PIC-микроконтроллеры. Все, что вам необходимо знать

Последовательность операций «выборка команды/ее дешифровка/исполнение», т. е. так называемый цикл выборки — исполнения команды, является фундаментальным понятием, необходимым для понимания работы компьютера. Чтобы проиллюстрировать этот рабочий ритм, рассмотрим простую программу, которая считывает переменную NUM_1, прибавляет к ней число 4 и записывает результат в переменную NUM_2. На языке высокого уровня Си эту операцию можно записать следующим образом[48]:

NUM_2 = NUM_1 + 4;

Несколько более подробно структура нашего компьютера, который я назвал BASIC (аббревиатура от Basic All-purpose Stored Instruction Computer — базовый универсальный компьютер с хранимой программой), изображена на Рис. 3.4. На этом рисунке показаны ЦПУ и обе области памяти со своими шинами данных и соответствующими шинами адреса.

Рис. 3.4.Состояние ЦПУ в момент выполнения первой команды при одновременной выборке второй команды. Все адреса/данные представлены в шестнадцатеричной системе

Центральный процессор можно условно разделить на две части. Узлы, расположенные в левой части рисунка, осуществляют выборку кодов команд и поочередно передают их в дешифратор команд ID. Узлы, расположенные в правой части, исполняют каждую из команд в соответствии с сигналами, формируемыми этим дешифратором.

Сначала разберемся с процессом выборки команд.

Счетчик команд

Команды обычно располагаются в памяти программ последовательно, а счетчик команд PC является обычным счетным регистром, определяющим местонахождение текущей команды. Этот суммирующий счетчик иногда называют (может быть, даже более правильно) указателем команд.

Поскольку счетчик команд подключен через внутреннюю шину данных к исполнительному блоку, мы можем использовать АЛУ для управления этим регистром и изменения предопределенной последовательности исполнения команд. Таким образом, можно реализовать различные команды перехода к другим частям программы, а также команды пропуска.

Конвейер

В двух регистрах команд содержатся коды команд, считанные из памяти программ. В начало конвейера (в первый регистр команд, IR1) загружается код n-й команды и хранится там для обработки в следующем цикле. Это позволяет исполнять команду n - 1, находящуюся в конце конвейера (во втором регистре команд, IR2) одновременно с выборкой n-й команды и загрузкой ее в конвейер. Работа конвейера показана на Рис. 3.7.

Дешифратор команд

Дешифратор команд ID является «мозгами» ЦПУ — он дешифрует код команды, находящийся в регистре IR2, и формирует в определенной последовательности сигналы для исполнительного блока, необходимые последнему для определения местоположения операнда (если таковой имеется) в памяти данных и для переключения АЛУ в заданный режим. На Рис. 3.4 показано выполнение команды movf h’25’,w (копирование содержимого регистра данных с адресом h’25’ в рабочий регистр).

* * *

Исполнительный блок осуществляет обращения к памяти данных и конфигурирование АЛУ. Работой исполнительного блока управляет дешифратор команд, функционирование которого, в свою очередь, зависит от значения кода команды n — 1, находящегося в регистре команд IR2.

Исполнительный блок обрабатывает все числа группами по восемь битов, данные во всех регистрах и в памяти данных также хранятся побайтно. Поэтому о таком компьютере обычно говорят как о 8-битном процессоре.

Регистр адреса

Когда ЦПУ собирается обратиться к ячейке (регистру) памяти данных, он помещает адрес этой ячейки в регистр адреса FAR. При этом производится непосредственная адресация памяти данных по ее шине адреса. Как показано на Рис. 3.4, из памяти данных считывается регистр с адресом h’25’, и его содержимое защелкивается во внутреннем регистре данных FDR процессора.

Регистр данных

Этот «двунаправленный» регистр выполняет две функции:

• Хранит содержимое адресованного регистра данных, если ЦПУ осуществляет цикл чтения. Именно это происходит при выполнении 1-й команды (movf h’25’,w), которая пересылает (копирует) содержимое регистра с адресом h’25’ в рабочий регистр.

• Хранит данные, которые ЦПУ собирается записать в адресованный регистр данных. Такой цикл записи, в частности, имеет место при выполнении команды movwf h’26’, которая пересылает (копирует) содержимое рабочего регистра в регистр с адресом h’26’.

Арифметико-логическое устройство

АЛУ выполняет арифметические и логические операции, определяемые значением кода режима (см. Рис. 2.10 на стр. 39), который извлекается из кода команды дешифратором команд.

Регистр состояния

Этот регистр содержит флаги нуля Z и переноса С, которые устанавливаются соответственно, если результат операции равен нулю и если в результате сложения возник перенос.

Рабочий регистр