Вредоносное ПО (malware) - это назойливые или опасные программы,...
Архитектура МП (Лекция)
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Внутреннее построение микропроцессора
2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
3. Регистры МП
4. Аккумулятор
5. Счетчик команд (Program Counter (РС) - программный счётчик)
6. Регистр адреса памяти (регистр адреса)
7. Регистр команд
8. Регистр состояния
9. Буферные регистры АЛУ
10. Регистры общего назначения (РОН)
11. Указатель стека (Stack Pointer - (SP))
12. Схема управления
1. Внутреннее построение микропроцессора
Потребитель, воспринимает МП как нечто цельное, имеющее внешние потребительские свойства, заложенные в его архитектуру.
Архитектура МП – функциональные возможности аппаратных средств МП, используемые для представления данных, машинных операций, описания алгоритмов и процессов вычислений.
С точки зрения пользователя-программиста под архитектурой МП в общем случае понимают совокупность следующих компонентов и характеристик:
Разрядность адресов и данных;
Состав и назначение программно-доступных регистров;
Формат и система команд;
Режим адресации памяти;
Способы машинного представления данных разного типа;
Структура адресного пространства;
Способы адресации внешних устройств и средств выполнения операций ввода-вывода;
Классы прерываний, особенности инициирования и обработки прерываний.
Какими бы ни были рассматриваемые МП, касающаяся их информация содержит много общего. Типовая документация содержит информацию о структуре ИС, схеме выводов ИС и назначение каждого из них. Схематизируется архитектура МП, описываются его основные свойства. Одновременно даются временные диаграммы и состав команд МП.
Структурная схема МП даёт наглядное представление о его архитектуре и позволяет рассмотреть работу МП по выполнению двух основных функций: обработке и манипулированию данными.
Использование структурной схемы МП существенно облегчает понимание того, как МП решает поставленные задачи. Рассмотрим структурную схему, представленную на рисунке 1. Изображённый 8-разрядныйМПприведен в качестве типичного примера и не является какой-либо конкретной моделью, выпускаемой промышленностью.
Структурная схема МП даёт наглядное представление о его архитектуре и позволяет рассмотреть работу МП по выполнению двух основных функций: обработке и манипулированию данными.
Рис. 1. Структурная схема 8-разрядного МП
Использование структурной схемы МП существенно облегчает понимание того, как МП решает поставленные задачи. Рассмотримструктурную схему представленную на рис. 1
МП состоит из трёх основных блоков: АЛУ, нескольких регистров и устройства управления. Для передачи данных между этими блоками МП используется внутренняя шина данных. Поясним назначение отдельных элементов структурной схемы.
2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
АЛУ выполняет обработку данных. Типичными операциями, выполняемыми АЛУ являются сложение, инвертирование, сдвиг, а также операции инкремента и декремента. АЛУ содержит два входных порта и один выходной порт. Оба входных порта снабжены буферами, роль которых выполняют регистры временного хранения данных – буферные регистры. В конечном итоге АЛУ выполняет все арифметические и логические операции. Каждый порт соединён со своим буферным регистром, способным хранить для АЛУ одно слово данных. АЛУ принимает данные или с внутренней шины данных МП, или из специального регистра, именуемого аккумулятором. Единственный выходной порт АЛУ пересылает слово данных в аккумулятор. АЛУ оперирует одним или двумя словами в зависимости от вида выполняемой операции.
Схема десятичной коррекции позволяет производить операции десятичной арифметики. Точнее, позволяет выполнять обработку данных, представленных в двоично-десятичной системе счисления.
3. Регистры МП
Регистры являются важной составной частью любого МП. Количество и назначение регистров в МП зависит от его архитектуры. Однако все МП имеют шесть основных регистров: состояния, буферные, команд, адреса памяти, счетчик команд и аккумулятор. Остальные регистры предназначены для упрощения работы программиста. В процессе ознакомления с каждым из основных регистров следует обращать внимание на то,какое влияние оказывает именно этот регистр на данные, проходящие через МП. Некоторые основные регистры не используются в качестве средства программирования. Это объясняется не их физическим отсутствием, а тем, что программисту не предоставляются средства изменениясодержимого этих регистров. Понимание влияниякаждого основного регистра на поток данных в МП позволяет получить правильное представление о его функционировании.
