Управления данных адреса

рис.2.1.1 Типовая структура микропроцессора

Так как МП реализует ЦПр фон – неймановской структуры, то его обязательными элементами являются УУ и АЛУ. Для связи с другими компонентами МП имеет 3 шины (управления, данных, адреса). Все действия в МП инициируются импульсами

синхронизации (на рис.2.1.1 “имп. синхр”), которые позволяют использовать единый стандарт времени для всех элементов в МП. С помощью такого стандарта решается проблема синхронизации взаимодействия элементов. Импульсы задаются с помощью генератора тактовых импульсов (на рис.2.1.1 не показан).

Фон – неймановская архитектура определяет и фон – неймановский принцип работы МП. Это означает, что МП работает с командами, которые считываются из памяти, анализируются и выполняются. Последовательность выполнения каждой команды представляется следующим рядом действий.

1. ЦПр выдает адрес следующей команды на шину адреса (А15 – А0).

2. Команда, т.е. содержимое ячейки памяти по выдаваемому адресу, появляется на шине данных (D7 – D0).

3. ЦПр считывает команду с шины данных в регистр команд, анализирует ее и выполняет.

Элементы схемы на рис.2.1.1 выполняют следующие функции.

Программный счётчик (СчК). Его содержимое помещается на шину адреса для выборки следующей команды из памяти (ЗУ) (память на рис.2.1.1 не показана).

Регистр команд (РК).В него помещается выбранная из ЗУ команда.

Устройство управления (УУ)дешифрирует команду из РК и инициирует в МП действия, необходимые для ее выполнения. (Для упрощения схемы на рис.2.1.1 связь УУ со всеми компонентами не показана).

Рабочие регистры (РР)содержат данные, обрабатываемые командами. Почему появились РР? Неужели нельзя было эти данные, обрабатываемые командами, сразу поместить в ЗУ? Появление РР связано с решением проблемы увеличения скорости работы ЦПр, и, как следствие, времени работы программ. Увеличение скорости зависит от аппаратных средств реализации. Особенно это сказывалось на начальном этапе развития. Электронные схемы, на которых строилось АЛУ, давали высокое быстродействие, но были дороги. Магнитные элементы, на которых тогда строилось ЗУ, имели более низкую скорость, но были дешевле. Их сравнительная дешевизна позволяла увеличивать объемы ЗУ. Компромисс между скоростью и стоимостью был найден в том, что часть памяти, реализовывалась на электронных схемах в виде регистров (РР) и ставилась в ЦПр. Размещение их в ЦПР еще больше увеличивало скорость работы (Подумайте, почему?). В свою очередь, чем бо’льшая часть программы реализуется командами, работающими с регистрами (команды «регистр – регистр»), тем более увеличивается скорость работы программы. В качестве эквивалента названия «рабочие регистры» часто используются названия: регистры, сверхоперативное ЗУ (СОЗУ) (см. разд 2.2). Количество регистров (как правило – 16) было подобрано экспериментально, анализом десятков тысяч программ. Было установлено, что любая задача, в принципе, может быть разложена на достаточно независимые фрагменты с точки зрения пересылок информации, для которых в среднем было достаточно 16-ти ячеек памяти. Вот их то и превратили в регистры.

В РР существует специализированный регистр – аккумулятор. Он может накапливать (аккумулировать) результаты отработки команд в АЛУ. Первым применением МП были калькуляторы, в которых часто использовалась последовательное сложение чисел, при этом в аккумуляторе накапливается их сумма. Помимо удобства такой регистр повышает быстродействие для широкого класса задач, связанных с вычислениями.

Арифметико – логическое устройство (АЛУ) реализует все операции ЦПр, заданные командами, которые могут быть арифметического, логического типа или управления.

Регистры состояниясодержит «флажки» (биты), регистрирующие особенности результатов операций АЛУ. Наличие таких флажков упрощает реализацию программ за счет автоматических проверок результатов операций. Например, если 7-ой разряд

регистра состояния при значении «1» обозначает, что в АЛУ после реализации арифметической операции получен нулевой результат, то проверка этого разряда после выполнения операции, позволит определить наличие нулевого результата, а не выбирать результат и затем сравнивать его с 0.

