Микропроцессоры. Структура микропроцессора и его основные характеристики
Микропроцессор — это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех остальных блоков и выполнения арифметических и логических операций над информацией.
Микропроцессор выполняет следующие основные функции:
1) чтение и дешифрацию команд из основной памяти;
2) чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;
3) прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;
4) обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;
5) выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.
В состав микропроцессора входят следующие устройства.
1. Арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.
2. Устройство управления, которое координирует взаимодействие различных частей компьютера и выполняет следующие основные функции:
• формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;
• формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;
• получает от генератора тактовых импульсов опорную последовательность импульсов.
3. Микропроцессорная память, предназначенная для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.
4. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими устройствами компьютера. Включает в себя:
• внутренний интерфейс микропроцессора;
• буферные запоминающие регистры;
• схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной. (Порт ввода-вывода — это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство.)
К микропроцессору и системной шине наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора. К ним относятся математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.
Математический сопроцессор используется для ускорения выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично кодированными десятичными числами, для вычисления тригонометрических функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но под управлением последнего. В результате происходит ускорение выполнения операций в десятки раз. Модели микропроцессора, начиная с МП 80486 DX, включают математический сопроцессор в свою структуру.
Контроллер прямого доступа к памяти освобождает микропроцессор от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие компьютера.
Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с микропроцессором значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств, освобождает микропроцессор от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует режим прямого доступа к памяти.
Прерывание — это временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной. Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в микропроцессор.
Все микропроцессоры можно разделить на группы:
1) микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;
2) микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;
3) микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;
4) микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др.
Важнейшими характеристиками микропроцессора являются:
1) тактовая частота. Характеризует быстродействие компьютера. Режим работы процессора задается микросхемой, называемой генератором тактовых импульсов. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций выполняет микропроцессор за одну секунду. Тактовая частота измеряется в МГц;
2) разрядность процессора — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция. Чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может обрабатывать в единицу времени и тем больше, при прочих равных условиях, производительность компьютера;
3) адресное пространство. Каждый конкретный процессор может работать не более чем с определенным количеством оперативной памяти. Максимальное количество памяти, которое процессор может обслужить, называется адресным пространством процессора. Определяется адресное пространство разрядностью адресной шины.
ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА. ИХ ИЕРАРХИЯ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Персональные компьютеры имеют четыре иерархических уровня памяти:
Микропроцессорная память рассмотрена выше.
Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с другими устройствами компьютера. Функции памяти:
• прием информации от других устройств;
• выдача информации по запросу в другие устройства машины.
Основная память содержит два вида запоминающих устройств:
• ПЗУ — постоянное запоминающее устройство;
• ОЗУ — оперативное запоминающее устройство.
ПЗУ предназначено для хранения постоянной программной и справочной информации. Данные в ПЗУ заносятся при изготовлении. Информацию, хранящуюся в ПЗУ, можно только считывать, но не изменять.
В ПЗУ находятся:
• программа управления работой процессора;
• программа запуска и останова компьютера;
• программы тестирования устройств, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;
• программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью;
• информация о том, где на диске находится операционная система.
ПЗУ является энергонезависимой памятью, при отключении питания информация в нем сохраняется.
ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом компьютером в текущий период времени.
Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к памяти). Все ячейки памяти объединены в группы по 8 бит (1 байт), каждая такая группа имеет адрес, по которому к ней можно обратиться.
ОЗУ является энергозависимой памятью, при выключении питания информация в нем стирается
В современных компьютерах объем памяти обычно составляет 8-128 Мбайт. Объем памяти — важная характеристика компьютера, она влияет на скорость работы и работоспособность программ.
Кроме ПЗУ и ОЗУ на системной плате имеется и энергонезависимая CMOS-память, постоянно питающаяся от своего аккумулятора. В ней хранятся параметры конфигурации компьютера, которые проверяются при каждом включении системы. Это полупостоянная память. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера — SETUP.
Для ускорения доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью, в ней хранятся копии наиболее более часто используемых участков оперативной памяти. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя.
В кэш-памяти хранятся данные, которые микропроцессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным позволяет сократить время выполнения очередных команд программы.
Микропроцессоры, начиная от МП 80486, имеют свою встроенную кэш-память. Микропроцессоры Pentium и Pentium Pro имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд. Для всех микропроцессоров может использоваться дополнительная кэш-память, размещаемая на материнской плате вне микропроцессора, емкость которой может достигать нескольких Мбайт.
Внешняя память относится к внешним устройствам компьютера и используется для долговременного хранения любой информации, которая может потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера.
Устройства внешней памяти — внешние запоминающие устройства — весьма разнообразны. Их можно классифицировать по виду носителя, по типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, по методу доступа и т. д.
Наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами являются:
• накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);
• накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);
• накопители на оптических дисках (CD-ROM).
Реже в качестве устройств внешней памяти персонального компьютера используются запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте — стримеры.