4. Аккумулятор
Аккумулятор – главный регистр МП при различных манипуляциях с данными. Для выполнения любой операции над данными прежде всего их необходимо поместить в аккумулятор. Данные поступают в негос внутренней шины данных МП. В свою очередь аккумулятор может посылать данные на эту шину. На пути прохождения данных из аккумулятора в АЛУ находится буфер аккумулятора. Большинство арифметических и логических операций осуществляется путём использования АЛУ и аккумулятора. Любая из таких операций над двумя словами данных предполагает размещение одного из них в аккумуляторе, а другого в памяти или в каком-либо регистре. Результат операции АЛУ размещается в аккумуляторе. При этом исходное содержимое аккумулятора теряется.
Количество разрядов аккумулятора соответствует разрядности шины данных МП, т.е. 8 бит. Некоторые МП имеют аккумуляторы двойной длины или группу аккумуляторов.
5. Счетчик команд ( Program Counter (РС) - программный счётчик)
Для корректного выполнения программы её команды должны поступать в строго определённом порядке. Счетчик команд следит за тем, какая команда выполняется, а какая подлежит выполнению следующей. Счетчик команд содержит адрес ячейки памяти следующей для выполнения команды. Для МП адресующихся к памяти объёмом 64 кбайта число разрядов счетчика команд равно 16. Счетчик команд (РС) соединён с внутренней шинной данных МП. Теоретически этот регистр может получать данные об адресах программы из любого блока МП, подключенного к внутренней шине. Однако в действительности данные поступают в счетчик команд из памяти ЭВМ.
Для правильного понимания излагаемого отметим следующее. После извлечения команды из памяти МП автоматически даёт приращение содержимому счетчика команд. Это приращение СК получает как раз в тот момент, когда МП начинает выполнять команду, только что извлеченную из памяти. С этого моментаСК указывает, какой будет следующая команда. СК содержит адрес следующей выполняемой команды на протяжении всего времени выполнения текущей команды. Перед выполнением программы СК загружается адресом ячейки памяти, содержащей первую команду программы.
6. Регистр адреса памяти (регистр адреса)
При каждом обращении к памяти ЭВМ регистр адреса памяти указывает (содержит) адрес ячейки памяти, которая подлежит использованию МП. Регистр адреса памяти содержит двоичное число – адрес области памяти. Выход этого регистра называется адресной шиной.
В течение выборки команды из памяти регистр адреса памяти и счетчик команд имеют одинаковое содержимое, то есть регистр адреса памяти указывает местоположение команды извлекаемой из памяти. После декодирования команды счетчик команд получает приращение, а регистр адреса памяти приращения не получает. При выполнении команды содержимое регистра адреса памяти зависит от выполняемой команды. Если МП должен произвести ещё одно обращение к памяти, то регистр адреса памяти подлежит вторичному использованию при обработке команды. Для некоторых команд адресация к памяти не требуется. При обработки таких команд регистр адреса памяти используется только один раз -в течении подцикла выборки команды из памяти. Регистр адреса памяти располагает количеством разрядов, достаточным для адресации любой области памяти ЭВМ. Для памяти 64 кбт-16 разрядов.
7. Регистр команд
В ходе извлечения команды из памяти её первый байт (КОП) передаётся в 8-разрядный регистр команд. Содержимое регистра доступно тогда дешифратору команд. Регистр команд предназначен исключительно для хранения текущей выполняемой команды. Эта функция реализуется МП с начала цикла выборка-выполнение, называемый также машинным циклом. Регистр команд соединён с внутренней шиной данных, однако он может только принимать данные – посылать данные на шину он не может.
При извлечении команды из области памяти копия команды помещается на внутреннюю шину данных и пересылается в регистр команд. Далее дешифратор команд считывает содержимое регистра команд, сообщая МП что делать для реализации операций команды.
8. Регистр состояния
Наличием регистра состояния подлинная ЭВМ отличается от калькулятора. Данный регистр предназначен для хранения результатов некоторых проверок состояния аккумулятора, осуществляемых в процессе выполнения программы. Регистр состояния содержит пять одноразрядных индикаторов, содержимое этих индикаторов используется условными ветвлениями программ.
На рис. 2 показаны разряды регистра состояния. Этот регистр ещё называют регистром признаков.
Бит CY указывает, что последняя выполненная операция сопровождалась переносом или заёмом. Значениеразряда переноса устанавливается равным 1, если в результате сложения двух чисел имеет место перенос из 8-го разряда результата. Отрицательный перенос фиксируется в бите CY при вычитании большего числа из меньшего.
