Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК..pdf

1. универсальные регистры: АХ, ВХ, СХ, DX;
2. сегментные регистры: CS, DS, SS, ES;
3. регистры смещения: IP, SP, BP, SI, DI;
4. регистр флагов: FL.

Если регистры 4-байтовые или 8-байтовые, их имена несколько изменяются, на­пример 4-байтовые универсальные регистры АХ, ВХ, СХ, DX именуются соот­ветственно ЕАХ, ЕВХ, ЕСХ, EDX. При этом если используется их двухбайтовая или однобайтовая часть, наименования этих частей регистров соответствуют рассматриваемым ниже.

1.6.1 Универсальные регистры

Регистры АХ, ВХ, СХ и DX являются универсальными (их часто называют ре­гистрами общего назначения — РОН); каждый из них может использоваться для временного хранения любых данных, при этом позволено работать с каждым регистром целиком, а можно отдельно и с каждой его половиной (регистры АН, ВН, СН, DH — старшие (High) байты, а регистры AL, BL, CL, DL — младшие (Low) байты соответствующих 2-байтовых регистров). Но каждый из универ­сальных регистров может использоваться и как специальный при выполнении некоторых конкретных команд программы. В частности:

• регистр АХ — регистр-аккумулятор, через его порты осуществляется ввод-вывод данных в МП, а при выполнении операций умножения и деления АХ используется для хранения первого числа, участвующего в операции (множи­мого, делимого), и результата операции (произведения, частного) после ее за­вершения;
• регистр ВХ часто используется для хранения адреса базы в сегменте данных и начального адреса поля памяти при работе с массивами;
• регистр СХ — регистр-счетчик, используется как счетчик числа повторений при циклических операциях;
• регистр DX используется как расширение регистра-аккумулятора при работе с 32-разрядными числами и при выполнении операций умножения и деления, используется для хранения номера порта при операциях ввода-вывода и т. д.

1.6.2 Сегментные регистры

Регистры сегментной адресации CS, DS, SS, ES используются для хранения на­чальных адресов полей памяти (сегментов), отведенных в программах для хра­нения¹:

• команд программы (сегмент кода — CS);
• данных (сегмент данных — DS);
• стековой области памяти (сегмент стека — SS);
• дополнительной области памяти данных при межсегментных пересылках (рас­ширенный сегмент — ES), поскольку размер сегмента в реальном режиме рабо­ты МП ограничен величиной 64 Кбайт.

1.6.3 Регистры смещений

Регистры смещений (внутрисегментной адресации) IP, SP, BP, SI, DI предна­значены для хранения относительных адресов ячеек памяти внутри сегментов (смещений относительно начала сегментов):

• регистр IP (Instruction Pointer) хранит смещение адреса текущей команды программы;
• регистр SP (Stack Pointer) — смещение вершины стека (текущего адреса стека);
• регистр BP (Base Pointer) — смещение начального адреса поля памяти, непо­средственно отведенного под стек;
• регистры SI, DI (Source Index и Destination Index соответственно) предназначены для хранения адресов индекса источника и приемника данных при операциях над строками и им подобных.

1.6.4 Регистр флагов

Регистр флагов FL содержит условные одноразрядные признаки-маски, или фла­ги, управляющие прохождением программы в ПК; флаги работают независимо друг от друга, и лишь для удобства они помещены в единый регистр. Всего в реги­стре содержится 9 флагов: 6 из них статусные, отражают результаты операций, выполненных в компьютере (их значения используются, например, при выпол­нении команд условной передачи управления — команд ветвления программы), а 3 других — управляющие, непосредственно определяют режим исполнения программы.