Накопители на дисках — это устройства для чтения и записи с магнитных или оптических носителей. Назначение этих накопителей — хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство.
НЖМД и НГМД различаются лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.
В качестве запоминающей среды у магнитных дисков используются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два магнитных состояния — два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры 0 и 1. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей — дорожек (треков). Количество дорожек на диске и их информационная емкость зависят от типа диска, конструкции накопителя, качества магнитных головок и магнитного покрытия.
Каждая дорожка разбита на секторы. В одном секторе обычно размещается 512 байт данных. Обмен данными между накопителем на магнитном диске и оперативной памятью осуществляется последовательно целым числом секторов. Для жесткого магнитного диска используется также понятие цилиндра — совокупности дорожек, находящихся на одинаковом расстоянии от центра диска.
Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Это означает, что компьютер может обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где бы ни находилась головка записи и чтения накопителя.
Все диски — и магнитные, и оптические — характеризуются своим диаметром (форм-фактором). Из гибких магнитных дисков наибольшее распространение получили диски диаметром 3,5″ (89 мм). Емкость этих дисков составляет 1,2 и 1,44 Мбайт.
Накопители на жестких магнитных дисках получили название «винчестер». Этот термин возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска, имевшего 30 дорожек по 30 секторов каждая, что случайно совпало с калибром охотничьего ружья «винчестер». Емкость накопителя на жестком магнитном диске измеряется в Мбайтах и Гбайтах.
В последнее время появились новые накопители на магнитных дисках — ZIP-диски — переносные устройства емкостью 230-280 Мбайт.
В последние годы самое широкое распространение получили накопители на оптических дисках (CD-ROM). Благодаря маленьким размерам, большой емкости и надежности эти накопители становятся все более популярными. Емкость накопителей на оптических дисках — от 640 Мбайт и выше.
Оптические диски делятся на неперезаписываемые лазерно-оптические диски, перезаписываемые лазерно-оптические диски и перезаписываемые магнитооптические диски. Неперезаписываемые диски поставляются фирмами-изготовителями с уже записанной на них информацией. Запись информации на них возможна только в лабораторных условиях, вне компьютера.
Кроме основной своей характеристики — информационной емкости, дисковые накопители характеризуются и двумя временными показателями:
• скоростью считывания подряд расположенных байтов.
ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА. ИХ НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Внешние (периферийные) устройства персонального компьютера составляют важнейшую часть любого вычислительного комплекса. Стоимость внешних устройств в среднем составляет около 80-85% стоимости всего комплекса. Внешние устройства обеспечивают взаимодействие компьютера с окружающей средой — пользователями, объектами управления и другими компьютерами.
Внешние устройства подключаются к компьютеру через специальные разъемы-порты ввода-вывода. Порты ввода-вывода бывают следующих типов:
• параллельные (обозначаемые LPT1 — LPT4) — обычно используются для подключения принтеров;
• последовательные (обозначаемые СОМ1 — СОМ4) — обычно к ним подключаются мышь, модем и другие устройства.
К внешним устройствам относятся:
• устройства ввода информации;
• устройства вывода информации;
• диалоговые средства пользователя;
• средства связи и телекоммуникации.
К устройствам ввода информации относятся:
• клавиатура — устройство для ручного ввода в компьютер числовой, текстовой и управляющей информации;
• графические планшеты (дигитайзеры) — для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в компьютер;
• сканеры (читающие автоматы) — для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в компьютер машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;
• устройства указания (графические манипуляторы) — для ввода графической информации на экран монитора путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в компьютер (джойстик, мышь, трекбол, световое перо);
• сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в компьютер).
К устройствам вывода информации относятся:
• графопостроители (плоттеры) — для вывода графической информации на бумажный носитель;
• принтеры — печатающие устройства для вывода информации на бумажный носитель. Основные виды принтеров:
• матричные — изображение формируется из точек, печать которых осуществляются тонкими иглами, ударяющими бумагу через красящую ленту. Знаки в строке печатаются последовательно. Количество иголок в печатающей головке определяет качество печати. Недорогие принтеры имеют 9 иголок. Более совершенные матричные принтеры имеют 18 и 24 иглы;
• струйные — в печатающей головке имеются тонкие трубочки — сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки чернил. Матрица печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел. В настоящее время струйные принтеры обеспечивают разрешающую способность до 50 точек на миллиметр и скорость печати до 500 знаков в секунду при отличном качестве печати, приближающемся к качеству лазерной печати.
Струйные принтеры выполняют и цветную печать, но разрешающая способность при этом уменьшается примерно вдвое;
• лазерные — применяется электрографический способ формирования изображений. Лазер служит для создания сверхтонкого светового луча, вычерчивающего на поверхности предварительно заряженного светочувствительного барабана контуры невидимого точечного электронного изображения. После проявления электронного изображения порошком красителя (тонера), налипающего на разряженные участки, выполняется печать — перенос тонера с барабана на бумагу и закрепление изображения на бумаге разогревом тонера до его расплавления.
