Сделай Сам Свою Работу на 5

Вопрос 4. Структурная схема МП





Микропроцессор. Эволюция микропроцессоров(МП). Основные технические характеристики МП. Классификация МП

Микропроцессором (МП) называют полупроводниковый кристалл или комплект кристаллов, на которых реализуется центральный процессор ЭВМ, т.е. совокупность арифметико-логического устройства и центрального устройства управления.

Назначение МПМ

Микропроцессор на этом модуле представлен сверхбольшой интегральной схемой (рис. 3.1.1.), реализованной в полупроводниковом кристалле с применением сложной микроэлектронной технологии. Степень интеграции определяется размером кристалла и количеством реализованных в нем транзисторов. Часто интегральные микросхемы называют чипами (chips). Данный элемент в большей степени определяет возможности вычислительной системы и, образно выражаясь, является ее сердцем. До настоящего времени безусловным лидером в создании современных микропроцессоров остается фирма Intel.

ЦП. Архитектура.

Рис.3.1.1.

К обязательным компонентам микропроцессора (рис.3.1.1) относятся следующие устройства:

q Устройство управления (УУ),

q Арифметико-логическое устройство (АЛУ),



q Регистры процессорной памяти.

· УУ управляет работой всех устройств компьютера по заданной программе. (Функцию устройства управления можно сравнить с работой дирижера, управляющего оркестром. Своеобразной «партитурой» для УУ является программа.)

AЛУ вычислительный инструмент процессора, это устройство выполняет арифметические и логические операции по командам программы.

· Регистры– это внутренняя память процессора. Каждый из регистров служит своего рода черновиком, используя который процессор выполняет расчеты и сохраняет промежуточные результаты. У каждого регистра есть определенное назначение. В регистр – счетчик команд (СчК) помещается адрес той ячейки памяти ЭВМ, в которой хранится очередная исполняемая команда программы. В регистр команд (РК) помещается эта команда на время ее исполнения. Есть регистры, в которые помещаются исходные данные и результаты выполнения команды. Полученный результат может быть переписан из регистра в ячейку ОЗУ.

· Архитектура микропроцессора определяет необходимые регистры, стеки, систему адресации, а также типы обрабатываемых процессором данных. Обычно используются следующие типы данных: бит (один разряд), полубайт, или nibble (4 бита), байт (8 бит), слово (16 бит), двойное слово (32 бита).



· Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, памятью и портами ввода-вывода).

· Под конвейерным режимом понимают такой вид обработки, при которой интервал времени, требуемый для выполнения процесса в функциональном узле (например, в арифметико-логическом устройстве) микропроцессора, продолжительнее, чем интервалы, через которые данные могут вводиться в этот узел. Предполагается, что функциональный узел выполняет процесс в несколько этапов, то есть когда первый этап завершается, результаты передаются на второй этап, на котором используются другие аппаратные средства. Разумеется, что устройство, используемое на первом этапе, оказывается свободным для начала новой обработки данных. Как известно, можно выделить четыре этапа обработки команды микропроцессора: выборка, декодирование, выполнение и запись результата. Иными словами, в ряде случаев пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, а третья выбираться.

С внешними устройствамимикропроцессорможет "общаться " благодаря шинам адреса, данных и управления, выведенным на специальные контакты корпуса микросхемы. Стоит отметить, что разрядность внутренних регистров микропроцессора может не совпадать с количеством внешних выводов для линий данных. Иначе говоря, микропроцессор с 32-разрядными регистрами может иметь, например, только 16 внешних линий данных. Объем физически адресуемой микропроцессором памяти однозначно определяется разрядностью внешней шины адреса как 2 в степени N, где N – количество адресных линий.



Развитие МП шло по разным направлениям, важнейшим из которых -увеличение разрядности. Подавляющее большинство МП производимых в настоящее являются однокристальными 32-разрядными, за исключением ряда 64-разрядных комплектов.

МП характеризуется :

· тактовой частотой;

· разрядностью;

· архитектурой.

Тактовая частота МП (более строго -тактовая частота, при которой способен работать МП) определяется максимальным временем выполнения элементарного действия в МП. Работа МП синхронизируется импульсами тактовой частоты от задающего генератора. Чем выше тактовая частота МП (при прочих равных условиях), тем выше его быстродействие.

Разрядностью МП называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно. Понятие разрядность включает:

· разрядность внутренних регистров МП;

· разрядность шины данных;

· разрядность шины адреса.

От разрядности шины данных зависит скорость передачи информации между МП и другими устройствами. Разрядность щины адреса определяет адресное пространство МП.

Архитектура МП является емким понятием, имеющим при этом неоднозначное толкование. Архитектурой часто называют организацию МП с точки зрения пользователя.

Можно ограничить рассмотрение архитектуры МП следующими элементами:

· системой команд и способами адресации;

· возможностью совмещения выполнения команд во времени;

· наличие дополнительных устройств и узлов в составе МП;

· режимами работы МП.

Система команд представляет собой совокупность команд, которую способен выполнить МП. Она включает полный спмсок кодов операций, для каждой из которых указывается число операндов и допустимые способы их адресации. Способы адресации определяют технику вычисления адресов ячеек памяти и выполнения операций над адресными регистрами.

В соответствии с составом системы команд различают:

1. МП с CISC-архитектурой (CISC-complex instruction set computer-компьютер со сложной системой команд).

2. МП с RISC-архитектурой (RISC-reduced instruction set computer-компьютер с сокращенной системой команд).

МП с CISC-архитектурой являются традиционными, а их система команд включает большое количество команд для выполнения арифметических и логических операций, rкоманд управления, пересылки и ввода-вывода данных.

