Файл: Конспект лекций по МП, ч2 (Пономарёв, 2006).pdf

микропрограммным, а микроЭВМ с таким способом управления - микропрограммными или с хранимой (гибкой) логикой управления.

К микропрограммам предъявляют требования функциональной полноты и минимальности. Первое требование необходимо для обеспечения возможности разработки микропрограмм любых машинных операций, а второе связано с желанием уменьшить объем используемого оборудования. Учет фактора быстродействия ведет к расширению микропрограмм, поскольку усложнение последних позволяет сократить время выполнения команд программы.

Преобразование информации выполняется в универсальном арифметико-логическом блоке микропроцессора. Он обычно строится на основе комбинационных логических схем.

Для ускорения выполнения определенных операций вводятся дополнительно специальные операционные узлы (например, циклические сдвигатели). Кроме того, в состав микропроцессорного комплекта (МПК) БИС вводятся специализированные оперативные блоки арифметических расширителей.

Операционные возможности микропроцессора можно расширить за счет увеличения числа регистров. Если в регистровом буфере закрепление функций регистров отсутствует, то их можно использовать как для хранения данных, так и для хранения адресов. Подобные регистры микропроцессора называются регистрами общего назначения (РОН). По мере развития технологии реально осуществлено изготовление в микропроцессоре 16, 32 и более регистров.

Вцелом же, принцип микропрограммного управления (ПМУ) включает следующие позиции:

1)любая операция, реализуемая устройством, является последовательностью элементарных действий - микроопераций;

2) для управления порядком следования микроопераций используются логические условия; 3) процесс выполнения операций в устройстве описывается в форме алгоритма, представляемого в терминах микроопераций и логических условий, называемого микропрограммой; 4) микропрограмма используется как форма представления функции устройства, на основе которой определяются структура и порядок функционирования устройства во времени.

ПМУ обеспечивает гибкость микропроцессорной системы и позволяет осуществлять проблемную ориентацию микро- и миниЭВМ.

2.5 Система команд

Система команд (состав команд) — это список операций, которые МП может выполнить. Она включает в себя передачу данных, арифметические и логические операции, команды тестирования данных и ветвлений, операции ввода/вывода (ВВ). В то же время команды используют различные способы адресации.

Проектирование системы команд оказывает влияние на структуру ЭВМ. Оптимальную систему команд иногда определяют как совокупность команд, которая удовлетворяет требованиям проблемноориентированных применений таким образом, что избыточность аппаратных и аппаратно-программных средств на реализацию редко используемых команд оказывается минимальной. В различных программах ЭВМ частота появления команд различна; например, по данным фирмы DEC в программах для ЭВМ семейства PDP-11 наиболее часто встречается команда передачи MOV(B), на ее долю приходится приблизительно 32% всех команд в типичных программах. Систему команд следует выбирать таким образом, чтобы затраты на редко используемые команды были минимальными.

При наличии статистических данных можно разработать (выбрать) ЭВМ с эффективной системой команд. Одним из подходов к достижению данной цели является разработка команд длиной в одно слово и кодирование их таким образом, чтобы разряды таких коротких команд использовать оптимально, что позволит сократить время реализации программы и ее длину.

Другим подходом к оптимизации системы команд является использование микроинструкций. В этом случае отдельные биты или группы бит команды используются для кодирования нескольких элементарных операций, которые выполняются в одном командном цикле. Эти элементарные операции не требуют обращения к памяти, а последовательность их реализации определяется аппаратной логикой.

Сокращение времени выполнения программ и емкости памяти достигается за счет увеличения сложности логики управления.

Важной характеристикой команды является ее формат, определяющий структурные элементы команды, каждый из которых интерпретируется определенные образом при ее выполнении. Среди таких элементов (полей) команды выделяют следующие: код операции, определяющий выполняемое действие; адрес ячейки памяти, регистра процессора, внешнего устройства; режим адресации; операнд при использовании непосредственной адресации; код анализируемых признаков для команд условного перехода.

Классификация команд по основным признакам представлена на рис. 2.4. Важнейшим структурным элементом формата любой команды является код операции (КОП), определяющей действие, которое должно быть выполнено. Большое число КОП в процессоре очень важно, так как аппаратная реализация команд экономит память и время. Но при выборе ЭВМ необходимо концентрировать внимание на полноте операций с конкретными типами данных, а не только на числе команд, на доступных режимах адресации. Число бит, отводимое под КОП, является функцией полного набора реализуемых команд.

Рис. 2.4. Классификация команд.

При использовании фиксированного числа бит под КОП для кодирования всех m команд необходимо в поле КОП выделить n двоичных разрядов, так чтобы 2n = m. Однако, учитывая ограниченную длину слова мини- и микроЭВМ, различное функциональное назначение команд, источники и приемники результатов операций, а также то, что не все команды содержат адресную часть для обращения к памяти и периферийным устройствам, в малых ЭВМ для кодирования команд широко используется принцип кодирования с переменным числом бит под поле КОП для различных групп команд.