Лазерные принтеры обеспечивают наиболее высококачественную печать с высоким быстродействием. Широко используются цветные лазерные принтеры.
К диалоговым средствам пользователя относятся:
• видеотерминалы (мониторы) — устройства для отображения вводимой и выводимой информации. Видеотерминал состоит из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера (видеоадаптера). Видеоконтроллеры входят в состав системного блока компьютера (находятся на видеокарте, устанавливаемой в разъем материнской платы). Видеомониторы относятся к внешним устройствам компьютера. Основной характеристикой монитора является разрешающая способность, которая определяется максимальным количеством точек, размещающихся по горизонтали и по вертикали на экране монитора. Современные мониторы имеют стандартные значения разрешающей способности от 640 480 до 16001200, но реально могут быть и другие значения. Могут использоваться как цветные, так и монохромные мониторы;
• устройства речевого ввода-вывода информации. К ним относятся различные микрофонные акустические системы, а также различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через динамики или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.
Средства связи и телекоммуникации используются для подключения компьютера к каналам связи, другим компьютерам и компьютерным сетям. К этой группе прежде всего относятся сетевые адаптеры. В качестве сетевого адаптера чаще всего используются модемы (модулятор-демодулятор).
Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе — средствам мультимедиа.
Средства мультимедиа — это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др. К средствам мультимедиа относятся:
• устройства речевого ввода и вывода информации;
• микрофоны и видеокамеры, акустические и видео-воспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами;
• звуковые и видеоплаты, платы видеозахвата, снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в компьютер;
• вешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.
Процессор
Отметьте все функции арифметико-логического устройства (АЛУ).
Варианты ответов
- выполнение вычислений
- анализ результата
- определение местоположения данных
- загрузка данных в регистры
- расшифровка команд
Вопрос 3
Отметьте все функции устройства управления (УУ).
Варианты ответов
- определение местоположения данных
- загрузка данных в регистры
- расшифровка команд
- выполнение вычислений
- анализ результата
Вопрос 4
Что хранится в регистре состояния процессора?
Варианты ответов
- свойства результата последней операции
- результат проверки памяти
- степень загруженности процессора
- результат последней операции
- температура процессора
Вопрос 5
Как называется элементарное действие, из которых состоит каждая машинная команда?
Вопрос 6
Как называется интервал между двумя соседними управляющими импульсами, поступающими в процессор?
Вопрос 7
Сколько бит помещается в регистр AX в процессорах семейства Intel?
Вопрос 8
Расставьте названия регистров процессоров семейства Intel в порядке увеличения их размера.
Варианты ответов
- BH
- CX
- EAX
- RDX
Вопрос 9
Как называется характеристика процессора, которая определяет количество тактовых импульсов за 1 секунду?
Вопрос 10
Как называется характеристика процессора, определяющая максимальное количество двоичных разрядов, которые процессор способен обработать за одну команду.
Вопрос 11
Как называются данные, необходимые для выполнения некоторой команды процессора?
Вопрос 12
Выберите правильное окончание фразы «RISC-процессор — это процессор с . ».
Микропроцессоры
Центральным устройством микропроцессорной системы является микропроцессор (МП). В 1970 году Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ — первый микропроцессор Intel-4004, который уже в 1971 году был выпущен в продажу.
15 ноября 1971 г. можно считать началом новой эры в электронике. В этот день компания приступила к поставкам первого в мире микропроцессора Intel 4004.
Микропроцессор – это программно управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управление этим процессом, реализованное в одной или нескольких БИС. МП обычно содержит элементы размещения данных (регистры) и устройства счёта (АЛУ). Такое устройство содержит также дешифратор команд и узел синхронизации. На рис. 4.1. приведена упрощенная структурная схема МП. Структуры различных типов МП могут существенно различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее важными параметрами являются архитектура, адресное пространство памяти, разрядность, быстродействие.
1.1. Технико-экономические показатели МП (ТЭП МП)
Для оценки ТЭП МП используются следующие параметры:
1. Быстродействие характеризует скорость работы компьютера и измеряется количеством элементарных операций, выполняемых микропроцессором в секунду. Так как количество шагов (тактов) при выполнении операций может быть разным, то и время их выполнения различно. Поэтому для оценки быстродействия применяется тактовая частота микропроцессора (измеряется в мегагерцах). Наиболее важная характеристика, определяющая быстродействие МП системы в целом.
Выполнение простейших команд (например, сложение двух операндов из регистров или пересылка операндов в регистрах МП) требует минимально двух периодов тактовых импульсов (для выборки команды и её выполнения). Более сложные команды требуют для выполнения до 10 — 20 периодов тактовых импульсов. Скорость работы МП определяется не только тактовой частотой, но и набором его команд, их гибкостью, развитой системой прерываний.
Рекомендуемые материалы
2. Разрядность — максимальное число одновременно обрабатываемых двоичных разрядов данных (размер машинного слова).
Разрядность МП обозначается m/n/k/ и включает:
m — разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;
n — разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;
k — разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства.
Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;
С увеличением разрядности увеличивается объем информации, обрабатываемой процессором за один шаг (такт), что ведет к уменьшению количества тактов, необходимых для выполнения сложных операций. Кроме того, чем больше размер слова, тем с большим объемом памяти может работать компьютер. Современные компьютеры оснащаются 64-разрядными процессорами. И при этом их внутренняя память составляет 16, 32, 64, 128… Мбайт. Для современных микропроцессоров характерна тенденция к увеличению разрядности слова и повышению тактовой частоты.
3. Архитектура. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя как внутреннее устройство, так и систему команд, способы адресации, принципы и режимы его работы, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора.
Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.
Микроархитектура процессора — это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.
Макроархитектура — это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.
Микропроцессоры с 4- и 8-разрядной архитектурой использовали последовательный принцип выполнения команд, при котором очередная операция начинается только после выполнения предыдущей. В МП с 32-разрядной архитектурой используется конвейерный метод выполнения команд, при котором несколько внутренних устройств МП работают параллельно, производя одновременно обработку нескольких последовательных команд программы.
Стоимость микропроцессоров определяется исходя из его технических возможностей, назначения и технологии производства.
Таблица 1. Классификация МП
Классификация
Состав системы команд
Одна или несколько команд
Развитая система команд
В случае сложных программ применение приводит к неэкономичному использованию информационных емкостей памяти и значительным затратам времени.
В случае сложных программ обеспечивает компактную запись алгоритмов. В случае простых наблюдается избыточность системы команд, потери в быстродействии.
Способ реализации наборов команд
Аппаратуный
Программный
Данный способ реализации сложных команд дает возможность увеличить быстродействие микропроцессора, но требует значительных аппаратурных ресурсов кристалла интегральной схемы микропроцессора.
Позволяет обеспечивать программирование сложных задач, изменять количество и особенности исполнения сложных команд. Однако резко падает скорость исполнения команд программы.
Универсальные
Специализированные
Такие процессоры, в системе команд которых заложена алгоритмическая универсальность (выполняемый машиной состав команд позволяет получить преобразование информации в соответствии с любым заданным алгоритмом).
Могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач.
Эта группа МПК (CISC — процессоры) наиболее многочисленна, в нее входят такие комплекты как КР580, Z80, Intel 80×86, К1810, а также процессоры IA-32, IA-64.
Предназначены для решения определенного класса задач, а иногда только для решения одной конкретной задачи. Их существенными особенностями являются простота управления, компактность аппаратурных средств, низкая стоимость и малая мощность потребления. Специализация МП, т. е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций, позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач. В эту группу (RISC — процессоры) входят: различные типы контроллеров, микроконтроллеров, сигнальные процессоры.
По виду обрабатываемых входных сигналов
Цифровые устройства, имеющие встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т. д.). Отличительная черта аналоговых микропроцессоров — способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью
По количеству выполняемых программ
Однопрограммные
Многопрограммные
Выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы
Одновременно выполняется несколько программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.
По числу БИС в микропроцессорном комплекте
Однокристальные
Многокристальные
Многокристальные секционные.
Характеризуются размещением всех аппаратурных средств процессора в виде одной БИС или СБИС.
Характеризуются разбиением логической структуры на функционально законченные части, реализованные в виде БИС (СБИС). Данные части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно
Характеризуются тем, что в виде БИС реализуются части логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями.
Практически во всех современных микропроцессорных системах используется сложные системы микропроцессоров, построенные по иерархическому принципу. Ядром таких систем является центральный процессор, в котором набор универсальных команд реализуется аппаратурным способом. Специализированные команды реализуются вспомогательными или периферийными микропроцессорами (сопроцессорами). Эти специальные арифметические или логические микропроцессоры позволяют ускорить выполнение определенных команд и тем самым сократить время исполнения программ.
Основной особенностью современного этапа развития МПС является широкое распространение однокристальных МК, которые объединяют на одном кристалле все основные элементы МПС: центральный процессор (ЦП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), порты ввода/вывода, дополнительные устройства.
4.2. Основные функции МП
Ø извлечение, декодирование и выполнение команд программы в указанном порядке;
Ø передача данных из памяти и в память, а также из УВВ и в УВВ;
Ø ответы на внешние прерывания;
Ø обеспечение общей синхронизации и формирования сигналов управления для всей системы.
4.3. Структура МП
Рис. 4.1. Упрощённая структура микропроцессора
В состав МП (рис. 4.1) входят, внутренняя шина данных, арифметическо-логическое устройство, устройство управления и блок внутренних регистров.
Внутренняя шина соединяет собой основные части МП. С помощью внутренней ШД, работающей в режиме двунаправленной передачи (мультиплексном режиме) происходит соединение МП с ШД микропроцессорной системы, которая служит для выборки команд и обмена данными с памятью, разрядность внутренней шины МП совпадает с разрядностью шины данных МПС.
