Микропроцессоры

4. Микропроцессоры. Структура и особенности работы элементной базы

4.1. Назначение. Сравнительные характеристики микропроцессоров. Классификация МП

Центральным устройством микропроцессорной системы является микропроцессор (МП). В 1970 году Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ - первый микропроцессор Intel-4004, который уже в 1971 году был выпущен в продажу.

15 ноября 1971 г. можно считать началом новой эры в электронике. В этот день компания приступила к поставкам первого в мире микропроцессора Intel 4004.

Микропроцессор – это программно управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управление этим процессом, реализованное в одной или нескольких БИС. МП обычно содержит элементы размещения данных (регистры) и устройства счёта (АЛУ). Такое устройство содержит также дешифратор команд и узел синхронизации. На рис. 4.1. приведена упрощенная структурная схема МП. Структуры различных типов МП могут существенно различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее важными параметрами являются архитектура, адресное пространство памяти, разрядность, быстродействие.

1.1. Технико-экономические показатели МП (ТЭП МП)

Для оценки ТЭП МП используются следующие параметры:

1. Быстродействие характеризует скорость работы компьютера и измеряется количеством элементарных операций, выполняемых микропроцессором в секунду. Так как количество шагов (тактов) при выполнении операций может быть разным, то и время их выполнения различно. Поэтому для оценки быстродействия применяется тактовая частота микропроцессора (измеряется в мегагерцах). Наиболее важная характеристика, определяющая  быстродействие МП системы в целом.

Выполнение простейших команд (например, сложение двух операндов из регистров или пересылка операндов в регистрах МП) требует минимально двух периодов тактовых импульсов (для выборки команды и её выполнения). Более сложные команды требуют для выполнения до 10 - 20 периодов тактовых импульсов. Скорость работы МП определяется не только тактовой частотой, но и набором его команд, их гибкостью, развитой системой прерываний.

Рекомендуемые материалы

2. Разрядность - максимальное число одновременно обрабатываемых двоичных разрядов данных (размер машинного слова).

Разрядность МП обозначается m/n/k/ и включает:
m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;
n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;
k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства.

Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;

С увеличением разрядности увеличивается объем информации, обрабатываемой процессором за один шаг (такт), что ведет к уменьшению количества тактов, необходимых для выполнения сложных операций. Кроме того, чем больше размер слова, тем с большим объемом памяти может работать компьютер. Современные компьютеры оснащаются 64-разрядными процессорами. И при этом их внутренняя память составляет 16, 32, 64, 128… Мбайт. Для современных микропроцессоров характерна тенденция к увеличению разрядности слова и повышению тактовой частоты.

3. Архитектура. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя как внутреннее устройство, так и систему команд,  способы адресации, принципы и режимы его работы, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора.

Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.

Микроархитектура процессора - 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.

Микропроцессоры с 4- и 8-разрядной архитектурой использовали последовательный принцип выполнения команд, при котором очередная операция начинается только после выполнения предыдущей. В МП с 32-разрядной архитектурой используется конвейерный метод  выполнения команд, при котором несколько внутренних устройств МП работают параллельно, производя одновременно обработку нескольких последовательных команд программы.

Стоимость микропроцессоров определяется исходя из его технических возможностей, назначения и технологии производства.

 

Таблица 1. Классификация МП

Практически во всех современных микропроцессорных системах используется сложные системы микропроцессоров, построенные по иерархическому принципу. Ядром таких систем является центральный процессор, в котором набор универсальных команд реализуется аппаратурным способом. Специализированные команды реализуются вспомогательными или периферийными микропроцессорами (сопроцессорами). Эти специальные арифметические или логические микропроцессоры позволяют ускорить выполнение определенных команд и тем самым сократить время исполнения программ.

Основной особенностью современного этапа развития МПС является широкое распространение однокристальных МК, которые объединяют на одном кристалле все основные элементы МПС: центральный процессор (ЦП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), порты ввода/вывода, дополнительные устройства.

