Микропроцессоры

Центральный процессор (ЦП) - программно-управляемое устройство обработки информации, предназначенное для управления работой всех блоков машины и выполнения арифметических и логических операций. Функции процессора: чтение команд из ОЗУ; декодирование команд, то есть определение их назначения, способа выполнения и адресов операндов; исполнение команд; управление пересылкой информации между МПП, ОЗУ и периферийными устройствами; обработка прерываний; управление устройствами, составляющими ЭВМ. Центральный процессор состоит из устройства управления, арифметико-логического устройства, микропроцессорной памяти, генератор тактовой частоты (ГТЧ).

Устройство управления (УУ) -- формирует и подает во все блоки машины управляющие импульсы; выдает адреса требуемых ячеек памяти, и передает их в другие блоки ЭВМ.

Арифметико-логическое устройство АЛУ состоит из регистров памяти, сумматора и схем управления; используется для выполнения арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией. Для увеличения скорости работы АЛУ подключают математический сопроцессор.

Запоминающее устройство - это внутренняя память процессора. Регистры служит промежуточной быстрой памятью, используя которые, процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты. Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую с опережением подкачиваются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций.

Генератор тактовой частоты генерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме ГТЧ работает центральный процессор.

Основные характеристики микропроцессора:

- разрядность;

- быстродействие;

- набор команд и способов адресации;

- потребляемая мощность;

- объем ПЗУ программ и ОЗУ данных;

- расширения памяти программ и данных;

- периферийные устройства, включая средства поддержки работы в реальном времени (таймеры, процессоры событий и т.п.);

- перепрограммирование;

- надежность средств защиты внутренней информации;

Быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в секунду.

1)Тактовая частота в МГц. Тактовая равна количеству тактов в секунду. Такт - это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ и началом подачи следующего. Тактовая частота отражает уровень промышленной технологии, по которой изготавливался данный процессор.

2)Разрядность процессора - это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные.

Система команд процессора представляет собой набор отдельных операций, которые может выполнить процессор данного типа. Разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель микропроц тем, меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Для математических вычислений к основному микропроцессору добавляют математический сопроцессор. Начиная с модели 80486DX процессор и сопроцессор выполняют на одном кристалле.

Шины микропроцессорной системы.

Шина данных — это основная шина, ради которой и создается вся система. Количество ее разрядов (линий связи) определяет скорость и эффективность информационного обмена, а также максимально возможное количество команд. Шина данных всегда двунаправленная, так как предполагает передачу информации в обоих направлениях. Наиболее часто встречающийся тип выходного каскада для линий этой шины — выход с тремя состояниями.

Шина адреса — вторая по важности шина, которая определяет максимально возможную сложность микропроцессорной системы, то есть допустимый объем памяти и, следовательно, максимально возможный размер программы и максимально возможный объем запоминаемых данных. Количество адресов, обеспечиваемых шиной адреса, определяется как 2^N, где N — количество разрядов. Например, 16-разрядная ША обеспечивает 65 536 адресов.

Шина управления — это вспомогательная шина, управляющие сигналы на которой определяют тип текущего цикла и фиксируют моменты времени, соответствующие разным частям или стадиям цикла. Управляющие сигналы обеспечивают согласование работы процессора (или другого хозяина магистрали, задатчика, master) с работой памяти или устройства ввода/вывода (устройства-исполнителя, slave). Управл сигналы обслуживают запрос и предоставление прерываний, запрос и предост прямого доступа.

Процессор 8086 состоит из операционного устройства, которое выполняет команды, и из устройства шинного интерфейса, которое выбирает команды, считывает операнды и записывает результаты. Оба устройства могут работать параллельно и в большинстве случаев обеспечивают значительное совмещение выборки и выполнения команд. В результате этого время выборки команды как-бы "исчезает" из цикла команды, так как операционное устройство выполняет команды, уже выбранные шинным интерфейсом.

PSW – регистр слова состояния процессора

АХ – аккумулятор

ВХ – регистр базового адреса

СХ- счетчик в операциях сдвигов, циклических операциях и др.

DX – неявно адресуется в операциях * и /, исп-ся в адресации портов

CS, SS, DS, ES – сегменты: кодовый, стековый, данных, доп-ный данных. Начальные адреса (16 из 20 разрядов адреса) хранятся в сегментных регистрах. Команды с обращением к памяти формируют 16-разрядный исполнительный адрес (ЕА), представляющий собой смещение в сегменте емкостью 64 kb. Т.о. физ адрес = сегм регистры + ЕА. При адресации портов I/O сегм регистры не исп-ся.

SP – указатель вершины стека

BP – указатель базы (?)

SI – индексный указатель (индекс источника)

DI – индекс приемника

IP – указатель команд (программный счетчик)

4. Прерывания. Типы прерываний. Структура и обслуживание прерываний. Таблицы указателей векторов прерываний. Контроллер прерываний.
Прерывание — сигнал, сообщающий процессору о наступлении какого-либо события. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается, и управление передаётся обработчику прерывания, который реагирует на событие и обслуживает его, после чего возвращает управление в прерванный код.

Прерывания делятся:

1. Внешние -прерывания, связанные с работой периферийных устройств (принтеры, датчики и др.)

2. Внутренние - прерывания при возникновении аварийной ситуации, при выполнении некоторой инструкции программы (попытка деления на ноль, нарушения защиты памяти, переполнении разрядной сетки и др.)

3. Программные – (не являются настоящими прерываниями) возникают при выполнении особой команды процессора, выполнение которой инициализирует переход на новую последовательность команд.

Запросы, поступающие как от внутренних источников так и внешних выстраиваются по приоритетности. Прерывание вызывает обработчик прерываний, который вызывает прерывающую программу. Она состоит из 3 частей:

- подготовительная обеспечение сохранения прерванной программы;

- обслуживание прерываний основная часть состоит в том, что обеспечивает обработку прерывания;

- восстановление всех необходимых условий для продолжения прерванной программы.

Имеется два входа для обслуживания прерываний: немаскируемый NMI - пользователь не может блокировать запросы, маскируемый INTR (запрос на прерывание принимается но не обслуживается). При выполнении программ могут автоматически вырабатываться внутренние прерывания (division by 0). Также имеется режим пошагового выполнения программы.

При возникновении сигнала на обслуживание маскируемого прерывания от КП процессор:

1. выдает КП подтверждение прерывания (при приходе в середине выполнения команды она выполняется до конца);

2. считывает из КП код типа прерывания;

3. опускает в стек содержимое регистра флагов,кодового сегмента (CS) и IP(содержит адреса смещения следующих команд);

4. вызывает и исполняет процедуру прерывания;

5. поднимает из стека содержимое регистров CS, IP и регистра флагов;

6. возвращается к выполнению следующей команды.

Обслуживание немаскируемого прерывания происходит быстрее и они имеют фиксированный код, не требует подтверждения и считывания типа прерывания (алгоритм обработки аналогичен маскируемым за описанными выше исключениями).

Внутренние прерывания для них тип прерываний предопределен либо содержится в коде команды. Эти прерывания нельзя запретить кроме прерывания пошаговой работы. Любое внутреннее прерывание имеет более высокий приоритет, чем внешние кроме прерывания пошаговой работы.

- Команда INT n (n-тип прерывания) вызывает прерывание сразу же после своего завершения (n- кодируется программистом в команде и сразу вызывает нужную процедуру прерывания).

- Команда INT 0 прерывание типа 4 эта команда сразу генерирует тип 4 и выполняется при установке флага переполнения OF.