Арифметическо-логическое устройство (рис. 4.2) состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, сдвигающего регистры и регистров для временного хранения операндов. Обычно это устройство выполняет по командам несколько простейших операций: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2. На первый вход АЛУ поступает байт из аккумулятора, а на второй вход – из промежуточного регистра. Результат сложения указанных двух байтов передается с выхода АЛУ через внутреннюю шину данных в аккумулятор.
Рис. 4.2. Структурная схема АЛУ
Такая организация процесса вычисления соответствует одноадресной организации информационного обмена в микропроцессоре. Для нее характерно то, что один из операндов, участвующих в обработке, всегда находится в аккумуляторе. Поэтому при выполнении операции сложения двух операндов требуется указывать только один адрес – второго операнда, содержащегося, например в одном из регистров общего назначения (РОН).
К АЛУ подключены регистр признаков, предназначенный для хранения и анализа признаков результата операции, и схема десятичной коррекции (на рис. 2 не показана), позволяющая проводить обработку данных в двоично-десятичном коде.
Регистр признаков (флаговый регистр) представляет собой набор триггеров – флажков. В зависимости от результатов операций, выполняемых АЛУ, каждый триггер устанавливается в состояние 0 или 1. Флаговые биты являются индикаторами признаки результата выполнения операции: нулевого результата, знака результата, переполнения, переноса и т. п. Эта информация, характеризующая состояние процессора, важна для выбора дальнейшего пути вычислений.
Регистр признаков (5 разрядный) – в соответствующих разрядах РП фиксируются особенности выполнения каждой операции:
Z (нуль) – устанавливается в «1» при нулевом результате в аккумуляторе.
CY – перенос из старшего разряда
S (знак) – при единичном значении старшего разряда
P (четность) – при чётном числе единичных битов в результате
AC (дополнительный перенос) – при переносе из младших 4-х разрядов в старшие
Рис. 4.3. Структура регистра признаков
Важным блоком МП является устройство управления. Оно содержит дешифраторы команд и генерирует управляющие и синхронизирующие сигналы, управляет работой АЛУ и внутренних регистров в процессе выполнения команды. Согласно коду операций, содержащемуся в команде, оно формирует внутренние сигналы управления блоками МП. Адресная часть команды совместно с сигналами управления используется для считывания данных из определенной ячейке памяти или для записи данных в ячейку. По сигналам УУ осуществляется выборка каждой новой, очередной команды.
Устройство управления состоит из двух относительно независимых частей:
- первичного автомата, управляющего процессами внутри МП;
- схемы, обрабатывающей сигналы и генерирующей управляющие сигналы в микропроцессорной системе.
Представленная на рис. 4.4 обобщенная схема устройства микропрограммного управления содержит: блок микропрограммной памяти, в котором хранятся микрокоманды; блок генерации адреса микрокоманды, формирующий адрес очередной микрокоманды, который в общем случае зависит от кода выполняемой микрокоманды, кодов признаков выполняемых в АЛБ операций, информации блоков синхронизации и прерывания процессора; блок синхронизации, предназначенный для приема управляющих сигналов и формирования последовательности синхросигналов для основных блоков микро-ЭВМ для обеспечения определенной последовательности их работы; дешифратор микрокоманд, формирующий управляющие сигналы, поступающие в исполнительные блоки микро-ЭВМ.
Рис. 4.4. Обобщенная схема устройства управления
Блок внутренних регистров БВР, расширяющий возможности АЛУ, служит внутренней памятью МП и используется для временного хранения данных и команд. Он также выполняет некоторые процедуры обработки информации.
На рисунке ..Раздаточный и дополнительный материалЛК4Структура МП.TIF приведена более подробная структурная схема однокристального МП. Здесь показано, что блок внутренних регистров содержит регистры общего назначения и специальные регистры: регистр-аккумулятор, буферный регистр адреса, буферный регистр данных, счетчик команд, стека, признаков.
Регистр – аккумулятор (“накопитель”), предназначен для временного хранения операнда или промежуточного результата действий производимой в АЛУ. Разрядность регистра равна разрядности информационного слова. Аккумулятор используется в ходе большинства операций, которые выполняет МП, например, передача данных.
Буферный регистр адреса служит для приема и хранения адресной части выполняемой команды. Возможное количество адресов, определяется разрядностью регистра.
Буферный регистр данных используется для временного хранения выбранного из памяти слова перед передачей его во внешнюю шину данных. Его разрядность определяется количеством байт информационного слова.
Счетчик команд содержит адрес ячейки памяти, в которой помещены байты выполняемой команды. Обычно 16-разрядный. Этот регистр служит для хранения адреса следующей команды, которую необходимо извлечь из памяти. Т.к. команды выполняются последовательно, СК считает прямым счётом. 16-ти разрядный СК может адресовать 64К слов памяти посредством адресной шины.
Регистр команд принимает и хранит код очередной команды, адрес которой находится в счетчике команд. По сигналу УУ в него передается из регистра хранимая там информация.
