1. Поколения вычислительных машин. 5

• Название: 1. Поколения вычислительных машин. 5
• Дата: 30.05.2022
• Размер: 2.93 Mb.
• Имя файла: ovs_voprosy.docx
• Тип: Документы; #557969
• страница: 4 из 38

7.Общая структура центрального процессора.

Процессор или микропроцессор (МП) – это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких больших интегральных схемах (БИС) с высокой степенью интеграции электронных элементов.



Главными структурными компонентами процессора являются арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство (или узел) управления (УУ).

На АЛУ возлагается функция арифметической и логической обработки данных (преобразования информации).

УУ является функционально наиболее сложным устройством процессора – оно управляет потоком данных и команд, поступающих в процессор и выходящих из него, а также порядком выполнения операций в АЛУ.

Внутренняя магистраль (шина) процессора предназначена для взаимодействия компонентов процессора, в первую очередь, для передачи данных между АЛУ и набором регистров.

Устройство управления системной магистралью предназначено для связи и согласования процессора с системной магистралью компьютера.

Набор регистров (другие названия – микропроцессорная память, внутренняя память процессора и т. д.) представляет собой память самого верхнего уровня в иерархии запоминающих устройств; предназначен для временного хранения адресов, данных, результатов операций, управления ходом выполнения операций в процессе функционирования процессора.

Программно-доступные регистры доступны при программировании на машинном языке или на языке ассемблера; позволяют программисту минимизировать обращение к оперативной памяти и использовать их для хранения промежуточных результатов. В свою очередь, эти регистры можно разделить на четыре категории:

– регистры общего назначения (или универсальные регистры) используются для спецификации любого операнда в любой машинной команде;

– регистры данных используются для хранения операндов и результатов (не используются при вычислении исполнительного адреса);

– регистры адреса могут быть в определенной степени универсальными или предназначаться только для определенного режима адресации. К регистрам адреса относят следующие регистры – указатель сегмента, индексные регистры, указатель стека;

– регистры кодов условий хранят однобитовые коды условий, называемые флагами. Большинство флагов устанавливаются процессором в зависимости от значения результата последней выполненной арифметической или логической операции. Эти флаги используются при выполнении команд условного перехода.

Регистры управления и состояния используются для управления функционированием процессора. К этим регистрам иногда могут иметь доступ специальные привилегированные команды, которые используются только в программах операционной системы. Основные типы регистров управления и состояния содержат:

– счетчик команд – адрес извлекаемой машинной команды;

– регистр текущей команды – последнюю извлеченную машинную команду;

– регистр адреса в памяти – адрес ячейки памяти;

– регистр данных памяти – слово данных, которое должно быть записано в память, или слово, только что извлеченное из памяти.

8.Структура типового микропроцессора

Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рис. 2.1 Такая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации. 

Рис. 2.1. Архитектура типового микропроцессора.

Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется 16-разрядная адресная шина (ША), которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-разрядной информационной шине или шине данных (ШД) осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что МП может посылать информацию в память микроЭВМ или к одному из портов вывода, а также получать информацию из памяти или от одного из портов ввода.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую программу (на практике программу инициализации ЭВМ). Программы могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.

В качестве примера, иллюстрирующего работу микроЭВМ, рассмотрим процедуру, для реализации которой нужно выполнить следующую последовательность элементарных операций: 
1. Нажать клавишу с буквой "А" на клавиатуре. 
2. Поместить букву "А" в память микроЭВМ. 
3. Вывести букву "А" на экран дисплея.

Это типичная процедура ввода-запоминания-вывода, рассмотрение которой дает возможность пояснить принципы использования некоторых устройств, входящих в микроЭВМ.



На рис. 2.2 приведена подробная диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода. Обратите внимание, что команды уже загружены в первые шесть ячеек памяти. Хранимая программа содержит следующую цепочку команд: 
1. Ввести данные из порта ввода 1. 
2. Запомнить данные в ячейке памяти 200. 
3. Переслать данные в порт вывода 10. 



Рис. 2.2. Диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода.

