Лекция. Внутреннее строение микропроцессора




Скачать 16,03 Kb.
НазваниеЛекция. Внутреннее строение микропроцессора
страница1/3
Дата04.02.2016
Размер16,03 Kb.
ТипЛекция
  1   2   3



Лекция. Внутреннее строение микропроцессора


Внутреннее строение микропроцессора


В этой теме мы должны рассмотреть внутреннее устройство МП. Для начала рассмотрим его структурную схему и ее три основных узла: арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры данных и устройство управления. АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными, изменяя их; регистры данных являются быстродействующей внутренней памятью, каждый из них способен хранить одно слово данных. В заключение проанализируем функции внутренней шины МП, т.е. операции по перемещению данных из одного узла в другой.


Структурная схема микропроцессора


Структурная схема МП дает возможность наглядно рассмотреть его работу по выполнению двух основных функций: обработке и манипулированию данными. Использование такой схемы часто существенно облегчает понимание того, как микропроцессор решает поставленные задачи. В дальнейшем мы будем пользоваться следующей структурной схемой.

Изображенный на этом рисунке 8-разрядный МП с регистрами приведен в качестве типичного примера микропроцессора и не является какой-либо конкретной моделью. На практике при работе с тем или иным микропроцессором пользователю должна быть представлена соответствующая документация, включающая и структурную схему.




Согласно структурной схеме микропроцессор состоит из трех основных блоков: АЛУ, нескольких регистров и устройства управления. Для передачи данных между этими блоками микропроцессора используется внутренняя шина данных.


АЛУ

АЛУ выполняет одну из главных функций микропроцессора – обработку данных. В соответствии со структурной схемой АЛУ имеет два входных порта и один выходной. Назначение входного порта – ввод данных в АЛУ, а выходного – вывод такого слова. Как правило, такие схемы имеют один или несколько входных портов и единственный выходной. Входные порты снабжены буферами, роль которых выполняют регистры временного хранения данных (буферные регистры). Каждый порт соединен со своим буферным регистром, способным хранить для АЛУ одно слово данных. Два входных порта позволяют АЛУ принимать данные или с внутренней шины данных МП, или из специального регистра, именуемого аккумулятором. Единственный выходной порт АЛУ предоставляет последнему возможность пересылать слово данных в аккумулятор.

Аккумулятор предназначен для хранения слова данных, посланного в него из выходного порта АЛУ или извлеченного из памяти. Когда, например, АЛУ складывает два слова данных, одно из них находится в аккумуляторе. После выполнения сложения результат – слово данных – посылается в аккумулятор на хранение.

АЛУ оперирует одним или двумя словами в зависимости от вида выполняемой операции; соответственно он использует и входные порты. Так, например, поскольку для сложения требуется два слова данных, то эту операцию АЛУ производит, пользуясь обоими входными портами. А при инвертировании слова АЛУ ограничивается одним входным портом.

АЛУ необходимо использовать в тех случаях, когда требуется изменить или проверить значение слова данных. Перечень функций АЛУ зависит от типа МП. Функции АЛУ определяют архитектуру микропроцессора в целом. Типичными операциями, выполняемыми АЛУ большинства микропроцессоров, являются следующие: сложение, вычитание, И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, НЕ, сдвиг вправо, сдвиг влево, приращение положительное, приращение отрицательное.

Регистры микропроцессора


Регистры являются важной составной частью любого МП. Они участвуют в реализации основных логических функций МП независимо от количества регистров. Начнем с рассмотрения шести основных регистров.

Каждый регистр МП может использоваться для временного хранения одного слова данных. Некоторые регистры имеют специальное назначение, другие – многоцелевое. Регистры последнего типа называют регистрами общего назначения и могут использоваться программистом по его усмотрению.

Количество и назначение регистров в МП зависит от его архитектуры, однако, почти все микропроцессоры имеют шесть основных регистров: состояния, буферные, команд, адреса памяти, счетчик команд и аккумулятор.

В процессе ознакомления с каждым из основных регистров следует обратить внимание на то, какое влияние оказывает именно этот регистр на данные, проходящие «сквозь» микропроцессор. Без понимания этого влияния невозможно получить правильное представление о функционировании МП.


