Модель процессора.

(Молчанов Н.Н.МГУ, мех-мат.+Логисим+Лилов И.П. )

Мы не будем рассматривать этот вопрос в смысле технологии изготовления микросхем. Гораздо важнее понять, каким способом можно из сравнительно простых логических узлов построить схему, которая будет не просто выполнять какую-то отдельно взятую функцию как, например, комбинационная схема, а может быть инициатором и координатором сложнейших информационных процессов, происходящих внутри компьютера.

Что такое процессор? Процессор – это прибор позволяющий выполнять бесконечную последовательность арифметических и логических операций над данными, и изменять эту последовательность в зависимости от результатов предыдущих операций или внешних условий.

Работа процессора состоит из двух основных составляющих – собственно выполнения арифметических и логических операций над данными, и организации последовательности их выполнения.

Какие действия должен уметь выполнять процессор. В компьютерах, построенных на принципах фон Неймана, процессор должен уметь следующее:

1. Считывать команды и данные из оперативной памяти (и других устройств).

2. Выполнять арифметические и логические операции над данными.

3. Последовательно выполнять команды по обработке данных.

4. Изменять последовательность выполнения команд в зависимости от результатов вычислений.

Простейший «процессор»

Рассмотрим схему простейшего процессора (управляющего устройства):

Сосотавные части.

1. Постоянная память, в которой записана какая-то информация. Это ПЗУ хранит 4096 16-разрядных слов.

2. Регистр 8-разрядный (расположен левее, Di0-Di7)

3. Мультиплексор. Управление S0-S2, выход D.

(под полную запись )

Если включить это устройство, установив логический ноль на входы, обозначенные как «выбор программы» и подать импульс сброса, то через короткое время из постоянной памяти будет считано 16-разрядное слово, записанное по нулевому адресу. Допустим, что в этом слове записано значение 0000000000000001.

Это означает, что на всех выходах ( D10-D15, это старшие разряды 0000000 000000001. ) «управление исполнительными устройствами» будет состояние логического нуля.

На адресных входах (D7-D9) мультиплексора тоже будет логический ноль, а следовательно, будет выбран нулевой вход мультиплексора, на котором всегда установлен ноль. И только на самом младшем входном разряде регистра (Di0 ) будет установлена логическая единица. 

Разряды данных	D15	D 14	D 13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	D 0
Значение	управление внешними устройствами						выбор условия			адрес следующей команды

Если теперь поступит одиночный тактовый импульс, то в регистр запишется значение 00000001, и через короткое время на выходе памяти появится содержимое другого слова данных.

Если это слово в младших разрядах содержит 0000010, то произойдет переход на следующий адрес. Таким образом, это устройство может последовательно, слово за словом, извлекать данные из постоянной памяти и интерпретировать их некоторым образом.

Теперь допустим, что в этом слове записано 000000 111 0000010. Соответственно, после его считывания на управляющих выходах по-прежнему будет 0, а мультиплексор выберет седьмой вход и передаст его на вход Di7 регистра.

На остальных входах регистра будет значение 0000010. Какое значение будет на седьмом входе мультиплексора, и что он передаст на старший разряд регистра, мы не знаем. Поэтому с приходом следующего тактового импульса в регистр будет записано либо 1000010, если на седьмом входе мультиплексора логическая единица, и 00000010, если на этом входе ноль. Таким образом, очередное слово может извлекаться из памяти не только раз и навсегда заданным способом, но и в зависимости от внешних условий.

Шесть старших разрядов данных, хранящихся в постоянной памяти можно использовать для управления какими-нибудь внешними механизмами, а входы мультиплексора для анализа состояния каких либо датчиков. Последовательностей управляющих слов может быть несколько разных, если использовать входы «выбор программы». 

Таким образом, это устройство обладает одной из основных функций процессора – оно может выполнять последовательность заданных команд, и изменять последовательность их выполнения в зависимости от внешних условий. Тогда формат команды нашего процессора будет следующим:

Разряды данных	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
Значение	управление внешними устройствами						выбор условия			адрес следующей команды

ПРОГРАММИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОРА.

Пример. К каждому управляющему выходу подключим елочную гирлянду. Тогда программа, которая будет по очереди зажигать эти гирлянды по одной, будет выглядеть вот так:

	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
Адрес в памяти	управление внешними устройствами						выбор условия			адрес следующей команды
0000000000000000	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1
0000000000000001	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0
0000000000000010	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	1
0000000000000011	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0
0000000000000100	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	1
0000000000000101	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

Этому устройству можно придумать и более полезные применения..

Везде, где требуются управление какими-либо механизмами и не требуются арифметические вычисления, можно применить такое устройство.

Итак, что может, и чего не может это устройство? Это устройство может формировать управляющие последовательности выходных сигналов в зависимости от состояния входных. Поскольку число элементов схемы невелико, оно может делать это с очень высокой скоростью, выше, чем это делал бы любой микропроцессор или микроконтроллер на основе микропроцессора. Но в то же время, это устройство не обладает другим основным свойством процессора - оно не может выполнять арифметические и логические операции над какими-либо данными и не может запоминать эти данные.