4.2. Основные функции МП

Ø извлечение, декодирование и выполнение команд программы в указанном порядке;

Ø передача данных из памяти и в память, а также из УВВ и в УВВ;

Ø ответы на внешние прерывания;

Ø обеспечение общей синхронизации и формирования сигналов управления для всей системы.

4.3. Структура МП

Рис. 4.1. Упрощённая структура микропроцессора

В состав МП (рис. 4.1) входят, внутренняя шина данных, арифметическо-логическое устройство, устройство управления и блок внутренних регистров.

Внутренняя шина соединяет собой основные части МП.  С помощью внутренней ШД, работающей в режиме двунаправленной передачи (мультиплексном режиме) происходит соединение МП с ШД микропроцессорной системы, которая служит для выборки команд и обмена данными с памятью, разрядность внутренней шины МП совпадает с разрядностью шины данных МПС.    

Арифметическо-логическое устройство (рис. 4.2) состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, сдвигающего регистры и регистров для временного хранения операндов. Обычно это устройство выполняет по командам несколько простейших операций: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2. На первый вход АЛУ поступает байт из аккумулятора, а на второй вход – из промежуточного регистра. Результат сложения указанных двух байтов передается с выхода АЛУ через внутреннюю шину данных в аккумулятор.

Рис. 4.2. Структурная схема АЛУ

Такая организация процесса вычисления соответствует одноадресной организации информационного обмена в микропроцессоре. Для нее характерно то, что один из операндов, участвующих в обработке, всегда находится в аккумуляторе. Поэтому при выполнении операции сложения двух операндов требуется указывать только один адрес – второго операнда, содержащегося, например в одном из регистров общего назначения (РОН).

К АЛУ подключены регистр признаков, предназначенный для хранения и анализа признаков результата операции, и схема десятичной коррекции (на рис. 2 не показана), позволяющая проводить обработку данных в двоично-десятичном коде.

Регистр признаков (флаговый регистр) представляет собой набор триггеров – флажков. В зависимости от результатов операций, выполняемых АЛУ, каждый триггер устанавливается в состояние 0 или 1. Флаговые биты являются индикаторами признаки результата выполнения операции: нулевого результата, знака результата, переполнения, переноса и т. п. Эта информация, характеризующая состояние процессора, важна для выбора дальнейшего пути вычислений.

Регистр признаков (5 разрядный) – в соответствующих разрядах РП фиксируются особенности выполнения каждой операции:

            Z (нуль) – устанавливается в «1» при нулевом результате в аккумуляторе.

            CY – перенос из старшего разряда

            S (знак) – при единичном значении старшего разряда

            P (четность) – при чётном числе единичных битов в результате

            AC (дополнительный перенос) – при переносе из младших 4-х разрядов в старшие

Рис. 4.3. Структура регистра признаков

Важным блоком МП является устройство управления. Оно содержит дешифраторы команд и генерирует управляющие и синхронизирующие сигналы, управляет работой АЛУ и внутренних регистров в процессе выполнения команды. Согласно коду операций, содержащемуся в команде, оно формирует внутренние сигналы управления блоками МП. Адресная часть команды совместно с сигналами управления используется для считывания данных из определенной ячейке памяти или для записи данных в ячейку. По сигналам УУ осуществляется выборка каждой новой, очередной команды.

Устройство управления состоит из двух относительно независимых частей:

• первичного автомата, управляющего процессами внутри МП;
• схемы, обрабатывающей сигналы и генерирующей управляющие сигналы в микропроцессорной системе.

Представленная на рис. 4.4 обобщенная схема устройства микропрограммного управления содержит: блок микропрограммной памяти, в котором хранятся микрокоманды; блок генерации адреса микрокоманды, формирующий адрес очередной микрокоманды, который в общем случае зависит от кода выполняемой микрокоманды, кодов признаков выполняемых в АЛБ операций, информации блоков синхронизации и прерывания процессора; блок синхронизации, предназначенный для приема управляющих сигналов и формирования последовательности синхросигналов для основных блоков микро-ЭВМ для обеспечения определенной последовательности их работы; дешифратор микрокоманд, формирующий управляющие сигналы, поступающие в исполнительные блоки микро-ЭВМ.

