Э. Таненбаум - Архитектура компьютера (1127755), страница 97
Текст из файла (страница 97)
Существует два адресных пространства по 64 Кбайт; для программ и для данных. Эти пространства разделены, что делает возможной реализацию пространства программ в ПЗУ, а пространства данных — в ОЗУ. Допускается несколько вариантов реализации памяти. В простейшем из них предусматривается 4 Кбайт ПЗУ для программ и 128 байт ОЗУ для данных. Как ПЗУ, так и ОЗУ размещаются в одном корпусе с микросхемой.
Учитывая область применения 8051, такого объема памяти в большинстве случаев вполне достаточно, а совместное размещение процессора и двух модулей памяти считается серьезным достоинством. В модели 8051 емкость обоих модулей увеличена вдвое: 8 Кбайт ПЗУ и 256 байт ОЗУ. В случае применения этой модели программа записывается в ПЗУ на этапе производства и пользователю недоступна. В то же время систему 8051 можно оснастить внешним ПЗУ для размещения программ емкостью 64 Кбайт и внешним ОЗУ аналогичной емкости для данных. Кроме того, допускается установка единого для программ и данных внешнего модуля ОЗУ все той же емкости. Вместе с тем, 8051 поддерживает промежуточную модель, в которой 4 Кбайт памяти программ и 128 байт памяти данных размещаются в одном корпусе с микросхемой, а остальная память — вовне. Применимость той или иной модели зависит от напряжения, подаваемого на выводы микросхемы.
Механизм работы с регистрами в 8051 весьма оригинален. Большинство программ для 8051 составляются с расчетом на восемь 8-разрядных регистров. Это совершенно естественный подход, поскольку многие команды содержат 3-разрядное поле с указанием целевого регистра. Имена регистров находятся в диапазоне от КО до К7. Существует четыре набора регистров, хотя в каждый конкретный момент активным является только один из них.
Активный регистр определяется значением в 2-разрядном поле регистра РЯЪ'. Наличие нескольких наборов регистров позволяет существенно ускорить обработку прерываний. При обнаружении прерывания обработчик не сохраняет содержимое всех регистров, а просто переходит к другому набору. Это обстоятельство позволяет 8051 обрабатывать огромное количество прерываний, что очень важно для процессора, встраиваемого в системы реального времени. Еще одной особенностью регистров 8051 является то, что все они представлены в адресном пространстве памяти.
Байт 0 пространства данных соответствует Общий обзор уровня архитектуры набора команд 389 регистру КО из набора О. Если команды изменяет содержимое КО, а затем считывает байт О, в нем обнаруживается новое значение КО. Аналогичным образом байт 1 памяти соответствует регистру К1, и т. д. Байты 8-15 памяти соответствуют набору регистров 1, и т. д, до байта 31, связанного с регистром К7 в наборе 3. Эта схема изображена на рис. 5.5.
4095 РЯ'т"т' )Е )гт ТСОН 48 32 ТМОΠ— б Рис. 5.5. Организация встроенной в микросхему памяти 805! (а); основные регистры 8051 (б) Непосредственно над четырьмя банками регистров, по адресам памяти 32 — 47, расположены 16 байт памяти с побитовой адресацией (Π— 127).
В 8051 предусмотрен набор команд установки, сброса, выполнения операций И и ИЛИ, а также проверки отдельных битов, обращение к которым осуществляется по числам в диапазоне от О до 127. Эти команды работают с байтами от 32 до 47. Полезны они тем, что во встроенных процессорах для записи или установки переключателей, индикаторов и других устройств ввода-вывода часто применяются битовые переменные.
Наличие специальных ячеек памяти позволяет 8051 обращаться к битовым перемененным, не вызывая байты целиком (а значит, не устанавливая их заново и не маскируя ненужные биты). Для простого процессора такая схема очень удобна, особенно в том, что касается управления булевыми переменными. 390 Глава 5, Уровень архитектуры набора команд Помимо 4 наборов из 8 регистров, в 8051 есть несколько специальных регистров, самые важные из которых изображены на рис. 5.5, б. В регистре РЯЪ' содержатся (слева направо): бит переноса, бит служебного переноса, бит, определяюший набор регистров, бит переполнения и бит четности. Значения всех этих битов, за исключением того, который указывает на набор регистров, вычисляются арифметически. Заштрихованные поля не заняты.
Регистр 1Е позволяет включать~отключать прерывания вместе или по отдельности. Если бит в регистре 1Е обнулен, все прерывания отключены. Сброс этого бита позволяет отключать последующие прерывания одной командой. Установка этого бита разрешает любые прерывания, для которых установлены индивидуальные биты. Биты Е2, Е1 и ЕО включают или выключают три канала таймеров. Если все эти каналы включены, разрешается одновременная работа трех счетчиков, которые по истечении времени выполнения порождают прерывания. Бит ЕЯ включает или отключает последовательные прерывания каналов. Остальные два бита включают или отключают прерывания от внешних источников.
Когда они установлены, прерывания принимаются от внешних устройств, подключенных к двум выводам 8051. Соответственно, если эти биты сброшены, такие прерывания не принимаются. Регистр 1Р определяет приоритеты для прерываний. Предусмотрено всего два уровня приоритета: низкий и высокий. Обслуживание прерывания с низким приоритетом может быть отложено в пользу прерывания с высоким приоритетом, но обратная ситуация невозможна. Бит, равный единице, присваивает соответствующему прерыванию высокий приоритет; сброшенный бит задает низкий приоритет. Регистр ТСОМ регулирует главные таймеры 0 и 1.