Длина слова ЦПр определяется числом бит, которые обрабатываются операциями АЛУ. Например, 16-ти битные ЦПр выполняют операции над 16-ти битными числами. МП могут быть 8. 16, 32 - разрядные.

Команды.Двоичныекоманды, с которыми работает АЛУ, называются машинными командами.Они находятся в ЗУ и каждая из них имеет двоичные поля, содержащие:

♦ код выполняемой команды (что делать?);

♦ указания по определению операндов или их адресов (над чем делать?);

♦ указания по размещению получаемого результата (куда поместить результат операции);

♦ для команд перехода указания по определению адреса перехода к следующей команде. Для остальных команд инициируется переход к следующей команде.

Выполнение команды в АЛУ подразделяется на две фазы – выборка и исполнение, последовательность которых образует цикл выполнения команды. Если фаза выборки команд из ЗУ одинакова для всех команд, то фаза исполнения может иногда потребовать дополнительных обращений к памяти. Фаза выполнения некоторых команд требует операций с АЛУ (например, операции, выполняемые на регистрах), в других же командах идет обращение к памяти. Поэтому время выполнения команд оказывается переменным и зависит от типа команды. Время выполнения команд определяется количеством временны’х тактов, которые задаются в виде импульсов синхронизации. В компьютерах они задаются тактовой частотой.

Пример выполнения команд, различных по количеству тактов.

КОМАНДА 1 – прибавить рабочий регистр В к рабочему регистру А (аккумулятор).

Такт 1 – выборка команды в ЦПр из ЗУ.

Такт 2 – выполнение команды (прибавление содержимого регистра В к рабочему регистру А (аккумулятор)).

КОМАНДА 2 – загрузить регистр А из ЗУ.

Такт 1 – выборка команды в ЦПр из ЗУ.

Такт 2 – выполнение действия 2 (считать из поля команды первую половину адреса памяти).

Такт 3 – выполнение действия 2 (считать из поля команды вторую половину адреса памяти).

Такт 4 – выполнение действия 3 (считать в регистр А байт данных по сформированному адресу памяти).

Таким образом, 2-я команда выполняется в 2 раза дольше, чем 1-я. Приведенный пример показывает, что длина команд – величина переменная. Если в первом примере команда занимает 1 байт, то во втором – 3 байта (второй и третий байты содержат 16-битный адрес памяти, по которому хранится нужное значение данных).

Недостаток фон – неймановской машины. На примере потактового выполнения команд рассмотрим принципиальный скоростной недостаток фон – неймановской машины. Наличие одного ЗУ в нем не позволяет осуществить параллельную выборку команд и данных. Так, например, в примере команда 2 на такте 4 можно было бы уже выбрать из ЗУ следующую команду программы (подумайте, почему уже можно?) и тем самым ускорить работу ЦПр, но это невозможно из – за того, что ЗУ участвует в выполнении этого такта. Этот недостаток устранен в гарвардской схеме (разд.1.4), где имеются два ЗУ для данных и команд. В этом случае в такте 4 можно организовать параллельную выборку данных для текущей команды и выборку следующей команды.

Принцип гарвардской схемы используется в современных процессорах обработки цифровых сигналов DSP.

Системы команд микропроцессоров могут содержать от 50 до нескольких сот типов команд. Несмотря на большое количество команд их можно разделить на следующие варианты:

♦ команды обработки данных, т.е. когда АЛУ изменяет значение данных в результате арифметических или логических операций.

♦ команды переходов, т.е. передачи управления в другую, как правило, не следующую ячейку памяти.

♦ команды пересылки данных, например, между регистром ЦПр и другим регистром ЦПр, ячейкой памяти или каналом ввода – вывода.

♦ дополнительные команды, например, прекращение выполнения программы (команда останов).

Режимы адресации. В командах обработки и пересылки данных применяются различные способы обращения к данным, называемыми режимами адресации. Наиболее распространены следующие режимы адресации (для лучшего закрепления представьте их в виде схем):

■ прямая регистровая адресация, когда значение данных находится в регистре ЦПр, а номер этого регистра указывается в одном из полей команды.

■ прямая абсолютная адресация, когда значение данных находится в ячейке памяти, а адрес этой ячейки указывается в одном из полей команды.

■ непосредственная адресация, когда значение данных находится в самой команде.

