Структура простейшей памяти

Запись в память или считывание из нее происходит при наличии доступа в память. Обычно память выполняется с последовательным или произвольным доступом. Последовательный доступ означает, что к требуемым данным нужно последовательно пройти через всю память, расположенную до размещения искомых данных.

В случае произвольного доступа данные могут быть записаны в любую ячейку памяти или считаны из нее за определенное фиксированное время, называемое временем доступа в память. Оперативные и постоянные запоминающие устройства микро-ЭВМ являются устройствами памяти с произвольным доступом, существенно более быстродействующими, чем устройства с последовательным доступом.

Изучаемый тип микро-ЭВМ обладает адресной шиной из 16 линий, которые могут обеспечить 65 536 (2¹⁶) различных комбинаций 0 и 1. На рис. 4.2 приведено множество двоичных комбинаций. Обычно принято двоичный адрес представлять в шестнадцатеричной форме. Как видно из рис. 4.2, 0000 0000 0000 0000₂=0000Н (0000₁₆).

Напомним, что здесь Н указывает на то, что речь идет о шестнадцатеричной системе счисления (Н-код). Наиболее значимым адресом на рис. 4.2 будет 1111 1111 1111 1111₂ или FFFFH.

Рис. 4.2. Адресная система микро-ЭВМ.

Схема на pиc. 4.3 представляет собой воображаемую память микро-ЭВМ. Адресная шина микропроцессора 16-разрядная, она может сформировать 65 536 (0000—FFFFH) индивидуальных адресов (некоторые из них представлены в шестнадцатеричной записи слева на рис. 4.3). В случае этой специальной микро-ЭВМ первые 256 (00—FFH) ячеек памяти являются содержимым ПЗУ с объемом памяти 256x8 бит (т. е. 256 слов по 8 бит). Если адресная шина формирует адрес 0000Н, ПЗУ передает программированную комбинацию из 0 и 1, содержащуюся в постоянной памяти (слово 1100 0011).

Для людей, начинающих работать в области микропроцессорной техники, удобно, когда 256 (00—FFH) первых бит или слов данных в ПЗУ помещены на странице 00Н. Заметим, что номер страницы равен представлению в шестнадцатеричном коде старшего байта адреса (рис. 4.3). При этих условиях, манипулируя данными на странице ООН, рассматриваются только две шестнадцатеричные цифры младшего разряда адреса. Некоторые микропроцессоры используют упрощенные команды для доступа к ячейкам памяти первой страницы памяти.

Воображаемая элементарная память на рис. 4.3 показывает, что страницы от 01Н до 1FH (адреса от 0100Н до 1FFFH) в атом отдельном случае не содержат данных а памяти. Получение доступа в эту открытую зону повлечет непредвиденный результат, поскольку она не содержит пи определенных данных, ни программы. Оперативная память для чтения-записи расположена на странице 20Н (рис. 4 3). Устройство размещения данных—это ОЗУ 256x8бит.

Составители этой системы могли бы расположитьэто ОЗУ на любой другой странице. Доступ к страницам 21Н—FFH в этом случаевызовет появление непредвиденного результата по меревхождения в эту зону, здесь не существует никакой определенной информации.

Если понадобится записать данные в ячейку памяти 2000Н (рис. 4.3), восемь элементарных ячеек памяти в начале ОЗУ будут заполнены сочетанием нулей и единиц, поступающих с шины данных. Если микропроцессор захочет затем считать из ячейки памяти по адресу 2000Н,в ОЗУбудет прочитано то же сочетание нулей и единиц.

Физически ОЗУ должно быть, очевидно, составлено единственной ИС. Но получается, однако, что очень часто ОЗУ строятся иначе. На рис. 4.3 заштрихованная часть размещения данных в ОЗУ разделена посредине вертикально. Это указывает на то, что в этом случае зона размещения данных на странице 20Н физически состоит из двух различных ИС. Здесь для реализации зоны памяти 256X8 на странице 20Н микро-ЭВМ использованы два ОЗУ 256X4 бит.

На рис. 4.4 приведены три варианта реализуемых устройств ИС полупроводникового ОЗУ. На рис. 4.4, а единая ИС организована в ОЗУ 256X8 бит, на рис. 4.4,6 две ИС составляют такую же зону размещения данных и, следовательно, два ОЗУ 256X4 бит позволяют составить слово из 8 бит. Наконец, восемь ОЗУ на рис. 4.4, в формируют также устройство размещения для записи-чтения данных 256X8 бит.

Рис. 4.4. Три способа формирования памяти микро-ЭВМ:

а — на одном кристалле; 6—на двух кристаллах: а—на восьми кристаллах

Устройство, представленное на рис. 4.4, в, широко используется для составления обширной памяти. Обычно используют ИС ОЗУ 1024X1, 4096X1, 16384X1 бит. Используя способ, показанный на рис. 4.4, в, восемь ОЗУ 4096X1 бит будет достаточно для формирования оперативной памяти 4096X8 бит.

