1.Определение микропроцессора (МП). Классификационные признаки МП. Области и преимущества использования МП.

МП - электронное ус-во, выполненное на 1 или нескольких кристаллах (БИС), предназначенное для вычислительной обработки управляющих воздействий, реализующие принцип программного управления.

Классификация:

1. универсальные МП - в основном предназначены для решения задач вычислительного х-ра (не имеют внутр. памяти)

2. микроконтроллеры - предназначены для реализации алгоритмов управления и упрощённого сопряжения с датчиками и исполнительными механизмами.

3. сигнальные процессоры область назначения - передача данных по каналам связи и цифровая обработка изображений

С помощью микропроцессорных средств можно решать сложные технические задачи по разработке различных систем сбора и обработки информации, где общие функции сводятся к передаче множества сигналов в один центр для оценки и принятия решения. Например, в бортовых системах летательных аппаратов за время полета накапливается большое количество информации от различных источников, требующих зачастую незамедлительной ее обработки. Это осуществляется централизованно с помощью вычислительной системы на основе бортовой МПС.

2. Основные характеристики МП и их взаимосвязь

 Микропроцессор характеризуется:

1. тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ; 

2. разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов; 

Разрядностть МП (микропроцессора) обозначается m / n / k / и включает:

m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;

3. архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.  

  Микроархитектура микропроцессора - это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.

 

  Макроархитектура - это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.

Также, другие источники выделяют ещё несколько характеристик в дополнение к выше перечисленным:

Размер кэш-памяти. В эту встроенную память процессор помещает все часто используемые данные, чтобы не обращаться каждый раз - к более медленной оперативной памяти и жесткому диску.

Кэш-память в процессоре имеется двух видов. Самая быстрая - кэш-память первого уровня (32 кб у процессоров Intel и до 128 кб -- в последних моделях AMD).

Существует еще чуть менее быстрая, но зато более объемная кэш-память второго уровня - и именно ее объемом отличаются различные модификации процессоров. Так, в семействе Intel самый «богатый» кэш-памятью - мощный Хеоn (2 Мб). У новых моделей Pentium 4 и у Athlon размер кэша второго уровня составляет 512 кб. В новейших моделях планируется увеличить его объем до 1 Мб

Тип ядра и технология производства. Технология определяется толщиной минимальных элементов процессора, - чем более «тонкой» становится технология, тем больше транзисторов может уместиться на кристалле. Кроме этого, переход на новую технологию помогает снизить энергопотребление и тепловыделение процессора, что очень важно для его стабильной работы.

Частота системной шины. Шиной называется та аппаратная магистраль, по которой перемещаются от устройства к устройству данные. Чем выше частота шины, тем больше данных поступает за единицу времени к процессору.

Частота системной шины прямо связана и с частотой самого процессора через так называемый «коэффициент умножения». Процессорная частота - это и есть частота системной шины, умноженная процессором на некую заложенную в нем величину.

3. Понятие архитектуры. Типы. Классификация.

Под архитектурой МП понимают внутреннюю структуру МП, систему команд, виды адресации, набор внутренних периферийных устройств, типы обрабатываемых данных.

Согласно типу, архитектуры МП: архитектуры фон-Неймана, гарвардская архитектура. Принципиальное различие между типами архитектур заключается в способе разделения адресного пространства для памяти данных и памяти программ. В гарвардской архитектуре для адресации памяти программ и памяти данных выделяются раздельные шины. И по виду адреса практически невозможно определить, адресуются ли код команды или данные. В архитектуре фон Неймана имеются общие шины адреса и данных. В результате получить доступ к коду программы достаточно легко.

Достоинства гарвардской архитектуры:

- высокая производительность работы

- защищенность от влияния извне

Недостатки гарвардской архитектуры:

- сложности управления адресацией к памяти, что приводит к увеличению аппаратных затрат.

БП - блок процессора

БПП - блок памяти программ

БПД – блок памяти данных

4. Обобщенная структура микропроцессора.

