Регистры, дешифраторы и микропроцессоры

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра ЭСиС
Реферат на тему:
«Регистры, дешифраторы и микропроцессоры»
Выполнил:студент гр. 4А96
          Токмашов А.О.
       Проверил:ст.преподаватель
                     Аристова Л.И.
Томск 2012
Содержание
Введение            3                           Регистры                    4  Общие сведения                    4 Параллельный регистр                  4 Последовательный регистр                  5 Параллельно – последовательный регистр               7  Дешифраторы                   10  Общие сведения                  10  Структура дешифраторов                11 Расширение разрядности дешифратора              13 Применение дешифраторов                14  Микропроцессоры                 16  Общие сведения                  16  Классификация                  16 Основные характеристики микропроцессора             21 Структура типового микропроцессора              22 Функции и строение микропроцессора              25
Заключение                   31
Список литературы                  32
Введение
В данной работе более подробно ознакомимся с такими устройствами как регистры, дешифраторы и микропроцессоры, и получим более полное  представление о строении, структуре работы этих устройств и т.д.
По-моему мнению, с микропроцессорами знакомо большинство людей, которые имеют персональные компьютеры. Ведь «мозгом» ПК является именно процессор, выполняющий множество функции заложенных в него. Но это «знакомство» можно назвать поверхностным, т.к. мало кто может пояснить принцип работы микропроцессора. Кстати, сейчас не только компьютеры могут похвастаться наличием микропроцессора, но и некоторые современные сотовые телефоны также оборудованы этим важнейшим элементом. Что же касается регистров и дешифраторов, они тоже имеют большое значение и являются совместно работающими с процессором устройствами.  И надеюсь, что посредством этого реферата я смогу пояснить некоторые аспекты в работе и строении этих элементов. Регистры
1.1 Общие сведения
Регистр предназначен для хранения многоразрядных двоичных чисел (слов). Поэтому его основу составляют запоминающие элементы – триггеры. В каждом из них хранится цифра разряда числа.
Кроме хранения, регистр может осуществлять сдвиг принятого слова, преобразование параллельного кода в последовательный и наоборот, преобразование кода из прямого в обратный (когда единицы заменяются нулями, а нули – единицами) и наоборот, и некоторые арифметические и логические операции.
В соответствии со способом ввода и вывода разрядов числа различают регистры параллельные, последовательные и комбинированные.
В параллельном регистре (регистре памяти) ввод и вывод слова осуществляется в параллельной форме – одновременно всех разрядов, в последовательном (сдвиговом) регистре разряды числа вводятся и выводятся последовательно, в комбинированном регистре ввод числа осуществляется в параллельной форме, а вывод в последовательной или наоборот.
Регистры делятся на: Регистры памяти. Сдвиговые регистры. Комбинированные регистры.
1.2 Параллельный регистр
  Рис. 1.                                             Рис. 2.
На рис.1, приведена функциональная схема параллельного регистра (регистра памяти) на RS-триггерах при однофазном способе приема числа xn ….x2, x1.
Так как сигналы, поступающие только на входы S, не могут установить соответствующие триггеры в состояния 0 (из-за чего число будет записано с ошибкой), то перед приемом числа все триггеры регистра обнуляются. Для этого на линию “0” подается логическая 1. Подготовка к приему новой информации составляет первый такт.
Во втором такте по сигналу 1 на линии “П” (“Прием”) двоичное число всеми разрядами одновременно (параллельно) через конъюнкторы записывается в разряды регистра. Выдача числа в прямом коде осуществляется по сигналу лог. 1 на линии Впр, а в обратном – по сигналу лог.1 на линии Вобр.
Ввод информации в рассматриваемом регистре может осуществляться и парафазным способом, когда i-ый разряд числа на вход S поступает непосредственно, а на R-вход – через инвертор. Этим исключается необходимость предварительной установки триггеров в 0, так как теперь его состояние целиком определяется сигналами на S- и R-входах, т. е. цифрой в разряде кода. Такая запись числа осуществляется в один такт и производится намного быстрее, чем двухтактная.
Параллельный регистр может быть реализован и на других типах триггеров, имеющих информационные входы.
Условное изображение параллельного четырехразрядного регистра приведено на рис.2, где Q1...Q4 – выходы разрядов регистра, D1...D4 – входы, с которых в регистр одновременно записываются все разряды заносимого слова при поступлении импульса разрешения на С-вход.
