Микропроцессорная техника

1. Арифметико-логическое устройство микропроцессора. Назначение, функции, основные технические характеристики

В общем случае многофункциональное АЛУ включает операционную часть (ОУ) и устройство управления (УУ), которое осуществляет вторичную дешифрацию кода команды и определяет выполняемую в АЛУ операцию.

Структура АЛУ:

Набор выполняемых в АЛУ операций должен обладать функциональной полнотой. Чтобы обеспечить функциональную полноту достаточно четырех операций:

· обращение к памяти для записи / чтения данных;

· инкремент / декремент;

· сравнение (реализует возможность условного перехода);

· останов работы устройства.

В первых процессорах количество операций ограничивалось шестнадцатью, теперь достигает нескольких сотен.

Количество выполняемых операций является важной характеристикой АЛУ.

Классификация АЛУ

АЛУ можно классифицировать по ряду признаков, приведенных ниже.

Классификация по способу представления данных:

· с фиксированной запятой;

· с плавающей запятой.

Классификация по способу действия над операндами:

· последовательные АЛУ, где каждая операция выполняется последовательно над каждым разрядом;

· параллельные АЛУ, операция выполняется над всеми разрядами данных одновременно;

· последовательно — параллельные АЛУ, где слово данных делится на слоги, обработка данных ведется параллельно над разрядами слога и последовательно над слогами.

Классификация по использованию систем счисления:

· двоичная;

· двоично-десятичная;

· восьмеричная;

· шестнадцатеричная;

· и т. д.

Классификация по характеру использования элементов и узлов:

· блочные — для выполнения отдельных арифметических операций в структуру АЛУ вводят специальные блоки, что позволяет процесс обработки информации вести параллельно;

· конвейерные — в конвейерных АЛУ операция разбивается на последовательность микроопераций, выполняемых за одинаковые промежутки времени (такты) на разных ступенях конвейера, что позволяет выполнять операцию над потоком операндов каждый такт;

· многофункциональные — это универсальные АЛУ, выполняющие множество операций в одном устройстве. В таких АЛУ требуется настройка на выполнение данной операции при помощи кода операции.

Классификация по временным характеристикам.

По временным характеристикам АЛУ делятся на:

· синхронные — в синхронных АЛУ каждая операция выполняется за один такт.

· асинхронные — не тактируемые АЛУ, обеспечивающие высокое быстродействие, так как выполняются на комбинационных схемах.

Классификация по структуре устройства управления:

· АЛУ с жесткой логикой устройства управления;

· АЛУ с микропрограммным управлением.

Основные функции и характеристики АЛУ

Современные АЛУ выполняют:

· функции двоичной арифметики для данных в формате с фиксированной точкой;

· функции двоичной арифметики для данных в формате с плавающей точкой;

· функции арифметики двоично-десятичного представления данных;

· логические операций (в том числе сдвиги арифметические и логические);

· операции пересылки данных;

· работу с символьными данными;

· работу с графическими данными.

Основные характеристики АЛУ:

Основные характеристики АЛУ можно разделить на количественные и качественные.

Количественные характеристики:

Количественные характеристики определяют скорость выполнения операций, время выполнения одной операции, точность представления данных, количество выполняемых операций.

Среднюю скорость выполнения операций Vср. в АЛУ можно определить как отношение N (T) — количества операций, выполненных за отрезок времени Т к данному отрезку времени:

Vср = N (T)/T

Среднее время, которое АЛУ тратит на выполнение операции равно:

Tср = 1/Vср

Точность представления данных в АЛУ зависит от разрядной сетки АЛУ и выбранного формата данных.

Качественные характеристики АЛУ:

К качественным характеристикам АЛУ относятся:

· структурные особенности АЛУ;

· форматы представления данных (с фиксированной или плавающей точкой);

· способы кодирования данных.

2. Организация системы ввода/вывода микро ЭВМ

Можно выделить два характерных принципа построения систем ввода-вывода: ЭВМ с одним общим интерфейсом и ЭВМ с множеством интерфейсов и процессорами (каналами) ввода-вывода.

Структура с одним общим интерфейсом: структура с одним общим интерфейсом предполагает наличие общей шины, к которой подсоединяются все модули, в совокупности образующие ЭВМ: процессор, оперативная и постоянная память и периферийные устройства. В каждый данный момент через общую шину может происходить обмен данными только между одной парой присоединенных к ней модулей. Таким образом, модули ЭВМ разделяют во времени один общий интерфейс, причем процессор выступает как один из модулей системы.

