низкой тактовой частоте. Кроме ОЗУ, МК может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих МК вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа МК не будет обновляться. Другие модификации К обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти. В отличие от процессоров общего назначения, в МК часто используется раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ. Неполный список периферии, которая может присутствовать в МК, включает в себя: универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод; различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I?C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet; аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи; компараторы; широтно-импульсные модуляторы; таймеры; контроллеры бесколлекторных двигателей; контроллеры дисплеев и клавиатур; радиочастотные приемники и передатчики; массивы встроенной флеш-памяти; встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер. Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке ассемблера или Си, хотя существуют компиляторы для других языков. Для отладки программ используются программные симуляторы (специальные программы для персональных компьютеров, имитирующие работу микроконтроллера), внутрисхемные эмуляторы (электронные устройства, имитирующие микроконтроллер, которые можно подключить вместо него к разрабатываемому встроенному устройству) и интерфейс JTAG (специализированный аппаратный интерфейс, разработанный для тестирования собранных печатных плат).

АЛУ

Название МС говорит о характере операции, выполняемых ими – арифметические и логические преобразование двоичной информации.

По сравнению с приборами, работающими по жесткой, наперед заданной программе, АЛУ представляют собой устройства более высокого класса. В низко процессорной технике АЛУ являются базовыми элементами. Они используются в сочетании с регистрами сдвига, ОЗУ и другими устройствами.

АЛУ дороже простых МС, однако благодаря универсальным свойствам, применение их в аппаратуре во многих случаях оказывается оправданным. МС АЛУ, принадлежащие к разным видам логик (ТТЛ – 155ИП3; КМОП – 564ИП3) функционально во многом совпадают, в том числе и по разводке выводов. Поэтому рассмотрим кратко 155ИП3. Эта МС выполняет действия с четырехразрядными двоичными словами: А=А₃А₂А₁А₀ и В=В₃В₂В₁В₀. Вид операций задается пятиразрядным кодом на входах М S₃S₂S₁S₀. Всего это АЛУ способно выполнить 32 операции (2⁵=32): 16 логических (И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, исключающие ИЛИ и др.) и 16 арифметических или арифметико-логических (сложение, вычитание, удвоение, сравнение и ряд других). Операции сложения и вычитания проводятся с ускоренным переносом имеется вход приема сигнала переноса С.

На выходах F₀, F₁, F₂, F₃ формируются результаты логических преобразований и арифметических действий. На выходе С₄ образуется сигнал старшего (пятого) разряда при выполнении арифметических операций. Дополнительные выходы – образование ускоренного переноса C_Т и распространение ускоренного переноса Р – используется только при организации многоразрядных АЛУ в сочетании с МС ускоренного переноса К155ИП4.

Слова А и В, подлежащие обработке, могут быть представлены в положительной либо в отрицательной логике.

Старший разряд кода выбора операции (М-вход) определяет характер действий, выполняемых АЛУ. Если М=Н – АЛУ выполняет логические операции.

Если М=L – выполняются арифметические операции. Например, входному коду М S₃S₂S₁S₀=LHHLH отвечает операция АВ+А(для отрицательной логики; для положительной (AVB)+A), где АВ – логическое умножение двух слов. Так, если А=1010, В=0111, то АВ=0010 и, следовательно, 0010+1010=1100.

Режим компаратора обеспечивается при М=L и S₃S₂S₁S₀=LHHL.