Устройство управления
Структура УУ определяется важнейшей характеристикой процессора – адресностью машинных команд. Рассмотрим структуру УУ для двухадресных команд и взаимодействие его элементов в процессе функционирования:
УВв, УВыв, внешняя память, АЛУ
Блок центрального управления генерирует сигнал о начале выполнения очередной команды (связь 1). Ее адрес А находится в счетчике адреса команд.
Блок выборки из памяти по сигналу считывает из ОЗУ по адресу А, который выбирается из счетчика адреса команд (связь 8), очередную команду (связь 2) и помещает ее на временное хранение в регистр команд (связь 3).
Дешифратор кода операции выбирает код (связь 4) и расшифровывает его. Затем передает информацию блоку формирования управляющих сигналов (связь 10):
если операция арифметическая, от блока формирования управляющих сигналов поступает сигнал в блок выборки из памяти (связь 5) с командой считать из ОЗУ операнды, расположенные по адресам, указанным в регистрах первого и второго операндов (связь 6), и поместить их в соответствующие регистры АЛУ (о структуре АЛУ см. в п. 9.3). Затем формируется сигнал в АЛУ на выполнение нужной операции (связь 7). Счетчик адреса команд увеличивается на объем команды (связь 9);
если операция ввода-вывода, блок формирования управляющих сигналов формирует сигнал УВв и УВыв (связь 7). Счетчик адреса увеличивается на объем команды (по связи 9);
если операция условного перехода, блок центрального управления анализирует результат предыдущей операции, находящийся в АЛУ. Если знак результата отрицателен, в счетчик адреса команд записывается адрес из регистра первого операнда. Если знак положителен, в счетчик адреса команд записывается адрес из регистра второго операнда. Если результат равен 0, в счетчик адреса команд добавляется 1 (эти связи не показаны). Так реализуется принцип условного перехода.
если операция безусловного перехода, в счетчик адреса команд пересылается содержимое регистра первого операнда (связь не показана).
Арифметико-логическое устройство
Структура АЛУ представлена на рисунке.
Исходные данные (операнды) по командам УУ (см выше) считываются из ОЗУ в регистры первого и второго операндов (связь 1).
Из УУ в блок управления АЛУ поступает команда на выполнение той или иной операции (связь 2), которая передается им в операционную часть (связь 3).
В соответствии с этой командой операционная часть выполняет нужное действие с данными, которые выбираются из регистров первого и второго операндов (связь 6). Результат заносится в регистр результата (связь 4), откуда – в ОЗУ (связь 5).
Структура регистров АЛУ, куда помещаются исходные и результирующие данные, а также размер регистров (число двоичных разрядов t) формируют понятие разрядной сетки (далее – сетки), которое используется ниже.
Формы представления числовых данных
Для представления данных числовых типов существуют специальные формы, используемые для унификации выполнения арифметических операций
Различаются формы представления для целых и вещественных чисел.
Формы представления целых чисел
Пусть сетка имеет в составе t двоичных разрядов. Один из разрядов (например, самый старший) резервируется для знака числа. Сам знак кодируется следующим образом: «-» соответствует 1, «+» соответствует 0. Само число представляется в двоичной системе счисления и заносится в разрядную сетку так, что его самый младший разряд помещается в самый младший разряд сетки, а последующие разряды – следом. Если число имеет меньшее количество разрядов, чем может вместить разрядная сетка, оставшиеся незаполненными разряды заполняются нулями. Таким образом, (t-1) двоичных разрядов занимаются самим числом и, возможно, дополнительными нулями и называются числовыми (в отличие от знакового разряда).
Пример 1. Пусть разрядная сетка имеет 8 двоичных разрядов. Разместить в ней двоичное число –101112. Результат показан на рисунке:
номера разрядов |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
содержимое разрядов |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
Здесь разряд 7 – знаковый, имеет значение 1, поскольку исходное число отрицательно. В разрядах 0 – 4 размещено само исходное число, разряды 5 и 6 заполнены дополнительными нулями.
Пример 2. Пусть разрядная сетка имеет 8 двоичных разрядов. Разместить в ней двоичное число 101112. Результат показан на рисунке:
номера разрядов |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
содержимое разрядов |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
Различие с предыдущим примером в значении седьмого разряда: поскольку исходное число положительно, там записан 0.
Пример 3. Пусть разрядная сетка имеет 8 двоичных разрядов. Разместить в ней двоичное число 111101112.
Поскольку размещаемое число содержит разрядов больше, чем количество числовых разрядов разрядной сетки (оно равно 7), задача не имеет решения. Возникает ситуация переполнения (overflow), которая для целых чисел приводит к логической ошибке при выполнении операции.