В данной программе всего три команды, хотя на рис. 2.2 может показаться, что в памяти программ записано шесть команд. Это связано с тем, что команда обычно разбивается на части. Первая часть команды 1 в приведенной выше программе - команда ввода данных. Во второй части команды 1 указывается, откуда нужно ввести данные (из порта 1). Первая часть команды, предписывающая конкретное действие, называется кодом операции (КОП), а вторая часть - операндом. Код операции и операнд размещаются в отдельных ячейках памяти программ. На рис. 2.2 КОП хранится в ячейке 100, а код операнда - в ячейке 101 (порт 1); последний указывает откуда нужно взять информацию.

В МП на рис. 2.2 выделены еще два новых блока - регистры: аккумулятор и регистр команд.

Рассмотрим прохождение команд и данных внутри микроЭВМ с помощью занумерованных кружков на диаграмме. Напомним, что микропроцессор - это центральный узел, управляющий перемещением всех данных и выполнением операций.

Итак, при выполнении типичной процедуры ввода-запоминания-вывода в микроЭВМ происходит следующая последовательность действий: 
1. МП выдает адрес 100 на шину адреса. По шине управления поступает сигнал, устанавливающий память программ (конкретную микросхему) в режим считывания. 
2. ЗУ программ пересылает первую команду ("Ввести данные") по шине данных, и МП получает это закодированное сообщение. Команда помещается в регистр команд. МП декодирует (интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нужен операнд. 
3. МП выдает адрес 101 на ША; ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания. 
4. Из памяти программ на ШД пересылается операнд "Из порта 1". Этот операнд находится в программной памяти в ячейке 101. Код операнда (содержащий адрес порта 1) передается по ШД к МП и направляется в регистр команд. МП теперь декодирует полную команду ("Ввести данные из порта 1"). 
5. МП, используя ША и ШУ, связывающие его с устройством ввода, открывает порт 1. Цифровой код буквы "А" передается в аккумулятор внутри МП и запоминается.Важно отметить, что при обработке каждой программной команды МП действует согласно микропроцедуре выборки-декодирования-исполнения. 
6. МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания. 
7. Код команды "Запомнить данные" подается на ШД и пересылается в МП, где помещается в регистр команд. 
8. МП дешифрирует эту команду и определяет, что для нее нужен операнд. МП обращается к ячейке памяти 103 и приводит в активное состояние вход считывания микросхем памяти программ. 
9. Из памяти программ на ШД пересылается код сообщения "В ячейке памяти 200". МП воспринимает этот операнд и помещает его в регистр команд. Полная команда "Запомнить данные в ячейке памяти 200" выбрана из памяти программ и декодирована. 
10. Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пересылает адрес 200 на ША и активизирует вход записи, относящийся к памяти данных. 
11. МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в память данных. Код буквы "А" передается по ШД и записывается в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая команда. Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем по-прежнему находится код буквы "А". 
12. МП обращается к ячейке памяти 104 для выбора очередной команды и переводит память программ в режим считывания. 
13. Код команды вывода данных пересылается по ШД к МП, который помещает ее в регистр команд, дешифрирует и определяет, что нужен операнд. 
14. МП выдает адрес 105 на ША и устанавливает память программ в режим считывания. 
15. Из памяти программ по ШД к МП поступает код операнда "В порт 10", который далее помещается в регистр команд. 
16. МП дешифрирует полную команду "Вывести данные в порт 10". С помощью ША и ШУ, связывающих его с устройством вывода, МП открывает порт 10, пересылает код буквы "А" (все еще находящийся в аккумуляторе) по ШД. Буква "А" выводится через порт 10 на экран дисплея.

В большинстве микропроцессорных систем (МПС) передача информации осуществляется способом, аналогичным рассмотренному выше. Наиболее существенные различия возможны в блоках ввода и вывода информации.

Подчеркнем еще раз, что именно микропроцессор является ядром системы и осуществляет управление всеми операциями. Его работа представляет последовательную реализацию микропроцедур выборки-дешифрации-исполнения. Однако фактическая последовательность операций в МПС определяется командами, записанными в памяти программ.

Таким образом, в МПС микропроцессор выполняет следующие функции: 
- выборку команд программы из основной памяти; 
- дешифрацию команд; 
- выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах; 
- управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода; 
- отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств; 
- управление и координацию работы основных узлов МП.