1.3 Последовательный регистр
В последовательных регистрах число вводится и выводится последовательно разряд за разрядом. Разряды такого регистра соединены последовательно. Каждый разряд выдает информацию в следующий и одновременно принимает новую информацию из предыдущего. Для этого каждый разряд должен иметь два запоминающих элемента. В первый передается информация из предыдущего разряда, одновременно второй запоминающий элемент передает свою информацию в последующий разряд; затем информация, принятая первым запоминающим элементом, передается во второй, а первый освобождается для приема новой информации.
Двухступенчатый триггер (например, JK-триггер, D-триггер) представляет совокупность двух запоминающих элементов, поэтому он один может составлять разряд последовательного регистра.
Если в цепи таких триггеров выходы одного триггера соединить с входами другого, то по фронту тактового импульса во входную ступень каждого триггера будет заноситься информация из выходной ступени предыдущего триггера, а по спаду импульса она будет переписываться в выходную ступень. Теперь (по фронту следующего тактового импульса) во входной ступени триггера информация может быть заменена новой (из предыдущего триггера) без опасения, что предыдущая будет потеряна.
Рис.3.
Функциональная схема последовательного регистра приведена на рис.3, где, к примеру, левый триггер предназначен для хранения старшего разряда числа, а правый – для хранения младшего разряда. Разряды двоичного числа (высокие и низкие потенциалы), начиная с его младшего разряда, последовательно поступают на входы старшего разряда регистра. Поступление разрядов числа чередуется с поступлением импульсов сдвига, которыми вводимые разряды продвигаются вдоль регистра, пока младший разряд n-разрядного числа не окажется в младшем разряде регистра.
Для выдачи записанного числа в последовательной форме надо на входы старшего разряда регистра подать хi=0, xi=1, а на линию импульсов сдвига – n импульсов. Первый импульс выдвинет из младшего разряда регистра младший разряд числа, на его место передвинется второй разряд числа и т. д. – все число сдвинется вдоль регистра на один разряд.     Одновременно с входов в старший разряд регистра будет записан 0. Второй импульс сдвига выдвинет из регистра второй разряд числа и продвинет 0 из старшего разряда регистра в соседний, более младший и т.д. После n импульсов сдвига число будет полностью выведено из регистра, в разряды которого окажутся записанными нули. В соответствии с механизмом перемещения разрядов числа вдоль регистра последовательный регистр называют сдвигающим (сдвиговым). Он может быть однонаправленным (для сдвига числа в сторону младшего разряда – правый сдвиг, в сторону старшего разряда – левый сдвиг), а также реверсивным, обеспечивающим сдвиг в обе стороны.
Схема реверсивного сдвигового регистра изображена на рис.4. При V=1 верхний ряд конъюнкторов заблокирован и в регистр сдвиговыми импульсами могут вдвигаться разряды слова слева направо с входа D1. При V=0 блокируется нижний ряд конъюнкторов, и слово может вдвигаться в регистр с входа D2 справа налево.
Рис. 4.
1.4 Параллельно-последовательный регистр
Параллельно-последовательные регистры используются, в частности, для преобразования параллельной формы кода в последовательную и наоборот. Для решения первой задачи регистр, выполненный по схеме рис. 3, должен иметь триггеры с нетактируемыми входами S и R для записи слова в параллельном коде. С подачей импульсов сдвига этот код разряд за разрядом будет появляться на выходе триггера младшего разряда. При решении второй задачи число вводится в регистр последовательно разряд за разрядом, а снимается одновременно с выходов всех триггеров.
Если выходы последнего триггера (см. рис. 3) соединить с входами первого, то получится кольцевой регистр сдвига. Записанная в его разряды информация под воздействием сдвигающих импульсов будет циркулировать по замкнутому кольцу. Кольцевой регистр иначе называют кольцевым счетчиком. Его коэффициент пересчета равен числу разрядов n: единица, записанная в один из разрядов, периодически появляется в нем после того, как пройдут n сдвигающих импульсов.
Приведем еще одно применение регистра. Пусть в регистр (см., например, рис. 3) записано число так, что его крайние разряды свободны от разрядов числа. При этом сдвиг числа влево (в сторону старших разрядов) увеличивает число вдвое, а сдвиг вправо уменьшает число в два раза. Это легко проследить на примере. Число 00111002 = 2810. При сдвиге влево оно будет равно 01110002=5610, а при сдвиге вправо составит 00011102 =1410.