Периферийные устройства подсоединяются к общей шине с помощью блоков управления периферийными устройствами (контроллеров), осуществляющих согласование форматов данных периферийных устройств с форматом, принятым для передачи по общей шине.

Если в периферийном устройстве операции ввода — вывода производятся для отдельных байт или слов, то используется программно-управляемая передача данных через процессор и под его управлением. Конструкция контроллера при этом сильно упрощается.

Для периферийных устройств с поблочной передачей данных (ЗУ на дисках, лентах и др.) применяется прямой доступ к памяти и контроллеры ПДП.

При общем интерфейсе аппаратура управления вводом-выводом рассредоточена по отдельным модулям ЭВМ. Процессор при этом не полностью освобождается от управления операциями ввода-вывода. Более того, на все время операции передачи данных интерфейс оказывается занятым, а связь процессора с памятью блокированной.

Интерфейс с общей шиной применяется только в малых и микро-ЭВМ, которые имеют короткое машинное слово, небольшой объем периферийного оборудования и от которых не требуется высокой производительности.

Структура с каналами ввода-вывода: структура системы с процессорами (каналами) ввода-вывода применяется в высокопроизводительных ЭВМ. В таких ЭВМ система ввода-вывода строится путем централизации аппаратуры управления вводом-выводом на основе применения программно-управляемых процессоров (каналов) ввода-вывода. Обмен информацией между памятью и периферийным устройством осуществляется через канал ввода-вывода.

Каналы ввода — вывода полностью освобождают процессор от управления операциями ввода-вывода.

В вычислительной машине с каналами ввода-вывода форматы передаваемых данных неоднородны, поэтому неоходимо использовать в ЭВМ несколько специализированных интерфейсов.

Можно выделить 4 типа интерфейсов: интерфейс основной памяти, интерфейс процессор-каналы, интерфейсы ввода-вывода, интерфейсы периферийных устройств (малые интерфейсы).

Через интерфейс основной памяти производится обмен информацией между памятью, с одной стороны, и процессором и каналами — с другой.

Интерфейс процессор-каналы предназначается для передачи информации между процессорами и каналами ввода-вывода.

Через интерфейс ввода-вывода происходит обмен информацией между каналами и блоками управления периферийных устройств.

Интерфейс периферийного устройства служат для обмена данными между периферийным устройством и его блоком управления. Унификации малые интерфейсы не поддаются, так как ПУ весьма разнообразны по принципу действия, используемым форматам данных и сигналам.

3. Реальный режим работы МП

логический микропроцессор арифметический Реальный режим (или режим реальных адресов) — это название было дано прежнему способу адресации памяти после появления процессора 80 286, поддерживающего защищённый режим. Но только с появлением процессора 80 386 можно говорить о защищённом режиме в современном понимании, так как в процессоре 80 286 нет страничной адресации памяти.

Описание: в реальном режиме при вычислении линейного адреса, по которому процессор собирается читать содержимое памяти или писать в неё, сегментная часть адреса умножается на 16 (или, что-то же самое, сдвигается влево на 4 бита) и суммируется со смещением (если процессору передаётся не полный адрес из двух 16-битных значений — сегмента и смещения, — а только 16-битное смещение, то сегмент берётся из одного из сегментных регистров). Таким образом, адреса 0400h:0001h и 0000h:4001h ссылаются на один и тот же физический адрес, так как 400hЧ16+1 = 0Ч16+4001h.

Такой способ вычисления физического адреса позволяет адресовать 1 Мб + 64 Кб? 16 байт памяти (диапазон адресов 0000h…10FFEFh). Однако в процессорах 8086/8088 всего 20 адресных линий, поэтому реально доступен только 1 мегабайт (диапазон адресов 0000h… FFFFFh), а при адресации выше (в диапазоне 10 0000h…10FFEFh) происходит «заворот» — старший единичный бит адреса игнорируется и происходит обращение к 64 килобайтам в начальных адресах (0000h…FFEFh).