УУВО - устройство управления выполнения операций

БП – блок прерывания

ДШК – дешифратор команд

РК – регистр команд

БД – буфер данных

ДДК – устройство двоично-десятичной коррекции

АЛУ – арифметико-логическое устройство

УИД – устройство инкрементации декрементации

УС – указатель стека

РОН – регистр общего назначения

А – аккумулятор

ПС – программный счетчик

БА – буфер адреса

Для связи МП с внешними устройствами предназначены БД и БА, преобразовывают внутренние сигналы МП во внешние сигналы МПУ.

Регистр команд служит для хранения кода операции команды.

ДШК предназначен для разделения кода команды на код операции и поля команды, а также для их дешифрирования с целью выполнения соответственной микропрограммы, заложенной в УУВО.

Согласно выполняемой микропрограмме УУВО служит для формирования внутренних и внешних воздействий, как для внутренних узлов МП, так и для внешних устройств.

БП – предназначен для приема, хранения и обработки запросов на прерывание, в результате поступления которых может прерываться выполнение основных программ посредством запуска подпрограмм.

ПС – служит для хранения и изменения адреса выполняемой программы.

А – регистр, предназначенный для хранения результата и одного из операндов.

АЛУ – служит для выполнения арифм. и лог. Операций.

УИД – производит выполнение увеличения и уменьшения на единицу кода адреса и обрабатываемых чисел.

РОН(А,В,С,Д,Е,H,L) – это сверхоперативная память – служит для хранения обрабатываемых данных и результатов вычисления.

СТЕК – память, организованная внутри МП или во внешней памяти по принципу ЛиФо, которое не требует формирования адреса, хранит инфу для возврата из подпрограмм.

УС – хранит адрес вершины стека.

Работа МП начинается с нулевого адреса программы, который хранится в ПЗУ. После включения МП нулевое содержимое ПС через БА и внешнюю шину адреса поступают на ПЗУ, адресуя тем самым код первой команды. Код команды через БД заносится в РК, где с помощью ДШК разделяется на код операции и поля команды и далее дешифрируется. Сформированная ДШК команда поступает в УУВО, где запускает действие микропрограмму соответствующую исполняемой команде. УУВО в результате формирует последовательность как внутренних так и внешних управляющих воздействий, включая в работу те или иные блоки МП и ВУ. Одновременно с выполнением команды ПС с помощью УИД формируют новый адрес программы, подготавливая, тем самым, МП к выбору следующего кода команды и далее действия повторяются.

Естественный код, выполняемый основной программы может быть нарушен поступлением запроса на прерывание. Если прерывание разрешено, то БП через УУВО дает команду на переход соответственной программе, при этом выполняется загрузка содержимого используемых ранее регистров аккумулятора, регистра признаков в стековую память, а также формирование и загрузка в ПС адреса подпрограммы предназначенной для обслуживания поступившего запроса. По окончанию выполнения программы содержание внутренних регистров, А, регистра признаков восстанавливается путем выгрузки данных из стековой памяти, а также в ПС из стека

5

загружается адрес, на котором произошло прерывание основной программы.

Классификация команд

Форматы команд

Система команд

Система команд представлена в таблице, где указаны символические мнемонические обозначения (мнемокоды) команд, используемые при написании программ на языке ассемблера МП. В основе этих символических обозначений лежит аббревиатура от полной записи наименования команды на английском языке. Напр., команда «загрузить в аккумулятор с прямой аддресацией» имеет мнемокод LDA, что представляет собой аббревиатуру от анг. Load direct accumulator.

Виды адресации:

1. Регистровая адресация – обращение к общим и специализированным регистрам блока регистров.

2. Регистровая косвенная адресация – задание операнда в оперативной памяти.

3. Непосредственная — указывает на определённое число, константу.

4. Индексная — метод адресации, при котором актуальный (исполнительный) адрес формируется путем прибавления к базовому адресу содержимого индексного регистра. Используется при программировании на языке Ассемблер: в индексный регистр закладывается базовый адрес, а в команде указывается число, которое необходимо прибавить к базовому адресу, чтобы получить адрес нужных сведений.

5. Косвенная — метод адресации в машинных кодах, в котором адресная часть команды содержит косвенный адрес. В команде указывается адрес ячейки памяти, где находится адрес данных, который и должен быть использован при выполнении команды.

