マイコンにおいて、演算器と制御器を総称して何というでしょう？

マイコンでは、演算装置と制御装置を総称して「マイクロプロセッサ」と呼びます。マイクロプロセッサとは、1つまたは少数の大規模集積回路から構成される中央処理装置であり、一般にマイクロプロセッサチップには、コントローラ、演算装置、レジスタ、およびそれらを接続する内部バスなどのコンポーネントが集積されています。

#マイコンでは、演算装置と制御装置を総称して「マイクロプロセッサ」と呼びます。

マイクロプロセッサは、1 つまたはいくつかの大規模集積回路で構成される中央処理装置です。これらの回路は、制御コンポーネントと算術論理コンポーネントの機能を実行します。

一般に、マイクロプロセッサ チップは、コントローラ、演算ユニット、レジスタ、およびそれらを接続する内部バスなどのコンポーネントと統合されています。

マイクロプロセッサは、命令のフェッチ、命令の実行、外部メモリやロジック コンポーネントとの情報交換などの操作を実行することができ、マイクロコンピュータの演算制御部分です。メモリや周辺回路チップと組み合わせてマイクロコンピュータを構成できます。

構成

マイクロプロセッサは、算術論理演算ユニット (ALU、Arithmetic Logical Unit)、アキュムレータ、および汎用レジスタ群で構成されます。 ; プログラム カウンター (命令インジケータとも呼ばれます); タイミングおよび制御ロジック コンポーネント; データおよびアドレス ラッチ/バッファ; 内部バス構成。オペレーターとコントローラーがその主要コンポーネントです。

算術論理ユニット

算術論理ユニット ALU は、主に算術演算 (、-、×、÷、比較) とさまざまな論理演算 (AND、OR、NOT) を実行します。 、XOR、シフト）およびその他の演算。 ALU は組み合わせ回路であり、オペランドを登録する機能を持たないため、オペランドを格納するための一時レジスタ TMP と、ALU にオペランドを与えるだけでなく、ALU の演算結果を受け取るアキュムレータ AC の 2 つのレジスタが必要になります。

レジスタアレイは、実際にはマイクロプロセッサ内のRAMに相当し、汎用レジスタ群と特殊レジスタ群の2つの部分から構成されます。汎用レジスタ(A、B、C、D)は、操作に参加するデータの保存、中間結果またはアドレス。通常、これらは 2 つの 8 ビット レジスタとして使用できます。これらのレジスタをプロセッサ内に設けることで、メモリへの頻繁なアクセスを回避し、命令長や命令実行時間を短縮し、マシンの動作速度を向上させ、プログラミングを容易にすることができます。特殊レジスタにはプログラムカウンタPC、スタックポインタSP、フラグレジスタFRがあり、機能は固定されており、アドレスまたはアドレスベース値を格納するために使用されます。その中には次のものがあります:

#A) プログラム カウンタ PC は、次に実行される命令のアドレスを格納するために使用され、プログラムの実行順序を制御します。命令を順次実行する条件では、命令を 1 バイトフェッチするたびに PC の内容が自動的に 1 ずつ増加します。プログラム転送が発生すると、新しい命令アドレス (ターゲット アドレス) を PC にロードする必要があります。これは通常、転送命令によって実装されます。

B) スタック ポインタ SP は、スタックの先頭アドレスを格納するために使用されます。スタックはメモリ内の特定の領域です。これは「後入れ先出し」方式に従って動作します。新しいデータがスタックにプッシュされると、スタック内の元の情報は変更されず、スタックの先頭位置のみが変更されます。データがスタックからポップされると、スタックの先頭のデータがポップされる スタックの先頭の位置を自動的に調整します。言い換えれば、データがスタックからプッシュまたはポップされるとき、それは常にスタックの最上位で実行されます。スタックが初期化されると (つまり、メモリ内のスタックの一番下の位置が決定され)、SP の内容 (つまり、スタックの一番上の位置) は CPU によって自動的に管理されます。

C) フラグ レジスタは、プログラム ステータス ワード (PSW) レジスタとも呼ばれ、算術および論理演算命令の実行後の結果の特性を保存するために使用されます。たとえば、結果が 0 の場合、キャリーまたはオーバーフローフラグが生成されるなど。