Процессор 80 286 имеет 24-битную адресную шину (возможна адресация 2²⁴ = 16 Мб памяти), поэтому в них переполнения не происходит. Компьютеры IBM PC/AT построены на процессоре Intel 80 286, но, из соображений совместимости с IBM PC и IBM PC/XT, построенных на Intel 808x, в них был введён логический элемент (вентиль), управляющий работой 21-го адресного провода (A20). Этот логический элемент, получивший название «Gate A20», по умолчанию отключен, что соответствует режиму совместимости, но управляется через контроллер клавиатуры (микросхема Intel 8042).

Использование: После подачи сигнала сброса или включения питания процессор начинает работу в реальном режиме; в этом режиме начинается исполнение BIOS IBM PC-совместимого компьютера. В реальном режиме может быть выполнена инициализация части аппаратуры (например, контроллер ОЗУ чипсета), которая необходима для работы программ после переключения в защищённый режим.

Если размеры кода и данных программы невелики, она может целиком исполняться в реальном режиме. Так, например, DOS использует реальный режим, как основной, и сама не пытается перевести процессор в защищённый режим, предоставляя это пользовательским программам. Ранние версии Microsoft Windows могли работать только в реальном режиме. Даже Windows 3.0, среди трёх режимов работы, предусматривала запуск в реальном режиме и могла выполняться на 8086.

Процессоры 80 286 и более поздние, работая в реальном режиме, в основном, сохраняют те же ограничения на размер адресного пространства, что и 8086. Для использования большего объёма памяти программам, разработанным для реального режима, необходимы специальные средства. На машинах с процессором 80 286 и выше, можно, например, использовать драйверы вроде HIMEM.SYS. Есть также средства, предоставляемые недокументированной командой LOADALL (что, однако, сопряжено с целым рядом трудностей). Начиная с 80 386 появилась опять же не документированная фирмой Intel возможность перевести процессор в режим, неофициально называемый «Unreal mode», позволяющий, хоть и с некоторыми ограничениями, использовать 32-битное физическое адресное пространство (4 Гбайт).

Несмотря на то, что Intel не предусмотрела возврат процессора 80 286 из защищённого в реальный режим, компьютер IBM PC/AT имеет такую возможность, благодаря аппаратным особенностям и BIOS. Так, в нём предусмотрена программная подача сигнала сброса на процессор. BIOS также может различать причины / режимы перезапуска, анализируя содержимое ячейки памяти 40h:72h и байта по адресу 0Fh в конфигурационной памяти (CMOS). Поэтому можно заставить BIOS не выполнять начальную загрузку, оставить содержимое ОЗУ тем же, что и до сброса, а управление передать по адресу, помещённому в ячейку 40h:67h. Таким образом программа может многократно переключаться между защищённым и реальным режимами, хотя этот способ требует сравнительно большого расхода времени на каждое переключение.

Возможность «нормального», без ухищрений, программного возврата в реальный режим была предусмотрена Intel только в процессорах 80 386 и выше. Однако в 80 386 большую ценность имеет другая новая возможность — Режим виртуального 8086 (V86, VM86). При этом программы получают возможность использовать как бы прежний способ адресации 8086, в то время как процессор находится в защищённом режиме, а линейный адрес, вычисленный по правилам 8086, подвергается страничной трансляции. Режим V86 позволил создавать виртуальные машины. Операционная система может ограничить доступ к той или иной области памяти (см. Защита памяти) для каждой виртуальной машины, выделять для них виртуальную память вместо реальной физической и контролировать обращения к портам ввода-вывода. Всё это используется для организации работы DOS внутри многозадачных систем вроде OS/2 и Microsoft Windows. При этом каждой виртуальной DOS-машине доступен только 1 мегабайт адресного пространства, но их может быть запущено одновременно большое количество.

1. Бабич Н. П., Жуков И. А. Компьютерная схемотехника. Методы построения и проектирования: Учебное пособие. — К.: «МК-Пресс», 2004

2. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 4-е изд. — СПб.: Питер, 2005. — (Серия «Классика computer science»).

3. Зубков С. В. Assembler для DOS, Windows и UNIX. — 3-е издание, — М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2004

4. Цилькер Б. Я. Организация ЭВМ и систем. — СПб.: Питер, 2004.

5. Жмакин А. П. Архитектура ЭВМ. — СПб.: БХВ-Петербург, 2006

6. Чепурной В. Устройства хранения информации. — СПб.: БХВ-Петербург, 1998