Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) (стр. 6 )

В этом случае используется трёхступенчатый конвейер и для того, чтобы обеспечить синхронизацию, т. е. выполнять операцию сложения в тот момент времени, когда готовы все операнды для её выполнения, вводится пустая операция NOP. Эта структура позволяет повысить быстродействие почти в 3 раза. Однако максимального быстродействия не достигается из-за того, что в командах ветвления необходимо введение дополнительной команды MOP для обеспечения синхронизации.

Конвейерный режим функционирует в системах оптимально только тогда, когда все фазы имеют одинаковую длину. Обычно фаза Е длиннее фазы I. Поэтому её разбивают на две Е1 и Е2. Е1 – это считывание информации из регистрового файла; Е2 – выполнение операции в АЛУ и запись результата в регистровый файл.

Эти две операции практически одинаковы по своей длине.

М®А Загрузка	I	E1	Е2	D
М®В Загрузка		I	E1	Е2	D
А+В=С Сложить				I	E1	Е2
С®М Запомнить					I	E1	Е2	D
Х Ветвление						I	E1	Е2
NOP							I	E1	Е2

Этот конвейер четырёхступенчатый, однако “длительность” каждой ступени минимальна, поэтому этот конвейер обладает большим быстродействием.

Оптимизация конвейерного режима в условиях ветвления.

	Обычное ветвление	Отложенное ветвление	Оптимальное ветвление
100	LOAD X:A	LOAD X:A	LOAD X:A
101	ADD 1:A	ADD 1:A	JMP 105
102	JMP 105	JMP 106	ADD 1, A
103	ADD A, B	NOP	ADD A, B
104	SUB C, B	ADD A, B	SUB C, B
105	STORE A, Z	SUB C, B	STORE
106	Конвейер отсутствует	STORE A, Z

Перестановка команд эффективна только в тех случаях, когда имеет место безусловный переход, вызов им возврата из подпрограммы. В тех случаях, когда необходимо осуществить условный переход перестановки команд не допустимы, т. е. в этом случае может быть использовано только отложенное ветвление.

В настоящее время есть 2 направления в RISC процессор (RISC 1 и 2 университет Беркли) и процессор R-2000, R-3000.

В RISC 1и 2 обращение осуществляется только к операндом, хранящимся в регистрах АЛУ выполняются следующие команды:

1)  целочисленное сложение с переносом или нет.

2)  Целочисленные вычитатели с заёмом или нет.

3)  Логические операции И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ над битами.

4)  Логический сдвиг влево, вправо и арифметический сдвиг вправо.

Все команды могут формировать 4 кода условия:

1 – нулевой результат

2 – отрицательный результат

3 – переполнение

4 – перенос.

Процессоры представляются с 32-разрядным числом в дополнительном коде и имеется 2 способа адресации регистров и со смещением.

Регистровый файл содержит 138 регистров + 9 глобальных регистров. Регистровый файл (РФ) представляет собой кольцо. Для определённой процедуры доступно 22 регистра и 9 глобальных регистров. Конвейерный режим для RISC1 – двухступенчатый, а RISC2 – трёхступенчатый; команда исполнения разбита на 2 этапа.

R-2000. центральный регистр имеет 32 регистра по 32 разряда в каждом, быстродействующую КЭШ 128 Кбайт. Половина этого КЭШ – команды, а другая – данные. Компилятор осуществляет оптимизацию регистров для каждой процедуры. В этой системе команда условий не используется. Если необходимо использовать коды условий, то есть универсальный регистр. Все команды исполняются за один машинный такт. Имеется пятиступенчатый конвейер, который включает:

-  выборку команды;

-  выборку исходного операнда из регистрового файла;

-  выполнение операции в АЛУ;

-  обращение к памяти данных;

-  запись результата в регистровый файл.

Обзор микропроцессоров (МП)

1. 8-разрядная МП.

Intel 8г.), Zг.), МС6г.)

Стандартная архитектура:

Длина слова – 8 бит

Адресное пространство 64 кБ

Наличие операционного блока с аккумулятором

 

АДРЕС

КОП

Из двух операндов, поступающих в АЛУ, один операнд обязательно хранится в АС, в качестве второго операнда используется операнд, считываемый из основной памяти или РОН. Т. е. формат команды имеет вид:

В МС6800 РОН отсутствует.

Регистровые структуры:

I-8080/85

Все регистры 8-разрядные. Группы 16-разрядные для того чтобы формировать адреса. Формирование адреса следующей команды обеспечивается на том же вычислительном устройстве, что и обработка операндов.

МС6800

Эта структура снабжена двумя аккумуляторами А и В.

R

I

Z80

Операции и флаги

8-разрядные МП обеспечивают: сложение, вычитание, приращение (+1), уменьшение (-1), сравнение, логические операции (И, ИЛИ, НЕ и др.), сдвиг. Умножение и деление только программным образом.