Отметим, что в этом типе конфигурации такие ОЗУ будут активизированы одной и той же линией выбора кристалла, исходящей из дешифратора адресов,

В системе микро-ЭВМ объем памяти (или память 4096X8 бит) составляет 4 Кбайт {4 К=4096ю байт памяти)¹.

Упражнения

4.18. Запись в ячейки памяти или считывание из них представляет собой _____ (доступ в, поиски) память.

4.19. Оперативное и постоянное запоминающие устройства, используемые в микро-ЭВМ, являются примерами памяти с (произвольным, последовательным) доступом.

4.20. См. рис. 4.2. Зная адрес, выставленный на адресную шину, 0010 0000 0000 0000, определить какая ячейка памяти (в шестнадцатеричном коде) доступна микропроцессору?

4.21. См. рис. 4.3. Зная, что адресуется ячейка памяти микро-ЭВМ 0001H, (ПЗУ, ОЗУ) выдаст

(привести 8 бит).

4.22. См. рис. 4.3. Что появится на шине данных, если МП считывает содержимое ячейки памяти FFFFH?

4.23. См. рис. 4.3. Зная, что адресуется ячейка памяти 2001Н микро-ЭВМ и что элемент памяти находится в состоянии записи, какой______ (байт, тетрада) будет записан в (ОЗУ, ПЗУ)?

4.24. На рис. 4.3____________ (ОЗУ, ПЗУ) состоит из единственной ИС.

4.25. Оперативное запоминающее устройство на рис. 4.3 расположено на странице.

4.26. Восемь ИС ОЗУ 16 384x1 бит могли бы быть составлены как ИС на рис. 4.4, в для того, чтобы образовать память 16 384 Х8 бит, что составит К.

4.27. См. рис. 4.3. Какая наибольшая емкость памяти может быть адресована 16 адресными линиями?

Решения

4.18. Доступ в. 4.19. Произвольным. 4.20. 0010 0000 0000 0000 = 2000Н, т.е. микропроцессору доступна ячейка памяти 2000Н,если на адресную шину подано 0010 0000 0000 0000. 4.21. Согласно рис. 4.3 ПЗУ, доступное по адресу 0001Н, постоянно будет выдавать помещенные в него данные 0000 0001. 4.22. В ячейке памяти FFFFH данных нет, результат непредвидим. 4.23. Согласно рис. 4.3 адрес 2001Н принадлежит ОЗУ и каждое слово содержит 8 бит, т. е. байт. 4.24. ПЗУ. Что касается ОЗУ, оно, очевидно, составлено из двух ИС ОЗУ 256X4 бит. 4.25. 20Н. 4.26. 16 К, содержащих 16 384 байт или слов. 4.27. 64К. Адресная часть содержит от 0000Н до FFFFH или 65536₁₀ ячеек памяти. В данном случае слово памяти составляет 8 бит. В другие системах длина слова может составлять от 4 до 16 бит,

Состав команд

Группа команд, которые может выполнять данный МП, называется его составом команд. Состав команд МП может содержать как малое число (восемь), так и большое число (200) основных команд. Составы команд не являются нормализованными. Это неудобство связано как с индивидуальным подходом к разработке, так и с различиями архитектуры и назначений МП.

Имеется много способов классификации команд одного состава. В этой главе согласно нормативам, предложенным научным обществом инженеров-электронщиков, мы изучим следующие команды: арифметические, логические, передачи данных, вызова подпрограмм, возврата из подпрограмм, прочие.

Элементарный МП будет представлен следующим составом арифметических команд: сложение, вычитание, инкрементирование, сравнение, отрицание.

Некоторые конкретные МП могут обладать другими арифметическими командами, такими, как сложение с переносом, вычитание с заемом, умножение и деление.

Элементарный МП наделяется следующими логическими командами: И, ИЛИ, ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ, НЕ (отрицание), сдвиг вправо, сдвиг влево.

Некоторые МП, кроме того, наделены такими логическими командами, как арифметический сдвиг вправо, циклические сдвиги вправо и влево, циклические сдвиги вправо и влево с переносом и тестирование.

Наш же элементарный процессор всегда наделяется командами передачи данных: загрузки, размещения, перемещения, ввода, вывода.

Более сложный состав будет содержать команды обмена, сброса и инициализации.

Что касается команд ветвления, они следующие: безусловный переход; переход, если нуль; переход, если не нуль; переход, если равенство; переход, если неравенство; переход, если положительно; переход, если отрицательно. Другие команды условных переходов, имеющиеся в некоторых микропроцессорах, могут зависеть от таких условий, как: больше или меньше, сдвиг или нет, переполнение или нет. Команды ветвления являются командами принятия решений.

