Вопросы

Типовая структура микропроцессора. Классификация микропроцессоров.

Приведите несколько примеров представления отрицательных чисел.

Понятие дополнительного кода числа.

Понятие обратного кода числа.

Вопросы.

Двоично-десятичное представление чисел.

В этом случае числа представляются в двоичной системе счисления, но для отображения каждой десятичной цифры используется 4 бита. Например число 53 в двоично-десятичном коде может быть представлено как 0101 0011. Сравните с двоичным представлением этого же числа 0011 0101.

Рассмотрим особенности организации процесса обработки информации в цифровых устройствах (цифровых автоматах). Задача создания цифрового автомата, выполняющего определенные действия над двоичными сигналами, заключается в выборе элементов и способе их соединения, обеспечивающих заданное функциональное преобразование. Эти задачи решают с помощью алгебры логики.

По схемному решению и характеру связи между входными и выходными переменными различают два типа цифровых устройств – комбинационные и последовательные. В комбинационных цифровых устройствах совокупность сигналов на выходах в каждый конкретный момент времени полностью определяется входными сигналами, действующими в этот момент на его входах. Алгоритм функционирования комбинационных устройств может быть представлен в виде таблицы соответствия, содержащей значения выходных сигналов для всех возможных комбинаций значений входных сигналов. Цифровые утройства последовательного типа существенно отличаются от комбинационных прежде всего наличием памяти. Их выходные сигналы являются функцией не только входных сигналов, но и внутреннего состояния, в котором устройство находилось до поступления входных сигналов.

На основе цифрового устройства последовательного типа может быть спроектировано устройство, которое в зависимости от последовательности входных сигналов будет выполнять один из многих алгоритмов. Эти входные сигналы могут размещаться и последовательно извлекаться из внешнего блока регистров, называемого управляющей памятью. Некоторые входные сигналы могут использоваться для синхронизации поступления входных сигналов из управляющей памяти и для их адресации. Такое устройство может быть названо устройством с программируемой логикой или программируемым устройством. К таким устройствам относится и микропроцессор.

Микропроцессоры обладают следующими характеристиками: разрядность адреса и данных, тип корпуса, количество и напряжение источников питания, мощность рассеяния, температурный диапазон, возможность расширения разрядности, время цикла выполнения команд, уровни сигналов, помехоустойчивость, нагрузочная способность, надежность и т.д.

По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают однокристальные, многокристальные и многокристальные секционированные микропроцессоры.

Однокристальные микропроцессоры получают при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС. По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокрстальных микропроцессоров улучшаются.

Многокристальные микропроцессоры получают при разбиении его логической структуры на функционально законченные части, которые реализуют в виде БИС. Один из возможных вариантов разбиения структуры процессора – это создание трехкристального микропроцессора, содержащего БИС операционного процессора, управляющего процессора и интерфейсного процессора. Операционный процессор (ОП) служит для обработки данных, управляющий процессор (УП) выполнет функции выборки, декодирования и вычисления адресов команд и операндов. Автономность работы и большое быстродействие БИС УП позволяет выбирать команды из памяти с большей скоростью, чем скорость их выпонения в ОП. При этом в УП образуется очередь еще не исполненных команд, заранее подготавливаются данные, которые потребуются ОП в следующих циклах работы. Такая опережающая выборка команд экономит время ОП на ожидание операндов, необходимых для выполнения команд программы. Интерфейсный процессор (ИП) позволяет подключить память и периферийные средства к микропроцессору.

Выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются каждой частью микропроцессора автономно, и поэтому может быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС МП, то есть конвейерный поточный режим исполнения последовательности команд программы (минимальное время между выполнениями команд). Такой режим работы значительно повышает производительность микропроцессора.

Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора. Микропрцессорная 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 микропроцессором при “параллельном” включении большого числа БИС. Многокристальные сеционные микропроцессоры имеют разрядность от 2-4 до 8-16 бит и позволяют создавать высокопроизводительные процессоры ЭВМ.

По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры. Универсальные микропроцессоры можно применять для решения разноообразных задач. Производительность универсальных микропроцессоров мало зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация микропроцессора, то есть его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций, позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач. Среди специализированных микропроцессоров можно выделить: 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 применения и т.д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать сложные задачи параллельной обработки данных.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры – это цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С точки зрения архитектуры такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они могут выполнять функции любой аналоговой схемы.

По характеру временной организации работы различают синхронные и асинхронные микропроцессоры. Синхронные микропроцессоры – это микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов). Асинхронные микропроцессоры позволяют начало каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.

По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры. В однопрограммных микропроцессорах одновременно выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы. В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняются несколько программ.

Типовая структура микропроцессора приведена на рисунке ниже. Микропроцессор состоит из трех основных блоков: арифметическо – логического устройства (АЛУ), блока внутренних регистров и устройства управления. Для передачи данных между этими блоками используется внутренняя шина данных. АЛУ выполняет одну из главных функций микропроцессора – обработку данных. Перечень функций АЛУ зависит от типа микропроцессора. Операции, выполняемые АЛУ большинства микропроцессоров следующие: сложение, вычитание, логическое сложение, логическое умножение, исключающее ИЛИ, инверсия, сдвиг вправо, сдвиг влево, увеличение на 1, уменьшение на 1.