6. Стековая — с использованием специального регистра — указателя стека (SP — Stack Pointer). Используется для занесения операндов в стек в одном порядке и извлечения в обратном порядке.

7. Прямая — указывается прямой адрес ячейки памяти, это метод адресации в абсолютных адресах, представленных двоичными кодами.

8. Неявная адресация - при неявной адресации регистр источник или регистр приёмник подразумевается в самом коде операции.

6 Беззнаковые двоичные коды.

Первый вид двоичных кодов, который мы рассмотрим - это целые беззнаковые коды. Для определённости примем длину слова процессора равной восьми битам. В этих кодах каждый двоичный разряд представляет собой степень цифры 2:

При этом минимально возможное число, которое можно записать таким двоичным кодом, равно 0. Максимально возможное число, которое можно записать таким двоичным кодом, можно определить как:

Этими двумя числами полностью можно определить диапазон, чисел которые можно представить таким двоичным кодом. В случае двоичного восьмиразрядного беззнакового целого числа диапазон будет: диапазон чисел, которые можно записать таким кодом: 0 .. 255. Для шестнадцатиразрядного кода этот 0 .. 65535. В восьмиразрядном процессоре для хранения такого числа используется две ячейки памяти, расположенные в соседних адресах. Для работы с такими числами используются специальные команды.

Прямые целые знаковые коды.

В этих кодах старший разряд в слове используется для представления знака числа. В прямом знаковом коде нулем обозначается знак '+', а единицей - знак '-'. В результате введения знакового разряда диапазон чисел смещается в сторону отрицательных чисел:

В случае двоичного восьмиразрядного знакового целого числа диапазон чисел, которые можно записать таким кодом: -127 .. +127. Для шестнадцатиразрядного кода этот диапазон будет: -32767 .. +32767. В восьмиразрядном процессоре для хранения такого числа тоже используется две ячейки памяти, расположенные в соседних адресах.

Недостатком такого кода является то, что знаковый разряд и цифровые разряды приходится обрабатывать раздельно. Алгоритм программ, работающий с такими кодами, получается сложный. Для выделения и изменения знакового разряда приходится применять механизм маскирования разрядов, что резко увеличивает размер программы и уменьшает ее быстродействие. Для того чтобы алгоритм обработки знакового и цифровых разрядов не различался, были введены обратные двоичные коды.

Прямые знаковые обратные двоичные коды.

Обратные двоичные коды отличаются от прямых только тем, что отрицательные числа в них получаются инвертированием всех разрядов числа. При этом знаковый и цифровые разряды не различаются. Алгоритм работы с такими кодами резко упрощается.

Тем не менее при работе с обратными кодами требуется специальный алгоритм распознавания знака, вычисления абсолютного значения числа, восстановления знака результата числа. Кроме того, в прямом и обратном коде числа для запоминания числа 0 используется два кода, тогда как известно, что число 0 положительное и отрицательным не может быть никогда.

Знаковые дополнительные двоичные коды.

От перечисленных недостатков свободны дополнительные коды. Эти коды позволяют непосредственно суммировать положительные и отрицательные числа не анализируя знаковый разряд и при этом получать правильный результат. Все это становится возможным благодаря тому, что дополнительные числа являются естественным кольцом чисел, а не исскуственным образованием как прямые и обратные коды. Кроме того немаловажным является то, что вычислять дополнение в двоичном коде чрезвычайно легко. Для этого достаточно к обратному коду добавить 1:

Диапазон чисел, которые можно записать таким кодом: -128 .. +127. Для шестнадцатиразрядного кода этот диапазон будет: -32768 .. +32767. В восьмиразрядном процессоре для хранения такого числа используется две ячейки памяти, расположенные в соседних адресах.

В обратных и дополнительных кодах наблюдается интересный эффект, который называется эффект распространения знака. Он заключается в том, что при преобразовании однобайтного числа в двухбайтное достаточно всем битам старшего байта присвоить значение знакового бита младшего байта. То есть для хранения знака числа можно использовать сколько угодно старших бит. При этом значение кода совершенно не изменяется. Использование для представления знака числа двух бит предоставляет интересную возможность контролировать переполнения при выполнении арифметических операций