МИКРОПРОЦЕССОРЫ
МП называется программноеустройство обработки данных, выполняемое средствами микроэлектронных технологийв корпусе одной или нескольких больших интегральных схем.
Общая структура МП можетбыть представлена:
/>
В состав МП входит:
– операционное устройствов виде АЛУ и регистра общего назначения;
– устройство управления(УУ), включающие регистры общего назначения;
– регистр команд (РГ);
– счетчик команд (СК);
СК хранит адрес команды,которую подлежит выполнению. По этому адресу из оперативной памяти извлекаетсясоответствующая команда, занимающая от 1 до нескольких байт и код команды,размещающийся в 1 байте, записывается в РК. В соответствии с кодом командыустройство управления обеспечивает выполнение либо 1 микрооперации, либо микропрограммы,включающей совокупность микроопераций.
В регистре общегоназначения размещаются операнды выполняемой операции и промежуточные операциивычисления. Результат выполнения команды может быть размещен либо в регистреобщего назначения либо записывается в памяти по сформированному адресу.
В процессе выполнениякоманды могут быть обращения к памяти за операндами. Архитектура МП определяетмножество выполняемых команд, разрядные шины адреса, шины данных, составныешины управления, составных регистров общего и специального назначения, наличиемпромежуточной буферной памяти. Это КЭШ-память для размещения команд выполнениякоманды и блоков данных. Возможна модернизация системы команд количествомодновременной обработки бит в операционном устройстве, количеством самихоперационных устройств.
Под разрядностью МПпонимают количество двоичных разрядов, обрабатываемых операционным устройствомМП.
Типичным представителем8-разрядного МП есть Intel8080, КР 580.
МП имеет 8-разрядную шинуданных и 8-разрядное операционное устройство, 16-разрядную шину адреса. МП,выполненный на основе n-МОПтехнологий. Питание имеют уровни 12В, ±5В.
Общая структура МП имеетследующий вид:
/>
Операционное устройствопредставлено: АЛУ, схемой десятичной коррекции, регистр общего назначения А(аккумулятор), в котором размещается 1 из операндов и после выполнения операциирезультат выполнения:
2 буферных регистра БР1и БР2.
Помимо этого в составерегистра общего назначения имеются 8-разрядные регистры B-L, доступ к которым происходит через мультиплексор МПП.Регистры W и Z программно не доступны. Регистры B-L могутиспользоваться парами как 16-разрядные.
ПС – программный счетчик,хранящий адрес текущей выполняемой команды, а после ее выборки из памятиувеличивается в соответствии с длиной выполняемой команды в байтах.
УС – указатель стека.Хранит адрес верхушки стека, который размещается в оперативной памяти.
СП – схема приращений.Используется для изменения содержимого программного счетчика и содержимогостека.
РА – регистр адреса.
Буфер шины адресапредставляет собой устройство, обеспечивающие подключение и отключениевнутренней и внешней шины. Построение такого одноразрядного буфера может бытьвыполнено по следующей схеме:
/>
При сигнале управления />= 1 будут открытылогические элементы 1 и 4. В результате значение с внутренней шины данныхпередается на внешнюю. Если />= 0, тозначения с внешней шины данных будут поступать на внутреннюю.
Устройство управления исинхронизации собрано по схеме с «жесткой» логикой и формирует сигналуправления подаваемый на все элементы МП. Распределение их во времениобеспечивает сигнал синхронизации.
Помимо этого устройствоформирует сигнал /> при записиинформации в память или на внешнее устройство. При передачи информации в МП пошинам данных формируется сигнал DB.
HOLD – сигнал захвата. Формируется послеокончания выполнения текущей команды до начала выполнения следующей команды.
HDLA – сигнал подтверждения сигналазахвата.
INT – запрос на прерывание.Воспринимается МП после выполнения текущей команды.
После этого, содержащаясяпрограмма счетчика и регистра команд записывается в стек. Записанный адреспервой команды обрабатывает прерывание.
INT E – сигнал разрешения прерывания. Может быть установленпрограммой.
WAIT – сигнал режима ожидания МП, вкотором находится МП при подготовке внешних устройств к процессу обменаинформации.
READY – сигнал готовности от внешнихустройств.
F1 и F2 – сигнал, поступающий от тактового генератора.
Команды МП могут быть 1-,2-, 3-х байтными.
Для извлечения операндов(обработанных данных) используют следующие методы адресации:
1. непосредственнаяадресация. При этом обработка данных размещается непосредственно в теле команды– во 2-м или 2-м и 3-м байтах.
2. прямая адресация.Адрес операнда размещается во 2-м и 3-м байтах. Во 2-м размещается младший байтадреса.
3. косвеннаяадресация. В составе 2-го или 2-го и 3-го байтах указывается регистр,содержащий адрес памяти, по которому размещаются обратные операнды.
4. регистровая.Применяется в однобайтных командах, в котором используется регистр,определяемый кодом команды.
Все команды делятся наследующие группы:
1. командыпересылки;
2. арифметические,включающие алгоритмы сложения, вычитания, инкремента, декремента. Умножение иделение выполняемой команды отрицательного числа, представляются дополнительнымкодом.
3. логические: «и»,«или», сдвиговые.
4. команды управленияи команды ввода\вывода с внешних устройств.
5. команды переходаи вызова подпрограмм условного и безусловного перехода.
Примером 16-ти разрядногопроцессора является Intel-8086.
Он имеет 16-разряднуюшину данных, которая мультиплексируется 16-разрядной шиной адреса.Мультиплексирование – временное разделение использования шины.