1.6.5 Статусные флаги:

• CF (Carry Flag) — флаг переноса. Содержит значение «переносов» (0 или 1) из старшего разряда при арифметических операциях и некоторых операциях сдвига и циклического сдвига;
• PF (Parity Flag) — флаг четности. Проверяет младшие восемь битов резуль­татов операций над данными. Нечетное число единичных битов приводит к установке этого флага в 0, а четное — в 1;
• AF (Auxiliary Carry Flag) — флаг логического переноса в двоично-десятич­ной арифметике. Вспомогательный флаг переноса устанавливается в 1, если арифметическая операция приводит к переносу или заему четвертого справа бита однобайтового операнда. Этот флаг используется при арифметических операциях над двоично-десятичными кодами и кодами ASCII;
• ZF (Zero Flag) — флаг нуля. Устанавливается в 1, если результат операции равен нулю; если результат не равен нулю, ZF обнуляется;
• SF (Sign Flag) — флаг знака. Устанавливается в соответствии со знаком ре­зультата после арифметических операций: положительный результат устанав­ливает флаг в 0, отрицательный — в 1;
• OF (Overflow Flag) — флаг переполнения. Устанавливается в 1 при арифме­тическом переполнении: если возник перенос в знаковый разряд при выпол­нении знаковых арифметических операций, если частное от деления слишком велико и переполняет регистр результата и т. д.

1.6.6 Управляющие флаги:

• TF (Trap Flag) — флаг системного прерывания (трассировки). Единичное со­стояние этого флага переводит процессор в режим пошагового выполнения программы (режим трассировки);
• IF (Interrupt Flag) — флаг прерываний. При нулевом состоянии этого флага прерывания запрещены, при единичном — разрешены;

DF (Direction Flag) — флаг направления. Используется в строковых операци­ях для задания направления обработки данных. При нулевом состоянии фла­га команда увеличивает содержимое регистров SI и DI на единицу, обуслов­ливая обработку строки «слева направо»; при единичном — «справа налево»

1.7. Интерфейсная часть МП

Интерфейсная часть МП предназначена для связи и согласования МП с систем­ной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выпол­няемой программы и формирования полных адресов операндов и команд. Ин­терфейсная часть включает в свой состав:

• адресные регистры МПП;
• узел формирования адреса;
• блок регистров команд, являющийся буфером команд в МП;
• внутреннюю интерфейсную шину МП;
• схемы управления шиной и портами ввода-вывода.

Некоторые из названных устройств, такие как узел формирования адреса и ре­гистр команды, непосредственно выполняемой МП, функционально входят в со­став устройства управления.

Порты ввода-вывода — это пункты системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией с другими устройствами. Всего портов у МП может быть 65 536 (равно количеству разных адресов, которые можно пред­ставить числом формата «слово»). Каждый порт имеет адрес — номер порта; по существу это адрес ячейки памяти, являющейся частью устройства ввода-выво­да, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера.

Порту устройства соответствуют аппаратура сопряжения и два регистра памя­ти — для обмена данными и управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов ин­формации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства (НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер, сопроцессор и т. д.) имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода.

Схема управления шиной и портами выполняет следующие функции:

• формирование адреса порта и управляющей информации для него (переклю­чение порта на прием или передачу и т. д.);
• прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и его состоянии;
• организация сквозного канала в системном интерфейсе для передачи данных между портом устройства ввода-вывода и МП.

Схема управления шиной и портами использует для связи с портами кодовые шины инструкций, адреса и данных системной шины: при доступе к порту МП посылает сигнал по кодовой шине инструкций (КШИ), который оповещает все устройства ввода-вывода, что адрес на кодовую шину адреса (КША) является адресом порта, а затем посылает и сам адрес порта. Устройство с совпадающим адресом порта дает ответ о готовности. После чего по кодовой шине данных (КШД) осуществляется обмен данными.

Упрощенная структурная схема микропроцессора показана на рис. 3.

Рис. 3. Упрощенная структурная схема микропроцессора

Глава 2. Архитектура микропроцессора.

Хотя микропроцессор является универсальным средством для цифровой обработки информации, однако отдельные области применения требуют реализации определенных специфических вариантов их структуры и архитектуры. Поэтому по функциональному признаку выделяются два класса: микропроцессоры общего назначения и специализированные микропроцессоры (рис. 1.3).

Рис. 4. Классификация современных микропроцессоров по функциональному признаку

Среди специализированных микропроцессоров наиболее широкое распространение получили микроконтроллеры, предназначенные для выполнения функций управления различными объектами, и цифровые процессоры сигналов (DSP - Digital Signal Processor), которые ориентированы на реализацию процедур, обеспе­чивающих необходимое преобразование аналоговых сигналов, представленных в цифровой форме (в виде последовательности числовых значений).