Бит нулевого результата Z принимает единичное значение, если после окончания операции во всех разрядах результата обнаружены двоичные нули. В противном случае бит Z содержит нуль.
Знаковый бит S принимает единичное значение, когда старший значащий бит результата становится равным 1. При выполнении арифметических операций с числами в дополнительном коде единичное значение старшего бита показывает, что получено отрицательное число.
Бит четности Р поверяет число единиц в аккумуляторе. Если это число четное то в бите P устанавливается 1, если число нечетное – бит Р сбрасывается в 0.
Бит вспомогательного переноса АС показывает перенос из третьего разряда аккумулятора в четвёртый. Работает аналогично индикатору CY . Значение этого бита используют команды десятичной арифметики.
Не все разряды регистра состояния используются МП. В неиспользуемых 8-разрядах постоянно записаны двоичные единицы или нули. Слово состояния МП – это содержимое регистра состояния. Содержимое регистра состояния может быть загружено во внутреннею шину данных МП. Однако он не имеет возможности принимать данные, поступающие по шине.
9. Буферные регистры АЛУ
Буферные регистры предназначены для временного хранения одного слова данных. Один из этих регистров называется буфером аккумулятора АЛУ. В оба буферных регистра данные поступают с внутренней шины данных МП. В буфер аккумулятора данные могут поступать и с выхода аккумулятора. Необходимость в таких регистрах вызвана отсутствием в АЛУ своего запоминающего устройства. В состав АЛУ включены только комбинационные схемы и поэтому при поступлении исходных данных на входы АЛУ немедленно появляется результат на его выходе. Результат помещается в аккумулятор. Комбинационные операции – операции, при которых информационные сигналы на выходах операционного блока представляют собой некоторую функцию входных сигналов и существуют до тех пор, пока поданы на входы операционного блока входные сигналы.
Работа АЛУ без регистров временного храненияданных невозможна. Когда в арифметической или логической операций АЛУ участвуют два слова данных, одно из них из аккумулятора. Результат подобной операции помещается в аккумулятор. Буфер аккумулятора позволяет избежать ситуации, при которой вход и выход АЛУ одновременно подсоединены к одной и той же точке схемы. Буферные регистры недоступны для программирования.
10. Регистры общего назначения (РОН)
В некоторых МП РОН служат в качестве запоминающих устройств, это позволяет повысить быстродействие микро-ЭВМ за счет сокращенияпересылок кодов между МП и памятью. В некоторых МП функциональные возможности этих регистров не уступают возможностям аккумулятора. Последнее достигается в том случае, если АЛУ может помещать в них данные.
Регистры общего назначения BC , DE , HL могут быть использованы как шесть 8-разрядных или три 16-разрядные пары регистров в зависимости от текущей выполняемой команды. Выборка команд длиной 2 и 3 байт производится с участием регистров W и Z . Первый байт команды заносится в регистр команд, второй - в регистр W , а третий - в регистр Z . Регистры W и Z программно недоступные. Пара HL обычно используется для указания адреса. Остальные РОН являются регистрами хранения данных. В нашем случае АЛУ не помещает данные в РОН, поэтому они не обладают возможностями аккумулятора. РОН представляет собой сверхоперативную память МП.
11. Указатель стека ( Stack Pointer - ( SP ))
Указатель стека (SP ) представляет 16-разрядный регистр, который содержит адрес последнего помещенного в стек байта. Указатель стека декрементируется при каждом помещении в стек и инкрементируется при каждом извлечении из него.
Стек – это область памяти, специально выделяемая для временного хранения данных программы. Отличительной особенностью стека является особая организация обращения к нему со стороны МП. Запись и чтение данных в стеке осуществляется в соответствии с принципом LIFO (Last In First Out ) – «последним пришел, первым ушел». Таким образом, информация в стеке размещается в строгой последовательности – ячейка памяти, заполненная последней, считывается первой, а ячейка памяти заполненная первой извлекается последней. В ячейки стека информация заносится последовательно и извлекается в порядке обратном порядку занесения. Таким образом, стек функционирует как память с последовательным доступом. По мере записи данных в стек он растёт в сторону младших адресов. Эта особенность заложена в алгоритм команд работы со стеком. Концептуальная схема организации стека показана на рисунке.
Стек предназначен для обработки прерываний и программ. При записи слова данных в ячейку стека значение адреса в указателе стека уменьшается на единицу, а при считывании данных увеличивается на единицу.
