Koncom šesťdesiatych a začiatkom sedemdesiatych rokov sa objavil nový druh elektronickej súčiastky,
ktorý zásadným spôsobom ovplyvnil počítačovú techniku - mikroprocesor.
Stal sa hlavnou časťou mikropočítača, ktorá určuje charakter a ovplyvňuje výkon celého systému.
Neskôr bolo možné s postupnou integráciou zlúčiť všetky obvody mikropočítača do jedného integrovaného obvodu,
a tým vznikla rada jednočipových mikropočítačov. V tejto skupine počítačov prebiehal najintenzívnejší vývoj
pri ktorom sa zväčšovala kapacita pamäte programu, aj dát a rozširovala sa zostava periférnych zariadení.
Jednočipové mikropočítače vhodné na riadenie v reálnom čase museli byť rozšírené o dôležité moduly ako napríklad časovače,
prevodníky a modulátory. Takýmto mikropočítačom hovoríme riadiace mikropočítače (microcontroller). Je možné povedať,
že riadiaci mikropočítač je užšie špecializovaný, menej univerzálny jednočipový mikropočítač. Jednočipová verzia riadiaceho mikropočítača,
ktorá býva zabudovaná na čipe do zložitejších číslicových štruktúr, sa nazýva vnorený mikropočítač (embedded microcontroller). [16.1, 16.2, 16.4]
Ako univerzálna štruktúra mikropočítača sa najčastejšie používa jednozbernicová štruktúra počítača,
pretože zmena funkcie tohto systému sa dosiahne len zmenou programu (zmení sa len algoritmus – postupnosť inštrukcií)
pri minimálnej zmene štruktúry siete obvodu.
RJ – riadiaca jednotka (Control Unit) – koordinuje činnosť modulov zoskupených okolo vnútornej zbernice.
RJ obsahuje mikroprogramovú pamäť (v nej sa nachádza postupnosť príkazov na realizáciu jednotlivých inštrukcií programu),
programové počítadlo PC (Program Counter), register inštrukcií IR (Instruction Register) a ďalšie obvody.
ALJ – aritmeticko-logická jednotka Arithmetic-Logic Unit) – vykonáva v počítači aritmetické a logické operácie,
uskladňuje medzivýsledky pri operáciách v pracovných registroch,
zaznamenáva stav charakterizujúci výsledky operácií v tzv. príznakových registroch.
CP – centrálny procesor (Central Processing Unit) - je model počítača v ktorom sa fyzicky nachádza RJ spolu s ALJ.
OP – operačná pamäť (Memory) – uchováva program mikropočítača a údaje. Čítané alebo zapisované údaje majú najčastejšie dĺžku 8, 16, 32, ... bitov
PV/V – paralelný vstup/výstup (Parallel Input/Output) – nám sprostredkováva prenos údajov medzi periférnym zariadením PZ a CP.
V jednom takte diskrétneho času sa naraz prenáša napríklad 8-bitový údaj.
SV/V – sériový vstup/výstup (Serial Input/Output) – nám sprostredkováva prenos údajov medzi periférnym zariadením PZ a CP.
V jednom takte diskrétneho času sa prenáša 1-bitový údaj. Známe sú dva spôsoby sériového prenosu: DMA – priamy prístup do pamäti (Direct Memory Access) – nám sprostredkováva prenos medzi V/V obvodom a operačnou pamäťou OP bez účasti CP.
Využíva sa pre zrýchlenie prenosu (blokový prenos údajov), procesor môže vykonávať inú úlohu. Spôsob DMA prístupu je na nasledujúcom obr.16.2 .
Zbernica (Bus) – systémová zbernica je skupina vodičov, ktorá jednotným spôsobom spája jednotlivé časti mikropočítača,
a tým umožňuje výmena informácií medzi nimi.
Základné delenie zberníc podľa ich funkcie:
Počítač s jedným adresným priestorom do ktorého sú vložené podpriestory - programový, dátový a periférny.
Obvodové riešenie je navrhnuté tak aby všetky obvody boli zahrnuté do jedného priestoru a to je docielené jedným adresným dekóderom,
ktorý aktivuje vždy len jednu skupinu obvodov a spoločným rozvodom riadiacich signálov RD a WR do všetkých obvodov.
Existujú vlastne len dva zbernicové cykly - čítanie a zápis.
Počítač s viac adresným priestorom (napr. programový, dátový, periférny). V týchto priestoroch môže existovať rovnaká adresa a preto k rozlíšeniu priestoru
nemôže slúžiť adresa, ale typ zbernicového cyklu. Máme tieto cykly: čítanie inštrukcie, čítanie dát, zápis dát, čítanie z periférnych obvodov,
zápis do periférnych obvodov, prípadne aj niektoré ďalšie. Väčší počet zbernicových cyklov využíva aj väčší počet riadiacich signálov. [16.2]
Logický integrovaný obvod, ktorý obsahuje najmenej aritmeticko-logickú jednotku ALJ a riadiacu jednotku RJ sa nazýva mikroprocesor a
tento integrovaný obvod je začlenený v štruktúre mikropočítača ako vidíme na obr.4.21.5 .