Промышленность выпускает многие типы регистров в интегральном исполнении.
На рис. 4 приведено условное изображение 4-х разрядного параллельно-последовательного регистра со сдвигом вправо. Выбор режима (последовательный или параллельный ввод числа) определяется сигналом на входе V2: при логическом 0 регистр работает как сдвигающий, а при логической 1 — как параллельный. Через вход VI в первый разряд регистра последовательно вводятся разряды двоичного числа. Синхроимпульсы, поступающие на вход С1, обеспечивают их сдвиг. По входам D1...D4 в регистр может быть занесено двоичное число в параллельной форме всеми разрядами одновременно. Его запись происходит с поступлением синхроимпульса на вход С2.
В условных обозначениях регистров со сдвигом влево стрелка обращена в сторону, противоположную изображенной на рис. 4, а в реверсивных сдвигающих регистрах она показывается двунаправленной.
Рис. 5.
На рис. 5 показано наращивание разрядов последовательно-параллельного регистра (с последовательным вводом и параллельным выводом числа). По каждому импульсу на входе С разряды вводимого слова с входа D вдвигаются в регистр. С выхода последнего разряда (Q4) предыдущего регистра разряд слова поступает на вход D последующего регистра, составляющих как бы непрерывную цепочку последовательно включенных триггеров. Дешифраторы
2.1 Общие сведения
 Дешифраторы и шифраторы (также, как и элементы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ) являются комбинационными элементами: потенциалы на их выходах зависят от сиюминутного состояния входов, с их изменением меняется и ситуация на выходах; такие элементы не сохраняют предыдущее состояние после смены потенциалов на входах, т.е. не обладают памятью.
Дешифраторы могут быть полными и неполными. Полные дешифраторы реагируют на все входные коды, неполные – на коды, величина которых не превосходит некоторого заранее установленного значения. Выходы дешифраторов могут быть прямыми и инверсными.
Шифраторы выпускаются приоритетными и не приоритетными. У приоритетного шифратора входы имеют разный приоритет. Возбужденный вход с большим приоритетом подавляет действие прежде возбужденного и устанавливает на выходах код, соответствующий своему значению.
Сведения о рассматриваемых элементах, классификация которых графически отражена на рис. 6, будут подробно изложены далее.
Знание материала, излагаемого в данной теме, дадут студенту возможность правильного выбора дешифраторов и шифраторов в зависимости от требуемой разрядности, необходимости использования управляющих входов этих элементов и категории выходов. Он научится организовывать структуры с большим числом входов на маловходовых элементах, а также осуществлять адресацию устройств кодами, разрядность которых превосходит разрядность используемых элементов.
Рис. 6. Структура дешифратора
 Каждому цифровому коду на входах дешифратора (рис. 7, а, б) соответствует логическая 1 (или логический 0) на соответствующем выходе. Иными словами, каждый входной код адресует соответствующий выход, который при этом возбуждается. Поэтому входы дешифратора часто называют адресными. Стоящие возле них цифры (1,2,4…) показывают, как соотносятся веса разрядов поступающего двоичного числа.
Рис. 7.
Выходы дешифратора оцифрованы десятичными числами. Возбуждается тот выход, номер которого равен весу входного кода, разряды которого имеют обозначенные веса (рис. 7), т.е. дешифратор расшифровывает (дешифрирует) число, записанное в двоичном коде, представляя его логической 1 (логическим 0) на соответствующем выходе. Так, выход 5 возбуждается при входном коде 101, выход 6 – при входном коде 110 и т.д. Удобно представлять, что выход дешифратора отображает возбудивший его входной код.
Вход V является входом разрешения работы. Если он инверсный (обозначен кружком как на рис. 7), то для функционирования дешифратора на нем должен быть лог. 0 (достаточно этот вход соединить с общим проводом – “землей”). Прямой вход V через резистор соединяется с источником питания. Наличие входа разрешения расширяет функциональные возможности микросхемы.
Дешифратор выбирается так, чтобы число его входов соответствовало разрядности поступающих двоичных кодов. Число его выходов равно количеству различных кодов этой разрядности. Так как каждый разряд двоичного кода принимает два значения, то полное количество n-разрядных комбинаций (n-разрядных двоичных кодов) равно 2n. Такое число выходов имеет полный дешифратор.
