Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК(История создания микропроцессоров (МП)).pdf

В РОН были введены указатель стека, активно используемый при обработке прерываний, а также два программнонедоступных регистра для внутренних пересылок. Блок РОНов был реализован на микросхемах статической памяти. Аккумулятор был введен в состав АЛУ, что упростило схему управления внутренней шиной. В МП применялась многоуровневая система прерываний. В i8080 появился механизм прямого доступа в память (ПДП), что позволило применять в микро-ЭВМ таких сложные устройства, как накопители на магнитных дисках и лентах, дисплеи, которые и превратили микро-ЭВМ в полноценную вычислительную систему.

1.2 Основные понятия, внутренняя структура современного микропроцессора и назначение его устройств

Бит (англ., binary digit – бинарная цифра) – минимальное количество информации, представляет собой один разряд двоичного числа.

Байт – слово длиной в 8 бит.

Машинное слово – группа двоичных цифр (последовательность битов), обрабатываемая одновременно. Являются базовой логической единицей информации в микропроцессоре. Имеет определенную длину.

Длина слова – число двоичных цифр, составляющих слово. Типичная длина слов – 4, 8, 12, 16, 32 разряда.

Данные – объекты операций, исходная информация, над которой выполняются какие-то действия под воздействием команд.

Команды – инструкция, под воздействием которой выполняется какая-либо машинная операция. Состоят из определенного количества специальных полей, определяющих: тип команды, длину и подлежащую выполнению операцию. Первый байт (код операции) всегда передается по шине данных в регистр команд. Команды бывают длиной в одно, два или три слова. В микропроцессоре они интерпретируются по числу ячеек памяти, необходимых для размещения одной команды.

Базовыми командами являются, как правило, следующие:

• арифметические, например, «сложения» и «вычитания»;
• битовые, например, «логическое И», «логическое ИЛИ» и «логическое НЕ»;
• присваивание данных, например, «переместить», «загрузить», «выгрузить»;
• ввода-вывода, для обмена данными с внешними устройствами;
• управляющие инструкции, например, безусловный, условный или косвенный переход, вызов подпрограммы, возврат из подпрограммы.

Триггер – электронная схема, изготавливается из транзисторов и имеет два устойчивых состояния, одно из которых условно принимается за 0, другое – за 1.

Микропроцессор (МП) – это программно-управляемое устройство, построенное на микросхеме, осуществляющее обработку информации и управление процессом обработки информации.

Микропроцессор выполняет следующие основные функции:

– чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

– чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;

– прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;

– обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;

– выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.

МП состоит из ячеек, называемых регистрами.

Регистр – устройство, состоящее из нескольких триггеров и схем управления, обеспечивающих их совместную работу. Осуществляют прием, передачу, хранение, сдвиг и другие элементарные операции над машинным словом. В зависимости от назначения регистров, в одних регистрах могут храниться данные, в других – команды, управляющие обработкой данных в других регистрах, третьи могут изменять исполнение команд. Основные регистры микропроцессора: регистр флагов, блок регистров общего назначения (РОН), регистр команд, регистр адреса, регистры данных – в них входят аккумулятор и указатель стека. Управляя засылкой данных в разные регистры можно управлять обработкой данных. На этом основано исполнение программ.

Чтобы выполнять операции микропроцессору нужны команды. Они поступают в МП и заносятся в регистр команд. Регистр команд предназначен для хранения кода операции, т. е. первого байта команды, адрес которой установлен в счетчике команд.

Чтобы быть понятной МП команда дешифруется дешифратором команд. Он принимает из регистра команд код операции, определяет ее тип (арифметическая, логическая) и запускает последовательность действий микропроцессора, которая ее выполнит.

Адрес текущей команды формирует счетчик команд (СК). После каждого обращения к памяти состояние счетчика команд и регистра адреса увеличивается на единицу (или больше, в зависимости от длины команды) после выборки каждого байта команды. Такой метод формирования адреса рассчитан на то, что элементы программы (команды и данные) располагаются в ячейках памяти по порядку, начиная с некоторого, заранее определенного адреса, например, с нулевого.

При выполнении микропроцессором команды операнды из памяти помещаются в аккумулятор и РОН. Один из операндов часто хранится в одном из РОН, а другой – в аккумуляторе.

Аккумулятор (Accumulator) предназначен для хранения промежуточных результатов вычисления в ходе выполнения арифметической и логической операции. В него помещаются один из операндов, участвующих в операции, и записывается результат операции, произведенной в арифметико-логическом устройстве (АЛУ). Он называется "аккумулятором" потому, что он как бы "накапливает" (аккумулирует) результаты вычислений перед их посылкой в память компьютера.

Помещение в аккумулятор операндов и результата операции необходимо для повышения быстродействия работы АЛУ, т. к. обращение при каждой операции ко внешней памяти для получения операндов и записи результата существенно бы снизило его быстродействие.

Регистры общего назначения (РОН) – рабочие регистры, использующиеся в операциях. Выполняют роль сверхоперативного запоминающего устройства. Также хранят один из операндов, участвующих в операции.

Адреса ячеек ОЗУ откуда нужно считать операнд или наоборот – записать его хранятся в регистре адреса (РА). В него также загружается содержимое счетчика команд перед прочтением очередной команды или данных.