タイミングおよび制御ロジックはマイクロプロセッサの中核となる制御コンポーネントであり、メモリからの命令のフェッチ、命令の分析 (つまり、命令のデコード) による命令の動作とオペランド アドレスの決定など、コンピュータ全体の制御を担当します。オペランド、命令で指定された演算の実行、演算結果のメモリやI/Oポートへの送信などを行います。また、対応する制御信号をマイクロコンピュータの他のコンポーネントに送信して、CPU の内部コンポーネントと外部コンポーネントを調整します。

内部バスは、マイクロプロセッサの機能コンポーネントを接続し、マイクロプロセッサ内でデータと制御信号を送信するために使用されます。

マイクロプロセッサ自体は、独立して動作するシステムを構成することはできませんし、プログラムを独立して実行することもできません。独立して動作するには、メモリと入出力デバイスを備えて完全なマイクロコンピュータを形成する必要があります。 。

メモリ

マイコンのメモリは、現在使用中または頻繁に使用されるプログラムやデータを保存するために使用されます。メモリは、読み取りおよび書き込み方法に基づいて、ランダム アクセス メモリ (RAM) と読み取り専用メモリ (ROM) に分類されます。 RAM は読み取り/書き込みメモリとも呼ばれ、CPU は作業中、必要に応じていつでもその内容を読み書きできます。 RAM は揮発性メモリです。つまり、電源を切ると内容が失われるため、一時的なプログラムとデータしか保存できません。 ROM は読み出しのみで書き込みはできず、電源を切っても記憶内容は変化しない不揮発性メモリです。したがって、ROM は永続的なプログラムやデータを保存するためによく使用されます。初期ブートプログラム、監視プログラム、オペレーティングシステムの基本入出力管理プログラムBIOSなど。

I/O インターフェイス

入出力インターフェース回路はマイコンの重要な部品です。マイコンと外部入出力機器や各種制御対象を接続し、外部との情報交換を行う論理制御回路です。ペリフェラルは構造、動作速度、信号形式、データフォーマットが異なるため、システムバスに直接接続することはできず、入出力インターフェース回路を介してCPUとの情報交換を中間変換する必要があります。 I/O インターフェイスは I/O アダプタとも呼ばれ、異なる周辺機器には異なる I/O アダプタが装備されている必要があります。 I/Oインターフェース回路はマイコン応用システムに欠かせない重要な部分です。マイコンアプリケーションシステムの開発・設計は、実はI/Oインターフェースの開発・設計が主になります。したがって、I/O インターフェース技術はこのコースで説明する重要な内容の 1 つであり、第 8 章で詳しく紹介します。

バス

バスは、コンピュータ システム内のコンポーネント間で情報を送信するための共通チャネルであり、マイクロコンピュータの重要なコンポーネントです。これは、複数の通信ラインと、駆動および絶縁用のさまざまなスリーステート ゲート デバイスで構成されます。マイコンの構造は必ずバス構造を採用しており、マイコンを構成する機能部品（マイコン、メモリ、入出力インターフェース回路など）がバスを介して接続される、マイコンシステム特有の構造となっています。 。バス構造の採用により、システム内の機能部品間の相互関係は、バスに面した各部品間の単一の関係となり、バス規格に準拠した部品（機能ボード/カード）であれば接続可能となります。このバス規格を利用したシステムに接続できるため、システムの機能拡張や更新が容易で、構造がシンプルで信頼性が大幅に向上します。マイコンでは、図 1.4 に示すように、バスはその位置や用途に応じて次の 4 つのレベルに分けられます。

(1) オンチップバス: マイクロプロセッサチップの内部にあるため、チップ内部バスと呼ばれます。マイクロプロセッサの内部 ALU や各種レジスタなどのコンポーネント間の相互接続や情報伝達に使用されます (図 1.3 の内部バスはオンチップバスです)。チップ面積と外部ピン数の制限により、ほとんどのオンチップ バスはシングル バス構造を採用しており、チップの集積度や歩留まりを向上させることができますが、内部データ転送の高速化が必要な場合には、デュアル バスまたはデュアル バス構造が採用されています。 3バス構成でも使用可能です。