Неполный дешифратор выбирается, когда некоторые значения адресных кодов не отражают физической реальности. Так, например, дешифратор, предназначенный для фиксации двоичных кодов десятичного разряда (в нем могут быть цифры 0,1,2…9), должен иметь четыре входа (910 отображается как 10012). Однако комбинации, большие 10012 отображают не цифру, а число, и поэтому (хотя и могут появляться на входах) не должны фиксироваться на выходах, число которых может не превышать десяти.
Основу структуры дешифратора могут составлять элементы И; выход каждого из них является выходом дешифратора. Если этот выход должен быть возбужден, то на входах элемента И должны собираться логические единицы. При этом разряды входного кода, в которых присутствуют логические единицы, должны поступать на входы элемента И непосредственно, а нулевые разряды должны инвертироваться.
Рис. 8.
Изложенный принцип положен в основу построения схемы, изображенной на рис. 8. Логическая 1 на выходе Y0 должна появляться, когда на входах Х3, X2, X1 присутствует двоичный код 000 десятичного числа 0. Поэтому входы верхнего (по схеме) конъюнктора должны быть соединены с линиями X3, X2, X1, на каждой из которых присутствует 1 = 0, Х=1, X=0. Аналогично соединяются с линиями входы других конъюнкторов. логическая 1, когда на входах Х3=Х2=Х1 =0. Логическая 1, к примеру, на выходе Y2 должна появиться, когда на входах Х3, X2, X1 устанавливается код 010 десятичного числа 2, поэтому входы соответствующего конъюнктора должны быть соединены с линиями X3, Х2, X1, на каждой из которых имеется логическая 1, когда Х3 21
Некоторые типы дешифраторов имеют инверсные выходы: на возбужденном (активизированном) выходе присутствует логический 0, в то время как на всех других – логические 1. Такие дешифраторы удобно использовать, когда активным сигналом для выбора (ввода в действие, инициализации) устройства с выхода дешифратора является логический 0.
2.3 Расширение разрядности дешифратора
Общий случай расширения разрядности дешифраторов иллюстрирует рис.9. Левый (по схеме) дешифратор постоянно активизирован логической 1 на входе V. Кодами на его адресных входах может быть активизирован (выбран) любой из дешифраторов DC0…DC15. Выбор одного из выходов 0…15 каждого из них определяется кодом на объединенных входах 1, 2, 4, 8. Таким образом, любой из 256 (28) выходов может быть активизирован восьмиразрядным кодом, четыре разряда которого выбирают номер дешифратора, а четыре – номер его выхода.
Рис. 9.
2.4 Применение дешифраторов
Основное назначение дешифратора состоит в том, чтобы выбрать (адресовать, инициализировать) один объект из множества находящихся в устройстве. Рис. 10 иллюстрирует это применение. Каждому объекту присваивают определенный адрес (номер). Когда на входы дешифратора поступает двоичный код адреса, соответствующий элемент активизируется за счет появления логического 0 на связанном с ним выходе дешифратора, а остальные элементы остаются заблокированными.
Рис. 10.
Можно предусмотреть, чтобы с одного из выходов дешифратора на определенный блок поступал управляющий сигнал, когда на входах дешифратора появляется определенный код, соответствующий, например, превышению какого-либо параметра (температуры, напряжения и т.д.), который должен быть приведен к нормальному уровню указанным блоком.
Когда число адресуемых устройств невелико, многие выходы дешифратора остаются незадействованными. При этом может оказаться целесообразным (в частности, по экономическим соображениям) использовать не микросхему дешифратора, а реализовать ее фрагмент логическими элементами. На рис. 11 представлена схема, составленная с таким расчетом, чтобы устройство DD1 реагировало на код 101, а устройство DD2– на код 010.
Рис. 11.
Аналогичный прием можно использовать, если адрес устройства имеет большее число разрядов, чем число входов дешифратора. Рис. 12 иллюстрирует случай, когда устройство DD1 адресуется кодом 1011, при этом три старших разряда кода заводятся на дешифратор, активизируя выход №5, а младший разряд кода объединяется с ним конъюнкцией.
Рис. 12.
На дешифраторе могут быть реализованы логические функции. Пусть, к примеру, y = x3 x2 x1 + x3 x2 x1 + x3 x2 x1. Логические переменные подаются на адресные входы дешифратора (рис.13). Первая конъюнкция (ее вес равен 2) возбуждает выход №2, вторая – выход №3, третья – выход №5. Так как условие y = 1 должно иметь место при наличии любой из этих конъюнкций, то выходы 2, 3 и 5 надо объединить дизъюнкцией.