Система команд МП с RISC-архитектурой упрощена и сокращена до такой степени, что каждая команда выполняется за единственный такт. Такой подход упростить структуру МП и тем самым повысить его быстродействие.

Некоторые наиболее развитые МП обеспечивают совмещение нескольких последовательно расположенных команд во времени, организуя конвейрную обработку. Эта архитектурная особенность оказывает заметное влияние на скорость выполнения линейных участков программ.

МП поддерживает широкий спектр режимов работы, среди которых:

1. Однопрограммный режим.

2. Многопрограммный режим.

3. Система виртуальных машин.

В однопрограммном режиме в каждый момент времени может находиться в ОЗУ и выполняться только одна пользовательская программа.

В многопрограммный режиме обеспечивается хранение в ОЗУ несколько программ и попеременное их выполнение с той или иной дисциплиной обслуживания, что целесообразно главным образом при возможности совмещения во времени счета в МП и операций ввода-вывода. На основе многопрограммного режима работы МП могут быть организованы однопользовательский многопрограммный, а при наличии соответствующих аппаратных средств - и многопользовательский многопрограммный режим работы ПК. Система виртуальных машин является дальнейшим развитием мультипрограммирования, основной признак которого - возможность одновременной работы нескольких ОС.

Вопрос 4. Структурная схема МП

Общая структура гипотетического иллюстративного микропроцессора редставлена на рис. 2

МП выполнен на одном кристалле кремния в виде одной интегральной схемы, в которой реализоаны все основные функции процессора.

Входящие в его состав компоненты говорят о том, что он является процессором с программным управлением. Некоторые компоненты, программный счетчик (счетчик команд СК), стек (на схеме не указан), регистр команд (РК), служат для обработки команд. Такие компоненты арифметико-логическое устройство (АЛУ), триггер переноса (на схеме не указан), регистры общего назначения (РОН) и регистр адреса данных (РА), служат для обработки данных. Все остальные компоненты, а именно дешифратор команд (дешифратор кода операции ДКОп) и блок управления и синхронизации (БУ), управляют работой других компонентов. Взаимодействие компонентов осуществляется по внутренней шине данных. Связь МП с другими блоками (ЗУ и устройствами ввода/вывода) происходит по адресной щине, шине данных (внешней) и управляющей шине.

Рисунок 2. Структурная схема гипотетического иллюстративного микропроцессора

МП работает со словами, состоящими из 8 битов (1 байт). Адрес из 8 бит позволяет адресовать ячеек памяти. Для реальных задач этого, конечно, мало, поэтому для задания адреса памяти обычно используется 16 разрядов (два байта), и это позволяет прямо адресовать ячеек. Адресная шина однонаправленная, 16-ти разрядная.

Информация к МП и от него передается по шине данных. Шина данных двунаправленная, 8-ми разрядная. Управляющая шина состоит из 5 линий, ведущих к блоку управления и синхронизации, и 8 выходящих из него линий. По этим линиям передаются управляющие и тактирующие сигналы между компонентами МП и МП и другими блоками ПК.

Счетчик команд (СК) состоит из 16 битов и содержит адрес очередного байта команды, считываемого из памяти. Содержимое СК автоматически увеличивается на единицу после чтения каждого байта команды. Существует связь между СК и вершиной стека. Одна из функций стека-сохранение адреса возврата из подпрограммы. В стеке могут сохраняться данные из верхних трех регистров РОН и триггера переноса.

В то время как слово данных состоит из одного байта, команда может состоять из одного, двух и трех байтов. Первый байт любой команды поступает из ОЗУ по шине данных на регистр команд (РК). Этот первый байт подается на вход дешифратора команд (ДКОп-дешифратор кода операции), который определяет вид операции. В частности, дешифратор определяет является ли команда однобайтовой, или она состоит из большего числа байтов. В последнем случае дополнительные байты передаютяс по шинам данных из ОЗУ и принимаются или на регистр адреса данных, или на один из регистров РОН

Регистр адреса данных содержит адрес операнда для команд, обращающихся к памяти, адрес порта для команд ввода/вывода.или адрес следующей команды для команд перехода. Регистры РОН (регистры общего назначения) cодержат операнды для всех команд, работающие с данными. Для указания этих регистров используются 4-битовые коды от 0000 до 1110. Регистр 0000 называетяс аккумулятором (АК) и участвует во всех арифметических и логических операциях. В частности, он содержит один из операндов перед выполнением операции и получает результат после ее завершения. Обычно обращение к РОН осуществляется при помощи R-селектора.

Все арифметические и логические операции выполняются в АЛУ. Результаты из АЛУ передаютяс в аккумулятор по выходной 8-ми битовой шине.

Последний компонент МП - это блок управления и синхронизации. Он получает сигналы от дешифратора команд, который анализирует команду. В БУ из АЛУ и от триггера переноса поступают сигналы, по которым определяются условия для передачи управления. Все остальные компоненты МП получают от БУ управляющие и синхронизирующие сигналы, необходимые для выполнения команды. С помощью 13 внешних линий реализуется интерфейс устройства управления с другими модулями ПК.

Рисунок 3.

· Указатель стека (УС) представляет собой 16-разрядный регистр, служащий для формирования адреса стековой памяти.

· Регистр признаков (РП) используется для фиксации определенных ситуаций, возникающих в результате выполнения операции. Код ситуации называется признаком результата. Признак может принимать значение 0 или 1. Отметим некоторые из возможных признаков.

Признак переноса указывает на необходимость переноса единицы при сложении двух восьмиразрядных чисел в младший значащий разряд следующего байта. Признак нуля фиксирует появление нулевого результата операции, признак знака-знак результата операции. Эти и другие признаки используются для изменения хода обработки информации.

Буфер данных (БД) служит для организации обмена информацией между внутренней и внешней шинами данных.

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.