(2) チップ バス: チップ バスは、コンポーネント レベル (チップ レベル) バスまたはローカル バスとも呼ばれます。マイコンのマザーボード、シングル トリガー、その他のプラグイン ボードやカード (さまざまな I/O インターフェイス ボード/カードなど) 自体が完全なサブシステムであり、ボード/カードには CPU、RAM、ROM、および I/O インターフェイスが含まれています。このようなチップもバスを介して接続されます。これにより、構造が簡素化され、接続が減り、信頼性が向上し、情報の送信と制御が容易になります。さまざまなボードやカード上のチップを接続するバスは、通常、チップ バスまたはコンポーネント レベル バスと呼ばれます。

完成したマイコンと比較すると、さまざまなボード/カードはサブシステムや部品にすぎないため、チップ バスはローカル バスとも呼ばれ、マイコンの機能コンポーネントを接続するために使用されます。プラグインカードのバスはシステムバスと呼ばれます。ローカルバスは重要な概念であり、第 7 章で説明します。

(3) 内部バス: 内部バスは、システム バスまたはボードレベル バスとも呼ばれます。このバスは、図 1.2 に示すように、マイコンの機能コンポーネントを接続して完全なマイコン システムを形成するために使用されるため、システム バスと呼ばれます。システムバスはマイコンシステムにおいて最も重要なバスであり、一般にマイコンバスと呼ばれているものは、PCバス、ATバス(ISAバス)、PCIバスなどのシステムバスを指します。システムバスはこれから説明する重要なポイントの 1 つです。

システムバス上で伝送される情報にはデータ情報、アドレス情報、制御情報が含まれるため、システムバスにはデータバスDB(Data Bus)とアドレスバスAB(Address)の3つの機能を持ったバスが存在します。図 1.2 に示すように、バス) と制御バス CB (Control Bus) を接続します。

データバスDBは、データ情報を伝送するために使用されます。データ バスは双方向のスリーステート バスです。つまり、CPU からメモリや I/O インターフェイスなどの他のコンポーネントにデータを送信したり、他のコンポーネントから CPU にデータを送信したりすることもできます。データ バスのビット数はマイクロコンピュータの重要な指標であり、通常はマイクロプロセッサのワード長と一致します。たとえば、Intel 8086 マイクロプロセッサのワード長は 16 ビットで、データ バス幅も 16 ビットです。データの意味は幅広く、実際のデータ、命令コードやステータス情報、場合によっては制御情報も含まれるため、実際の作業では、データ バス上で送信されるものは必ずしも単なるデータではありません。本当の意味でのデータ。

アドレス バス AB は、アドレスの送信に特別に使用されます。アドレスは CPU から外部メモリまたは I/O ポートにのみ送信できるため、アドレス バスは常に片方向の 3 ステートになります。データバスとは異なります。アドレス バスのビット数によって、CPU が直接アドレス指定できるメモリ空間のサイズが決まります。たとえば、8 ビット マイコンのアドレス バスが 16 ビットの場合、最大アドレス指定可能な空間は 2^16=64KB になります。 16 ビット マイコンのアドレス バスは 2^16=64KB.20 ビットなので、アドレス指定可能な空間は 2^20=1MB です。一般に、アドレス バスが n ビットの場合、アドレス指定可能な空間は 2^n バイトです。

制御バスCBは、制御信号やタイミング信号を伝送するために使用されます。制御信号の中には、読み取り/書き込み信号、チップ選択信号、割り込み応答信号など、マイクロプロセッサによってメモリおよび I/O インターフェイス回路に送信されるものと、他のコンポーネントによって CPU にフィードバックされるものがあります。割り込みアプリケーション信号、リセット信号、バス要求信号、制限付きレディ信号など。したがって、制御バスの伝送方向は特定の制御信号によって決定され、通常は双方向であり、制御バスのビット数はシステムの実際の制御ニーズに応じて決定されます。実際、制御バスの具体的な状況は主に CPU に依存します。

(4) 外部バス: 通信バスとも呼ばれます。 2つのマイコンシステム間や、マイコンシステムと他の電子機器や電子機器との間の通信など、2つのシステム間の接続・通信に使用されます。一般的に使用される通信バスには、IEEE-488 バス、VXI バス、RS-232 シリアル バスなどがあります。外部バスはマイコンシステム自体に固有のものではなく、マイコン応用システムにのみ存在します。

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