Рис. 4.4. Обобщенная схема устройства управления

Блок внутренних регистров БВР, расширяющий возможности АЛУ, служит внутренней памятью МП и используется для временного хранения данных и команд. Он также выполняет некоторые процедуры обработки информации.

На рисунке ..Раздаточный  и дополнительный материалЛК4Структура МП.TIF приведена более подробная структурная схема однокристального МП. Здесь показано, что блок внутренних регистров содержит регистры общего назначения и специальные регистры: регистр-аккумулятор, буферный регистр адреса, буферный регистр данных, счетчик команд, стека, признаков.

Регистр – аккумулятор (“накопитель”), предназначен для временного хранения операнда или промежуточного результата действий производимой в АЛУ. Разрядность регистра равна разрядности информационного слова. Аккумулятор используется в ходе большинства операций, которые выполняет МП, например, передача данных.

Буферный регистр адреса служит для приема и хранения адресной части выполняемой команды. Возможное количество адресов, определяется разрядностью регистра.

Буферный регистр данных используется для временного хранения выбранного из памяти слова перед передачей его во внешнюю шину данных. Его разрядность определяется количеством байт информационного слова.

Счетчик команд содержит адрес ячейки памяти, в которой помещены байты выполняемой команды. Обычно 16-разрядный. Этот регистр служит для хранения адреса следующей команды, которую необходимо извлечь из памяти. Т.к. команды выполняются последовательно, СК считает прямым счётом. 16-ти разрядный СК может адресовать 64К слов памяти посредством адресной шины.

Регистр команд принимает и хранит код очередной команды, адрес которой находится в счетчике команд. По сигналу УУ в него передается из регистра хранимая там информация.

Регистры стека делятся на стек и указатель стека. В МП стек – набор регистров, хранящих адреса команд возврата при обращении к подпрограммам или состояние внутренних регистров при обработке прерываний. Стек может быть выполнен не только на внутренних регистрах МП, составляя его часть, но и находиться в ОЗУ, занимая там отведенную для него зону. В последнем случае для обращения к нему необходим специальный регистр – указатель стека.

Указатель стека хранит адреса последней занятой ячейки стека, которую называют вершиной. Содержащее в указателе число указывает, где находится вершина стека. Когда в стек записывается очередное слово, то число в указателе стека соответственно увеличивается. Извлечение слова из стека сопровождается, наоборот, уменьшением числа, заполняющего указатель стека. Кроме такой процедуры предусматривается возможность считывания без разрушений содержимого любой ячейки стека при неизменном числе, хранимом в указателе стека.

Регистры общего назначения

Регистры общего назначения (РОН), число которых может изменяться от 4 до 64, определяют вычислительные возможности МП. Их функция – хранение операндов. Но могут выполнять также и роль регистров.

Первые два РОН – регистры W и Z – предназначены для кратковременного хранения данных во время выполнения команды (эти регистры недоступны программисту), остальные шесть РОН – регистры B, C, D, E, H и L – служат ячейками внутренней памяти, называемой СОЗУ (сверхоперативным ЗУ).  В них хранятся операнды, подлежащие обработки в АЛУ, результаты обработки данных, выполненных в АЛУ, и управляющие слова. В каждом регистре помещается один байт. Обращение к РОН – адресное. Попарное расположение регистров B и C, D и E, H и L дает возможность проводить обработку двухбайтовых слов, называемую обработкой “удвоенной точности”.

