Общие сведения. Развитие электроники характеризуется все возрастающей степенью интеграции, что сопровождается ростом функциональных возможностей микросхем

Развитие электроники характеризуется все возрастающей степенью интеграции, что сопровождается ростом функциональных возможностей микросхем. Первые ИМС реализовывали лишь простейшие логические функции. На ИМС средней степени интеграции выполнялись счетчики, регистры, дешифраторы и так далее. В ИМС большой степени интеграции появилась возможность совместить в одном кристалле все функциональные узлы цифрового вычислительного устройства, что привело к созданию микропроцессорных БИС. С функциональной точки зрения процессоры на БИС не уступают процессорам традиционных ЭВМ, а их массовый выпуск позволяет значительно снизить стоимость цифровых систем управления.

В отличие от ранее рассмотренных устройств, реализующих строго определенные функции в соответствии с таблицей истинности или таблицей переходов, микропроцессор (МП) – это программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управления им, построенное на одном или нескольких БИС.

Процессор оперирует с данными в виде кодовых комбинаций, представляющих собой двоичные числа. Эти числа (машинные слова) называют операндами. В зависимости от схемного решения процессора число разрядов в операнде может быть 4; 8; 16; 32 и так далее. Двоичную 8-и разрядную кодовую комбинацию называют байтом.

Для обеспечения решения любой задачи процессору необходимо задать последовательность действий, то есть программу работы. Программа состоит из отдельных шагов, называемых командами. По команде процессор выполняет только простейшие операции: сложение, сдвиг, простейшие логические функции и тому подобное. Для решения более сложных, часто встречающихся задач в память вычислительной машины заносятся подпрограммы. Команды, данные, подпрограммы записываются в ячейки памяти, каждая из которых имеет свой адрес.

Выполнение команды осуществляется в строго определенной последовательности, задаваемой кодом команды. Каждая команда состоит из нескольких микроопераций. Выполнение микроопераций синхронизируется во времени тактовым генератором. Интервал времени, равный периоду тактового генератора, называется машинным тактом. Время, необходимое для выполнения операции обращения к памяти или устройству ввода-вывода, называется машинным циклом. Машинный цикл состоит из нескольких тактов. Команда включает в себя несколько машинных циклов.

На рисунке 5.52 показана типичная архитектура процессора (архитектурой называют внутреннюю организацию, а также принципы взаимодействия между аппаратной и программной частью).

В состав процессора входит арифметическо-логическое устройство (АЛУ), которое выполняет простейшие логические и арифметические операции. Один из операндов, над которыми производится действие, как правило, хранится в регистре-аккумуляторе. Кроме того, в этот регистр выводится результат операции.

Для хранения данных и промежуточных результатов вычисления, выполняемых АЛУ, предназначены регистры общего назначения. Регистр адреса команд хранит адрес следующей команды. Он автоматически получает приращение хранимого в нем адреса в зависимости от того, какую по длительности команду (в байтах) процессор считывает из памяти, указывая всегда на первый байт следующей команды. Устройство управления обеспечивает заданную последовательность работы всех узлов процессора. Работа устройства управления синхронизируется внешним тактовым генератором. Все связи в процессоре осуществляются по шинам. Шины – это физическая группа линий передачи сигналов, обладающих функциональной общностью. По каждой физической линии передается один разряд. Различают шины данных, шины адреса и шины управления.

Рисунок 5.52 – Типичная архитектура центрального процессора

На рисунке 5.53 приведен алгоритм выполнения машинного цикла "выборка-выполнение", а на рисунке 5.54 показано движение данных и команд при выполнении программы.

При запуске системы в регистре адреса команд записан адрес ячейки памяти, где хранится первая команда программы. Этот адрес процессор посылает в память, переводя в соответствующее состояние шину адреса. Ячейка памяти подключается к шине данных. Код операции считывается из памяти и записывается в регистр команд. Затем содержимое регистра адреса команд увеличивается на число единиц, равное числу байтов в команде, то есть устанавливается адрес следующей команды. Этим завершается первый полуцикл, обозначенный на рисунке 5.53 верхним прямоугольником и называемый выборкой. Затем команда, находящаяся в регистре команд, расшифровывается в устройстве управления и исполняется. Это полуцикл выполнения (второй прямоугольник на рисунке 5.53). При этом данные извлекаются из памяти (аналогично предыдущему) и пересылаются в аккумулятор и регистры общего назначения. АЛУ выполняет операции над данными, результат выдается в аккумулятор, из которого они пересылаются в память или на внешние устройства.

После выполнения команды решается вопрос, выполнять ли следующие команды или закончить работу. Это решается схемой проверки условия (ромб на рисунке 5.53). Для проверки условия используются данные регистра флагов. Этот регистр состоит из независимых однобитовых ячеек, в которых формируются различные признаки результата выполнения операции.

Рисунок 5.53 – Блок-схема алгоритма машинного цикла

"выборка-выполнение"

Флаг знака (SF) равен старшему биту результата: "1" для отрицательного числа и "0" – для положительного. Флаг нуля (ZF) устанавливается в "1", если во всех разрядах результата "0", и в "0", если результат операции отличен от нуля. Флаг переноса (CF) при сложении устанавливается в "1", если возникает перенос из старшего бита, и в "0", если переноса нет. Флаг переполнения (OF) устанавливается в "1", если возникает переполнение. Это наиболее часто встречающиеся флаги состояния, кроме этих флагов в различных процессорах могут использоваться и другие проверки состояния.

РОН – регистры общего назначения;

АЛУ – арифметическо-логическое устройство

Рисунок 5.54 – Работа центрального процессора

Кроме рассмотренных функциональных узлов в различных типах процессоров могут использоваться и другие узлы. Например, большинство процессоров имеют стековую память. Стек представляет собой несколько регистров с последовательным доступом, организованным по принципу "последним вошел – первым вышел". Стек предназначен для временного запоминания информации и последующего считывания ее в обратном порядке. Доступ к стеку производится через специальный регистр – указатель стека. Использование стека упрощает решение некоторых задач при обработке информации.