Имеется 4 старших разрядаадреса, которые мультиплексируются с сигналами состояния микропроцессора.Условно микропроцессор может быть разбит на 2 части: устройство сопряжения сшиной и исполнительное устройство.
Схема микропроцессора.
/>
Микропроцессор содержит16-ти разрядные сегментные регистры.
CS – для кодового сегмента
DS – регистр дополнительного сегмента
SS – сегментный регистр сегмента стека
IP – указатель на инструкцию
16-ти разрядные регистрыобщего назначения (AX,BX,CX,DX), регистрыуказатели и индексные регистры.
SP – Stekpointer
BP – Basepointer
DI –destination index
SI – sourceindex
Флаговый регистр содержитбайты, определяющие режимы работы микропроцессора и результаты работы операций.Имеется 6-ти байтная очередь команд; устройство управления и синхронизациизаполняет регистры очереди командами и очереди инструкций при обработке текущейкоманды.
По мере освобожденияочереди команд она заполняется новыми командами в соответствии с выполнениемхода программы. Это дает время при выборки команд из памяти, используя командыи регистров очередных команд.
Микропроцессор имеет20-ти разрядную шину адреса, что дает возможность адресовать 1Мб ячейке памяти.
Для доступа к этимячейкам используется сегментация памяти с выделением сегментов по 64Кб.(соответственно 16 разрядов. Содержимое сегмента регистра дополняется справа16-тиричным нулем и к полученному результату добавляется 16-тиричное смещение.
Сегментные регистры
/>
Для сегмента кодасмещение хранится в регистре IP.Сумма этих значений определяет адрес байта в составе сегмента.
Регистры общегоназначения могут быть разбиты на 8-ми разрядные регистры на старшую и младшуючасть. AH,AL;BH,BL;CH,CL;DH,DL. – эти регистры используются в составе специальных команд.
Для доступа к сегментустека используются специальные регистры SP и BP.Индексные регистры D1 и S1 используются при обработкеоперандов, занимающих последовательные байты памяти (при обработке строксимволов). Значения этих регистров в определенных инструкциях добавляется ксодержимому сегментного регистра и смещения.
Флаговый регистр дополненбитами по отношению к 8-миразрядной модели имеются флаги:
CF – флаг переноса из старшего разряда
OF – флаг переполнения
AF – флаг дополн. переноса (длядесятичного переноса).
SF – флаг знака.
ZF – флаг нуля.
PF – флаг четности.
PF=1, если количество единиц битчетное, флаги IF,DF,TF – флагиуправления.
IF – флаг разрешения прерывания (можетустанавливаться программно)
DF – флаг направления при обработкестроковых операндов.
TF – флаг трассировки (микропроцессорвыполняет 1-у команду и останавливается).
Микропроцессор используетмикропрограммное устройство управления. Тактовая частота составляет 5-8 МГц.
Intel 80286 имеет16-разрядную шину данных, 24 – разрядную шину адреса. Содержит те же наборырегистров, 16 Мб ОЗУ. Повышена тактовая частота 12-20 MHz. Собраны модели IBM PC\AT,работающие под управлением операционной системы MSDOS, и в защищённом режиме Windows 3.11.
32-разрядные процессоры Intel 80386 — как и предыдущие модели, дополнялисьсопроцессором для обработки чисел с плавающей точкой: Intel 80287, Intel80387. К особенностям архитектуры надо отнести 32-разрядный адрес,обеспечивающий адресацию до 4Гб оперативной памяти, использующий следующиережимы адресации:
1. Сегментнаястраничная виртуальная память со стр. 4Гб, сегментами 64Тб.
2. Бесстраничнаясегментная виртуальная память с сегментами по 4Гб и общим объёмом 64Тб.
3. Страничнаясегментная организация памяти со страницами 4Кб и сегментами до 4Гб.
4. Бесстраничнаясегментная организация памяти с сегментами до 4Гб.
/>
Линейный адрес содержит 3 поля. Индексы по 10 бит исмещение 11 бит. 1-й индекс определяет строку в справочнике таблиц, задающуюадрес таблицы адресов хранящей последнюю страницу памяти.
Элемент этой таблицы определяется 2-м индексом задаётадрес начала страницы. Смещение определяет байт или последний байт в этойстранице.Intel80486
/>
Особенность – включение сопроцессора в общую структуру.
Микроконтроллер обладаетсуперскалярной архитектурой, означающей то, что в каждый момент времени можетвыполнятся более 1-й команды за счёт наличия в составе 2-х АЛУ и устройстваобработки чисел в формате с плавающей точкой (FPU), которые могут работать параллельно.
В состав входят 2устройства внутренней кэш памяти для размещения команд и данных.
Блок прогнозированияветвлений, позволяющий выполнить предварительную загрузку части программы,выполнение которой наиболее вероятно, что увеличивает производительность в целомна 25% .
В целочисленных АЛУ и FPU применяются конвейеры в АЛУ – 5ступенчатые, в FPU – 8ступенчатые, что повышает производительность, т.к. на конвейере различныекомпоненты выполняют свою обработку отдельных частей потоков команд.
В результате этиустройства работают параллельно, поэтому одна команда с плавающей точкойобрабатывается за 1 машинный такт, операции умножения, деления, сложенияреализуются аппаратно.
Последние модели микропроцессоров отличаются введениемкэш-памяти 2-го и 3-го уровня для моделей, которые размещались отдельно намикропроцессорной плате, однако, есть и другие архитектуры: AMD,которые не используют кэш-память 2,3 – уровней, но показывают хорошиерезультаты. Также существуют 64-разрядные процессоры.