Более подробно о Регистрах МП (на примере Intel 8086) в доп. материале

2.3. Типы микропроцессорных архитектур

До сих пор мы рассматривали только один тип архитектуры микропроцессорных систем — архитектуру с общей, единой шиной для данных и команд (одношинную, или принстонскую, фон-неймановскую архитектуру). Соответственно, в составе системы в этом случае присутствует одна общая память, как для данных, так и для команд (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Архитектура с общей шиной данных и команд.

Архитектура с общей шиной широко распространена, она применяется в персональных компьютерах и в сложных микрокомпьютерах. Такая архитектура максимально проста и не требует усложнения конструкции устройств. Наличие единой памяти для данных и команд позволяет гибко распределять ее объем между кодами данных и команд. Например, в некоторых случаях нужна большая и сложная программа, а данных в памяти надо хранить не слишком много. В других случаях, наоборот. Как правило, в системах с такой архитектурой память бывает довольно большого объема (до десятков и сотен мегабайт). Это позволяет решать самые сложные задачи.

Существует также и альтернативный тип архитектуры микропроцессорной системы — это архитектура с раздельными шинами данных и команд (двухшинная, или гарвардская, архитектура). Эта архитектура предполагает наличие в системе отдельной памяти для данных и отдельной памяти для команд (рис. 2.9). Обмен процессора с каждым из двух типов памяти происходит по своей шине.

Рис. 2.9. Архитектура с раздельными шинами данных и команд.

Архитектура с раздельными шинами данных и команд сложнее, она заставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно. Программа может размещаться только в памяти команд, данные — только в памяти данных. Память данных в этом случае имеет свое распределение адресов, а память команд — свое. Такая узкая специализация ограничивает круг задач, решаемых системой, так как не дает возможности гибкого перераспределения памяти. Память данных и память команд в этом случае не могут иметь большого объема, поэтому применение систем с данной архитектурой ограничивается обычно не слишком сложными задачами.

Преимущество архитектуры с двумя шинами в быстродействии. Дело в том, что при единственной шине команд и данных процессор вынужден по этой шине принимать данные (из памяти или устройства ввода/вывода) и передавать данные (в память или в устройство ввода/вывода), а также читать команды из памяти. Одновременно эти процессы происходить не могут и производятся по очереди. В случае двухшинной архитектуры обмен по обеим шинам может быть независимым, параллельным во времени. Структуры шин (количество разрядов кода адреса и кода данных, порядок и скорость обмена информацией и т.д.) могут быть выбраны оптимально для той задачи, которая решается каждой шиной. Поэтому при прочих равных условиях переход на двухшинную архитектуру ускоряет работу микропроцессорной системы, хотя и требует дополнительных затрат на аппаратуру, усложнения структуры процессора. Основное ее применение — в микроконтроллерах, от которых не требуется решения слишком сложных задач, но необходимо максимальное быстродействие при заданной тактовой частоте.

4.4. Способы адресации операндов

Основная функция любого процессора — это выполнение команд. Каждая команда, выбираемая из памяти процессором, определяет алгоритм его поведения на ближайшие несколько тактов. Большая часть команд процессора работает с кодами данных (операндами). Одни команды требуют входных операндов (одного или двух), другие выдают выходные операнды. Все эти коды операндов могут располагаться как во внутренних регистрах процессора (наиболее удобный и быстрый вариант), так и в системной памяти (самый распространенный вариант). Существуют разные методы, с помощью которых через код команды можно указать место расположения операндов. Эти методы называются методами адресации. Количество методов адресации в различных процессорах может быть от 4 до 16. Рассмотрим несколько наиболее часто распространенных методов адресации операндов.

Непосредственная адресация (рис. 4.7) предполагает, что операнд (входной) находится в памяти непосредственно за кодом команды. Операнд обычно представляет собой константу, которую надо куда-то переслать, к чему-то прибавить и т.д.

Рис. 4.7. Непосредственная адресация.