В ходе вычислений может произойти какое-либо событие, например, произойдет переполнение разрядной сетки, результат будет нулевым или отрицательным. Такие события фиксирует регистр флагов. Он состоит из определенного количества бит, которые и называются флагами. Отдельный бит соответствует какому-то событию, возникающему при работе с операндами: перенос/заем, значение знака (положительный или отрицательный результат), нулевой результат и т. д.

Если после выполнения очередной команды нужно обратиться к непоследовательно расположенной ячейке данных прибегают к организации стека. Стек представляет собой непрерывную область внутренних или внешних ячеек памяти, используемых для временного хранения обрабатываемых данных. Его работа организована по принципу LIFO (Last In First Out) – последним пришел, первым ушел. Элемент стека, который в данный момент можно взять, т.е. верхняя ячейка, называется вершиной стека. В таком случае для изменения хода программы новые данные заносятся в счетчик команд и в регистр адреса для обращения к произвольной ячейке памяти.

Регистр, хранящий адрес верхней ячейки стека называется указатель стека. При каждом обращении к стеку его содержимое увеличивается (после считывания содержимого регистра) или уменьшается (перед записью кода в стек). При обращении к стеку в регистр адреса загружается адрес из регистра указателя стека.

Регистры данных – применяется для хранения промежуточных данных, получаемых в ходе выполнения арифметических и логических операций процессора. 

Все операции выполняются в арифметико-логическом устройстве (АЛУ) – это основа микропроцессора. Это блок процессора, выполняющий под управлением устройства управления арифметические, логические операции и операции сдвига над данными, представленными в двоичном коде. Имеет два входа для операндов и один выход для результата.

Набор операций реализуемых в АЛУ:

– сложение двух операндов;

– вычитание двух операндов;

– десятичная коррекция результата арифметической операции;

– инкремент одного операнда;

– декремент одного операнда;

– логическая функция И двух операндов;

– логическая функция ИЛИ двух операндов;

– логическая функция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ двух операндов;

– логическая функция НЕ одного операнда;

– сдвиг вправо на один разряд одного операнда;

– сдвиг влево на один разряд одного операнда;

– циклический сдвиг вправо на один разряд одного операнда;

– циклический сдвиг влево на один разряд одного операнда.

Устройство управления (УУ) осуществляет управление всеми элементами микропроцессора и внешними устройствами. Посредством шины управления принимает сигналы и формирует ответные, управляющие и синхронизирующие сигналы, необходимые для работы устройств.

Основные функции УУ:

– выборка команд программы в нужной последовательности, их дешифрация и обработка полей команды;

– управление выполнением операций;

– синхронизация работы отдельных блоков и элементов МП.

УУ в себя включает:

– регистр команд;

– дешифратор команд;

– блок управления и синхронизации.

Дополнительно в функции УУ могут входить:

– обработка прерываний;

– режим прямого доступа к памяти.

Прерывание – это временный останов выполнения одной программы для выполнения другой, более важной на данный момент. Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в микропроцессор.

Режим прямого доступа к памяти – режим обмена данными между устройствами компьютера или же между устройством и основной памятью, минуя процессор.

Со всеми внутренними и внешними устройствами микропроцессор связан несколькими групп проводников – шинами. Основных шин – три. Это шина адреса, шина данных и шина управления.

Адрес ячейки памяти, откуда нужно считать данные, передается по шине адреса – она также определяет порты ввода или вывода данных. Состоит из определенного количества параллельных проводников, определяющих ее ширину (в битах). Ширина шины адреса определяет объём адресуемой памяти.

Сами данные в процессор и из него поступают по шине данных – она является двунаправленной. Она также состоит из определенного количества параллельных проводников. Число этих проводников задает разрядность шины, определяет количество информации, которое можно передать за один такт.

Управляющие сигналы от процессора на все периферийные устройства и обратно поступают по шине управления – она также состоит из набора линий. Сигналы, определяют характер обмена информацией по магистрали и какую операцию (считывание или запись информации из памяти) нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т. д. В шине управления присутствуют линии, передающие следующие сигналы:

• RD – сигнал чтения;
• WR – сигнал записи;
• MREQ – сигнал инициализации устройств памяти (ОЗУ или ПЗУ);
• IORQ – сигнал инициализации портов ввода-вывода.

Кроме того, к сигналам шины управления относятся: READY – сигнал готовности, RESET – сигнал сброса.

Есть еще одна – внутренняя шина. Она передает байты между внутренними регистрами процессора или обменивается с другими модулями микропроцессорной системы через шину адреса и шину данных.

Мультиплексор – устройство, состоящее из нескольких входов – информационные входы, адресные входы, вход для подачи разрешающего сигнала и одного выхода. Участвует в обмене информации внутри микропроцессора.

Генератор тактовых импульсов (ГТИ) – формирует синхронизирующие сигналы в МП.  Вырабатывает электрические импульсы заданной частоты, которая часто используется как эталонная. В микропроцессорах один тактовый импульс, как правило, соответствует одной атомарной (неделимой) операции. Обработка одной инструкции может производиться за один или несколько тактов работы микропроцессора. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.

На рисунке 4 представлена типовая структура микропроцессора.

Внутренняя шина

Регистр команд

Аккумулятор

Мультиплексор выбора РОН

Регистр данных