Каждый регистр микропроцессора можно использовать для временного хранения одного слова данных. Некоторые регистры имеют специальное назначение, другие – многоцелевое. Последние называются регистрами общего назначения (РОН) и могут использоваться программистом по его усмотрению. Количество и назначение регистров зависит от его типа. Рассмотрим назначение основных регистров, имеющихся почти во всех микропроцессорах.

Аккумулятор – это главный регистр при различных манипуляциях с данными. Большинство арифметических и логических операций осуществляется путем использования АЛУ и аккумулятора. Любая из таких операций над двумя словами данных (операндами) предполагает размещение одного из них в аккумуляторе, а другого в памяти или каком-либо регистре. Результат выполнения операции АЛУ тоже обычно размещается в аккумуляторе, соднржимое которого при этом теряется. Операцией другого типа, использующей аккумулятор, является передача данных из одной части микропроцессора в другую. Например, пересылка данных между портом ввода-вывода и памятью, между двумя областями памяти и т.д. Выполнение такой операции осуществляется в два этапа: сначала выполняется пересылка данных из источника в аккумулятор, затем – из аккумулятора в пункт назначения. Микропроцессор может выполнять некоторые действия над данными непосредственно в аккумуляторе. Например, аккумулятор можно очистить (сбросить) путем записи во все его разряды двоичных нулей, установить в единичное состояние путем записи во все его разряды двоичных единиц. Содержимое аккумулятора можно сдвигать влево или вправо (показать схему), инвертировать, то есть значения нулей заменить на значения единиц во всех разрядах и наоборот.

С четчик команд – это один из наиболее важных регистров микропроцессора. Как известно, программа – это последовательность команд (инструкций), хранимых в памяти и предназначенных для того, чтобы инструктировать процессор, как решать поставленную задачу. Для правильного выполнения программы команды должны поступать в строго определенном порядке. Счетчик команд обеспечивает формирование адреса очередной команды, записанной в памяти. Перед выполнением программы счетчик команд необходимо загрузить адресом, указывающим на первую команду программы. Обычно, это нулевой адрес. Адрес первой команды программы посылается через регистр адреса памяти по адресной шине к схемам управления памятью, в результатее чего из памяти считывается содержимое первой команды. Далее эта команда передается в специальный регистр микропроцессора, называемый регистром команд. После извлечения команды из памяти микропроцессор автоматически дает приращение содержимому счетчика команд. Таким образом выполняется последовательность команд, расположенных в памяти одна за другой. Счетчик команд можно загрузить иным содержимым при выполнении особой группы команд. Может возникнуть необходимость выполнить часть программы, которая “выпадает” из последовательности команд основной (главной) программы. Например, такую часть программы, которая повторяется в процессе выполнения всей программы. Вместо того чтобы писать эту часть программы каждый раз, когда в ней возникает необходимость, её записывают один раз и возвращаются к ее повторному выполнению, отступая от указанной последовательности. Часть программы, выполняемая путем отступления от последовательности команд главной программы, называется подпрограммой. В данном случае в счетчик команд непосредственно записывается требуемый адрес. Схема выполнения подпрограмм.

Содержание команды	Значение СК
Любая
Любая
Команда перехода на подпрограмму по адресу N	N
Любая	N+1
Любая	…
Команда возврата из подпрограммы
Любая

Рис. Типовая структурная схема микропроцессора.

Счетчик команд имеет обычно больше разрядов, чем длина слова данных микропроцессора. Так, в большинстве 8-разрядных микропроцессоров, число разрядов счетчика команд равно 16. Разрядность счетчика команд должна обеспечить возможность выборки команды из любой области памяти программ (из любой ячейки памяти). Если число разрядов счетчика команд равно 16, то с помощью этих разрядов из памяти можно выбрать 2 в 16 степени ячеек памяти программ, то есть 65536 ячеек.

Регистр команд содержит команду в процессе ее дешифрирования и выполнения. Код команды поступает через шину данных из памяти.

Регистр адреса памяти. При каждом обращении к памяти процессор указывает адрес ячейки памяти, подлежащей использованию. В ячейке памяти может находится либо код команды, либо данные, над которыми производится действие.

Буферный регистр предназначен для временного хранения (буферирования данных).

Регистр состояния предназначен для хранения результатов некоторых проверок, осуществляемых в процессе выполнения программы. Разряды регистра состояний принимают то или иное значение при выполнении операций, использующих АЛУ и некоторые регистры. Запоминание результатов упомянутых проверок позволяет использовать программы, содержащие переходы (нарушения естественной пследовательности выполнения команд). При наличии в программе перехода по заданному признаку выполнение команды начинается с некоторой новой области памяти, то есть счетчик команд загружается новым числом. В случае условного перехода такое действие имеет место, если результаты определенных проверок совпадают с ожидаемыми значениями. Указанные результаты находятся в регистре состояния. Регистр состояния предоставляет программисту возможность организовать работу микропроцессора так, чтобы при определенных условиях менялся порядок выпонения команд. Рассмотрим наиболее часто используемые разряды регистра состояния.