Рис. 13. Микропроцессоры  Общие сведения
Важнейший компонент любого персонального — это его микропроцессор. Данный элемент в большей степени определяет возможности вычислительной системы и, образно выражаясь, является его сердцем. До настоящего времени безусловным лидером в создании современных микропроцессоров остаётся фирма Intel. Микропроцессор, как правило, представляет из себя сверхбольшую интегральную схему, реализованную в едином полупроводниковом кристалле и способную выполнять функции центрального процессора. Степень интеграции определяется размерами кристалла и количеством реализованных в нём транзисторов. Часто интегральными микросхемы называют чипами (chips).
К обязательным компонентам микропроцессора относятся арифметико-логическое (исполнительное) устройство и блок управления. Они характеризуются скоростью (тактовой частотой), разрядностью или длинной слова (внутренней и внешней), архитектурой и набором команд. Архитектура микропроцессора определяет необходимые регистры, стеки, систему адресации, а также типы обрабатываемых процессором данных. Обычно используются следующие типы данных: бит (один разряд), байт (8 бит), слово (16 бит), двойное слово (32 бита). Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, памятью, портами ввода-вывода). Классификация
По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.
Процессоры даже самых простых ЭВМ имеют сложную функциональную структуру, содержат большое количество электронных элементов и множество разветвленных связей. Изменять структуру процессора необходимо так, чтобы полная принципиальная схема или ее части имели количество элементов и связей, совместимое с возможностями БИС.
При этом микропроцессоры приобретают внутреннюю магистральную архитектуру, т. е. в них к единой внутренней информационной магистрали подключаются все основные функциональные блоки (арифметико-логический, рабочих регистров, стека, прерываний, интерфейса, управления и синхронизации и др.).
Для обоснования классификации микропроцессоров по числу БИС надо распределить все аппаратные блоки процессора между основными тремя функциональными частями: операционной, управляющей и интерфейсной. Сложность операционной и управляющей частей процессора определяется их разрядностью, системой команд и требованиями к системе прерываний; сложность интерфейсной части разрядностью и возможностями подключения других устройств ЭВМ (памяти, внешних устройств, датчиков и исполнительных механизмов и др.). Интерфейс процессора содержит несколько десятков информационных шин данных (ШД), адресов (ША) и управления (ШУ).
Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.
На рис. 14, а показано функциональное разбиение структуры процессора при создании трехкристального микропроцессора (пунктирные линии), содержащего БИС операционного (ОП), БИС управляющего (УП) и БИС интерфейсного (ИП) процессоров.
Рис. 14.
Операционный процессор служит для обработки данных, управляющий процессор выполняет функции выборки, декодирования и вычисления адресов операндов и также генерирует последовательности микрокоманд. Автономность работы и большое быстродействие БИС УП позволяет выбирать команды из памяти с большей скоростью, чем скорость их исполнения БИС ОП. При этом в УП образуется очередь еще не исполненных команд, а также заранее подготавливаются те данные, которые потребуются ОП в следующих циклах работы. Такая опережающая выборка команд экономит время ОП на ожидание операндов, необходимых для выполнения команд программ. Интерфейсный процессор позволяет подключить память и периферийные средства к микропроцессору; он, по существу, является сложным контроллером для устройств ввода/вывода информации. БИС ИП выполняет также функции канала прямого доступа к памяти.
Выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются каждой частью микропроцессора автономно и поэтому, может быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС МП, т.е. конвейерный поточный режим исполнения последовательности команд программы (выполнение последовательности с небольшим временным сдвигом). Такой режим работы значительно повышает производительность микропроцессора.
Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями (рис. 14, б). Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляются средства «стыковки».
Для создания высокопроизводительных многоразрядных микропроцессоров требуется столь много аппаратных средств, не реализуемых в доступных БИС, что может возникнуть необходимость еще и в функциональном разбиении структуры микропроцессора горизонтальными плоскостями. В результате рассмотренного функционального разделения структуры микропроцессора на функционально и конструктивно законченные части создаются условия реализации каждой из них в виде БИС. Все они образуют комплект секционных БИС МП.
Таким образом, микропроцессорная секция это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Секционность БИС МП определяет возможность «наращивания» разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессора при «параллельном» включении большего числа БИС.
По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.
Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.
Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных и к определению их подобия.