Арифметические команды
В наборе команд имеются следующие арифметические операции: сложение, сложение с учетом флага переноса, вычитание с заемом, инкременирование, декременирование, сравнение, десятичная коррекция, умножение и деление.
В АЛУ производятся действия над целыми числами без знака. В двухоперандных операциях: сложение (ADD), сложение с переносом (ADDC) и вычитание с заемом (SUBB) аккумулятор является первым операндом и принимает результат операции. Вторым операндом может быть рабочий регистр выбранного банка рабочих регистров, регистр внутренней памяти данных с косвенно-регистровой и прямой адресацией или байт непосредственных данных. Указанные операции влияют на флаги: пеполнения, переноса, промежуточного переноса и флаг четности в слове состояния процессора (PSW).
Использование разряда переноса позволяет многократно повысить точность при операциях сложения (ADDC) и вычитания (SUBB).
Выполнение операций сложения и вычитания с учетом знака может быть осуществлено с помощью программного управления флагом переполнения (OV) регистра PSW. Флаг промежуточного переноса (АС) обеспечивает выполнение арифметических операций в двоично-десятичном коде.
Операции инкременирования и декременирования на флаги не влияют.
Операции сравнения не влияют ни на операнд назначения, ни на операнд источника, но они влияют на флаги переноса.
Существуют три арифметические операции, которые выполняются только на аккумуляторе: две команды проверки содержимого аккумулятора А (JZ, JNZ), и команда десятичной коррекции при сложении двоично-десятичных кодов.
При операции умножения содержимое аккумулятора А умножается на содержимое регистра В и результат размещается следующим образом: младший байт в регистре В, старший - в регистре А.
В случае выполнения операции деления целое от деления помещается в аккумулятор А, остаток от деления - в регистр В.
Работа стековой памтью
Программы на языке Ассемблер, также как и на других языках программирования, используют команды вызова подпрограмм и возврата из подпрограмм, это команды: Call и Ret. Команда Call, также как и любая другая команда ветвления, в качестве операнда использует адрес или метку точки перехода. Команда Call вызывает выполнение последовательно двух действий: 1. Содержимое программного счетчика, равное адресу ячейки памяти ПЗУ с командой, которая будет выполняться на последующем шаге, запоминается в стековой памяти, чтобы использовать ее при возврате из подпрограммы. 2. В регистр «программный счетчик» загружается операнд команды Call, равный численному адресу первой команды вызываемой подпрограммы. При возврате из подпрограммы по команде Ret происходит только одно действие: в программный счетчик загружается число из стековой памяти, которое было ранее туда загружено по команде Call. Соответственно после команды Ret будет выполняться команда, следующая в программе за командой Call. Если в подпрограмме происходит обращение к другой подпрограмме (вложенные подпрограммы), то сохранение точек возврата происходит аналогичным образом. Под стековой памятью мы понимаем область ОЗУ или Data со старшими адресами. Если рассматривать ОЗУ как набор ячеек, где ячейки с младшими адресами расположены наверху, а со старшими – внизу, то при включении данных в стек (стопка бумаг) эти данные как бы кладутся сверху ранее занятых ячеек стека, а при извлечении данных из стека, они берутся из верхних ячеек стековой памяти. Контролирует стековую память специальный регистр SP (Stack-Pointer), который содержит адрес ячейки памяти соответствующей верхушке стека. Этот регистр автоматически изменяет свое содержимое на два (увеличивает или уменьшает) при выполнении команд обращения к стековой памяти (Push, Pop, Call, Ret).
ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПАМЯТИ
|
||
Иерархическая структура памяти является традиционным решением проблемы хранения больших объемов данных (рис. 2.15). На самом верху иерархии находятся регистры процессора. Доступ к регистрам осуществляется быстрее всего. Дальше идет кэш-память, объем которой сейчас составляет от 32 Кбайт до нескольких мегабайтов. Затем следует основная память, которая в настоящее время может вмещать от 16 Мбайт до десятков гигабайтов. Затем идут магнитные диски и, наконец, накопители на магнитной ленте и оптические диски, которые используются для хранения архивов.
