Система команд мікропроцесорів

Найнижчим рівнем, який дозволяє описувати роботу цифрових пристроїв це рівні логічних станів їх входів та виходів таблиці станів.

Наступним рівнем є спосіб описання — це мова значень вхідних та вихідних сигналів, що складають мову мікрокоманд. Сукупність адрес та керуючих сигналів називаються мікрокомандою.

Третій рівень формалізації описання роботи мікропроцесора — це мова команд — тобто строга послідовність мікрокоманд, що записується в пам’яті мікропроцесорів. Тобто, команда, це слово, або набір слів, які дешифруються в послідовність мікрокоманд. Звідси витікає, що будь-який процесор має строго фіксований і обмежений набір команд, який є характерним для данного процесора. Будь-яка мікрокоманда характеризується своїм форматом. Під форматом мікрокоманди розуміється її протяжність та призначення кожного біта або їх групи. Команди, також мають свій фіксований формат. (Протяжність мікрокоманди — це стандартна для данного процесора кількість біт в слові). В залежності від протяжності команди, вона може складатися з одного, двох, та трьох слів.

Формат пам’яті мікропоцесорної системи також тісно пов’язаний з довжиною слова. Тому при зберіганні таких команд відповідно використовується адресний простір та пам’ять. Якщо, наприклад, команда складається з трьох слів, а використовується з послідовною адресацією, то для зберігання такої команди використовуються три послідовні адреси. Для того, щоб таку команду вибрати з пам’яті, необхідно мати спеціальні засоби, щоб забезпечити її представлення як єдине ціле.

Структура команд повністю залежить від структури мікропроцесора, але незалежно від типу процесора прийнято вважати, що однослівні команди повністю складаютья з коду операції. Двослівні команди складаються з коду операції та однослівного операнда. Трислівні команди також складаються з двох частин: перша частина — код операції, а друга — адреса, або двослівний операнд.

Типи команд, що використовуються, тісно пов’язані з внутрішньою організацією та алгоритмом функціювання мікропрограмного автомата процесора, та внутрішньою системою синхронізації. Мікропроцесорна система функціонує синхронно з частотою тактових сигналів зовнішнього генератора. В залежності від типу мікропроцесорів використовується одноабо двохфазна синхронізація. Незалежно від цього в мікропроцесорних системах використовуються триваліші інтервали часу, ніж тактовий інтервал зовнішнього генератора. Одним з таких інтервалів є машинний цикл — це інтервал, протягом якого мікропроцесор звертається до пам’яті або пристрою вводу-виводу. Машинний цикл (МЦ) складає тільки частину циклу команди. На початку кожного МЦ на одному з виходів мікропроцесора з’вляється сигнал синхронізації, він передається по лінії шини керування в пам’ять або пристрої вводу-виводу і «сповіщає» про початок нового МЦ, в результаті чого досягається узгодження в часі зовнішніх пристроїв з роботою мікропроцесора.

Цикл команди — це інтервал часу, необхідний для виборки з памєяті команди, та її виконання. Він складається з 1−5 машинних циклів. Їхнє конкретне число залежить від складності операції, яка виконується в данній команді і дорівнює числу звернень мікропроцесора до пам’яті. Тривалість виконання команди визначається кількістю тактів в циклі команди та тривалістю такту.

Протягом циклу команди, що ділиться на дві фази, робота мікропроцесора виконується в такій послідовності. Пристрій керування задає початок чергового циклу шляхом формування сигналу, по якому число, що знаходиться в лічильнику команд, відправляється в буферний регістр адреси і через нього направляється для дешифрації. Після приходу від мікропроцесору сигналу керування 'готовий' з елемента пам’яті, що знаходиться по вказаній адресі, зчитується слово команди, яке подається по шині даних в буферний регістр данних, а потім в пристрій керування, де дешифрується з допомогою кода операції. Ця послідовність операцій називається фазою виборки. За нею слідує виконавча фаза, в якій пристрій керування формує послідовність сигналів, необхідних для виконання команди. За цей час число, що знаходиться в лічильнику команд, збільшується на 1 (якщо довжина команди є 1) і формується адреса команди, що стоїть слідом за виконуємою. Вона зберігається в лічильнику до приходу сигналу, що задає початок чергового циклу команди.

Окрім адреси елемента в якому зберігається необхідний байт від мікропроцесора до пам’ті поступає сигнал по шині керування, який визначає характер операції — запис, або зчитування. Виконання вказаних операцій проходить протягом інтервалу часу, що називається часом доступу. По закінченні цього інтервалу від пам’яті в мікропроцесор подається сигнал готовності, який є сигналом початку прийому, або, відповідно, передачі сигналів в пам’ять. До одержання сигналу готовності мікропроцесор перебуває в стані очікування. Інтервал часу між імпульсами звернення до зовнішніх пристроїв та одержання від них відповіді називається циклом очікування.

Якщо, наприклад, цикл команди розглядати відповідно до команди вводу данних, то перші два машинних цикли будуть відноситись до фази виборки, а третій — до фази виконання команди. В усіх машинних циклах передається адреса, але в кожному циклі адреса належить своєму адресату, в першому — це адреса елемента, де здерігається код операції, в другому — адреса порта, що здерігає байт данних, в третьому — адреса акумулятора мікропроцесора, куди повинен поступити байт данних з порта.