Стек выполняется на некоторой выделенной области ОЗУ. В этом случае стек представляет память с последовательным доступом. Обращение и адресация к стеку производится через регистр указателя стека.
Стек на внутренних регистрах МП более быстродействующий, но из-за малого числа регистров, имеющихся в МП, не обеспечивается большая глубина вложения данных. Поэтому стеки большинства МП размещаются в памяти.
Вершиной стека называется адрес его последней загруженной ячейки памяти. Таким образом, указатель стека всегда содержит адрес его вершины. Начало стека в ОЗУ (его дно) определяется программистом путём записи в регистр SP адреса первой ячейки памяти стека. Вершина стека подвижна и её расположение определяется объёмом данных, загруженных в стек. Стек не имеет ограничений, за исключением тех, которые обусловлены наличием других программ в ОЗУ.
12. Схема управления
Схема управления состоит из дешифратора команд и устройства управления и синхронизации. Одна из главных функций схемы управления – декодирование команды. Для этого служит дешифратор команд. Он декодирует команду, находящуюся в регистре команд и выдаёт сигналы, необходимые для выполнения команды, в устройство управления. Основу устройства управления МП составляют программируемые логические матрицы (ПЛМ). Дешифратор анализирует отдельные биты команды и передаёт код операции в устройство управления. Устройство управления получает сигналы от дешифратора команд для определения природы выполняемой команды. Устройство управления получает также информацию от регистра состояния в случае условного перехода. Сигналы управления и синхронизации передаются во все блоки МП для координации выполнения команд и управления внешними устройствами (ОЗУ, ПЗУ, УВВ).
Устройство управления связано с генератором тактовых импульсов, синхронизирующим во времени работу МП. Принимаемые тактовые сигналы схемой управления преобразуются в многофазные синхросигналы. В качестве ГТИ используют кварцевый генератор – внешний или внутренний, встроенный в МП.
Упрощенная внутренняя архитектура типового 8-разрядного микропроцессора показана на рисунке 3. В структуре микропроцессора можно выделить три основных части:
1) Регистры для временного хранения команд, данных и адресов;
2) Арифметико-логическое устройство (АЛУ) , которое реализует арифметические и ло-гические операции;
3) Схема управления и синхронизации - обеспечивает выборку команд, организует функционирование АЛУ, обеспечивает доступ ко всем регистрам микропроцессора, воспринимает и генерирует внешние управляющие сигналы.
Рисунок 3 - Упрощенная внутренняя архитектура 8-разрядного микропроцессора
Как видно из схемы, основу процессора составляют регистры, которые делятся на специальные (имеющие определенное назначение) и регистры общего назначения.
Программный счетчик (PC) - регистр, содержащий адрес следующего командного байта. Процессор должен знать, какая команда будет выполняться следующей.
Аккумулятор – регистр, используемый в подавляющем большинстве команд логической и арифметической отработки; он одновременно является и источником одного из байт данных, которые требуются для операции АЛУ, и местом, куда помещается результат операции АЛУ.
Регистр признаков (или регистр флагов) содержит информацию о внутреннем состоянии микропроцессора, в частности о результате последней операции АЛУ. Регистр флагов не является регистром в обычном смысле, а представляет собой просто набор триггер-защелок (флаг поднят или опущен. Обычно имеются флажки нуля, переполнения, отрицательного результата и переноса.
Указатель стека (SP) - следит за положением стека, т. е. содержит адрес последней его использованной ячейки. Стек – способ организации хранения данных.
Регистр команды содержит текущий командный байт, который декодируется дешифратором команды.
Линии внешних шин изолированы от линий внутренней шины с помощью буферов, а основные внутренние элементы связаны быстродействующей внутренней шиной данных.
Для повышения производительности многопроцессорной системы функции центрального процессора могут распределяться между несколькими процессорами. В помощь центральному процессору в компьютер часто вводят сопроцессоры , ориентированные на эффективное исполнение каких-либо специфических функций. Широко распространены математические и графические , сопроцессоры ввода-вывода , разгружающие центральный процессор от несложных, но многочисленных операций взаимодействия с внешними устройствами.
На современном этапе основным направлением повышения производительности является разработка многоядерных процессоров , т.е. объединение в одном корпусе двух и более процессоров, с целью выполнения нескольких операций параллельно (одновременно).
Лидирующими компаниями по разработке и изготовлению процессоров являются Intel и AMD.