Рис. 2.15. Пятиуровневая организация памяти По мере продвижения сверху вниз по иерархии меняются три параметра. Во-первых, увеличивается время доступа. Доступ к регистрам занимает несколько наносекунд, доступ к кэш-памяти - немного больше, доступ к основной памяти - несколько десятков наносекунд. Дальше идет большой разрыв: доступ к дискам занимает по крайней мере 10 мкс, а время доступа к магнитным лентам и оптическим дискам вообще может измеряться в секундах (поскольку эти накопители информации еще нужно поместить в соответствующее устройство). Во-вторых, растет объем памяти. Регистры могут содержать в лучшем случае 128 байт, кэш-память - несколько мегабайтов, основная память - десятки тысяч мегабайтов, магнитные диски - от нескольких единиц до нескольких десятков гигабайтов. Магнитные ленты и оптические диски хранятся автономно от компьютера, поэтому их совокупный объем ограничивается только финансовыми возможностями владельца. В третьих, увеличивается количество битов, которое вы получаете за 1 доллар. Стоимость объема основной памяти составляет несколько долларов за мегабайт1, Заметим, что удельная стоимость памяти постоянно снижается, в то время как ее объем - растет. Закон Мура применим и здесь. Сегодня один мегабайт оперативной памяти стоит около 10 центов. - Примеч. научн. ред. магнитных дисков - несколько центов за мегабайт, а магнитной ленты - несколько долларов за гигабайт или еще дешевле. Регистры, кэш-память и основную память мы уже рассмотрели. В следующих разделах мы расскажем о магнитных дисках, а затем приступим к изучению оптических дисков. Накопители на магнитных лентах мы рассматривать не будем, поскольку используются они редко; к тому же о них практически нечего сказать. Магнитный диск состоит из одной или нескольких алюминиевых поверхностей , покрытых магнитным слоем. Изначально их диаметр составлял 50 см, сейчас - от 3 до 12 см, у портативных компьютеров - меньше 3 см, причем это значение продолжает уменьшаться. Головка диска, содержащая индукционную катушку, двигается над поверхностью диска, опираясь на воздушную подушку. Отметим, что у дискет головка касается поверхности. Когда через головку проходит положительный или отрицательный ток, он намагничивает поверхность под головкой. При этом магнитные частицы намагничиваются направо или налево в зависимости от полярности тока. Когда головка проходит над намагниченной областью, в ней (в головке) возникает положительный или отрицательный ток, что дает возможность считывать записанные ранее биты. Поскольку диск вращается под головкой, поток битов может записываться, а потом считываться. |
Статическая и динамическая оперативная память
Оперативная память — совокупность специальных электронных ячеек, каждая из которых может хранить конкретную 8-значную комбинацию из нулей и единиц — 1 байт (8 бит). Каждая такая ячейка имеет адрес (адрес байта) и содержимое (значение байта). Адрес нужен для обращения к содержимому ячейки, для записи и считывания информации. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) хранит информацию только во время работы компьютера. Емкость оперативной памяти современного компьютера 32-138 Мбайт. При выполнении микропроцессором вычислительных операций должен быть в любой момент обеспечен доступ к любой ячейке оперативной памяти. Поэтому ее называют памятью с произвольной выборкой — RAM (Random Access Memory). Оперативная память выполнена обычно на микросхемах динамического типа с произвольной выборкой (Dynamic Random Access Memory, DRAM). Каждый бит такой памяти представляется в виде наличия (или отсутствия) заряда на конденсаторе, образованном в структуре полупроводникового кристалла. Другой, более дорогой тип памяти — статический (Static RAM, SRAM) в качестве элементарной ячейки использует так называемый статический триггер (схема которого состоит из нескольких транзисторов). Статический тип памяти обладает более высоким быстродействием и используется, например, для организации кэш-памяти. Статическая память Статическая память (SRAM) в современных ПК обычно применяется в качестве кэш-памяти второго уровня для кэширования основного объема ОЗУ. Статическая память выполняется обычно на основе ТТЛ-, КМОП- или БиКМОП-микросхем и по способу доступа к данным может быть как асинхронной, так и синхронной. Асинхронным называется доступ к