Флаговый регистр:

Z - результат

N -

S -

AC – при возникновении переполнения

Способы адресации:

1.  регистровый

2.  непосредственный

3.  абсолютный

4.  регистровая последовательность операций

5.  отношение адресации по базе

6.  отношение адресации с использованием программного счётчика.

Прерывания:

Наличие прерывание анализируется только после завершения программы. В процессоре имеется аппаратная поддержка прерывания. В стековую область заносятся содержимое программы счётчика и регистрового файла. Указатель стека указывает сколько прерываний было совершено. В этих процессорах применяются два вида прерывания - маскируемое и немаскируемое.

Структура шины

 

 

8080

READY – готовность – этот сигнал говорит о том, что информация, которую выдаёт внешнее устройство (ВУ) готова к приёму процессором (в тех случаях, если информация не готова процессор пропускает один так и опрашивает по новому этот сигнал).

WAIT – этот сигнал указывает, что процессор находится в состоянии ожидания.

HOLD – захват – это вход сигнала запроса внешней магистрали. Запрос удовлетворяется после завершения очередного цикла.

HLDA – подтверждение захвата – выход подтверждения получения запроса захвата магистрали.

INT – запрос прерывания. Запрос принимается в конце текущей команды.

INTE – говорит о том, что запрос получен. По этому сигналу ВУ устанавливает вектор прерывания, после которого следует цикл формирования адреса программы обслуживающей прерывание.

DWIN – если выход в активном состоянии (“1”), то шина данных находится в состоянии приёма.

WR – сигнал указывает, что на шине находятся данные из процессора.

Ф0, Ф1 – тактовые частоты.

6800

INT – запрос прерывания. По этому прерыванию процессор проверяет наличие маски и, если маскирования нет, то входит в программу обработки прерывания.

NMI – немаскируемое прерывание (не проверяется на наличие маски).

HLT – останов – после выполнения очередной команды восстанавливает входные действия. На выходе ВА появляется высокий уровень, говорящий о том, что шина адреса и данный сбой, т. е. все шины в третьем состоянии.

TSC – по этому сигналу все шины принудительно переводятся в третье состояние.

DBE – по этому сигналу после завершения команды шина данных переводится в третье состояние.

BA – сообщение ВУ, что адресная шина свободна.

VMA – говорит о том, что по данному адресу происходит обращение к памяти.

RD/WR - чтение и запись информации.

Z-80

HALT – сигнал останова – указывает, что центральный процессор ожидает появления либо немаскируемого, либо маскируемого прерывания, при этом состояние процессорного элемента сохранено в стековой области памяти.

RFSH – этот сигнал указывает на то, что на шине адреса сформировано 7 младших разрядов для обеспечения регенерации памяти.

BUSRQ – запрос шины. Имеет более высокий приоритет, чем INT и всегда опрашивается после завершения команды. Используется для организации режима ПДП, переводит все шины в третье состояние.

BUSACK - сигнал-подтверждение перевода шин в третье состояние.

М1 – машинный цикл. Низкий уровень на этом выводе указывает, что в данный момент времени осуществляется чтение кода операции.

WAIT – высокий уровень на этой магистрали указывает на то, что ВУ находится в активном состоянии, но данные ещё не готовы.

Микропроцессорный комплект К-580

580 ИК80 – сам процессорный элемент

580 ИК55 – программный параллельный интерфейс, который является УВВ и обеспечивает параллельную обработку входной информации.

580ИК51 – программирует последовательный интерфейс. Обеспечивает полную временную передачу информации по последовательному каналу, а также приём информации, а передача в процессор – по…

580ВМ59 – программируемый контроллер предполагает приём запросов прерываний, ранжирование их по уровню приоритета, формирование вектора прерывания, по которому процессор определяет адрес программы, обслуживающей прерывание.

580ВИ53 – программируемый таймер (в нём три таймера). Точность зависит от времени реакции на прерывание.

580ГФ24 – генератор тактовых сигналов.

580ВИ57 – контроллер прямого доступа в память.

580ВК28 – системный контроллер – приём информации от процессорного элемента и формирование соответствующих сигналов для ВУ, пропуская через себя все управляющие сигналы и шину данных.

Структура микропроцессорной системы на базе Intel 808

 

Эта схема почти принципиально электрическая. Не хватает селектора для выбора нужного периферийного устройства, т. к. ПЗУ, ОЗУ,…может быть несколько блоков, чтобы охватить все адресные пространства.

ПА – периферийный адаптер – под ним можно понимать всё J. В них записывается информация, а со следующим тактом вынимается, но для этого это устройство нужно сориентировать нужным образом. Это производится либо программно, либо аппаратно. Сигнал чтения может выступать также одновременно с сигналом выбора устройства (сигнал С).