В некоторых командах необходим только один операнд и они называются однооперандными (или одноадресными) командами в отличие от двухоперандных (или двухадресных), в которых требуются два операнда. При наличии двух операндов командой обычно изменяется только один из них. Так как информация берется только из одной ячейки, эту ячейку называются источником; ячейка, содержимое которой изменяется, называется приемником.

Ниже приведен формат двухадресной (двухоперандной) команды процессоров СМ.

Формат команд процессоров СМ: а) двухадресная команда; б) одноадресная команда.

Примеры кодирования двухадресных команд в процессорах СМ

КОПМнемоника командыКомментарий

Четырехбитный КОП (биты 15-12) кодирует ряд двухоперандных операций, приведенных в таблице 1. Биты (11-6) и (5-0) для команд данного типа определяют адреса источника и приемника данных. Как видно из таблицы, комбинации 0000 и 1000 поля КОП определяют группы одноадресных команд (рис 1,б). КОП 1 (биты 15-12), соответствующий кодам 0000 и 1000, определяет группу одноадресных команд, а КОП 2 (биты 11-6) кодирует конкретную операцию команд данной группы. Таким образом, команды, использующие один операнд, кодируются 10-битным КОП (биты 15-6).

Наиболее гибкая команда требует до четырех операндов. Например, команда сложения может указывать адреса слагаемых, адрес результата и адрес следующей команды. Если для задания адреса требуется 16 бит, то четырехоперандная команда займет 8 байт памяти, не учитывая код операции. Следовательно, получится медленнодействующая ЭВМ с огромной памятью. Поэтому в большинстве микроЭВМ любой команде требуется не более двух операндов. Это достигается следующими приемами:

1. Адрес следующей команды указывается только в командах переходов; в остальных случаях очередная команда выбирается из ячеек памяти, следующих за выполненной командой. 2. Использование ячейки, в которой находится один из операндов, для запоминания результата (например, сумма запоминается в ячейки первого операнда).

Локализацию и обращение к операндам обеспечивают режимы адресации. При введении нескольких режимов адресации необходимо отвести в команде биты, указывающие режимы адресации для каждого операнда. Если предусмотрено восемь режимов адресации, то для задания каждого из них нужно три бита.

Почти во всех форматах команд первые биты отводятся для кода операции, но далее форматы команд разных ЭВМ сильно отличаются друг от друга. Остальные биты должны определять операнды или их адреса, и поэтому они используются для комбинации режимов, адресов регистров, адресов памяти, относительных адресов и непосредственных операндов. Обычно длина команды варьируется от 1 до 3 и даже 6 байт.

По форматам команд можно судить о возможностях ЭВМ.

2.6 Режимы адресации

Для взаимодействия с различными модулями в ЭВМ должны быть средства идентификации ячеек внешней памяти, ячеек внутренней памяти, регистров МП и регистров устройств ввода/вывода. Поэтому каждой из запоминающих ячеек присваивается адрес, т.е. однозначная комбинация бит. Количество бит определяет число идентифицируемых ячеек. Обычно ЭВМ имеет различные адресные пространства памяти и регистров МП, а иногда - отдельные адресные пространства регистров устройств ввода/вывода и внутренней памяти. Кроме того, память хранит как данные, так и команды. Поэтому для ЭВМ разработано множество способов обращения к памяти, называемых режимами адресации.

Режим адресации памяти - это процедура или схема преобразования адресной информации об операнде в его исполнительный адрес.

Все способы адресации памяти можно разделить на:

1)прямой, когда исполнительный адрес берется непосредственно из команды или вычисляется с использованием значения, указанного в команде, и содержимого какого-либо регистра (прямая адресация, регистровая, базовая, индексная и т.д.);

2)косвенный, который предполагает, что в команде содержится значение косвенного адреса, т.е. адреса ячейки памяти, в которой находится окончательный исполнительный адрес (косвенная адресация).

Вкаждой микроЭВМ реализованы только некоторые режимы адресации, использование которых, как правило, определяется архитектурой МП.

2.7 Типы архитектур

Существует несколько подходов к классификации микропроцессоров по типу архитектуры. Так, выделяют МП с CISC (Complete Instruction Set Computer) архитектурой, характеризуемой полным набором команд, и RISC (Reduce Instruction Set Computer) архитектурой, которая определяет систему с сокращенным набором команд одинакового формата, выполняемых за один такт МП.

Определяя в качестве основной характеристики МП разрядность, выделяют следующие типы МП архитектуры:

-с фиксированной разрядностью и списком команд (однокристальные);

-с наращиваемой разрядностью (секционные) и микропрограммным управлением.