данным, который можно осуществлять в произвольный момент времени. Асинхронная SRAM применялась на материнских платах для третьего — пятого поколения процессоров. Время доступа к ячейкам такой памяти составляло от 15 нс (33 МГц) до 8 нс (66 МГц). Для описания характеристик быстродействия оперативной памяти применяются так называемые циклы чтения/записи. Дело в том, что при обращении к памяти на считывание или запись первого машинного слова расходуется больше тактов, чем на обращение к трем последующим словам. Так, для асинхронной SRAM чтение одного слова выполняется за 3 такта, запись — за 4 такта, чтение нескольких слов определяется последовательностью 3—2—2—2 такта, а запись — 4—3—3—3. Синхронная память обеспечивает доступ к данным не в произвольные моменты времени, а синхронно с тактовыми импульсами. В промежутках между ними память может готовить для доступа следующую порцию данных. В большинстве материнских плат пятого поколения используется разновидность синхронной памяти — синхронно-конвейерная SRAM (Pipelined Burst SRAM), для которой типичное время одиночной операции чтения/записи составляет 3 такта, а групповая операция занимает 3—1—1—1 такта при первом обращении и 1—1—1—1 при последующих обращениях, что обеспечивает ускорение доступа более, чем на 25%. Динамическая память Динамическая память (DRAM) в современных ПК используется обычно в качестве оперативной памяти общего назначения, а также как память для видеоадаптера. Из применяемых в современных и перспективных ПК типов динамической памяти наиболее известны DRAM и FPM DRAM, EDO DRAM и BEDO DRAM, EDRAM и CDRAM, Synchronous DRAM, DDR SDRAM и SLDRAM, видеопамять MDRAM, VRAM, WRAM и SGRAM, RDRAM. В памяти динамического типа биты представляются в виде отсутствия и наличия заряда на конденсаторе в структуре полупроводникового кристалла. Конструктивно она выполняется в виде модуля SIMM (Single in line memory module). Каждый бит информации записывается в отдельной ячейке памяти, состоящей из конденсатора и транзистора. Наличие заряда на конденсаторе соответствует 1 в двоичном коде, отсутствие — 0. Транзистор при переключении дает возможность считывать бит информации или записывать новый бит в пустую ячейку памяти. Поиск ячейки по адресу осуществляется специальными дешифрующими схемами, которые образуют матрицу, то есть пересекают кристалл памяти двумя полосами — по горизонтали и вертикали. Когда центральный процессор сообщает адрес ячейки, горизонтальные дешифраторы указывают нужный столбец, а вертикальные — строку. На пересечении находится искомая ячейка. После нахождения ячейки происходит выборка их нее байта данных.
МИКРОСХЕМЫ ПАМЯТИ
|
||
Преимущество памяти, изображенной на рис. 3.28, состоит в том, что подобная структура применима при разработке памяти большого объема. На рисунке показана схема 4x3 (для четырех слов по 3 бита каждое). Чтобы расширить ее до размеров 4x8, нужно добавить еще 5 колонок триггеров по 4 триггера в каждой, а также 5 входных и 5 выходных линий. Чтобы перейти от схемы 4 х 3 к схеме 8x3, требуется добавить еще четыре ряда триггеров по три триггера в каждом, а также адресную линию А2. При такой структуре число слов в памяти должно быть степенью двойки для максимальной эффективности, а число битов в слове может быть любым. Технология изготовления интегральных схем идеально соответствует регулярной структуре микросхем памяти. С развитием технологии число битов, которое можно вместить в одной микросхеме, постоянно растет, обычно в два раза каждые 18 месяцев (закон Мура). С появлением больших микросхем маленькие микросхемы не всегда сразу устаревают, поскольку всегда существует компромисс между емкостью, быстродействием, мощностью, ценой и удобством сопряжения. Обычно самые большие современные микросхемы пользуются огромным спросом и, следовательно, стоят гораздо дороже в расчете за 1 бит, чем микросхемы небольшого размера. При любом объеме памяти существуют несколько вариантов организации микросхемы. На рис. 3.30 показаны две возможные структуры микросхемы емкостью 4 Мбит: 512 К х 8 и 4096 К х 1 (размеры микросхем памяти обычно даются в битах, а не в байтах, поэтому здесь мы будем придерживаться этого соглашения). На рис. 3.30, а можно видеть 19 адресных линий для обращения к одному из 219 байт и 8 линий данных для загрузки или хранения выбранного байта.