Аккумулятор

Аккумулятор – главный регистр МП при различных манипуляциях с данными. Большинство логических и арифметических операций осуществляется путем использования АЛУ и аккумулятора. Любая из таких операций над двумя словами данных (операндами) предполагает размещение одного из них в аккумуляторе, а другого – в памяти или еще каком-либо регистре. Так, при сложении двух слов, называемых условно А и В и расположенных в аккумуляторе и памяти соответственно, результирующая сумма С загружается в аккумулятор, замещая слово А. Результат операции АЛУ тоже обычно размещается в аккумуляторе. Следует помнить, что исходное содержимое при этом теряется.

Операцией другого типа, использующей аккумулятор, является программируемая передача данных из одной части микропроцессора в другую. Речь идет о пересылке данных между портом ввода-вывода и областью памяти, между двумя областями памяти и т.п. Выполнение операции «программируемая передача данных» осуществляется в два этапа: сначала выполняется пересылка данных из источника в аккумулятор, а затем из аккумулятора – в пункт назначения.

Выше было показано, что МП позволяет использовать АЛУ для объединения данных в аккумуляторе с другими данными. Однако МП может выполнять некоторые действия над данными непосредственно в аккумуляторе. Например, аккумулятор может быть очищен путем записи двоичных нулей во все его разряды, установлен в единичное состояние посредством записи двоичных единиц во все разряды. Содержимое аккумулятора можно сдвигать влево или вправо, получать его инвертированное значение, а также выполнять другие операции.

Аккумулятор является наиболее универсальным регистром МП: для выполнения любой операции над данными, их прежде всего необходимо поместить в аккумулятор. Как показано на структурной схеме, данные поступают в аккумулятор с внутренней шины данных МП. В свою очередь аккумулятор может посылать данные на эту шину.

Количество разрядов аккумулятора соответствует длине слова микропроцессора (в нашем случае 8 бит). Однако некоторые МП имеют аккумуляторы двойной длины. Такой аккумулятор можно рассматривать как одно устройство или как два отдельных аккумулятора. В первом случае второй аккумулятор пары используется для записи дополнительных битов, появляющихся при выполнении некоторых арифметических операций. Например, при умножении двух 8-битовых слов результат – 16-битовое слово – размещается в аккумуляторе двойной длины.

У некоторых МП имеется группа аккумуляторов. Если, например, два – аккумуляторы А и В, то аккумулятор должен располагать двумя различными командами для загрузки в них данных с выхода АЛУ: одной командой – для записи данных в аккумулятор А, другой – для записи данных в аккумулятор В. Кроме того, должны быть две соответствующие команды очистки этих аккумуляторов.

Преимущество «многоаккумуляторных» МП по сравнению с «одноаккумуляторными» в том, что первые предоставляют возможность выполнения операций с передачей данных от аккумулятора к аккумулятору. Данные могут временно храниться в одном аккумуляторе, пока другой используется для выполнения каких-либо других действий. Когда вновь возникает необходимость в данных, содержащихся в первом аккумуляторе, пересылать их не нужно, поскольку они уже находятся там.

Что же касается функционирования МП с одним аккумулятором, то операции выполняются именно над его содержимым, и по завершении очередной операции результат приходится дописывать в память или в другой регистр. Во многих случаях это совпадает с намерениями программиста. Однако в некоторых случаях наличие двух аккумуляторов может сократить число необходимых операций.


Счетчик команд

Счетчик команд – один из наиболее важных регистров МП. Как известно, программа – это последовательность команд, хранимых в памяти микро-ЭВМ и предназначенных для того, чтобы инструктировать машину, как решать поставленную задачу. Для корректного выполнения последней, команды должны поступать в строго определенном порядке. На счетчике команд лежит ответственность следить за тем, какая команда выполняется, а какая подлежит выполнению следующей. Часто счетчик команд имеет намного больше разрядов, чем длина слова данных МП. Так, в большинстве 8-разрядных МП, адресующихся к памяти объемом 65К, число разрядов счетчика команд равно 16. И на это имеются достаточно веские основания. В любой из 65536 областей памяти микро-ЭВМ общего назначения может находиться информация о том или ином шаге программы, т.е. в пределах диапазона значений адресов от 0 до 65535 программа может начаться и закончиться в любом месте. Чтобы обратиться к любому из этих адресов, счетчик команд должен располагать 16 двоичными разрядами.