Анализируя адресные пространства программ и данных, определяют МП с архитектурой фон Неймана (память программ и память данных находятся в едином пространстве и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти) и МП с архитектурой Гарвардской лаборатории (память программ и память данных разделены, имеют свои адресные пространства и способы доступа к ним).

Мы рассмотрим более подробно основные типы архитектурных решений, выделяя связь со способами адресации памяти.

1. Регистровая архитектура определяется наличием достаточно большого регистрового файла внутри МП. Команды получают возможность обратиться к операндам, расположенным в одной из двух запоминающих сред: оперативной памяти или регистрах. Размер регистра обычно фиксирован и совпадает с размером слова, физически реализованного в оперативной памяти. К любому регистру можно обратиться непосредственно, поскольку регистры представлены в виде массива запоминающих элементов - регистрового файла. Типичным является выполнение арифметических операций только в регистре, при этом команда содержит два операнда (оба операнда в регистре или один операнд в регистре, а второй в оперативной памяти).

К данному типу архитектуры относится микропроцессор фирмы Zilog. Процессор Z80 - детище фирмы Zilog помимо расширенной системы команд, одного номинала питания и способности исполнять программы, написанные для i8080, имел архитектурные "изюминки".

Рисю 2.5. Микропроцессор Z80 фирмы Zilog.

В дополнение к основному набору РОН, в кристалле был реализован второй комплект аналогичных регистров. Это значительно упрощало работу при вызове подпрограмм или процедур обслуживания прерываний, поскольку программист мог использовать для них альтернативный набор регистров, избегая сохранения в стеке содержимого РОНов для основной программы с помощью операций PUSH. Кроме того, в систему команд был включен ряд специальных инструкций, ориентированных на обработку отдельных битов, а для поддержки регенерации динамической памяти в схему процессора введены соответствующие аппаратные средства. Z80 применялся в машинах Sinclair ZX, Sinclair Spectrum, Tandy TRS80.

Предельный вариант - архитектура с адресацией посредством аккумуляторов (меньший набор команд).

МП фирмы Motorola имел ряд существенных преимуществ. Прежде всего, кристалл МС6800 требовал для работы одного номинала питания , а система команд оказалась весьма прозрачной для программиста. Архитектура МП также имела ряд особенностей.

Рис 2.6. Микропроцессор МС6800 фирмы Motorola.

Микропроцессор МС 6800 содержал два аккумулятора, и результат операции АЛУ мог быть помещен в любой из них. Но самым ценным качеством структуры МС 6800 было автоматическое сохранение в стеке содержимого всех регистров процессора при обработке прерываний (Z80 требовалось для этого несколько команд PUSH). Процедура восстановления РОН из стека тоже выполнялась аппаратно.

2.Стековая архитектура дает возможность создать поле памяти с упорядоченной последовательностью записи и выборки информации. В общем случае команды неявно адресуются к элементу стека, расположенному на его вершине, или к двум верхним элементам стека.

3.Архитектура МП, ориентированная на оперативную память (типа "память-память"), обеспечивает высокую скорость работы и большую информационную емкость рабочих регистров и стека при их организации в оперативной памяти.

Архитектура этого типа не предполагает явного определения аккумулятора, регистров общего назначения или стека; все операнды команд адресуются к области основной памяти.

С точки зрения важности для пользователя-программиста под архитектурой в общем случае понимают совокупность следующих компонентов и характеристик:

-разрядности адресов и данных;

-состава, имен и назначения программно-доступных регистров;

-форматов и системы команд;

-режимов адресации памяти;

-способов машинного представления данных разного типа;

-структуры адресного пространства;

-способа адресации внешних устройств и средств выполнения операций ввода/вывода;

-классов прерываний, особенностей инициирования и обработки прерываний.

3. Организация ввода/вывода в микопроцессорной системе

Вводом/выводом (ВВ) называется передача данных между ядром ЭВМ, включающим в себя микропроцессор и основную память, и внешними устройствами (ВУ). Это единственное средство взаимодействия ЭВМ с "внешним миром", и архитектура ВВ (режимы работы, форматы команд, особенности прерываний, скорость обмена и др.) непосредственно влияет на эффективность всей системы. За время эволюции ЭВМ подсистема ВВ претерпела наибольшие изменения благодаря расширению сферы применения ЭВМ и появлению новых внешних устройств. Особенно важную роль средства ВВ играют в управляющих ЭВМ. Разработка аппаратных средств и программного обеспечения ВВ является наиболее сложным этапом проектирования новых систем на базе ЭВМ, а возможности ВВ серийных машин представляют собой один из важных параметров, определяющих выбор машины для конкретного применения.

3.1 Программная модель внешнего устройства

Подключение внешних устройств к системной шине осуществляется посредством электронных схем, называемых контроллерами ВВ (интерфейсами ВВ). Они согласуют уровни электрических сигналов, а также преобразуют машинные данные в формат, необходимый устройству, и наоборот. Обычно контроллеры ВВ конструктивно оформляются вместе с процессором в виде интерфейсных плат.

В процессе ввода/вывода передается информация двух видов: управляющие данные (слова) и собственно данные, или данные-сообщения. Управляющие данные от процессора, называемые также командными словами или приказами, инициируют действия, не связанные непосредственно с передачей данных, например запуск устройства, запрещение прерываний и т.п. Управляющие данные от внешних устройств называются словами состояния; они содержат информацию об определенных признаках, например о готовности устройства к передаче данных, о наличии ошибок при обмене и т.п. Состояние обычно представляется в декодированной форме - один бит для каждого признака.

Регистр, содержащий группу бит, к которой процессор обращается в операциях ВВ, образует порт ВВ. Таким образом, наиболее общая программная модель внешнего устройства, которое может выполнять ввод и вывод, содержит четыре регистра ВВ: регистр выходных данных (выходной порт), регистр входных данных (входной порт), регистр управления и регистр состояния (рис. 3.1). Каждый из этих регистров должен иметь однозначный адрес, который идентифицируется дешифратором адреса. В зависимости от особенностей устройства общая модель конкретизируется, например, отдельные регистры состояния и управления объединяются в один регистр, в устройстве ввода (вывода) имеется только регистр входных (выходных) данных, для ввода и вывода используется двунаправленный порт.

Рис. 3.1. Программная модель внешнего устройства

Непосредственные действия, связанные с вводом/выводом, реализуются одним из двух способов, различающихся адресацией регистров ВВ.

Интерфейс с изолированными шинами характеризуется раздельной адресацией памяти и внешних устройств при обмене информацией. Изолированный ВВ предполагает наличие специальных команд ввода/вывода, общий формат которых показан на рис. 3.2. При выполнении команды ввода IN содержимое адресуемого входного регистра PORT передается во внутренний регистр REG процессора, а при выполнении команды OUT содержимое регистра REG передается в выходной порт PORT. В процессоре могут быть и другие команды, относящиеся к ВВ и связанные с проверкой и модификацией содержимого регистра управления и состояния.

Рис. 3.2. Команды ввода/вывода (общий формат)

Нетрудно заметить, что в этом способе адресное пространство портов ввода и вывода изолировано от адресного пространства памяти, т.е. в ЭВМ один и тот же адрес могут иметь порт ВВ и ячейка памяти. Разделение адресных пространств осуществляется с помощью управляющих сигналов, относящихся к системам ВВ и памяти (MEMRD# - считывание данных из памяти, MEMWR# - запись данных в память, IORD# - чтение порта ВВ, IOWR# - запись в порт ВВ) (# - активный низкий уровень сигналов).

ВЭВМ, рассчитанной на изолированный ВВ, нетрудно перейти к ВВ, отображенному на память. Если, например, адресное пространство памяти составляет 64 Кбайт, а для программного обеспечения достаточно 32 Кбайт, то область адресов от 0 до 32 К-1 используется для памяти, от 32 К до 64 К-1 - для ввода/вывода. При этом признаком, дифференцирующим обращения к памяти и портам ВВ, может быть старший бит адреса.

Таким образом, интерфейс с общими шинами (ввод/вывод с отображением на память) имеет организацию, при которой часть общего адресного пространства отводится для внешних устройств, регистры которых адресуются так же, как и ячейки памяти. В этом случае для адресации портов ВВ используются полные адресные сигналы: READ - чтение, WRITE - запись.

Воперационных системах ЭВМ имеется набор подпрограмм (драйверов ВВ), управляющих операциями ВВ стандартных внешних устройств. Благодаря им пользователь может не знать многих особенностей ВУ и интерфейсов ВВ, а применять четкие программные протоколы.

3.2 Форматы передачи данных

Рассмотрим некоторые общие вопросы, связанные с обменом данными между ВУ и микроЭВМ. Существуют два способа передачи слов информации по линиям данных: параллельный, когда одновременно пересылаются все биты слова, и последовательный, когда биты слова пересылаются поочередно, начиная, например, с его младшего разряда.

Так как между отдельными проводниками шины для параллельной передачи данных существует электрическая емкость, то при изменении сигнала, передаваемого по одному из проводников, возникает помеха (короткий выброс напряжения) на других проводниках. С увеличением длины шины (увеличением емкости проводников) помехи возрастают и могут восприниматься приемником как сигналы. Поэтому рабочее расстояние для шины параллельной передачи данных ограничивается длиной 1-2 м, и только за счет существенного удорожания шины или снижения скорости передачи длину шины можно увеличить до 10-20 м.