Микропроцессоры общего назначения предназначены для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации. Их основной областью использования являются персональные компьютеры, рабочие станции, серверы и другие цифровые системы массового применения. К этому классу относятся CISC-процессоры Pentium компании «Intel», K7 - компании «Advanced MicroDevices» (AMD), 680x0 - компании «Motorola», RISC-процессоры PowerPC, выпускаемые компаниями «Motorola» и IBM, SPARC - компании «Sun Microsystems» и ряд других изделий различных производителей.

Расширение области применения таких микропроцессоров достигается главным образом путем роста производительности, благодаря чему увеличивается круг задач, который можно решать с их использованием. Поэтому повышение производительности является магистральным направлением развития этого класса микропроцессоров. Обычно это 32-разрядные микропроцессоры (некоторые микропроцессоры этого класса имеют 64-разрядную или 128-разрядную структуру), которые изготавливаются по самой современной промышленной технологии, обеспечивающей максимальную частоту функционирования.

Ряд наиболее популярных микропроцессоров этого класса (Pentium, AMD K7 и некоторые другие) следует отнести к CISC-процессорам, так как они выполняют большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации. Однако в их внутренней структуре содержится RISC-процессор, который выполняет поступившие команды после их преобразования в последовательность простых RISC-операций. Ряд других микропроцессоров этого класса непосредственно реализует RISC-архитектуру. Поэтому можно считать, что использование RISC-архитектуры характерно 1ля большинства этих микропроцессоров. Однако в ряде последних разработок (Itanium, ^DA8500) некоторых ведущих производителей успешно применяются принципы VLIW-apхитектуры, которая может составить конкуренцию RISC-архитектуре в соревновании за достижение наивысшей производительности.

Практически все современные микропроцессоры этого класса используют Гарвардс­кую внутреннюю архитектуру, где разделение потоков команд и данных реализуется с помощью отдельных блоков кэш-памяти. В большинстве случаев они имеют суперскалярную структуру с несколькими исполнительными конвейерами (до 10 в современных моделях), которые содержат до 20 ступеней.

Благодаря своей универсальности микропроцессоры общего назначения используются также в специализированных системах, где требуется высокая производительность. На их основе реализуются одноплатные компьютеры и промышленные компьютеры, которые применяются в системах управления различными объектами. Одноплатные (встраиваемые) компьютеры содержат на плате необходимые дополнительные микросхемы, обеспечивающие их специализированное применение, и предназначены доя встраивания в аппаратуру различного назначения. Промышленные компьютеры размещаются в корпусах специальной конструкции, обеспечивающих их надежную работу в жестких производственных условиях. Обычно такие компьютеры работают без стандартных периферийных устройств (монитор, клавиатура, «мышь») или используют специальные варианты этих устройств, модифицированные с учетом специфических условий применения.

Микроконтроллеры являются специализированными микропроцессорами, которые ориентированы на реализацию устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру. Ввиду огромного количества объектов, управление которыми обеспечивается с помощью микроконтроллеров, годовой объем их выпуска превышает 2 миллиарда экземпляров, на порядок превосходя объем выпуска микропроцессоров общего применения. Весьма широкой является также номенклатура выпускаемых микроконтроллеров, которая содержит несколько тысяч типов.

Характерной особенностью структуры микроконтроллеров является размещение на :дном кристалле с центральным процессором внутренней памяти и большого набора периферийных устройств. В состав периферийных устройств обычно входят несколько 3-разрядных параллельных портов ввода-вывода данных (от 1 до 8), один или два последовательных порта, таймерный блок, аналого-цифровой преобразователь. Кроме того, различные типы микроконтроллеров содержат дополнительные специализированные устройства - блок формирования сигналов с широтно-импульсной модуляцией, контроллер жидкокристаллического дисплея и ряд других. Благодаря использованию внутренней памяти и периферийных устройств реализуемые на базе микроконтроллеров системы управления содержат минимальное количество дополнительных компонентов.