Согласно структурной схеме МП, счетчик команд соединен с внутренней шиной данных МП. Теоретически этот счетчик может получать данные об адресах программы из любого блока МП, подключенного к внутренней шине. Однако на практике данные обычно поступают в счетчик команд из памяти микро-ЭВМ.

Когда МП начинает работать, по команде начальной установки в счетчик команд загружаются данные из области памяти, заданной проектировщиком МП. Перед пуском программы необходимо поместить начальный адрес для программы в область памяти, указанную проектировщиком. Когда программа начинает выполняться, первым значением содержимого счетчика команд является этот, заранее определенный адрес.

В отличие от аккумулятора счетчик команд не может выполнять операции различного типа. Набор команд, его использующих, крайне ограничен по сравнению с подобным набором для аккумулятора.

Перед выполнением программы счетчик команд необходимо загрузить числом – адресом области памяти, содержащей первую команду программы. Обратите внимание, что на структурной схеме регистр адреса памяти и адресная шина расположены ниже счетчика команд. Адрес области памяти, содержащей первую команду программы, посылается из счетчика команд в регистр адреса памяти, после чего содержимое обоих регистров становится одинаковым. Длина регистра адреса памяти равна 16 разрядам.

Адрес местоположения первой команды программы посылается по адресной шине к схемам управления памятью, в результате чего считывается содержимое области с указанным адресом. Этим содержимым, конечно, должна быть команда. Память пересылает эту команду в специальный регистр блока МП, называемый регистром команд.

После извлечения команды из памяти МП автоматически дает приращение содержимому счетчика команд. Это приращение счетчик команд получает как раз в тот момент, когда МП начинает выполнять команду, только что извлеченную из памяти. Следовательно, начиная с этого момента, счетчик команд «указывает», какой будет следующая команда. Счетчик команд содержит адрес следующей выполняемой команды на протяжении всего времени выполнения текущей команды. Об этом важно помнить, потому что, программируя работу микро-ЭВМ , вы можете столкнуться с необходимостью использования текущего значения счетчика команд. При этом необходимо четко сознавать, что в каждый данный момент счетчик команд указывает не текущую выполненную команду, а команду, следующую за ней.

Счетчик команд может быть загружен иным содержимым при выполнении особой группы команд. Может возникнуть необходимость выполнить часть программы, которая «выпадает» из последовательности команд основной или главной программы (например, подпрограммы). После того, как в счетчик команд записан начальный адрес подпрограммы, счетчик получает приращение по мере выполнения команд этой подпрограммы. Так продолжается до тех пор, пока не встретиться команда возврата в главную программу.


Регистр адреса памяти

При каждом обращении к памяти микро-ЭВМ регистр адреса памяти указывает адрес области памяти, которая подлежит использованию МП. Регистр адреса памяти содержит двоичное число – адрес области памяти. Выход этого регистра называется адресной шиной и используется для выбора области памяти или в некоторых случаях для выбора порта ввода-вывода.

В течение подцикла выборки команды из памяти (см. раздел 10.5.) регистры адреса памяти и счетчика команд имеют одинаковое содержимое, т.е. размер адреса памяти указывает местоположение команды, извлекаемой из памяти. После декодирования команды счетчик команд получает приращение. Что же касается регистра адреса памяти, то он приращения не получает.

В течение подцикла выполнения команды содержимое регистра адреса памяти зависит от выполнения команды. Если в соответствии с командой МП должен произвести еще одно обращение к памяти, то регистр адреса памяти подлежит вторичному использованию в процессе обработки этой команды. Для некоторых команд адресация к памяти не требуется. Такова, например, команда очистки аккумулятора. При обработке таких команд регистр адреса памяти используется лишь один раз – в течение подцикла выборки команды из памяти.

В большинстве МП регистры адреса памяти и счетчика команд имеют одинаковое число разрядов. Как и счетчик команд, регистр адреса памяти должен располагать количеством разрядов, достаточным для адресации к любой области памяти микро-ЭВМ. У большинства 8-разрядных микропроцессоров количество разрядов регистра адреса памяти равно 16. Такой регистр можно разделить на два отдельных регистра, каждый из которых имеет независимое подключение к шине данных МП. Один из этих регистров называют регистром старшего байта (СБ), другой – регистром младшего байта (МБ).