18. Перспективы развития микропроцессорных систем.
Микропроцессор - центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ (или вычислительной системы), которое выполняет арифметические и логические операции, заданные программой преобразования информации, управляет вычислительным процессом и координирует работу устройств системы (запоминающих, сортировальных, ввода - вывода, подготовки данных и др.).
Современный уровень развития микропроцессорной техники достиг такого уровня что, в течение 5 лет происходит смена двух-трех поколений микропроцессоров. По прогнозам аналитиков к 2012 году число транзисторов в микропроцессоре достигнет 1 млрд., тактовая частота возрастет до 10 ГГц, а производительность достигнет 100 млрд. оп/с.
Поэтому при выборе аппаратно-программной платформы необходимо учитывать тенденции развития, позволяющие минимизировать затраты на модернизацию и поддержку актуального программного обеспечения.
В архитектуре современных микропроцессоров разных компаний-производителей имеется много общего. В предыдущих поколениях микропроцессоров при ограниченном объеме аппаратных ресурсов каждый разработчик микропроцессора выбирал ряд архитектурно-структурных приемов повышения производительности, за счет преимущественного развития которых этот микропроцессор должен был превосходить другие. В современных условиях большое число транзисторов на кристалле делает возможным применить в одном микропроцессоре все известные приемы повышения производительности, сообразуясь только с их совместимостью.
Рассмотрение конкретных семейств микропроцессоров разных производителей подтверждает общие тенденции их развития: повышение тактовой частоты, увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти, увеличение количества параллельно функционирующих исполнительных устройств.
- ВВЕДЕНИЕ
- 1. Общая характеристика архитектуры процессора
- 1.1 Базовая структура микропроцессорной системы
- 1.2 Понятие архитектуры микропроцессора
- 1.3 Обзор существующих типов архитектур микропроцессоров
- 2. Устройство управления
- 3. Особенности программного и микропрограммного управления
- 4. Режимы адресации
- Заключение
- Список используемой литературы
- ВВЕДЕНИЕ
- Процесс взаимодействия человека с ЭВМ насчитывает уже более 40лет. До недавнего времени в этом процессе могли участвовать только специалисты - инженеры, математики - программисты, операторы. В последние годы произошли кардинальные изменения в области вычислительной техники. Благодаря разработке и внедрению микропроцессоров в структуру ЭВМ появились малогабаритные, удобные для пользователя персональные компьютеры. Ситуация изменилась, в роли пользователя может быть не только специалист по вычислительной технике, но и любой человек, будь то школьник или домохозяйка, врач или учитель, рабочий или инженер. Часто это явление называют феноменом персонального компьютера. В настоящее время мировой парк персональных компьютеров превышает 20 млн.
- Почему возник этот феномен? Ответ на этот вопрос можно найти, если четко сформулировать, что такое персональный компьютер и каковы его основные признаки. Надо правильно воспринимать само определение " персональный", оно не означает принадлежность компьютера человеку на правах личной собственности. Определение "персональный" возникло потому, что человек получил возможность общаться с ЭВМ без посредничества профессионала-программиста, самостоятельно, персонально. При этом не обязательно знать специальный язык ЭВМ. Существующие в компьютере программные средства обеспечат благоприятную " дружественную" форму диалога пользователя и ЭВМ.
- В настоящее время одними из самых популярных компьютеров стали модель IBM PC и ее модернизированный вариант IBM PC XT, который по архитектуре, программному обеспечению, внешнему оформлению считается базовой моделью персонального компьютера.
- Основой персонального компьютера является системный блок. Он организует работу, обрабатывает информацию, производит расчеты, обеспечивает связь человека и ЭВМ. Пользователь не обязан досконально разбираться в том, как работает системный блок. Это удел специалистов. Но он должен знать, из каких функциональных блоков состоит компьютер. Мы не имеем четкого представления о принципе действия внутренних функциональных блоков окружающих нас предметов - холодильника, газовой плиты, стиральной машины, автомобиля, но должны знать, что заложено в основу работы этих устройств, каковы возможности составляющих их блоков.
Архитектура микропроцессора
Режимы адресации
Для взаимодействия с различными модулями в ЭВМ должны быть средства идентификации ячеек внешней памяти, ячеек внутренней памяти, регистров МП и регистров устройств ввода/вывода. Поэтому каждой из запоминающих ячеек присваивается адрес, т.е. однозначная комбинация бит. Количество бит определяет число идентифицируемых ячеек. Обычно ЭВМ имеет различные адресные пространства памяти и регистров МП, а иногда - отдельные адресные пространства регистров устройств ввода/вывода и внутренней памяти. Кроме того, память хранит как данные, так и команды. Поэтому для ЭВМ разработано множество способов обращения к памяти, называемых режимами адресации.