■ косвенная регистровая адресация, когда значение данных находится в ячейке памяти, адрес этой ячейки занесен в один из регистров ЦПр, номер которого указан в одном из полей команды (т.е. в команде адрес указан не явно, а косвенно через регистр).

■ индексная адресация аналогична косвенной адресации, но для вычисления адреса памяти смещение, которое задаётся в одном из полей команды, прибавляется к содержимому специального индексного регистра, номер которого указан в одном из полей команды.

МП с точки зрения программиста. Любая сфера деятельности человека основана:

♦ на каких – то исходных компонентах («кубиках»);

♦ правилах их компоновки для получения заданного результата.

При создании программ используются различные языки программирования высокого или низкого уровня. Принципиальное различие между уровнями языков можно представить аналогией в строительстве зданий. Здания можно построить из кирпичей или из специальных блоков. Из кирпичей можно построить любое здание (например: промышленное, жилое). Из специализированных блоков можно построить, и быстрее чем при использовании кирпичей, только специальный класс зданий, для которых эти блоки разработаны. Например, если блоки разработаны для строительства промышленных зданий, то ясно, что они не подойдут для строительства жилого здания. Таким образом, использование специальных блоков ускоряет процесс постройки, но ограничивает класс таких построек, применение же кирпича, как универсального элемента строительства, позволяет строить любое здание, но в более продолжительное время.

Аналогичная ситуация и с языками программирования. В языках программирования низкого уровня (ассемблеры) в мнемонической форме (т.е. в форме, привычной для человеческой записи, а не машинной, двоичной) записываются команды, которые затем преобразуются (путем трансляции программы) в машинные коды (двоичные комбинации, записываемые в ячейки памяти). Одна команда ассемблера, как правило, транслируется в одну машинную команду. Такие языки позволяют реализовать любые программы, но время их разработки увеличивается по сравнению с использованием языком высокого

уровня. Языки программирования высокого уровня ориентированы, как правило, на отдельные классы задач. Разработка программ данного класса при этом упрощается, но использование такого ориентированного языка в других классах задач или не эффективно или невозможно. В языках высокого уровня один оператор (команда) транслируется в несколько (6 – 10) машинных команд. В этом отношении разработка компонент СРВ, в которых требуется минимальное количество машинных команд (с целью быстрейшей реализации их функций), предпочтительна на ассемблере (например, частей операционной системы). На уровне машинных команд при создании программ, программист абстрагируется от всего многообразия элементов МП и имеет дело только с компонентами в виде:

● множества ячеек ЗУ, в которых находятся данные и программы;

● ограниченное число программно – доступных регистров (а где они находятся?). Эти регистры имеют имена, применяемые в командах и их содержимое, также как и ячеек памяти, может быть прочитано, изменено по желанию программиста.

● команд, из которых строятся программы.

Причиной интенсивного развития техники МП является то, что МП позволили революционным путем (а не эволюционным, как ранее) решить две задачи:

♦ резко увеличить скорости обработки информации и объемы памяти в вычислительных машинах;

♦ столь же резко уменьшить размеры вычислительных машин, их стоимость и энергопотребление.

Следствием этого является существенное расширение круга лиц, использующих компьютеры. Для них характерно требование к ним на уровне бытового прибора, т.е. простой и надежный интерфейс (способ взаимодействия) человека с компьютером. Типичным примером разработки на уровне бытового прибора является телевизор. Любой пользователь может настроить его по всем заданным в нём параметрам, хотя никто не может сказать (за редким исключением); как он работает? Дешевизна МП расширила круг их использования от космической техники до бытовой. Такой широкий диапазон применения включает и применение МП в качестве УУ СРВ.

2.2 МИКРОЭВМ НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРА

ЦЕЛЬ– дать типовую, структурную схему микроЭВМ и провести её анализ.

Рассмотренный в разделе 2.1 МП, является основной компонентой («мозгом») при построении более крупной конструкции – микроЭВМ (Электронной Вычислительной Машины).

