МПСиС / shpory_po_MPSiS

Микропроцессоры. Определение, классификация, закономерности развития, области применения. Обобщенная структура микропроцессора.

Под микропроцессором (МП) будем понимать в дальнейшем программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс цифровой обработки информации и управления им и построенное, как правило, на одной БИС.

Классификация по критерию «количество данных - количество вычислений»:

Основными направлениями развития микропроцессоров является увеличение их производительности и расширение функциональных возможностей.

Архитектурой процессора называется комплекс его аппаратных и программных средств, предоставляемых пользователю. В это общее понятие входит набор доступных программных регистров и исполнительных (операционных) устройств, система основных команд и способов адресации, объём и структура адресуемой памяти, виды и способы обработки прерываний.

Регистровая модель - представление в виде совокупности программно-доступных регистров, в неё входит группа регистров общего назначения, служащих для хранения операндов, и группа служебных регистров, обеспечивающих управление выполнением программы и режимом работы процессора, организацию обращения к памяти (защита памяти, сегментная и страничная организация и др.).

Регистры общего назначения образуют РЗУ - внутреннюю регистровую память процессора.

Обычно в состав служебных регистров входят:

∙программный счетчик РС (program counter)

∙регистр состояния SR (state register)

∙регистры управления режимом работы процессора CR (control register)

Функционирование процессора представляется в виде реализации регистровых пересылок - процедур изменения состояния этих регистров путем чтения - записи их содержимого.

Внешние

устройства

микрокоманды

Интерфейсная

логика

РАЛУ флаги УУ

Память команды

Регистровое арифметико-логическое устройство (РАЛУ) – предназначено для выполнения арифметических и логических операций и хранения промежуточных результатов операций.

Интерфейсная логика обеспечивает электрическое сопряжение с внешними устройствами и формирование протокола обмена микропроцессора с периферийными устройствами. Память предназначена для хранения программ и данных. Всегда состоит из ОЗУ и ПЗУ. Устройство управления (УУ) обеспечивает выработку последовательности микрокоманд, задающих различные операции, выполняемые АЛУ, интерфейсной логикой и памятью.

Арифметико-логические устройства. Структура, подход к проектированию, основные уравнения работы АЛУ.

АЛУ - это комбинационная схема, предназначенная для выполнения арифметических и поразрядно логических операций над многоразрядными словами. Основные требования к АЛУ: выполнение различных арифметико-логических операций, обеспечение межразрядного переноса при выполнении арифметических операций, обеспечение наращивания разрядности обрабатываемых слов однотипными секциями АЛУ.

Основой АЛУ является одноразрядный комбинационный сумматор SM*, который изменяет свою конфигурацию в зависимости от управляющего слова S(определяет тип операции над операндами). Сигнал М обеспечивает выполнение арифметических операций при M = 1 и логических при M = 0 .

Работу одноразрядного комбинационного сумматора можно описать выражением:

Ri = ai Å bi Å MPi−1 = (a i + bi )(ai + bi ) Å MPi−1 = ai × bi (ai + bi ) Å MPi−1

Сложение реализуем следующим образом: Ri = S3 × ai × bi (ai + bi ) Å MPi−1

Обратный код положительного числа полностью соответствует прямому, а для получения обратного кода отрицательного числа необходимо проинвертировать все разряды числа, кроме знакового. Т.о. получим вычитание:

:

Организация цепей переноса в пределах секции АЛУ. Наращивание разрядности, схема ускоренного переноса.

Способы организации переноса: последовательный (минимум аппаратных затрат, большая задержка), параллельные (повышенные аппаратные затраты, малая задержка).

Преобразователь прямого кода в обратный.

Данный преобразователь должен инвертировать все разряды кроме знакового, если число отрицательное, или оставить данное число без изменений ,если оно положительное.

Преобразователь прямого кода в дополнительный.

Данный преобразователь должен инвертировать все разряды, кроме знакового и прибавить единицу младшего разряда, если число отрицательное, оставить без изменения, если оно положительное.

Преобразовать из дополнительного кода в обратный.

Регистровое АЛУ – базовая структура микропроцессора. Варианты построения регистровых структур. Задача управления и синхронизации.

a, b, c – сигналы на чтение/запись для регистров. Формирование управляющего сигнала и фиксация результатов происходит по переднему фронту тактовых импульсов. Данная схема не позволяет сохранить промежуточные результаты.

Задачи:

∙Синхронизация, заключается в формировании тактовых импульсов так, чтобы во всех

регистрах схемы фиксировались достоверные данные

∙Управление, заключается в формировании управляющих сигналов для выполнения

заданных операций

БРОН – блок регистров общего назначения, ВУ – внешнее устройство.

Плюсы: При условии, что операнды A и B зафиксированы в регистре, требуется 1 такт для фиксации результата в БРОН. (Однако для обмена с ВУ 1 такта не достаточно)

Минусы: В течение обмена с ВУ необходимо сохранять без изменения содержимое A и B.

Медленный обмен с ВУ

При условии, что в регистрах A и B зафиксированы операнды, требуется 2 такта для фиксации результата в БРОН. На 1-м такте результат записываем в регистр C, а не

следующем может совмещать операцию обмена с ВУ и запись результата в регистр общего назначения.

Совмещает достоинства двух предыдущих