Режим адресации памяти - это процедура или схема преобразования адресной информации об операнде в его исполнительный адрес.
Все способы адресации памяти можно разделить на:
1) прямой, когда исполнительный адрес берется непосредственно из команды или вычисляется
с использованием значения, указанного в команде, и содержимого какого-либо регистра (прямая
адресация, регистровая, базовая, индексная и т.д.);
2) косвенный, который предполагает, что в команде содержится значение косвенного адреса,
т.е. адреса ячейки памяти, в которой находится окончательный исполнительный адрес (косвенная
адресация).
В каждой микроЭВМ реализованы только некоторые режимы адресации, использование которых, как правило, определяется архитектурой МП.
Типы архитектур
Существует несколько подходов к классификации микропроцессоров по типу архитектуры. Так, выделяют МП с CISC (Complete Instruction Set Computer) архитектурой, характеризуемой полным набором команд, и RISC (Reduce Instruction Set Computer) архитектурой, которая определяет систему с сокращенным набором команд одинакового формата, выполняемых за один такт МП.
Определяя в качестве основной характеристики МП разрядность, выделяют следующие типы МП
архитектуры:
- с фиксированной разрядностью и списком команд (однокристальные);
- с наращиваемой разрядностью (секционные) и микропрограммным управлением.
Анализируя адресные пространства программ и данных, определяют МП с архитектурой фон Неймана (память программ и память данных находятся в едином пространстве и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти) и МП с архитектурой Гарвардской лаборатории (память программ и память данных разделены, имеют свои адресные пространства и способы доступа к ним).
Мы рассмотрим более подробно основные типы архитектурных решений, выделяя связь со
способами адресации памяти.
1. Регистровая архитектура определяется наличием достаточно большого регистрового
файла внутри МП.
Команды получают возможность обратиться к операндам, расположенным в одной из двух запоминающих
сред: оперативной памяти или регистрах. Размер регистра обычно фиксирован и совпадает с размером
слова, физически реализованного в оперативной памяти. К любому регистру можно обратиться непосредственно,
поскольку регистры представлены в виде массива запоминающих элементов - регистрового
файла. Типичным является выполнение арифметических операций только в регистре, при этом
команда содержит два операнда (оба операнда в регистре или один операнд в регистре, а второй
в оперативной памяти).
К данному типу архитектуры относится микропроцессор фирмы Zilog. Процессор Z80 - детище фирмы Zilog помимо расширенной системы команд, одного номинала питания и способности исполнять программы, написанные для i8080, имел архитектурные "изюминки".
Рисю 2.5. Микропроцессор Z80 фирмы Zilog.
В дополнение к основному набору РОН, в кристалле был реализован второй комплект аналогичных регистров. Это значительно упрощало работу при вызове подпрограмм или процедур обслуживания прерываний, поскольку программист мог использовать для них альтернативный набор регистров, избегая сохранения в стеке содержимого РОНов для основной программы с помощью операций PUSH. Кроме того, в систему команд был включен ряд специальных инструкций, ориентированных на обработку отдельных битов, а для поддержки регенерации динамической памяти в схему процессора введены соответствующие аппаратные средства. Z80 применялся в машинах Sinclair ZX, Sinclair Spectrum, Tandy TRS80.
Предельный вариант - архитектура с адресацией посредством аккумуляторов (меньший набор команд).
МП фирмы Motorola имел ряд существенных преимуществ. Прежде всего, кристалл МС6800 требовал для работы одного номинала питания, а система команд оказалась весьма прозрачной для программиста. Архитектура МП также имела ряд особенностей.
Рис 2.6. Микропроцессор МС6800 фирмы Motorola.
Микропроцессор МС 6800 содержал два аккумулятора, и результат операции АЛУ мог быть помещен в любой из них. Но самым ценным качеством структуры МС 6800 было автоматическое сохранение в стеке содержимого всех регистров процессора при обработке прерываний (Z80 требовалось для этого несколько команд PUSH). Процедура восстановления РОН из стека тоже выполнялась аппаратно.
2. Стековая архитектура дает возможность создать поле памяти с упорядоченной
последовательностью записи и выборки информации.
