Ход работы:
Изучить теоретический материал.
Изобразить в тетради структурную схему и сопоставьте номера шин, о которых идёт речь с названиями устройств или модулей, которые обмениваются информацией посредством данной шины.
Выпишите характеристики пронумерованных шин.
Практическая работа №6-7
«Архитектура и характеристики микропроцессоров».
Цель работы:
- Познакомиться с принципом действия и внутренним устройством микропроцессоров, назначением их составных частей;
- Разобрать способы адресации в микропроцессорной системе.
Итог работы: отчёт в тетради с выполненным заданием
Теоретические сведения
Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПК, предназначенный для управление работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операции над информацией.
В состав микропроцессора входят:
- устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;
- арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);
- микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);
- интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) - совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.
Порт ввода-вывода (I/O ≈ Input/Output port) - аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.
Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.
Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.
Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.
Принцип действия и внутреннее устройство микропроцессоров, назначение их составных частей.
Непосредственная работа микропроцессора состоит в считывания из памяти кодов команд, их расшифровки и их выполнение.
Поэтому, помимо АЛУ, микропроцессор включает в себя:
регистры общего назначения (РОН), которые используются для хранения информации - сверхоперативного запоминающего устройства;
аккумулятор - регистр, из которого берется одно из чисел, с которыми производятся арифметические или логические операции. В него помещается результат;
счетчика адреса команд, в котором хранится адрес ячейки памяти, в которой записан код текущей команды;
регистр флагов или условий - в него помещаются сведения об особенностях результата выполнения арифметических или логических операций, например, нулевой результат, переполнение (перенос), четность и пр.;
регистр адреса стека, в котором записан адрес последний занятой под стек ячейки памяти;
блок управления шинами микропроцессорной системы, схемы формирующей сигналы на внешних шинах микропроцессора и, тем самым, управляющих микропроцессорной системой;
блока дешифрирования кодов команд.
Понятие адреса ячейки памяти или устройства ввода-вывода в микропроцессорной системе. Способы адресации, используемые микропроцессором.
Адреса ячеек памяти или устройств ввода-вывода - это их уникальные номера, по которым они различаются, и по которым к ним обращается микропроцессор. Это означает, что при пересылке информации между микропроцессором и ячейкой памяти (устройством ввода-вывода) на шине адреса должен присутствовать двоичный код, соответствующий ее адресу, этот адрес она "узнает" и включается в процесс пересылки информации.
В командах микропроцессора информация об адресе ячейки, где хранятся требуемые данные, может быть представлена различными способами (способами адресации).
Простейшие способы адресации следующие:
регистровая - код команды содержит информацию о регистре, где находятся данные; непосредственная - команда непосредственно в себе (чаще всего в дополнительных байтах содержит требуемую информацию и собственно адрес микропроцессору не требуется;
прямая - в команде (в дополнительных байтах) содержится адрес ячейки памяти или внешнего регистра ввода-вывода;
косвенная - в команде содержится адрес ячейки памяти или ссылка на регистр микропроцессора, в котором хранится адрес ячейки памяти с требуемыми данными.
Кроме этих основных современные микропроцессоры имеют много других способов адресации, например относительную, индексную, автоинкрементную и др.
Определение стека, организация стека, использование стека микропроцессором.
Стеком называется последовательность ячеек памяти, организованная таким образом, что последнее записанное число считывается первым (стек магазинного типа или типа "последним вошел - первым вышел"). Никакие другие операции, например считывание информации из середины стека не допускаются.
Обычно при записи в стек нового числа, оно занимает ячейки памяти с адресами лежащими непосредственно перед концом стека. Таким образом, стек в памяти растет "сверху вниз". Адрес последней занятой стеком ячейки памяти хранится в специальном регистре микропроцессора - указателе стека (SP).
Стек используется микропроцессором двояким образом:
для временного хранения информации, то есть программист может записывать в него данные и извлекать их (команды PUSH rp и POP rp ассемблера МП КР580ВМ80);
для организации подпрограмм, при переходе к подпрограмме (по команде CALL adr) в стек автоматически, без участия программиста, записывается адрес команды, следующей за командой вызова подпрограммы. После окончания подпрограммы (команды RET) микропроцессор также самостоятельно извлекает из стека последнее записанное в него число, считает, что это адрес возврата в основную программу и передает управление основной программе начиная с этого адреса.
Поскольку в большинстве микропроцессоров (например, в КР580ВМ80) для обеих целей используется один и тот же стек, обращаться с ним нужно с осторожностью.
Дополнительные схемы. К системной шине и к МП ПК наряду с типовым внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.
Математический сопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических, функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно (совмещенно во времени) с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Последние модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру.
Контроллер прямого доступа к памяти освобождает МП от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие ПК. Без этого контроллера обмен данными между ВЗУ и ОЗУ осуществляется через регистр МП, а при его наличии данные непосредственно передаются между ВЗУ и ОЗУ, минуя МП.
Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплей, принтер, НЖМД, НГМД и др.); освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.
Важнейшую роль играет в ПК контроллер прерываний.
Прерывание - временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы.
Прерывания возникают при работе компьютера постоянно. Достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям, например, прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (естественно, пользователь их не замечает).
Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым
Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.
Микроархитектура микропроцессора - это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.
Макроархитектура - это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.