МикроЭВМ – вычислительная система, в которой используется ЦПр в виде МП. В свою очередь микроЭВМ является базовой компонентой МикроПроцессорной Системы (МПС) (разд.2.3), принцип построения которой аналогичен построению СРВ (см. рис.1.5.1). /Необходимо отметить, что современные микроЭВМ отличаются высокой сложностью, но базируются на структуре, рассматриваемой ниже./ На рис.2.2.1 дана типовая структура микроЭВМ. /Периферия – обобщенное обозначение внешних устройств, включая датчики (Д) (сенсоры) и потребители (П) по рис.1.5.1. Они не входят в состав микроЭВМ, и на рисунке даны для наглядности того, к чему подключается микроЭВМ/.

Рис.2.2.1 Типовая структура микроЭВМ

Типовыми компонентами микроЭВМ являются микросхемы: ВВОД, ВЫВОД, ЦПр, ЗУ, которые связаны между собой шинами. ШИНА – среда передачи сигналов, к которой может параллельно подключаться несколько компонент и через которую осуществляется обмен данными. Физически она представляет собой группу проводов, обеспечивающих параллельное соединение компонент. (Подумайте, почему параллельное, а не

последовательное?). Такую структуру можно расширять в довольно широких пределах лишь незначительным усложнением внутренних связей. /Вместо термина шина иногда употребляется термин магистраль/.

Адресная шинапредназначена для выборки информации из ячеек памяти в ЗУ, или из микросхем ВВОДА / ВЫВОДА. Адрес задается из ЦПр.

Шина данных. В неё пересылается информация, выбранная по заданному адресу. Информация может быть от ЦПр к ЗУ или ВЫВОДУ либо от ВВОДА или ЗУ к ЦПр./Попробуйте представить это предложение в виде схемы со стрелками «от», «к»/.

Управляющая шинапредназначена для управления ЦПром всеми компонентами микроЭВМ. При всем многообразии управляющих сигналов их можно разделить на две группы:

♦ сигналы готовности ЦПр выполнить очередную пересылку данных;

♦ запросы ВВОДа / ВЫВОДа и ЗУ к ЦПр.

ЗУ. Имеет двоичную (0,1) структуру разрядов (бит), объединённые, как правило, в 32-х битные слова (возможны варианты: 64, 16, 8). Объёмы ЗУ определяются в:

● байтах: 1байт = 8 бит. 32-х битное слово содержит 4 байта;

● килобайтах (К): 1К = 1000 байт. Пример: память 256 К;

● мегабайтах (М): 1М = 1000 К. Пример: память 400 М:

● гигабайтах (Г): 1Г = 1000 К. Пример: память 5 Г.

Типы памяти ЗУ:

♦ сверхоперативная (СОЗУ) - информация может, как считываться, так и записываться;

♦ кэш – память - информация может, как считываться, так и записываться;

♦ оперативная (ОЗУ) – информация может, как считываться, так и записываться;

♦ постоянная (ПЗУ) – информация может только считываться;

♦ дисковая - информация может, как считываться, так и записываться;

♦ флеш – память - информация может, как считываться, так и записываться.

СОЗУпредставляет собой набор рабочих регистров (РР) в МП (см. разд.2.1). и является самой быстродействующей памятью.

Кэш – память является переходной между СОЗУ и ОЗУ по быстродействию. Она предназначена для выравнивания степени доступности этих двух типов памяти за счёт временного хранения содержимого ячеек памяти. Реализуется в микропроцессорах в виде блока памяти от единиц К и более.

В ОЗУ размещаются программы, с которыми работает ЦПр.

ПЗУприменяется для создания микропрограмм или записи без чтения (см. разд.1.4).

К дисковой памяти относятся жёсткие диски, дискеты и диски. В отличие от ОЗУ, которое находится в компьютере постоянно, дискеты и диски съёмные, т.е. могут быть вставлены в компьютер или вынуты из него. Такое их свойство позволяет иметь неограниченную память.

Жёсткие диски. В компьютерах по объёму являются его основной памятью (от десятков до сотен Гбайт). Жёсткий диск нельзя снимать, ибо его снятие полностью лишает компьютер базового программного обеспечения.

Дискеты. Их объём в пределах от 1,4 мб до десятков и сотен мегабайт.

Диски CD – R,RW / Compact (компактный) Disc (диск) Read (читать) Write (писать)/. Компакт - диск представляет собой лазерную пластину с записанной цифровым способом информацией, чтение или запись на которую осуществляется миниатюрным лазером. Из CD-R в плеерах и компьютерах можно только считывать. На CD-RW, при наличии специальной программы в компьютере и соответствующего устройства, можно как считывать, так и записывать. Объёмы память в CD – сотни мегабайт.