Рис. 3.30. Два способа организации памяти объемом 4 Мбит Сделаем небольшое замечание по поводу терминологии. На одних выводах высокое напряжение вызывает какое-либо действие, на других остается низкое напряжение. Чтобы избежать путаницы, мы будем употреблять термин установить сигнал, когда вызывается какое-то действие, вместо того, чтобы говорить, что напряжение повышается или понижается. Таким образом, для одних выводов установка сигнала означает установку единицы, для других - установку нуля. Названия выводов, которые устанавливаются в 0, содержат сверху черту. То есть сигнал CS - это единица, сигнал CS - ноль. Противоположный термин - сбросить. А теперь вернемся к нашей микросхеме. Поскольку обычно компьютер содержит много микросхем памяти, нужен сигнал для выбора необходимой микросхемы, такой, чтобы нужная нам микросхема реагировала на вызов, а остальные нет. Сигнал CS (Chip Select - выбор элемента памяти) используется именно для этой цели. Он устанавливается, чтобы запустить микросхему. Кроме того, нужен способ, чтобы отличать считывания от записи. Сигнал WE (Write Enable - разрешение записи) указывает на то, что данные должны записываться, а не считы-ваться. Наконец, сигнал ОЕ (Output Enable - разрешение вывода) устанавливается для выдачи выходных сигналов. Когда этого сигнала нет, выход отсоединяется от остальной части схемы. На рис. 3.30, б используется другая схема адресации. Микросхема представляет собой матрицу размером 2048 х 2048 однобитовых ячеек, что составляет 4 Мбит. Чтобы обратиться к микросхеме, сначала нужно выбрать строку. Для этого 11-разрядный номер этой строки подается на адресные выводы. Затем устанавливается сигнал RAS (Row Address Strobe - строб адреса строки). После этого на адресные выводы подается номер столбца и устанавливается сигнал CAS (Column Address Strobe - строб адреса столбца). Микросхема реагирует на сигнал, принимая или выдавая 1 бит данных. Большие микросхемы памяти часто производятся в виде матриц размером m х п, обращение к которым происходит по строкам и столбцам. Такая организация памяти сокращает число необходимых выводов, но, с другой стороны, замедляет обращение к микросхеме, поскольку требуется два цикла адресации: один для строки, другой для столбца. Чтобы ускорить этот процесс, в некоторых микросхемах можно вызывать адрес строки, а затем несколько адресов столбцов для доступа к последовательным битам строки. Много лет назад самые большие микросхемы памяти обычно были устроены так, как показано на рис. 3.30, б. Поскольку размер слов увеличился от 8 до 32 бит и выше, использовать подобные микросхемы стало неудобно. Чтобы из микросхем 4096 К х 1 построить память с 32-разрядными словами, требуется 32 микросхемы, работающие параллельно. Эти 32 микросхемы имеют общий объем по крайней мере 16 Мбайт. Если использовать микросхемы 512 К х 8, то потребуется всего 4 микросхемы, но при этом объем памяти составит 2 Мбайт. Чтобы не возиться с 32 микросхемами, большинство производителей выпускают семейства микросхем с длиной слов 1, 4, 8 и 16 бит. Ситуация с 64-разрядными словами, естественно, еще хуже. Примеры современных микросхем объемом 512 Мбит показаны на рис. 3.31. В каждой такой микросхеме содержится четыре внутренних банка памяти по 128 Мбит; соответственно, для определения банка требуются две линии выбора банка. На микросхеме 32 M х 16, показанной на рис. 3.31, я, 13 линий выделено для сигналов RAS, 10 - для сигналов CAS и 2 линии - для выбора банка. Взятые в целом, 25 сигналов обеспечивают возможность адресации 225 внутренних 16-разрядных ячеек. На микросхеме 128 M х 4, изображенной на рис. 3.31, б, для сигналов RAS выделено 13 линий, для CAS - 12 линий, для выбора банка - 2 линии. Таким образом, 27 сигналов делают возможной адресацию любой из 227 внутренних 4-разрядных ячеек. Количество строк и столбцов в микросхемах определяется на основании инженерных факторов. Матрица не обязательно должна быть квадратной. Эти примеры наглядно демонстрируют значимость двух не связанных друг с другом проблем в процессе конструирования микросхем памяти. Первая из них касается ширины выхода (в битах) - иначе говоря, количества битов (1, 4, 8, 16 и пр.) в выходном сигнале. Вторая проблема заключается в способе представления битов адреса; здесь есть два варианта: во-первых, биты адресов могут быть представлены одновременно на разных выводах, во-вторых, может быть последовательное представление строк и столбцов - так, как показано на рис. 3.31. Прежде чем приступать к проектированию микросхемы, специалист должен определиться с решением обеих этих проблем.
Рис. 3.31. Два способа организации микросхемы памяти объемом 512 Мбит |
Mультипле́ксор — устройство, имеющее несколько сигнальных входов, один или более управляющих входов и один выход. Мультиплексор позволяет передавать сигнал с одного из входов на выход; при этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов.
Аналоговые и цифровые[1][2] мультиплексоры значительно различаются по принципу работы. Первые электрически соединяют выбранный вход с выходом (при этомсопротивление между ними невелико — порядка единиц/десятков ом). Вторые же не образуют прямого электрического соединения между выбранным входом и выходом, а лишь «копируют» на выход логический уровень ('0' или '1') с выбранного входа. Аналоговые мультиплексоры иногда называют ключами[3] или коммутаторами.
Устройство, противоположное мультиплексору по своей функции, называется демультиплексором. В случае применения аналоговых мультиплексоров (с применением ключей на полевых транзисторах) не существует различия между мультиплексором и демультиплексором; такие устройства могут называться коммутаторами.