Эта структура обеспечивает работу со всеми элементами вычислительной системы (ВС), которые находятся в адресном пространстве от 0 до FFFF. Системный адаптер 580ВК28 обеспечивает формирование всех сигналов, обеспечивающих чтение и запись информации из внешних устройств (ВУ). В этой структуре вышеуказанные сигналы служат управляющими сигналами. Синхронизация работы всех ВУ осуществляется тактовой частотой Ф2. все временные диаграммы в литературе нарисованы относительно этой частоты.

ZX-SPECTRUM

Распределение памяти:

 

В этой структуре используется полупрозрачная память.

 

Идея: - тактовая частота, с которой переключается

MS, но “1” отданы У. П., а “0” – КОИ.

В моменты (1) записывается информация в 1 RG, а в моменты (2) – в RG 2. Благодаря этому УП не знает о существовании КОИ и наоборот.

Шестнадцатиразрядные процессоры

Intel 8086

Z-

M68000

Intel 80186

Есть также подкласс Intel 8088 (XT).

Второе поколение: М68010

Z8003

Стандартная архитектура: 16-битное адресное пространство. 20-24 разрядов. Операторы обладают 64 разрядами. В их состав входит деление и дополнительные команды. М68000 – раздельные шины адресов и данных, а в остальных совмещенные.

Внутри процессора имеются 2 внутрисистемных шины.

 

В этой структуре отсутствует специальный регистр, называемый аккумулятором (АС). В качестве операндов могут быть использованы числа, хранящиеся в любом регистровом операнде. Одним из операндов может быть число, хранящееся в ОЗУ. Результат операции может быть помещён либо в РОН, либо в ОЗУ. Это связано с тем, что для адресации к памяти требуется полное слово, а для адресации к регистрам – хватит 4-х разрядов.

Адресное пространство

Используется линейная и сегментная адресация. Это разбиение связано с тем, что АЛУ 16-разрядное, а АП 20-24-х разрядное.

-  адрес хранится в 32-разрядном регистре и обрабатываются на сумматорах с удвоенной разрядной точностью;

-  адрес как бы состоит из двух частей – из адреса сегмента и адреса информации внутри сегментов, т. е. всё адресное пространство (АП) делится на множество сегментов. Т. к. Представляет 20 и более разрядов, АЛУ – 16-разрядное, то, то размер сегмента не превышает 64 К.

Операционный блок (ОП)

ОП, формирующий адрес следующей команды.

Motorola

Кроме АЛУ имеет ОП, включающий в себя 2 шестнадцатиразрядных сумматора для формирования адреса следующей команды. Информация об адресе хранится в 32-разрядных регистрах, а выдаётся на выход 24-разрядным числом. Адресация линейная.

Intel 8080

Используется сегментная адресация. В качестве номера сегмента используется базовый адрес и смещение внутри этого сегмента.

Основные функции операционной системы (ОС)

Программы, используемые для обработки информации, называются прикладными программами (ПП) или прикладным ПО. Для функционирования ПП необходимо поместить её в соответствующую область памяти, а затем выполнить её, используя команду безусловного перехода. Под управлением ОС работает совокупность программ, которые обеспечивают работу всех периферийных устройств вычислительной системы и основной прикладной программы. ОС имеет два режима работы – это системный режим (СР) и пользовательский режим (ПР).

ОС функционирует в СР на что указывает бит регистра состояния. При переходе в пользовательский режим, бит состояния… .Основная память разделена на системную и область пользователя, что предотвращает доступ из одной в другую. Каждая область имеет свой стек. Поэтому в микропроцессоре используется два указателя стека.

Устройство управления памятью (УУП)

УУП предназначено для хранения адресов сегментов и перевода логических адресов памяти в физические адреса.

Защита памяти.

В составленной программе, как правило, имеются ошибки. Ошибочный переход к области данных или программ может привести к их уничтожению. Особенно это страшно, когда идёт переход к ОС. Для предотвращения таких ситуаций предусмотрена защита памяти, а для её осуществления открывается базовый адрес, его сегмент и…

В том случае, если величина смещения превышает размеры сегмента, то считается, что имеет место ошибка памяти.

Атрибуты сегментов:

1.  разделение на системную область и область пользователя.

2.  разделение на область программы и область данных.

3.  в случае области программы разделена на доступные для чтения и доступные для записи и чтения.

4.  область данных – доступна для чтения и доступна для записи и чтения.

Режим	Содержание	Атрибут	Код атрибута
Система	Программы	Выполнение (только чтение)	000
Считывание (дополнительно запись)	001
Данные	Выполнение (только чтение)	010
Считывание (дополнительно запись)	011
Пользователь	Программы	Выполнение (только чтение)	100
Считывание (дополнительно запись)	101
Данные	Выполнение (только чтение)	110
Считывание (дополнительно запись)	111