Поскольку регистр адреса памяти подключен к внутренней шине данных МП, он может загружаться от различных источников. Большинство МП располагают командами, позволяющими загружать этот регистр содержимым счетчика команд, регистра общего назначения или какой-либо области памяти. Некоторые команды предоставляют возможность изменять содержимое регистра адреса памяти путем выполнения вычислений: новое значение содержимого этого регистра получается путем сложения или вычитания содержимого счетчика команд с числом, указанном в самой команде. Адресация такого типа получила название адресации с использованием смещения.


Регистр команд

Регистр команд предназначен исключительно для хранения текущей выполняемой команды, причем эта функция реализуется МП автоматически с началом цикла выборка-выполнение, называемого также машинным циклом.

Как уже отмечалось, машинный цикл состоит из двух подциклов – выборки и выполнения. За исключением загрузки команды, в период подцикла выборки программист не может по-другому использовать регистр команд. Согласно структурной схеме МП, этот регистр соединен с внутренней шиной данных, однако он только принимает данные – посылать данные на шину он не может.

Несмотря на ограниченность функций, регистр команд играет важную роль в работе МП, поскольку выход этого регистра является частью дешифратора команд.

Вспомним еще раз последовательность реализации цикла выборка-выполнение. Сначала команда извлекается из памяти, затем счетчик команд настраивается на указание следующей команды, подлежащей выполнению. При извлечении команды из соответствующей области памяти копия команды помещается на внутреннюю шину данных и пересылается в регистр команд. После этого начинается подцикл выполнения команды, в течение которого дешифратор команд «читает» содержимое регистра команд, сообщая МП, что делать для реализации операций команды.

Число разрядов регистра команд зависит от типа МП: иногда оно совпадает с числом разряда слова данных, в других случаях меньше.

  1   2   3

Похожие:

Лекция. Внутреннее строение микропроцессора icon§35 Клеточный уровень организации живых систем (урок – лекция)
Цель урока: сформировать у учащихся знание живые организмы на Земле существуют в виде эукариот: показать строение эукариот на примере...
Лекция. Внутреннее строение микропроцессора iconЛекция в 11 классе: «спид глобальная проблема человечества»
Образовательные: изучить на уроке строение вируса иммунодефицита человека, показать его отрицательную роль на здоровье человека,...
Лекция. Внутреннее строение микропроцессора iconУрок биологии на тему: «Пищеварение в ротовой полости»
Строение зуба (сколько зубов у взрослого человека, каково внешнее строение зуба, взаимосвязь строения зуба с выполняемой функцией,...
Лекция. Внутреннее строение микропроцессора iconЛекция: морфологическое строение почвы (4 часа) Изучение любого предмета человек в процессе познания всегда начинает с рассмотрения его морфологии.
«Как медицина начинается с анатомии человека, а зоология и ботаника с анатомии животных и морфологии растений, так и почвоведение...
Лекция. Внутреннее строение микропроцессора iconТекстовые тестовые вопросы Тактовая частота микропроцессора измеряется в ггц
Модуль Основы информационных технологий в системе охораны здоровья. Оброботка и анализ медико-биологических даннях
Лекция. Внутреннее строение микропроцессора iconЛекция ауд. 505м
Макроэкономика (лекция) проф. Холопов А. В. зал №7 4,18. IX; 2,16,30. X; 13,27. XI; 11,25. XII
Лекция. Внутреннее строение микропроцессора iconЛекция №1
Лекция № Общие принципы эффективной организации учебного процесса. Физиологиче­ская цена учебных нагрузок
Лекция. Внутреннее строение микропроцессора iconЛекция 15. Байрон (продолжение). 28 сентября 1971 9 лекция 16. Байрон (окончание). Шелли. 5 октября 1971 16 лекция 14. Байрон. 21 сентября 1971 Байрон. 1788-1824 даты его жизни. Бай­рон это совсем иная ветвь романтизма, нежели «озерная школа»
Наум Берковский. Статьи и лекции по зарубежной литературе. Спб.: Азбука-классика, 2002. – 480 с
Лекция. Внутреннее строение микропроцессора iconЛекция введение 3 лекция компоненты вычислительных сетей 13
Программное обеспечение компьютерных абамухамедова сетей " для студентов по специальности в-5523600"Электрон тижорат"
Лекция. Внутреннее строение микропроцессора iconУрок по русскому языку и информатике и икт
Образовательная: сформировать знания учащихся по темам: «Внутреннее устройство компьютера» и «Лексика ограниченная в употреблении»;...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница