Логическая структура микропроцессора

Логическая структура микропроцессора, т. е. конфигурация составляющих микропроцессор логических схем и связей между ними, определяется функциональным назначением. Именно структура задает состав логических блоков микропроцессора и то, как эти блоки должны быть связаны между собой, чтобы полностью отвечать архитектурным требованиям. Срабатывание электронных блоков микропроцессора в определенной последовательности приводит к выполнению заданных архитектурой микропроцессора функций, т. е. к реализации вычислительных алгоритмов. Одни и те же функции можно выполнить в микропроцессорах со структурой, отличающейся набором, количеством и порядком срабатывания логических блоков. Различные структуры микропроцессоров, как правило, обеспечивают их различные возможности, в том числе и различную скорость обработки данных. Логические блоки микропроцессора с развитой архитектурой показаны на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Общая логическая структура микропроцессора: I - управляющая часть, II - операционная часть; БУПК - блок управления последовательно-стью команд; БУВОп - блок управления выполнением операций; БУФКА - блок управления формированием кодов адресов; БУВП - блок управления виртуальной памятью; БЗП - блок защиты памяти; БУПРПр - блок управления прерыванием работы процессора; БУВВ - блок управления вводом/выводом; РгСОЗУ - регистровое сверхоперативное запоминающее устройство; АЛБ - арифметико-логический блок; БДА - блок дополнительной арифметики; БС - блок синхронизации.

При проектировании логической структуры микропроцессоров необходимо рассмотреть:
1) номенклатуру электронных блоков, необходимую и достаточную для реализации архитектурных требований;
2) способы и средства реализации связей между электронными блоками;
3) методы отбора если не оптимальных, то наиболее рациональных вариантов логических структур из возможного числа структур с отличающимся составом блоков и конфигурацией связей между ними.

При проектировании микропроцессора приводятся в соответствие внутренняя сложность кристалла и количество выводов корпуса. Относительный рост числа элементов по мере развития микроэлектронной технологии во много раз превышает относительное увеличение числа выводов корпуса, поэтому проектирование БИС в виде конечного автомата, а не в виде набора схем, реализующих некоторый набор логических переключательных функций и схем памяти, дает возможность получить функционально законченные блоки и устройства ЭВМ.

20.Регистры микропроцессора Регистр процессора — блок ячеек памяти, образующий сверхбыструю оперативную память (СОЗУ) внутри процессора; используется самим процессором и большой частью недоступен программисту: например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд (англ.), к которому программист обратиться не может.

Имеются также регистры, которые в принципе программно доступны, но обращение к ним осуществляется из программ операционной системы, например, управляющие регистры и теневые регистры дескрипторов сегментов. Этими регистрами пользуются в основном разработчики операционных систем.

Существуют также так называемые регистры общего назначения (РОН), представляющие собой часть регистров процессора, использующихся без ограничения в арифметических операциях, но имеющие определенные ограничения, например, в строковых РОН, не характерные для эпохи мейнфреймов типа IBM/370^[1] стали популярными в микропроцессорах архитектуры X86 — Intel 8085, Intel 8086 и последующих^[2].

Специальные регистры ^[3] содержат данные, необходимые для работы процессора — смещения базовых таблиц, уровни доступа и т. д.

Часть специальных регистров принадлежит устройству управления, которое управляет процессором путём генерации последовательности микрокоманд.

Доступ к значениям, хранящимся в регистрах, как правило, в несколько раз быстрее, чем доступ к ячейкам оперативной памяти (даже если кеш-память содержит нужные данные), но объём оперативной памяти намного превосходит суммарный объём регистров (объём среднего модуля оперативной памяти сегодня составляет 1-4 Гб^[4], суммарная «ёмкость» регистров общего назначения/данных для процессора Intel 80386 и более новых 32 битов * 8 = 256 бит)

21. Архитектура и система команд микропроцессора Классификация команд и архитектура ЭВМ 1.1.1 Команды передачи данных Аналогов два: а) загрузка данных: Ставите чемодан (данные=data) в камеру хранения (приемник=dst); комментарий dst:= data («:=» — присвоить); б) пересылка данных: посылка из почтового отделения города Оренбурга (источник=src) переправляется в город Челябинск (приемник=dst); что пересылается —не знаем, может воздух — это неважно. Комментарий: dst:=, где <> - содержимое (в данном случае — содержимое источника). 1.1.2 Операционные команды Операционные команды есть арифметико-логические команды. Их набор стандартен: а) команды сложения и вычитания; б) логические команды И, ИЛИ, НЕ; в) команды сравнения. 1.1.3 Команды сдвигов и приращений Выполняют: а) сдвиги влево и вправо на один или несколько разрядов; различают логические и арифметические сдвиги (об этом позднее); б) увеличение и уменьшение на единицу; используются для организации счетчиков. 1.1.4 Команды ветвлений и переходов Сразу отметим, что ветвление — это тот же переход, только если выполнилось определенное условие. Например, если результат последней операции равен нулю, то перейти на указанное место (метку). Если нет, то ничего не делать и перейти к выполнению следующей команды. Результат (ноль или не ноль) хранится в специальном месте. Совокупность всевозможных результатов называется словом состояния процессора (PSW). 1.1.5 Команды ввода-вывода Самая малочисленная группа. Вводятся данные или выводятся данные — все по отношению к процессору. Вводятся, значит, процессор принимает 5данные от внешнего устройства. Выводятся, внешнее устройство принимает данные от процессора. 1.1.6 Команды прерывания Представьте себе, что Вы читаете захватывающий детектив. И вдруг телефонный звонок. Что вы делаете? Первый вариант: игнорируете звонок (маскируете его). Второй вариант: вы вкладываете закладку на прерванном месте (чтобы оперативно возвратится туда), берете трубку, разговариваете. Возможно, за этим последуют еще какие-то действия, вызванные этим прерыванием, но потом вы опять возвращаетесь к прерванному занятию. Основные моменты этой процедуры: — Вы должны знать, куда вернуться из прерывания; — Вы должны знать, как обслужить прерывание, то есть где находится телефонный аппарат, чтобы быстро и безошибочно подойти к нему, а не к двери, приняв за телефонный звонок — звонок в дверь, и так далее. Именно эти два момента и отражены в реализации процедуры обработки прерываний в ЭВМ. Теперь рассмотрим команды в целом. Любая команда всегда начинается с кода операции (КОП). Код операции имеет длину, равную, как правило (хотя бывают исключения), формату данных процессора, то есть 1-му байту, 2-м байтам или 4-м байтам. Код операции —это набор управляющих функций цифрового автомата процессора (ЦА), который сам основан, как правило, на базе элементарного автомата Мура. Если КОП предусматривает использование одного или двух операндов, то они должны располагаться в запоминающем устройстве (ЗУ) следом, причем в той последовательности, в какой они будут востребованы процессором. Любое сообщение в ЭВМ представляется и обрабатывается побитно. Но написание программ в двоичных кодах просто бессмысленно из-за громоздкости и непроизводительности. Поэтому для обозначения двоичных комбинаций в ЭВМ используют их свертки в шестнадцатеричном коде (Н-коде). Один разряд этого кода поглощает сразу 4 двоичных разряда. А специальные трансляторы уже в ЭВМ превращают их в двоичные комбинации. Но даже такая форма для программиста, в случае написания больших программ, неприемлема. Это сколько кодов команд надо помнить! Поэтому каждая система команд дублируется машинным языком в ассемблере — языке простых аббревиатурных обозначений. Например, MOV A,B или MOV R1,R2. Здесь сокращение от MOVE (переслать) говорит о том, что в регистр A пересылается содержимое регистра B (фирма Intel). Или для второго случая: в регистр R2 пересылается содержимое регистра R1 (фирма DEC). Таким образом, остается лишь запомнить некоторые дополнительные обозначения, но их совсем немного. Можно привести еще ряд примеров: 6ADD B,D (add —прибавить, сложить); SUB C,A (subtract —вычесть); AND A,D (and —И, т.е. конъюнкция); OR A,D (OR —ИЛИ, т.е. дизъюнкция);

22. Классификация команд микропроцессора. Команды передачи данных обеспечивают простую пересылку информации без выполнения каких-либо операций обработки. Команды этой группы делятся на команды связанные с обращением к памяти, команды обращения к регистрам и команды ввода вывода.

К командам связанным с обращением к памяти относятся:

ЗАГРУЗИТЬ (ПРОЧИТАТЬ), по которой содержимое одной из ячеек памяти засылается в регистр;

ЗАПОМНИТЬ (ЗАПИСАТЬ), по которой содержимое регистра засылается в ячейку памяти.

В командах, связанных с пересылкой байта или слова, должны указываться номер конкретного регистра, адрес ячейки памяти и, если необходимо, номер модуля ЗУ.

Команды, связанные с обращением к регистрам, должны указывать номер источника информации и номер регистра результата. В эту подгруппу команд передачи данных входят команды:

ЗАГРУЗИТЬ НЕПОСРЕДСТВЕННО, по которой в регистр записывается константа, указанная в коде команды;

ПЕРЕСЛАТЬ, по которой содержимое одного регистра пересылается в другой.

К командам ввода-вывода относятся:

ВВОД, по которой содержимое устройства ввода засылается во внутренний регистр МП;

ВЫВОД, по которой содержимое внутреннего регистра МП (обычно аккумулятора) пересылается в устройство вывода.