Диски DVD. Отличаются ещё большей памятью по сравнению с CD, что определило их как носителей видеоинформации (кинофильмы).

Флэш – память (флэш – карта, жаргонное название флэшка) отличается большой компактностью (размер - с тюбик губной помады), большими объёмами памяти (сотни мегабайт), способностью долго хранить информацию и более стойкой к механическим нагрузкам (по сравнению с дискетами). Стоимость их непрерывно снижается, поэтому они постепенно вытесняет дискеты (В Англии в 2006 году выпуск дискет прекратили). Они появились в середине 80-х годов, но их массовое производство началось с появления цифровых фотокамер, требующих больших объёмов памяти и компактности. Они используются в MP3 – плеерах, карманных компьютерах, мобильных телефонах, GPS-навигаторах (/джи –пи - эс/. (Навигатор – карманный прибор для определения местоположения его пользователя в любой точке земного шара по спутнику. Российская система определения местоположения для гражданских пользователей ГЛОНАСС будет внедряться с 2008 года).

Ввод / Вывод. Микросхемы ввода / вывода данных применяются для подключения микроЭВМ к разнообразным периферийным устройствам (принтер, дисплей, линии связи с другими компьютерами, приборами или электрическим оборудованием в системах управления, различными индикаторами и т.д.).

Работа по приёму и выводу данных в микросхемах ввода / вывода осуществляется через портыввода / вывода. /Аналогия с любым морским портом, в который корабли прибывают (ВВОД), или из которого они уплывают ВЫВОД/. ПОРТ – аппаратура сопряжения, содержащая цепи управления и позволяющая подключать устройства ввода / вывода к внутренней шине микропроцессора. Один и тот же порт может переключаться на ввод или на вывод. Основу портов составляют специальные ячейки памяти, в которые данные “входят” (ввод) из периферии, или “выходят” (вывод) в периферию. Таким образом, «общение» компьютера с «внешним миром» (периферией) происходит через порты ввода/вывода. /Учитывая приведённую выше аналогию с традиционным понятием «порт», «общение», например, между собой нескольких компьютеров можно представить как «передвижение, поток» байтов информации ( по аналогии с морским портом «судов») от порта (компьютера) к порту (компьютеру)/.

Микросхемы ввода / вывода имеют, как правило, число портов от единиц до нескольких сотен, которые объединены в более крупные компоненты разной разрядности.

Применение портов ввода / вывода многообразно. В основном это подключение разнообразных периферийных устройств СРВ, к которым относятся и компьютеры, аналого–цифровые, цифро–аналоговые преобразователи вплоть до управления различными индикаторами.

Ввод / вывод может быть последовательным или параллельным.

Параллельный. При передаче параллельным кодом на линию данных (D0 – D7) подается (или считывается) байт данных, что обеспечивает высокую скорость работы такого порта, но требуют бо’льшего расхода материалов (8 проводов вместо одного).

Последовательный. В нем 8-битные данные передаются к периферии по одной линии. Хотя при этом достигается экономия физических соединений, недостаток такой организации заключается в уменьшении скорости передачи. Такая передача применяется для подключения к низкоскоростным, периферийным устройствам. Типичным представителем порта последовательной передачи данных является порт RS – 232). Он широко применяется в компьютерах, где используется, например, для подключения: мыши, принтеров, сканеров, модемов передачи данных по телефонным линиям, персональных компьютеров. Более современным типом порта является порт USB (ю-эс-би), обеспечивающий высокую скорость и, благодаря развитому программному

обеспечению, широкие возможности работы с ним. Интерфейсы USB постепенно заменяют все «классические» интерфейсы.

На рис.2.2.2 показана принципиальная типовая структура микросхемы ввода / вывода. Возможны следующие режимы работы ввода / вывода:

1. Работа под управлением ЦПр

2. Прямой доступ к памяти.

к ЦПр к периферии

Комбинации сигналов управления по линии адреса А0 А1 :

0 0 – выбор порта A 1 0 – выбор порта C

0 1 – выбор порта B

рис.2.2.2 Принципиальная типовая, структурная схема микросхемы

Дата добавления: 2014-08-09; просмотров: 428; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!