Элементарный микропроцессор будет наделен командой вызова подпрограммы (обычно CALL—вызов), чтобы программа могла перейти к специальной группе команд, которые решают поставленную задачу. Все МП обладают командой безусловного вызова, а некоторые наделены командой условного вызова, например, CALL, если нуль; CALL, если не нуль; CALL, если положительно или не положительно, и т. д.

В конце выполнения подпрограммы МП должен иметь возможность возврата в точку отправления из начальной программы. Эта операция выполняется командой возврата. Эта команда обычно безусловна, но некоторые МП снабжены и условным возвратом.

Наконец, прочими командами элементарного МП будут: нет операции, поместить в стек, выйти из стека, ожидание, останов.

Возможны и другие команды: прерывания активизации или сброса, останова, десятичной коррекции.

Пользователи микропроцессорных систем встречаются с многочисленными способами выражения одних и тех же команд. Из этого множества приведем команду сложения двух чисел для микропроцессора Motorola 6800. Имя команды является активной формой глагола и называется операцией. В табл. 4.1 выполняемой операцией является сложение.

Пользователи работают часто с сокращенными формами выражения операции, которые являются обычно мнемоническими. В табл. 4.1 мнемоникой сложения является

ADD А (отметим, что мнемоники всегда записываются большими буквами). Регистр команд и схема декодирования понимают только язык нулей и единиц. Код операции (КОП) является шестнадцатеричным представлением 8-разрядного двоичного кода, который заставляет МП выполнить эту команду. В табл. 4.1 КОП для МП Motorola 6800 для ADD А будет 8ВН (1000 1011₂). В колонке символики в табл. 4.1 показывается, что содержимое памяти (М) складывается с содержимым аккумулятором (А) в МП, стрелка указывает, что результат помещается в аккумулятор А.

На рис. 45 приведен пример использования команды сложения ADD А. Содержимое (А) аккумулятора (0001 1110₂) складывается с содержимым (М) памяти (0000 1111₂), сумма (0010 1101₂) помещается в аккумулятор (справа). Заметим, что содержимое ячейки памяти не изменилось, тогда как содержимое аккумулятора стало другим.

Упражнения

4.28. Группа операций, которые может выполнить МП, представляет его.

4.29. Перечислить семь групп состава команд МП.

4.30. Операция ADD выполняется по команде арифметических действий, тогда как операция ИЛИ выполняется по команде действий.

4.31. Операция сдвига выполняется командой ____________ действий.

4.32. Перечислить пять основных операций передачи данных, которые можно найти в составе команд МП.

4.33. Операции принятия решений выполняются по командам.

4.34. Перечислить команды условного перехода состава команд МП.

4.35. Специальная группа команд, которая в ходе решения текущей задачи может часто повторяться, называется (индексом, подпрограммой).

4.36. Какую текущую команду отрабатывает МП, ответвляясь в подпрограмму?

4.37. Какая команда в конце подпрограммы приводит МП в основную программу?

4.38. Перечислить пять различных команд, принадлежащих составу команд многих МП?

4.39. См. табл. 4.2. Что следует записать в верхней строке таблицы при операции вычитания?

4.40. См. рис. 4.6. Число 80Н (Н-код) представляет собой.

4.41. См. рис 4.6. После выполнения операции SUB А в аккумуляторе будет.

Решения

4.28. Состав команд. 4.29. Арифметические, логические, передачи данных, ветвления, вызова подпрограмм, возврата из подпрограмм, прочие. 4.30. Логических. 4.31. Логических. 4.32. Загрузка, размещение, перемещение, ввод, вывод. 4.33. Ветвления. 4.34. Переход, если 0, если не 0, если равно, если не равно, если положительно, если отрицательно, если больше, если меньше, если сдвиг, если сдвига нет, если переполнение, если переполнения нет. 4.35. Подпрограммой. 4.36. Команду CALL. 4.37.- Команда возврата RETURN (RET). Эта команда может также восстанавливать некоторые регистры в их начальное состояние.

4.38.Нет операции, поместить в стек, извлечь из стека, ожидание, останов, прерывание активизации, сброс, захват, десятичная коррекция.

4.39.Сокращение SUB А является мнемонической записью операции вычитания из содержимого аккумулятора. Следовательно, над SUB A должно быть записано «Мнемоника» 4.40. Код операции (КОП). 4.41. В двоичном коде 0011 0111—00101101 = 0000 1010 (десятичные 55— 45=10). Таким образом, аккумулятор будет содержать 0000 1010₂ после выполнения операции SUB A.

Занятие 40

Структура элементарного микропроцессора. Функционирование микро-ЭВМ