1. Перенос-заем. Данный разряд указывает, что последняя выполняемая операция сопровождалась переносом или заемом (отрицательным перносом). Значение этого разряда устанавливается равным 1, если в результате сложения двух чисел имеет место перенос из старшего разряда АЛУ. Пример 10001110+11000011=01010001 и имеем перенос из старшего разряда. Заем фиксируется в регистре состояния при вычитании большего числа из меньшего. Пример.

2. Нулевой результат. Этот разряд принимает единичное значение, если после окончания операции во всех разрядах регистра результата обнаружены двоичные нули.

3. З наковый. Принимает единичное значение, когда старший бит регистра результата становится равным 1. При выполнении арифметических операций с числами в дополнительном кодединичное значение старшего бита показывает, что в регистре находится отрицательное число.

Регистры общего назначения (РОН). Большинство МП имеют в своем составе набор регистров, используемых в качестве сверхоперативных запоминающих устройств. Так как АЛУ может совершать операции с содержимым РОН без выхода на внешнюю магистраль адресов и данных, то они происходят много быстрее, чем операции с внешней памятью. Количество РОН и возможность программного доступа к ним у разных микропроцессоров различны.

Указатель стека. Стек – набор регистров микропроцессора или ячеек опретивной памяти, откуда данные или адреса выбираются “сверху” по принципу: первым выбирается элемент, поступивший в стек последним. При записи в стек очередного слова все ранее записанные слова смещаются на один регистр вниз. При выборке слова из стека оставшиеся слова перемещаются на один регистр вверх.

Указанные процедуры иллюстрирует рисунок.

Здесь стек состоит из семи регистров. Если в стек загружается какое-либо слово, например А5, то оно записывается в верхнем регистре, а каждое из слов А1…А4 перемещается в соседние нижние регистры. Если же А5 извлекается из стека, то каждое из словА1…А4 перемещается в соседние верхние регистры. Нельзя извлечь А4 раньше А5, то есть автоматически реализуется принцип “ последний зашел – первый вышел, первый зашел – последний вышел”. Стек обычно используется в микропроцессорах для хранения адресов возврата при обращении к подпрограммам, а также для запоминания состояния внутренних регистров при обработке прерываний. Остановимся подробнее на исползовании стека при организации подпрограмм. Если в программе имеется подпрограмма, то на выполнение подпрограммы можно перейти из юбого места программы по команде CALL <метка>, где CALL – мнемоническое обозначение команды, а <метка> - любое символьное обозначение строки программы, где расположена первая команда подпрограммы. Последняя команда подпрограммы имеет обозначение RET, что означает “выход из подпрограммы”. Команда выхода из подпрограммы не имеет явного указания на адрес команды, которую нужно выполнить после этого, то есть не указан адрес возврата из подпрограммы. Так вот, при выполнении команды CALL адрес возврата из подпрограммы, а это адрес команды CALL, увеличенный на 1, сохраняется в стеке. При выполнении команды RET адрес извлекается из стека и поступает в счетчик команд, то есть далее выполняется команда, следующая в программе за командой CALL.

Таким образом процесс функционирования стека напоминает работу с пачкой документов, когда каждый новый документ кладется сверху пачки. При такой организации стека необходим специальный регистр – указатель стека (УС) для хранения адреса последнего по времени поступления элемента стека.

Здесь УС – трехразрядный регистр с двоичным представлением информации. Из рисунка видно, что УС всегда хранит адрес регистра стека, заполненного последним, или адрес “вершины стека”.

Схемы управления. Роль схем управления заключается в поддержании требуемой последовательности функционирования всех остальных его звеньев. По сигналам схем управления очередная команда извлекается из регистра команд. При этом определяется, что необходимо делать с данными, а затем обеспечивается последовательность действий для выполнения поставленной задачи.

Одна из главных функций схем управления – декодирование команды, находящейся в регистре команд, посредством дешифратора команд, который в результате выдает сигналы, необходимые для ее выполнения.

Помимо указанных выше действий схемы управления выполняют некоторые специальные функции: управление последовательностью включения питания и процессами прерываний. Прерывание – это своего рода запрос, поступающий на схемы управления от других устройств (памяти, устройств ввода-вывода). Прерывание связано с использованием внутренней шины данных микропроцессора. Схемы управления принимают решение, когда и в какой последовательности другие устройства могут пользоваться внутренней шиной данных.

Система шин. На характеристики микропроцессора большое влияние оказывает способ организации его связи с внешней средой – устройствами ввода-вывода (УВВ) и запоминающими устройствами (ЗУ). По способу организации связей с внешней средой различают микропроцессоры с мультиплексированной шиной адреса и данных и с раздельными шинами адреса и данных.

В микропроцессорах с временным мультиплексированием шины адреса-данных при обращении к внешнему устройству на общей шине какой-то промежуток времени выставляется адрес, а затем шина предоставляется данным. Такие шины требуют включения дополнительного регистра адреса (РгА), в который записывается адрес по сигналу “адрес-данные”, пока адрес находится на общей шине.

Ниже представлена схема системы с раздельными шинами адреса-данных.