В общем случае команды неявно адресуются к элементу стека, расположенному на его
вершине, или к двум верхним элементам стека.
3. Архитектура МП, ориентированная на оперативную память (типа "память-память"),
обеспечивает высокую скорость работы и большую информационную емкость рабочих регистров
и стека при их организации в оперативной памяти.
Архитектура этого типа не предполагает явного определения аккумулятора, регистров
общего назначения или стека; все операнды команд адресуются к области основной памяти.
С точки зрения важности для пользователя-программиста под архитектурой в общем случае
понимают совокупность следующих компонентов и характеристик:
- разрядности адресов и данных;
- состава, имен и назначения программно-доступных регистров;
- форматов и системы команд;
- режимов адресации памяти;
- способов машинного представления данных разного типа;
- структуры адресного пространства;
- способа адресации внешних устройств и средств выполнения операций ввода/вывода;
- классов прерываний, особенностей инициирования и обработки прерываний.
Введение
1.3 Обзор существующих типов архитектур микропроцессоров
2. Устройство управления
3. Особенности программного и микропрограммного управления
4. Режимы адресации
Заключение
Список используемой литературы
Процесс взаимодействия человека с ЭВМ насчитывает уже более 40лет. До недавнего времени в этом процессе могли участвовать только специалисты - инженеры, математики - программисты, операторы. В последние годы произошли кардинальные изменения в области вычислительной техники. Благодаря разработке и внедрению микропроцессоров в структуру ЭВМ появились малогабаритные, удобные для пользователя персональные компьютеры. Ситуация изменилась, в роли пользователя может быть не только специалист по вычислительной технике, но и любой человек, будь то школьник или домохозяйка, врач или учитель, рабочий или инженер. Часто это явление называют феноменом персонального компьютера. В настоящее время мировой парк персональных компьютеров превышает 20 млн.
Почему возник этот феномен? Ответ на этот вопрос можно найти, если четко сформулировать, что такое персональный компьютер и каковы его основные признаки. Надо правильно воспринимать само определение " персональный", оно не означает принадлежность компьютера человеку на правах личной собственности. Определение "персональный" возникло потому, что человек получил возможность общаться с ЭВМ без посредничества профессионала-программиста, самостоятельно, персонально. При этом не обязательно знать специальный язык ЭВМ. Существующие в компьютере программные средства обеспечат благоприятную " дружественную" форму диалога пользователя и ЭВМ.
В настоящее время одними из самых популярных компьютеров стали модель IBM PC и ее модернизированный вариант IBM PC XT, который по архитектуре, программному обеспечению, внешнему оформлению считается базовой моделью персонального компьютера.
Основой персонального компьютера является системный блок. Он организует работу, обрабатывает информацию, производит расчеты, обеспечивает связь человека и ЭВМ. Пользователь не обязан досконально разбираться в том, как работает системный блок. Это удел специалистов. Но он должен знать, из каких функциональных блоков состоит компьютер. Мы не имеем четкого представления о принципе действия внутренних функциональных блоков окружающих нас предметов - холодильника, газовой плиты, стиральной машины, автомобиля, но должны знать, что заложено в основу работы этих устройств, каковы возможности составляющих их блоков.
1. Общая характеристика архитектуры процессора
1.1 Базовая структура микропроцессорной системы
Задача управления системой возлагается на центральный процессор (ЦП), который связан с памятью и системой ввода-вывода через каналы памяти и ввода-вывода соответственно. ЦП считывает из памяти команды, которые образуют программу и декодирует их. В соответствии с результатом декодирования команд он осуществляет выборку данных из памяти портов ввода, обрабатывает их и пересылает обратно в память или порты вывода. Существует также возможность ввода-вывода данных из памяти на внешние устройства и обратно, минуя ЦП. Этот механизм называется прямым доступом к памяти (ПДП).
С точки зрения пользователя при выборе микропроцессора целесообразно располагать некоторыми обобщенными комплексными характеристиками возможностей микропроцессора. Разработчик нуждается в уяснении и понимании лишь тех компонентов микропроцессора, которые явно отражаются в программах и должны быть учтены при разработке схем и программ функционирования системы. Такие характеристики определяются понятием архитектуры микропроцессора.
1.2 Понятие архитектуры микропроцессора
Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рис. 1. Такая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации.
Рис. 1. Архитектура типового микропроцессора.
Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется 16-разрядная адресная шина (ША), которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-разрядной информационной шине или шине данных (ШД) осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что МП может посылать информацию в память микроЭВМ или к одному из портов вывода, а также получать информацию из памяти или от одного из портов ввода.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую программу (на практике программу инициализации ЭВМ). Программы могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.
В качестве примера, иллюстрирующего работу микроЭВМ, рассмотрим процедуру, для реализации которой нужно выполнить следующую последовательность элементарных операций:
1. Нажать клавишу с буквой "А" на клавиатуре.
2. Поместить букву "А" в память микроЭВМ.
3. Вывести букву "А" на экран дисплея.
Это типичная процедура ввода-запоминания-вывода, рассмотрение которой дает возможность пояснить принципы использования некоторых устройств, входящих в микроЭВМ.
На рис. 2 приведена подробная диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода. Обратите внимание, что команды уже загружены в первые шесть ячеек памяти. Хранимая программа содержит следующую цепочку команд:
1. Ввести данные из порта ввода 1.
2. Запомнить данные в ячейке памяти 200.
3. Переслать данные в порт вывода 10.
В данной программе всего три команды, хотя на рис. 2 может показаться, что в памяти программ записано шесть команд. Это связано с тем, что команда обычно разбивается на части. Первая часть команды 1 в приведенной выше программе - команда ввода данных. Во второй части команды 1 указывается, откуда нужно ввести данные (из порта 1). Первая часть команды, предписывающая конкретное действие, называется кодом операции (КОП), а вторая часть - операндом. Код операции и операнд размещаются в отдельных ячейках памяти программ. На рис. 2 КОП хранится в ячейке 100, а код операнда - в ячейке 101 (порт 1); последний указывает откуда нужно взять информацию.
В МП на рис. 2 выделены еще два новых блока - регистры: аккумулятор и регистр команд.
Рис. 2. Диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода
Рассмотрим прохождение команд и данных внутри микроЭВМ с помощью занумерованных кружков на диаграмме. Напомним, что микропроцессор - это центральный узел, управляющий перемещением всех данных и выполнением операций.
Итак, при выполнении типичной процедуры ввода-запоминания-вывода в микроЭВМ происходит следующая последовательность действий:
1. МП выдает адрес 100 на шину адреса. По шине управления поступает сигнал, устанавливающий память программ (конкретную микросхему) в режим считывания.
2. ЗУ программ пересылает первую команду ("Ввести данные") по шине данных, и МП получает это закодированное сообщение. Команда помещается в регистр команд. МП декодирует (интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нужен операнд.
3. МП выдает адрес 101 на ША; ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.
4. Из памяти программ на ШД пересылается операнд "Из порта 1". Этот операнд находится в программной памяти в ячейке 101. Код операнда (содержащий адрес порта 1) передается по ШД к МП и направляется в регистр команд. МП теперь декодирует полную команду ("Ввести данные из порта 1").
5. МП, используя ША и ШУ, связывающие его с устройством ввода, открывает порт 1. Цифровой код буквы "А" передается в аккумулятор внутри МП и запоминается.Важно отметить, что при обработке каждой программной команды МП действует согласно микропроцедуре выборки-декодирования-исполнения.
6. МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.
7. Код команды "Запомнить данные" подается на ШД и пересылается в МП, где помещается в регистр команд.
8. МП дешифрирует эту команду и определяет, что для нее нужен операнд. МП обращается к ячейке памяти 103 и приводит в активное состояние вход считывания микросхем памяти программ.
9. Из памяти программ на ШД пересылается код сообщения "В ячейке памяти 200". МП воспринимает этот операнд и помещает его в регистр команд. Полная команда "Запомнить данные в ячейке памяти 200" выбрана из памяти программ и декодирована.
10. Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пересылает адрес 200 на ША и активизирует вход записи, относящийся к памяти данных.
11. МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в память данных. Код буквы "А" передается по ШД и записывается в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая команда. Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем по-прежнему находится код буквы "А".
12. МП обращается к ячейке памяти 104 для выбора очередной команды и переводит память программ в режим считывания.
13. Код команды вывода данных пересылается по ШД к МП, который помещает ее в регистр команд, дешифрирует и определяет, что нужен операнд.
14. МП выдает адрес 105 на ША и устанавливает память программ в режим считывания.
15. Из памяти программ по ШД к МП поступает код операнда "В порт 10", который далее помещается в регистр команд.