Команды управления, часто называемые командами перехода, позволяют выполнять различные действия в соответствии со значением внешних сигналов или выработанных внутри системы условий. Все команды управления делятся на команды безусловного и условного перехода.

К командам безусловного перехода относятся:

БЕЗУСЛОВНЫЙ ПЕРЕХОД (БП), по которой в программный счетчик записывается содержимое адресного поля команды БП, т.е. обеспечивается переход в программе по адресу, указанному в команде;

БЕЗУСЛОВНЫЙ ПЕРЕХОД С ВОЗВРАТОМ (переход к подпрограмме), по которой в программный счетчик записывается новое содержимое (адрес первой команды подпрограммы), но в отличие от команды БП в памяти сохраняется состояние программного счетчика и некоторых других регистров. При выполнении подпрограммы по ее последней команде ВОЗВРАТ восстанавливается содержимое программного счетчика и всех регистров.

Команды условного перехода проверяют состояние какого-либо разряда регистра, флагового триггера или другого параметра. От результата проверки зависит, будет выполняться переход или нет. Обычно переход осуществляется если результат проверки соответствует указанному в команде условию. В эту подгруппу команд управления входят:

УСЛОВНЫЙ ПЕРЕХОД (УП) по адресу. В коде команды УП обязательно указывается проверяемое условие, в качестве которого в МП используются нулевое или ненулевое значение результата, положительный или отрицательный знак результата, наличие или отсутствие сигналов переноса, переполнения и др. При выполнении условия в программный счетчик записывается содержимое адресного поля команды УП, т.е. обеспечивается переход в программе по адресу указанному в команде. При невыполнении условия управление передается следующей команде программы;

УСЛОВНЫЙ ПЕРЕХОД С ВОЗВРАТОМ, которая отличается от команды БЕЗУСЛОВНЫЙ ПЕРЕХОД С ВОЗВРАТОМ тем, что переход к подпрограмме происходит только при выполнении указанного условия.

Обычно в систему команд МП включается еще несколько вспомогательных команд, которые позволяют управлять состоянием регистров или триггеров влияющих на выполнение условных переходов, например: УСТАНОВИТЬ ФЛАГ, СБРОСИТЬ ФЛАГ, УСТАНОВИТЬ СТАРШИЙ РАЗРЯД АККУМУЛЯТОРА, СБРОСИТЬ СТАРШИЙ РАЗРЯД АККУМУЛЯТОРА и др.

Команды обработки данных делятся на арифметические и логические. К арифметическим относятся:

СЛОЖИТЬ содержимое двух регистров или регистра и ячейки памяти;

ВЫЧЕСТЬ из содержимого ячейки памяти или регистра содержимое регистра;

УВЕЛИЧИТЬ НА 1 (ИНКРЕМЕНТ) содержимое ячейки памяти или регистра (указателя стека, индексного регистра, аккумулятора);

УМЕНЬШИТЬ НА 1 (ДЕКРЕМЕНТ) содержимое ячейки памяти или регистра;

СЛОЖИТЬ С УЧЕТОМ ПЕРЕНОСА, по которой выполняется сложение с учетом состояния триггера переноса. Это позволяет легко организовать обработку чисел большой длины;

ВЫЧЕСТЬ С УЧЕТОМ ЗАЕМА;

СДВИГ содержимого ячейки памяти или регистра (обычно на один разряд).

В подгруппу логических команд входят команды:

И (ЛОГИЧЕСКОЕ УМНОЖИТЬ), по которой выполняется операция конъюнкции между содержимым двух регистров или ячейки памяти и регистра;

ИЛИ (ЛОГИЧЕСКИ СЛОЖИТЬ), по которой выполняется операция дизъюнкции между содержимым двух регистров или ячейки памяти и регистра;

НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ, по которой производится поразрядное сравнение содержимого двух регистров или ячейки памяти и регистра;

ИНВЕРСИЯ содержимого ячейки памяти или регистра.

23.Форматы команд микропроцессора. Команды микропроцессора в отличие от микрокоманд разрабатываются независимо от аппаратуры микросхемы, поэтому их разрядность обычно совпадает с разрядностью микропроцессора. Команда микропроцессора состоит из инструкции и обозначается код операции КОП (или INS в англоязычной литературе). Команда микропроцессора может состоять только из кода операции, когда не требуется указывать адрес операнда (операнды это данные, над которыми команда производит какое либо действие), или может состоять из кода операции и адресов операндов или данных. Форматы команд очень сильно зависит от структуры процессора. Рассмотрим построение команд для восьмиразрядного процессора, построенного по структуре Фон-Неймана. Примеры построения команд для такого процессора приведены на рисунке 1.

Рисунок 1. Форматы различных команд микропроцессора

Дата добавления: 2015-04-23