Устройство микропроцессора. Контрольная работа устройство микропроцессора Пояснительная записка Студент группы ивб120 Ступин К. А
 Скачать 66.65 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (МИНОБРНАУКИ РОССИИ) федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» (РГАТУ имени П. А. Соловьева) Факультет радиоэлектроники и информатики Кафедра вычислительные системы КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА Устройство микропроцессора Пояснительная записка Студент группы ИВБ1–20 Ступин К.А. Руководитель канд. техн. наук, доцент Сизов П.В Рыбинск 2020 СодержаниеВведение………………………………………………………………………….3 1 Физическая структура микропроцессора……………………………………5 2 Операционная часть микропроцессора……………………………………...6 3 Интерфейсная часть микропроцессора…………………………………...11 Заключение……………………………………………………………………13 Список используемых источников………………………………………..…14 ВведениеМикропроцессор - это интегральная схема, сформированная на маленьком кристалле кремния. Кремний применяется в микросхемах в силу того, что он обладает полупроводниковыми свойствами: его электрическая проводимость больше, чем у диэлектриков, но меньше, чем у металлов. Кремний можно сделать как изолятором, препятствующим движению электрических зарядов, так и проводником - тогда электрические заряды будут свободно проходить через него. Микропроцессор содержит миллионы транзисторов, соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки данных. Так формируются внутренние шины. В результате микропроцессор выполняет множество функций – от математических и логических операций до управления работой других микросхем и всего компьютера. Один из главных параметров работы микропроцессора – частота работы кристалла, определяющая количество операций за единицу времени, частота работы системной шины, объем внутренней кэш-памяти SRAM. По частоте работы кристалла маркируют процессор. Частота работы кристалла определяется частотой переключений транзисторов из закрытого состояния в открытое. Возможность транзистора переключаться быстрее определяется технологией производства кремниевых пластин, из которых делаются чипы. Размерность технологического процесса определяет размеры транзистора (его толщину и длину затвора). Например, при использовании 90-нм техпроцесса, который был введен в начале 2004 года, размер транзистора составляет 90 нм, а длина затвора – 50 нм. Современные микропроцессоры – это самые быстрые и умные микросхемы в мире. Они могут совершать до 4 млрд. операций в секунду и производятся с использованием множества различных технологий. С начала 90-х годов 20 века, когда процессоры пошли в массовое использование они пережили несколько ступеней развития. В таблице 1 представлено развитие микропроцессоров с 1971 по 2000 года. Таблица 1 – Развитие микропроцессоров с 1971 по 2000 года
Апогеем развития микропроцессорных структур стал 2002 год, когда стало доступным использование всех основных свойств кремния для получения больших частот при наименьших потерях при производстве и создании логических схем. Сейчас же эффективность новых процессоров несколько падает, несмотря на постоянный рост частоты работы кристаллов. Все современные процессоры используют полевые транзисторы. Переход к новому техпроцессу позволяет создавать транзисторы с большей частотой переключения, меньшими токами утечки, меньших размеров. Уменьшение размеров позволяет одновременно уменьшить площадь кристалла, а значит и тепловыделение, а более тонкий затвор позволяет подавать меньшее напряжение для переключения, что также снижает энергопотребление и тепловыделение. 1 Физическая структура микропроцессораИз источника [1], физическая структура микропроцессора достаточно сложна. Ядро процессора содержит главный управляющий и исполняющие модули — блоки выполнения операций над целочисленными данными. К локальным управляющим схемам относятся: блок плавающей запятой, модуль предсказания ветвлений, модуль преобразования CISC-инструкций во внутренний RISC-микрокод, регистры микропроцессорной памяти (в МП типа VLIW до 256 регистров), регистры кэш памяти 1-го уровня (отдельно для данных и инструкций), шинный интерфейс и многое другое. Функционально МП можно разделить на две части: операционную часть, содержащую устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) и микропроцессорную память (МПП) (за исключением нескольких адресных регистров); интерфейсную часть, содержащую адресные регистры МПП; блок регистров команд — регистры памяти для хранения кодов команд, выполняемых в ближайшие такты; схемы управления шиной и портами. Обе части МП работают параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный анализ) выполняется во время выполнения операционной частью предыдущей команды. Современные микропроцессоры имеют несколько групп регистров в интерфейсной части, работающих с различной степенью опережения, что позволяет выполнять операции в конвейерном режиме. 2 Операционная часть микропроцессораИз источника [1],Устройство управления(УУ) является функционально наиболее сложным устройством ПК – оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шипам инструкций (КШИ) во все блоки машины. Упрощенная функциональная схема УУ представлена на рисунке 2.1.  Рисунок 2.1 – Упрощенная функциональная схема УУ - узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП) — устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП; - дешифратор операций — логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд КОП один из множества имеющихся у него выходов; - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропрограмм, храпит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК процедур операций обработки информации; импульс, но выбранному дешифратором операций в соответствии с КОП проводу считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов; - кодовые шипы данных, адреса и инструкций — часть внутренней интерфейсной шины микропроцессора. В общем случае УУ формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур: 1) Выборки из регистра-«счетчика адреса команды» МПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы; 2) Выборки из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд; 3) Расшифровки КОП и признаков выбранной команды; 4) Считывания из соответствующих расшифрованному КОП ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов), определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки; 5) Считывания из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях, и формирование полных адресов операндов; 6) Выборки операндов (по сформированным адресам) и выполнения заданной операции обработки этих операндов; 7) Записи результатов операции в память; 8) Формирования адреса следующей команды программы. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления, являющейся местным устройством управления Функциональная схема арифметико-логического устройства указана на рисунке 2.2.  Рисунок 2.2 – Функциональная схема арифметико-логического устройства - сумматор — вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова. - регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины: Регистр 1 (Рг1) имеет разрядность двойного слова, а Регистр 2 (Рг2) — разрядность слова. При выполнении операций в Рг1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции — результат; в Рг2 — второе число, участвующее в операции (по завершении операции информация в нем не изменяется). Регистр 1 может и принимать информацию с кодовых шин данных, и выдавать информацию на них; регистр 2 только получает информацию с этих шин. - схемы управления принимают, но кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ. АЛУ выполняет арифметические операции <<+», «-», «•» и <>> только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда, то есть только над целыми двоичными числами. Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами осуществляется с привлечением математического сопроцессора или по специально составленным программам. Микропроцессорная память (МПП) базового МП 8088 включает в себя четырнадцать 2-байтовых запоминающих регистров. У МП 80286 и выше имеются дополнительные регистры, например, у МП типа VLIW есть 256 регистров, из которых 128 – регистры общего назначения. У МП 80386 и выше некоторые регистры, в том числе и регистры общего назначения, – 4-байтовые (у МП Pentium есть и 8-байтовые регистры). Но в качестве базовой модели, в частности для языка программирования ассемблер и отладчика программ DEBUG, используется 14-регистровая система МПП. Все регистры можно разделить па четыре группы: - универсальные регистры: АХ, BX, CX, DX; - сегментные регистры: CS, DS, SS, ES; - регистры смещения: IP, SP, BP, SI, DI; - регистр флагов: FL. Универсальные регистры АХ, BX, CX, DX часто называют регистрами общего назначения — РОН. Каждый из них может использоваться для временного хранения любых данных, при этом можно работать с каждым регистром целиком, а можно отдельно и с каждой его половиной (регистры АН, ВН, СН, DH — старшие (Hight) байты, а регистры AL, BL, CL, DL — младшие (Low) байты соответствующих 2-байтовых регистров). В частности, каждый из универсальных регистров может использоваться и как специальный при выполнении некоторых конкретных команд программы: Сегментные регистры: CS, DS, SS, ES используются для хранения начальных адресов полей памяти (сегментов), отведенных и программах для хранения: - команд программы (сегмент кода — CS); - данных (сегмент данных — DS); - стековой области памяти (сегмент стека — SS); - дополнительной области памяти данных при межсегментных пересылках (расширенный сегмент — ES), поскольку размер сегмента в реальном режиме работы МП ограничен величиной 64 Кбайт. Регистры смещения: IP, SP, BP, SI, DI используются для хранения относительных адресов ячеек памяти внутри сегментов (смещений относительно начала сегментов): - регистр IP (Instruction Pointer) хранит смещение адреса текущей команды программы; а регистр SP (Stack Pointer) – смещение вершины стека (текущего адреса стека); - регистр ВР (Base Pointer) — смещение начального адреса поля памяти, непосредственно отведенного под стек; - регистры SI, DI (Source Index и Destination Index соответственно) предназначены для хранения адресов индекса источника и приемника данных при операциях над строками и им подобных. Регистр флагов: FL содержит условные одноразрядные признаки-маски или флаги, управляющие прохождением программы в ПК. Флаги работают независимо друг от друга и лишь для удобства они помещены в единый регистр. Всего в регистре содержится 9 флагов: 6 из них статусные, отражают результаты операций, выполненных в компьютере (их значения используются, например, при выполнении команд условной передачи управления — команд ветвления программы), а три других — управляющие, непосредственно определяют режим исполнения программы. 3 Интерфейсная часть микропроцессораИз источника [1], интерфейсная часть МП предназначена для связи и согласования МП с системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд. Интерфейсная часть включает в свой состав: - адресные регистры МПП; - узел формирования адреса (функционально в УУ); - блок регистров команд (БРК), являющийся буфером команд в МП (функционально в УУ); - внутреннюю интерфейсную шину МП; - схемы управления шиной и портами ввода-вывода. Некоторые из названных устройств, такие как узел формирования адреса и регистр команды, непосредственно выполняемой МП, функционально входят в состав устройства управления. Порты ввода-вывода – это пункты системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией с другими устройствами. Всего портов у МП может быть 65 536 (равно количеству разных адресов, которые можно представить числом формата слово). Каждый порт имеет адрес — номер порта; по существу, это адрес ячейки памяти, являющейся частью устройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера. Схема управления шиной и портами выполняет следующие функции: - формирование адреса порта или ячейки ОП и управляющей информации для них (переключение на прием или передачу и т. д.); - прием управляющей информации от порта или ячейки ОП, информации о их готовности и о их состоянии; - организация сквозного канала в системном интерфейсе для передачи данных между портом устройства ввода-вывода или ячейки ОП и МП. Схема управления шиной и портами для связи с портами и ячейками ОП использует кодовые шины инструкций, адреса и данных системной шины. При доступе к порту МП посылает сигнал по КШИ, который оповещает все устройства ввода-вывода, что адрес на КША является адресом порта (а не адресом ячейки ОП), а затем посылает и сам адрес порта. Устройство с совпадающим адресом порта дает ответ о готовности. После чего по КШД осуществляется обмен данными. Заключение Микропроцессоры на данный момент встраиваются практически во все электронные устройства современности, от персональных компьютеров до мобильных устройств. Такие простые вещи, которыми пользуются практически каждый человек, устроен сложнее, чем многие механизмы. Структуру микропроцессора можно разделить на две части, каждая из которых отвечает за свои функции. Операционная часть ответственна за сигналы и их формирование, а интерфейсная для связи и согласования данных, а также для предварительного анализа задач. Такая организация микропроцессора позволяет существенно повысить его эффективное быстродействие. Список использованных источников 1. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации // Физическая и структурная организация ПК: Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2006. С. 110-118. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||