7.6. Операционное устройство мп.
Функционально операционное устройство представляет собой АЛУ, выполняющее арифметические и логические операции над операндами, находящимися в регистрах МП. Результат операции засылается также в некоторый регистр МП.
В процессе выполнения операций АЛУ взаимодействует с регистрами МП. При этом нередко один и тот же регистр бывает как источником, так и приёмником информации.
Для реализации такой возможности необходимо осуществлять временное запоминание информации в отдельных регистрах. Здесь возможны два варианта:
Временное запоминание операндов. Соответствующая схема включения АЛУ в контур с регистрами МП имеет вид:
РгА
РгВ
РгП
РгАк
Рг1
РгN
АЛУ
Вход
Выход
В схеме имеются регистр признака
результата (РгП), аккумулятор (РгАк),
регистры временного хранения операндов
РгА и РгВ и N регистров,
которые могут использоваться произвольным
образом.
Содержимое регистра признаков используется для организации переходов внутри программы в соответствии с заданными условиями.
Аккумулятор (накопительный регистр) предназначен для хранения одного из слов, над которыми выполняется операция, и промежуточных результатов.
Казалось бы, что регистры А и В лишние. Однако предположим, что выполняется операция сложения двух чисел, находящихся в j-ом и i-ом регистрах, с засылкой результата в j-й регистр.
Эта операция требует сначала пересылки содержимого регистров j и i в регистры А и В, соответственно, а затем загрузки результата, сформированного АЛУ, в Ргj.
Отсутствие РгА приведёт к возникновению "порочной петли", так как изменения состояний Ргj влекут за собой новые изменения результата, а значит и новые изменения состояний Ргj.
Временное хранение результата. Схема включения АЛУ отличается от только что рассмотренной лишь тем, что регистр временного хранения включается на выходе АЛУ:
РгА
РгП
РгАк
Рг1
РгN
АЛУ
Вход
Выход
7.7. Обобщённая структурная схема мп.
С
Блок системной
магистрали
Внутренняя
магистраль
Шина Шина Шина адреса
данных управления
Операционный блок
Блок управления
Блок регистров
Интерфейс- ный блок
Адресный блок
Шиной называется часть линий (электрических цепей), сгруппированных по функцио- нальному назначению.
Выделяют следующие магистральные шины: шины адреса, данных и управления.
Операционный блок производит приём из внешней среды операндов, их хранение и преобразование, а также выдачу результата во внешнюю среду.
В простейшем случае операционный блок содержит АЛУ и ряд специальных регистров: аккумулятор, регистры временного хранения операндов и регистр признаков (флагов).
В более сложных МП операционный блок может включать аппаратный умножитель, сдвигатель и прочие схемы для аппаратной поддержки команд деления, операций с плавающей запятой и т.д.
Основной функцией блока управления является приём команд, их декодирование и формирование сигналов управления другими блоками МП.
Управление операционным блоком может осуществляться на уровне микрокоманд, а остальными блоками – посредством сигналов тактирования и синхронизации.
Важнейшей функцией блока управления является обработка прерываний.
Блок управления содержит регистры и счётчики, предназначенные для временного хранения управляющей информации: регистры, хранящие информацию о состоянии МП, регистр-счётчик адреса команды -–счётчик команд, счётчики тактов, регистр запросов прерывания и др.
Адресный блок определяет способы адресации и объём адресуемой памяти.
Многообразие способов адресации обусловлено невозможностью прямого указания адресов операндов при достаточно большом объёме памяти (1 Мбайт и более).
Так, для задания каждого адреса в коде команды потребовалось бы более 20 разрядов.
Кроме того, различные методы формирования адресов обеспечивают удобство при работе с процедурами последовательной выборки данных из таблиц и массивов, а также с алгоритмами, требующими вычисления адресов.
Для реализации различных методов адресации в адресном блоке используется ряд регистров: индексные, базы, смещения, сегментные и др.
Над содержимым этих регистров могут выполняться операции инкремента (увеличение на 1), декремента (уменьшение на 1), сложения, сравнения и некоторые другие.
Шина адреса блока используется для адресации внешней памяти и внешних устройств.
Блок регистров является внутренней памятью МП небольшой ёмкости, но, по сравнению с внешней оперативной памятью, более высокого быстродействия.
Регистры этого блока являются многофункциональными и могут использоваться в качестве накопительных, индексных, указателей стека, как буферные для хранения обрабатываемой информации, для автоинкрементной и автодекрементной адресации.
Поэтому блок регистров называется регистрами общего назначения (РОН).
РОН программно доступны, т.е. их адреса явно указываются в кодах команд.
Блок системной магистрали связывает внутреннюю магистраль с внешней шиной данных, управляет буферами данных или усилителями приёма и выдачи информации на совмещённые выводы адресов и данных.
По шине данных передаются числа и команды, с которыми работает МП.
Интерфейсный блок объединяет управляющие сигналы и осуществляет управление обменом информацией между МП и устройствами, расположенными на системной магистрали.
Кроме того, этот блок осуществляет арбитраж при операциях прямого доступа в память, а также приём и предварительную обработку запросов на прерывание.
Рассмотренная совокупность блоков может размещаться на одном кристалле СБИС – тогда говорят об однокристальных МП. Эти приборы в наибольшей мере воплощают достоинства МП, используют самые современные технологии и архитектуру, обеспечивают чрезвычайно широкие функциональные возможности и высокое быстродействие.
Однако если требования задачи хотя бы незначительно превосходят их возможности, эффективность применения однокристальных МП резко снижается.
Отдельные блоки МП могут быть размещены на разных БИС, что соответствует секционным МП, на основе которых строятся специализированные вычислители.