Регистры стека делятся на стек и указатель стека. В МП стек – набор регистров, хранящих адреса команд возврата при обращении к подпрограммам или состояние внутренних регистров при обработке прерываний. Стек может быть выполнен не только на внутренних регистрах МП, составляя его часть, но и находиться в ОЗУ, занимая там отведенную для него зону. В последнем случае для обращения к нему необходим специальный регистр – указатель стека.
Указатель стека хранит адреса последней занятой ячейки стека, которую называют вершиной. Содержащее в указателе число указывает, где находится вершина стека. Когда в стек записывается очередное слово, то число в указателе стека соответственно увеличивается. Извлечение слова из стека сопровождается, наоборот, уменьшением числа, заполняющего указатель стека. Кроме такой процедуры предусматривается возможность считывания без разрушений содержимого любой ячейки стека при неизменном числе, хранимом в указателе стека.
Регистры общего назначения
Регистры общего назначения (РОН), число которых может изменяться от 4 до 64, определяют вычислительные возможности МП. Их функция – хранение операндов. Но могут выполнять также и роль регистров.
Первые два РОН – регистры W и Z – предназначены для кратковременного хранения данных во время выполнения команды (эти регистры недоступны программисту), остальные шесть РОН – регистры B, C, D, E, H и L – служат ячейками внутренней памяти, называемой СОЗУ (сверхоперативным ЗУ). В них хранятся операнды, подлежащие обработки в АЛУ, результаты обработки данных, выполненных в АЛУ, и управляющие слова. В каждом регистре помещается один байт. Обращение к РОН – адресное. Попарное расположение регистров B и C, D и E, H и L дает возможность проводить обработку двухбайтовых слов, называемую обработкой “удвоенной точности”.
Более подробно о Регистрах МП (на примере Intel 8086) в доп. материале
2.3. Типы микропроцессорных архитектур
До сих пор мы рассматривали только один тип архитектуры микропроцессорных систем — архитектуру с общей, единой шиной для данных и команд (одношинную, или принстонскую, фон-неймановскую архитектуру). Соответственно, в составе системы в этом случае присутствует одна общая память, как для данных, так и для команд (рис. 2.8).
Рис. 2.8. Архитектура с общей шиной данных и команд.
Архитектура с общей шиной широко распространена, она применяется в персональных компьютерах и в сложных микрокомпьютерах. Такая архитектура максимально проста и не требует усложнения конструкции устройств. Наличие единой памяти для данных и команд позволяет гибко распределять ее объем между кодами данных и команд. Например, в некоторых случаях нужна большая и сложная программа, а данных в памяти надо хранить не слишком много. В других случаях, наоборот. Как правило, в системах с такой архитектурой память бывает довольно большого объема (до десятков и сотен мегабайт). Это позволяет решать самые сложные задачи.
Существует также и альтернативный тип архитектуры микропроцессорной системы — это архитектура с раздельными шинами данных и команд (двухшинная, или гарвардская, архитектура). Эта архитектура предполагает наличие в системе отдельной памяти для данных и отдельной памяти для команд (рис. 2.9). Обмен процессора с каждым из двух типов памяти происходит по своей шине.
Рис. 2.9. Архитектура с раздельными шинами данных и команд.
Архитектура с раздельными шинами данных и команд сложнее, она заставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно. Программа может размещаться только в памяти команд, данные — только в памяти данных. Память данных в этом случае имеет свое распределение адресов, а память команд — свое. Такая узкая специализация ограничивает круг задач, решаемых системой, так как не дает возможности гибкого перераспределения памяти. Память данных и память команд в этом случае не могут иметь большого объема, поэтому применение систем с данной архитектурой ограничивается обычно не слишком сложными задачами.
Преимущество архитектуры с двумя шинами в быстродействии. Дело в том, что при единственной шине команд и данных процессор вынужден по этой шине принимать данные (из памяти или устройства ввода/вывода) и передавать данные (в память или в устройство ввода/вывода), а также читать команды из памяти. Одновременно эти процессы происходить не могут и производятся по очереди. В случае двухшинной архитектуры обмен по обеим шинам может быть независимым, параллельным во времени. Структуры шин (количество разрядов кода адреса и кода данных, порядок и скорость обмена информацией и т.д.) могут быть выбраны оптимально для той задачи, которая решается каждой шиной. Поэтому при прочих равных условиях переход на двухшинную архитектуру ускоряет работу микропроцессорной системы, хотя и требует дополнительных затрат на аппаратуру, усложнения структуры процессора. Основное ее применение — в микроконтроллерах, от которых не требуется решения слишком сложных задач, но необходимо максимальное быстродействие при заданной тактовой частоте.
4.4. Способы адресации операндов
Основная функция любого процессора — это выполнение команд. Каждая команда, выбираемая из памяти процессором, определяет алгоритм его поведения на ближайшие несколько тактов. Большая часть команд процессора работает с кодами данных (операндами). Одни команды требуют входных операндов (одного или двух), другие выдают выходные операнды. Все эти коды операндов могут располагаться как во внутренних регистрах процессора (наиболее удобный и быстрый вариант), так и в системной памяти (самый распространенный вариант). Существуют разные методы, с помощью которых через код команды можно указать место расположения операндов. Эти методы называются методами адресации. Количество методов адресации в различных процессорах может быть от 4 до 16. Рассмотрим несколько наиболее часто распространенных методов адресации операндов.
Непосредственная адресация (рис. 4.7) предполагает, что операнд (входной) находится в памяти непосредственно за кодом команды. Операнд обычно представляет собой константу, которую надо куда-то переслать, к чему-то прибавить и т.д.
Рис. 4.7. Непосредственная адресация.
Прямая (она же абсолютная) адресация (рис. 4.8) предполагает, что операнд (входной или выходной) находится в памяти по адресу, код которого находится внутри программы сразу же за кодом команды. Например, команда может состоять в том, чтобы очистить (сделать нулевым) содержимое ячейки памяти с адресом 1000000. Код этого адреса 1000000 будет располагаться в памяти, внутри программы в следующем адресе за кодом данной команды очистки.
Рис. 4.8. Прямая адресация.
Регистровая адресация (рис. 4.9) предполагает, что операнд (входной или выходной) находится во внутреннем регистре процессора. Например, команда может состоять в том, чтобы переслать число из нулевого регистра в первый. Номера обоих регистров (0 и 1) будут определяться кодом команды пересылки.
Косвенно-регистровая (она же косвенная) адресация предполагает, что во внутреннем регистре процессора находится не сам операнд, а его адрес в памяти (рис. 4.10). Например, команда может состоять в том, чтобы очистить ячейку памяти с адресом, находящимся в нулевом регистре. Номер этого регистра (0) будет определяться кодом команды очистки.
Рис. 4.9. Регистровая адресация.
Рис. 4.10. Косвенная адресация.
Реже встречаются еще два метода адресации.
Автоинкрементная адресация очень близка к косвенной адресации, но отличается от нее тем, что после выполнения команды содержимое используемого регистра увеличивается на единицу или на два. Этот метод адресации очень удобен, например, при последовательной обработке кодов из массива данных, находящегося в памяти.
Автодекрементная адресация работает похоже на автоинкрементную, но только содержимое выбранного регистра уменьшается на единицу или на два перед выполнением команды.
Из других распространенных методов адресации можно упомянуть об индексных методах, которые предполагают для вычисления адреса операнда прибавление к содержимому регистра заданной константы (индекса). Код этой константы располагается в памяти непосредственно за кодом команды.
Эффективность выбранных методов адресации во многом определяет производительность ЭВМ, так как выбор того или иного метода адресации определяет время выполнения команды.
Самая быстрая адресация — регистровая, так как она не требует дополнительных циклов обмена по магистрали. Если же адресация требует обращения к памяти, то время выполнения команды будет увеличиваться за счет длительности необходимых циклов обращения к памяти. Чем больше внутренних регистров у процессора, тем чаще и свободнее можно применять регистровую адресацию, и тем быстрее будет работать система в целом.
4.7. Система команд процессора
В настоящее время наметилось два направления развития микропроцессоров:
- RISC процессоры (процессоры с сокращённым набором команд)
- CISC процессоры (процессоры с полным набором команд)
В процессорах с полным набором команд используется уровень микрокоманд для того, чтобы декодировать и выполнить команду микропроцессора. В этих процессорах формат команды не зависит от аппаратуры процессора. На одной и той же аппаратуре при смене микропрограммы могут быть реализованы различные микропроцессоры. Смена аппаратуры никак не влияет на программное обеспечение микропроцессора. С точки зрения пользователя у микропроцессора только увеличивается производительность, снижается потребление энергии, уменьшаются габариты устройств. Одним из недостатков таких процессоров является то, что для обеспечения максимальной универсальности и преемственности моделей, набор микрокоманд приходится многократно расширять. Пропадает возможность исключения не используемых команд. Это приводит к повышению сложности микропрограмм и замедлению выполнения каждой команды.
В процессорах с сокращённым набором команд декодирование и исполнение команды производится аппаратурно, поэтому количество команд ограниченно минимальным набором. В этих процессорах команда и микрокоманда совпадают (то есть команда может быть выполнена за 1 такт) это приводит к снижению времени выполнения команды и повышению надежности такого микропроцессора. Однако, вследствие ограниченного набора команд, разработка программы для выполнения сложных, разноплановых задач, требующих универсальности будет сильно затруднена.
Классификация команд МП
Классификация команд по основным признакам представлена на рис. 4.16.
Рис. 4.16. Классификация команд
По функциональному назначению команды процессора включает в себя следующие основные группы команд:
- Команды передачи (пересылки) данных;
- Команды обработки данных (арифметические, логические);
- Команды передачи управления (переходов);
Команды пересылки данных не требуют выполнения никаких операций над операндами. Даные просто пересылаются (точнее, копируются) из источника (Source) в приемник (Destination). Источником и приемником могут быть внутренние регистры процессора, ячейки памяти или устройства ввода/вывода. АЛУ в данном случае не используется.
Арифметические команды выполняют операции сложения, вычитания, умножения, деления, увеличения на единицу (инкрементирования), уменьшения на единицу (декрементирования) и т.д. Этим командам требуется один или два входных операнда. Формируют команды один выходной операнд.
Логические команды производят над операндами логические операции, например, логическое И, логическое ИЛИ, исключающее ИЛИ, очистку, инверсию, разнообразные сдвиги (вправо, влево, арифметический сдвиг, циклический сдвиг). Этим командам, как и арифметическим, требуется один или два входных операнда, и формируют они один выходной операнд.
Команды переходов предназначены для изменения обычного порядка последовательного выполнения команд. С их помощью организуются переходы на подпрограммы и возвраты из них, всевозможные циклы, ветвления программ, пропуски фрагментов программ и т.д. Команды переходов всегда меняют содержимое счетчика команд. Переходы могут быть условными и безусловными. Именно эти команды позволяют строить сложные алгоритмы обработки информации.
По числу адресов различают однооперандными (или одноадресные) и двухоперандные (или двухадресные).
Команды с регистровой адресацией однобайтовые. Если в команде используется константа в качестве операнда или указывается адрес операнда в системной памяти, то команда будет занимать в системной памяти два или три байта.
Как известно, для исполнения в ЭВМ команды программы должны быть представлены в двоичном (машинном) коде. Зачастую даже для выполнения одной и той же операции над разными регистрами процессора используются разные команды. Работа с машинными кодами команд для человека очень затруднительна. Текст программы, записанной в машинных кодах не нагляден. Чтобы уменьшить объём запоминаемой информации и увеличить наглядность исходного текста программы, каждой операции процессора назначают мнемоническое обозначение (обычно используют сокращения английских слов, обозначающих эту операцию). Для операции копирования используется мнемоническое обозначение MOV; для операции суммирования используется мнемоническое обозначение ADD; для операции вычитания используется мнемоническое обозначение SUB; для операции умножения используется мнемоническое обозначение MUL и т.д.
Мнемоническое обозначение команды дополняют используемыми ей операндами, которые перечисляются через запятую. При этом в большинстве случаев операнд приёмник информации записывается первым, а операнд источник информации вторым.
MOV R0, A ;Скопировать содержимое регистра A в регистр R0
ADD A, R5 ;Просуммировать содержимое регистров R5 и A, результат поместить в регистр A
Для повышения удобства разработки, хранения и отладки подобный программ используются специальные среды программирования – ассемблеры.
Ассе́мблер (от англ. assembler — сборщик) — компьютерная программа, компилятор и транслятор исходного текста программы, написанной на языке ассемблера, в программу на машинном языке. Ассемблеры, специфичны конкретной архитектуре процессора, операционной системе и варианту синтаксиса языка. Вместе с тем существуют мультиплатформенные ассемблеры, которые могут работать на разных платформах и операционных системах. Результатом ассемблирования является объектный модуль, содержащий разрозненные и непривязанные друг к другу части машинного кода и данных программы, из которого в дальнейшем с помощью программы-компоновщика («линкера») может быть скомпонован исполняемый модуль.
4.8. Условно-графическое обозначение процессора (на примере КР580ВМ80А). Управляющие сигналы процессора
Условно-графическое обозначение КР580ВМ80А приведено на рис. 4.21. Виды управляющих сигналов приведены в табл. 4.1
Разрядность процессора, объясните понятно кто нибудь
Разрядность процессора — количество бит в обрабатываемых им числах. Эта техническая характеристика процессора является одной из самых важных и определяет его быстродействие.
Разрядностью процессора называется количество бит в обрабатываемых им числах, записанных в двоичной системе счисления. Эта техническая характеристика процессора является одной из самых важных, потому что определяет его быстродействие.
Поэтому для конструкторов так важно было увеличить разрядность процессоров. В современных персональных компьютерах работают 64-разрядные процессоры. Но так было не всегда, первые микропроцессоры Intel в 1970 году были всего лишь 4-разрядными.
Чтобы было понятнее, о чем идет речь, необходимо немного рассказать о том, что такое двоичная система счисления, что такое бит и как они связаны с разрядностью процессора.
Если не вдаваться в детали, компьютеры обрабатывают информацию, загружая числа в двоичной системе счисления из оперативной памяти в центральный процессор, обрабатывая их и записывая полученный результат обратно в память.
Основой компьютерной индустрии является двоичная система счисления. В обычной жизни мы привыкли использовать десятичную систему счисления, где все числа записываются десятью цифрами от 0 до 9. Двоичная система счисления использует для записи чисел всего две цифры: 0 и 1.
При хранении в памяти каждая цифра числа хранится в отдельной ячейке памяти. Эти единицы измерения информации в двоичной системе счисления называются битами.
Каждый процессор обрабатывает числа, которые имеют определенное количество разрядов. Разряд – это «рабочее место» цифры в числе. Например, в привычной нам десятичной системе счисления разряды называются десятками, сотнями, тысячами и так далее.