Ak integrovaný obvod obsahuje mikroprocesor (ALJ + RJ), pamäť a vstupné /výstupné obvody nazývame ho jednočipový mikropočítač.
K tomuto mikropočítaču môžeme pripojiť rôzne periférne zariadenia ako sú tlačiareň, klávesnica, myš a iné. [21.1]
16.1 Konfigurácia jednozbernicového mikropočítača
Obr.16.1 Štruktúra jednozbernicového mikropočítača
Mikropočítač, ktorého bloková schéma je na obr.16.1 obsahuje tieto hlavné časti
asynchrónny (synchronizačný znak má každá informačná jednotka ),
synchrónny (synchronizačný znak má skupina informačných jednotiek ).
Obr.16.2 Systém DMA
adresová – je jednosmernou zbernicou sprostredkovávajúcou prenos adries a tým selekciu zariadenia alebo pamäťovej bunky,
z ktorých sa dáta budú čítať, respektíve do ktorých sa dáta budú zapisovať,
riadiaca – distribuje riadiace signály zabezpečujúce riadenie a spoluprácu jednotlivých blokov mikroprocesora,
alebo aj externých zariadení pripojených k mikroprocesoru,
dátová – je obojsmernou zbernicou prenášajúcou dáta medzi jednotlivými blokmi mikroprocesora.
Poznáme aj ďalšie delenie zberníc. [16.1]
Časti a funkcie mikropočítača
Mikropočítač môžeme rozdeliť na niekoľko základných častí, medzi ktoré patria mikro-procesor, pamäť programu,
pamäť dát a periférne obvody.
Prepojenie týchto častí je v mikropočítači prevedené pomocou sústavou zberníc ako vidíme na obr.16.3 .
Pri takejto koncepcii pomocou zberníc je výhodné to, že môžeme rozširovať mikropočítač o ďalšie jednotky a to bez zmien vo vnútornom zapojení jednotiek.
Nevýhodou tohto zapojenia je, že v jednom okamihu ,môže byť pripojený len jeden zdroj dát. Potom nemôžme súčasne predávať dáta z dvoch zdrojov
k dvom príjemcom. V jednom okamihu je činnosť zbernice riadené jednou z jednotiek, ktorá je väčšinou mikroprocesor,
ale v niektorých prípadoch to môže dočasne prebrať aj iná jednotka.
Dátová zbernica je určená na prenos dát a jej šírka je väčšinou násobkom ôsmych. Jednotka pripojená na zbernicu môže byť zdrojom dát, vtedy sa z nej číta,
príjemcom dát, a vtedy sa do nej zapisuje alebo striedavo zdrojom aj príjemcom dát. Smer čítanie/zápis sa vždy rozlišuje z pohľadu od procesora.
Adresná zbernica je potrebná pre adresovanie pamätí a pre rozlišovanie medzi jednotkami pripojených na dátovú zbernicu.
Šírka adresnej zbernice určuje maximálny počet adries. Najvyššie bity adresy sú vedené do adresného dekóderu z ktorého výstupy vyberajú jednu
z jednotiek a povolujú jej činnosť. Pokiaľ je jednotkou integrovaný obvod tak sa jedná o jeho vstup CS. Nižšie bity adresy sú využité pre adresovanie
vo vnútri obvodu v rámci jednotky.
Čítanie a zápis sú riadené a presne časované prostredníctvom signálov riadiacej zbernice. Čítanie je označené ako RD a zápis je WR.
Väčšina riadiacich signálov je generovaných mikroprocesorom, ale niektoré môžu byť generované aj ostatnými jednotkami,
ktoré tak ovplyvňujú činnosť mikroprocesora. [16.2]
Adresné priestory
Adresný priestor je množina adries, na ktorú môžeme dosiahnuť jedným typom zbernicového cyklu. Potom môže existovať programový priestor,
dátový priestor, vstupný priestor, výstupný priestor a atď. Usporiadanie adresného priestoru súvisí s architektúrou počítača, so zložením riadiacej
zbernice a s inštrukčným súborom počítača. Adresný priestor môžeme znázorniť tak, ako to je na obr.16.4a,b.
V týchto prípadoch máme dva druhy adresného priestoru.
Obr.16.4a Počítač s jedným adresným priestorom
Obr.16.4a Počítač s viac adresným priestorom
16.2 Architektúra a organizácia mikroprocesora
Obr.21.5 Mikroprocesor začlenený v štruktúre mikropočítača