Прямая (она же абсолютная) адресация (рис. 4.8) предполагает, что операнд (входной или выходной) находится в памяти по адресу, код которого находится внутри программы сразу же за кодом команды. Например, команда может состоять в том, чтобы очистить (сделать нулевым) содержимое ячейки памяти с адресом 1000000. Код этого адреса 1000000 будет располагаться в памяти, внутри программы в следующем адресе за кодом данной команды очистки.

Рис. 4.8. Прямая адресация.

Регистровая адресация (рис. 4.9) предполагает, что операнд (входной или выходной) находится во внутреннем регистре процессора. Например, команда может состоять в том, чтобы переслать число из нулевого регистра в первый. Номера обоих регистров (0 и 1) будут определяться кодом команды пересылки.

Косвенно-регистровая (она же косвенная) адресация предполагает, что во внутреннем регистре процессора находится не сам операнд, а его адрес в памяти (рис. 4.10). Например, команда может состоять в том, чтобы очистить ячейку памяти с адресом, находящимся в нулевом регистре. Номер этого регистра (0) будет определяться кодом команды очистки.

Рис. 4.9. Регистровая адресация.

Рис. 4.10. Косвенная адресация.

Реже встречаются еще два метода адресации.

Автоинкрементная адресация очень близка к косвенной адресации, но отличается от нее тем, что после выполнения команды содержимое используемого регистра увеличивается на единицу или на два. Этот метод адресации очень удобен, например, при последовательной обработке кодов из массива данных, находящегося в памяти.

Автодекрементная адресация работает похоже на автоинкрементную, но только содержимое выбранного регистра уменьшается на единицу или на два перед выполнением команды.

Из других распространенных методов адресации можно упомянуть об индексных методах, которые предполагают для вычисления адреса операнда прибавление к содержимому регистра заданной константы (индекса). Код этой константы располагается в памяти непосредственно за кодом команды.

Эффективность выбранных методов адресации во многом определяет производительность ЭВМ, так как выбор того или иного метода адресации определяет время выполнения команды.

Самая быстрая адресация — регистровая, так как она не требует дополнительных циклов обмена по магистрали. Если же адресация требует обращения к памяти, то время выполнения команды будет увеличиваться за счет длительности необходимых циклов обращения к памяти. Чем больше внутренних регистров у процессора, тем чаще и свободнее можно применять регистровую адресацию, и тем быстрее будет работать система в целом.

4.7. Система команд процессора

В настоящее время наметилось два направления развития микропроцессоров:

• RISC процессоры (процессоры с сокращённым набором команд)
• CISC процессоры (процессоры с полным набором команд)

В процессорах с полным набором команд используется уровень микрокоманд для того, чтобы декодировать и выполнить команду микропроцессора. В этих процессорах формат команды не зависит от аппаратуры процессора. На одной и той же аппаратуре при смене микропрограммы могут быть реализованы различные микропроцессоры. Смена аппаратуры никак не влияет на программное обеспечение микропроцессора. С точки зрения пользователя у микропроцессора только увеличивается производительность, снижается потребление энергии, уменьшаются габариты устройств. Одним из недостатков таких процессоров является то, что для обеспечения максимальной универсальности и преемственности моделей, набор микрокоманд приходится многократно расширять. Пропадает возможность исключения не используемых команд.  Это приводит к повышению сложности микропрограмм и замедлению выполнения каждой команды.

В процессорах с сокращённым набором команд декодирование и исполнение команды производится аппаратурно, поэтому количество команд ограниченно минимальным набором. В этих процессорах команда и микрокоманда совпадают (то есть команда может быть выполнена за 1 такт) это приводит к снижению времени выполнения команды и повышению надежности такого микропроцессора. Однако, вследствие ограниченного набора команд, разработка программы для выполнения сложных, разноплановых задач, требующих универсальности будет сильно затруднена.

Классификация команд МП

Классификация команд по основным признакам представлена на рис. 4.16.