Биты 01 и 00 устанавливаются аппаратно в случае переполнения соответствующего таймера. В.1 и КО— это биты контроля выполнения, которые позволяют включать и отключать таймеры программно. Остальные биты переводят оба таймера из режима запуска по фронту в режим запуска по уровню, и наоборот. Последний оставшийся регистр — ТМ01) — определяет разрядность таймеров (8, 13 или 16 бит), переключает их из режима таймера истинного времени в режим счетчика и обратно, а также регулирует подконтрольность таймеров аппаратным сигналам. Есть и другие регистры, связанные с управлением питанием и работой последовательного порта, но они на нашей схеме не показаны.
Все вышеупомянутые специальные регистры, а также ряд других (в частности, сумматор и порты ввода-вывода), находятся в диапазоне памяти 128 — 255. Обращение к ним осуществляется так же, как и к регистрам КΠ— К7. К примеру, сумматор, применяемый для выполнения большинства арифметических операций, находится по адресу 240. В процессоре 8052 с реальной памятью в диапазоне от 128 до 255 специальные регистры пересекаются с адресным пространством памяти. Поэтому лля обращения к специальным регистрам в атом процессоре используется прямая адресация, а для обращения к ОЗУ (через указатели в регистрах) — косвенная.
Типы данных Всем компьютерам нужны данные. Для многих компьютерных систем основной задачей является обработка финансовых, промышленных, научных, технических и других данных. Внутри компьютера данные должны быть представлены в ка- Типы данных 391 кой-либо особой форме. На уровне архитектуры набора команд используются различные типы данных.
Они описаны в этом разделе. Ключевым вопросом является вопрос о том, имеется ли аппаратная поддержка того или иного типа данных. Под аппаратной поддержкой подразумевается, что одна или несколько команд ожидают данные в определенном формате, и пользователь не может задействовать другой формат. Например, бухгалтеры привыкли писать знак «минус» у отрицательных чисел справа, а специалисты по вычислительной технике — слева. Предположим, что, пытаясь произвести впечатление на своего начальника, глава компьютерного центра в бухгалтерской фирме изменил все числа во всех компьютерах, чтобы знаковый бит был самым правым (а не самым левым). Несомненно, это произведет большое впечатление на начальника, поскольку все программное обеспечение откажется нормально функционировать. Аппаратное обеспечение требует определенного формата для целых чисел и не перестанет работать должным образом, если целые числа поступят в другом формате.
Теперь рассмотрим другую бухгалтерскую фирму, только что заключившую договор на проверку федерального долга (размера задолженности правительства США всем контрагентам). 32-разрядная арифметика здесь не подойдет, поскольку числа превышают значение 2з1 (около четырех миллиардов). Одно из возможных решений — использовать два 32-разрядных целых числа для представления каждого числа, то есть все 64 бита. Если машина не поддерживает такие числа удвоенной точности, все арифметические операции над ними должны выполняться программно, то есть эти две части могут располагаться в памяти в произвольном порядке, поскольку для аппаратного обеспечения это не важно.
Это— пример типа данных без аппаратной поддержки и, следовательно, без аппаратной реализации. В следующих подразделах мы рассмотрим типы данных, которые поддерживаются аппаратно и для которых требуются специальные форматы. Числовые типы данных Типы данных можно разделить на две категории: числовые и нечисловые. Среди числовых типов данных главными являются целые числа. Они бывают различной длины: обычно 8, 16, 32 и 64 бита. Целые числа применяются для подсчета различных предметов (например, позволяют узнать, сколько на складе отверток), для идентификации различных объектов (например, банковских счетов), а также для других целей.
В большинстве современных компьютеров целые числа хранятся в двоичном виде, хотя в прошлом использовались и другие системы. Двоичные числа обсуждаются в приложении А. Некоторые компьютеры поддерживают целые числа и со знаком, и без знака. В целом числе без знака нет знакового бита, и все биты содержат данные. Этот тнп данных имеет преимущество: у него есть дополнительный бит, поэтому 32-разрядное слово может содержать целое число без знака от 0 до 2зз-1 включительно. Двоичное целое число со знаком, напротив, может содержать числа только до 2з' — 1, но зато включает и отрицательные числа.
392 Глава 5. Уровень архитектуры набора команд Для выражения нецелых чисел (например, 3,5) используются числа с плаваюшей точкой. О них рассказывается в приложении Б. Их длина составляет 32, 64, а иногда и 128 бит. В большинстве компьютеров есть команды для выполнения операций с числами с плавающей точкой. Во многих компьютерах имеются отдельные регистры для целочисленных операндов и для операндов с плаваюшей точкой. Некоторые языки программирования, в частности СОВО)., допускают в качестве типа данных указывать десятичные числа.
Машины, предназначенные для программ на языке СОВО1., часто поддерживают десятичные числа аппаратно, обычно кодируя десятичный разряд четырьмя битами и затем объединяя два десятичных разряда в байт (двоично-десятичный формат). Однако результаты арифметических действий над такими десятичными числами будут некорректны, поэтому требуются специальные команды для коррекции десятичной арифметики. Эти команды должны контролировать перенос бита 3. Вот почему код условия часто содержит бит служебного переноса. Между прочим, проблема 2000 года возникла из-за программистов, пишуших на языке СОВО)., которые решили, что де1невле представлять год в виде двух десятичных разрядов, а не в виде 16-разрядного двоичного числа.
Нечисловые типы данных Хотя самые первые компьютеры работали в основном с числами, современные машины часто используются для выполнения нечисловых приложений, например, для обработки текстов или управления базами данных. Для этих приложений нужны другие, нечисловые, типы данных. Они часто поддерживаются командами уровня архитектуры набора команд.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