Рис. 4.16. Классификация команд

По функциональному назначению команды процессора включает в себя следующие основные группы команд:

• Команды передачи (пересылки) данных;
• Команды обработки данных (арифметические, логические);
• Команды передачи управления (переходов);

Команды пересылки данных не требуют выполнения никаких операций над операндами. Даные просто пересылаются (точнее, копируются) из источника (Source) в приемник (Destination). Источником и приемником могут быть внутренние регистры процессора, ячейки памяти или устройства ввода/вывода. АЛУ в данном случае не используется.

Арифметические команды выполняют операции сложения, вычитания, умножения, деления, увеличения на единицу (инкрементирования), уменьшения на единицу (декрементирования) и т.д. Этим командам требуется один или два входных операнда. Формируют команды один выходной операнд.

Логические команды производят над операндами логические операции, например, логическое И, логическое ИЛИ, исключающее ИЛИ, очистку, инверсию, разнообразные сдвиги (вправо, влево, арифметический сдвиг, циклический сдвиг). Этим командам, как и арифметическим, требуется один или два входных операнда, и формируют они один выходной операнд.

Команды переходов предназначены для изменения обычного порядка последовательного выполнения команд. С их помощью организуются переходы на подпрограммы и возвраты из них, всевозможные циклы, ветвления программ, пропуски фрагментов программ и т.д. Команды переходов всегда меняют содержимое счетчика команд. Переходы могут быть условными и безусловными. Именно эти команды позволяют строить сложные алгоритмы обработки информации.

По числу адресов различают однооперандными (или одноадресные) и двухоперандные (или двухадресные).

Команды с регистровой адресацией  однобайтовые. Если в команде используется константа в качестве операнда или указывается адрес операнда в системной памяти, то команда будет занимать в системной памяти два или три байта.

Ассемблеры

Как известно, для исполнения в ЭВМ команды программы должны быть представлены в двоичном (машинном) коде. Зачастую даже для выполнения одной и той же операции над разными регистрами процессора используются разные команды. Работа с машинными кодами команд для человека очень затруднительна. Текст программы, записанной в машинных кодах не нагляден. Чтобы уменьшить объём запоминаемой информации и увеличить наглядность исходного текста программы, каждой операции процессора назначают мнемоническое обозначение (обычно используют сокращения английских слов, обозначающих эту операцию). Для операции копирования используется мнемоническое обозначение MOV; для операции суммирования используется мнемоническое обозначение ADD; для операции вычитания используется мнемоническое обозначение SUB; для операции умножения используется мнемоническое обозначение MUL и т.д.

Мнемоническое обозначение команды дополняют используемыми ей операндами, которые перечисляются через запятую. При этом в большинстве случаев операнд приёмник информации записывается первым, а операнд источник информации вторым.

Например:

MOV R0, A ;Скопировать содержимое регистра A в регистр R0

ADD A, R5 ;Просуммировать содержимое регистров R5 и A, результат поместить в регистр A

Для повышения удобства разработки, хранения и отладки подобный программ используются специальные среды программирования – ассемблеры.

Ассе́мблер (от англ. assembler — сборщик) — компьютерная программа, компилятор и транслятор исходного текста программы, написанной на языке ассемблера, в программу на машинном языке. Ассемблеры, специфичны конкретной архитектуре процессора, операционной системе и варианту синтаксиса языка. Вместе с тем существуют мультиплатформенные ассемблеры, которые могут работать на разных платформах и операционных системах. Результатом ассемблирования является объектный модуль, содержащий разрозненные и непривязанные друг к другу части машинного кода и данных программы, из которого  в дальнейшем с помощью программы-компоновщика («линкера») может быть скомпонован исполняемый модуль.

4.8. Условно-графическое обозначение процессора (на примере КР580ВМ80А). Управляющие сигналы процессора

Условно-графическое обозначение КР580ВМ80А приведено на рис. 4.21. Виды управляющих сигналов приведены в табл. 4.1

                    Рис. 4.21. Условно-графическое обозначение процессора

                                                          Табл. 4.1. Управляющие сигналы МП КР580ИК80А