В состав микропроцессора входят следующие устройства.
1. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.
2. Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера. Выполняет следующие основные функции:
o формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;
o формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;
o получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов.
тема 1 вопрос 21
основные функции микропроцессора. характеристики микропроцессора
МИКРОПРОЦЕССОРЫ. СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА И ЕГО ОСНОВНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
Микропроцессор — это центральный блок персонального компьютера, предназначенный
для управления работой всех остальных блоков и выполнения арифметических и
логических операций над информацией.
Микропроцессор выполняет следующие основные функции:
1. чтение и дешифрацию команд из основной памяти;
2. чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;
3. прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних
устройств;
4. обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних
устройств;
5. выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.
В состав микропроцессора входят следующие устройства.
1. Арифметикологическое устройство предназначено для выполнения всех
арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.
2. Устройство управления координирует взаимодействие различных частей
компьютера. Выполняет следующие основные функции:
o формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени
определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные
спецификой выполнения различных операций;
o формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и
передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;
o получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность
импульсов.
3. Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения,
записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в
ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на
регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера,
так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и
считывания информации, необходимую для эффективной работы
быстродействующего микропроцессора.
4. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими
устройствами компьютера. Включает в себя:
o внутренний интерфейс микропроцессора;
o буферные запоминающие регистры;
o схемы управления портами вводавывода и системной шиной. (Порт ввода
вывода — это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к
микропроцессору , другое устройство.)
К микропроцессору и системной шине наряду с типовыми внешними устройствами могут
быть подключены и дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие
и улучшающие функциональные возможности микропроцессора. К ним относятся
математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода
вывода, контроллер прерываний и др.
Математический сопроцессор используется для ускорения выполнения операций над
двоичными числами с плавающей запятой, над двоичнокодированными десятичными
числами, для вычисления тригонометрических функций. Математический сопроцессор
имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но подуправлением последнего. В результате происходит ускорение выполнения операций в
десятки раз. Модели микропроцессора, начиная с МП 80486 DX, включают
математический сопроцессор в свою структуру.
Контроллер прямого доступа к памяти освобождает микропроцессор от прямого
управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное
быстродействие компьютера.
Сопроцессор вводавывода за счет параллельной работы с микропроцессором значительно
ускоряет выполнение процедур вводавывода при обслуживании нескольких внешних
устройств, освобождает микропроцессор от обработки процедур вводавывода, в том числе
реализует режим прямого доступа к памяти.
Прерывание — это временный останов выполнения одной программы в целях оперативного
выполнения другой, в данный момент более важной. Контроллер прерываний обслуживает
процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств,
определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в
микропроцессор.
Все микропроцессоры можно разделить на группы:
1. микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;
2. микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;
3. микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;
4. микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и
весьма высоким быстродействием и др.
Важнейшими характеристиками микропроцессора являются:
1. тактовая частота. Характеризует быстродействие компьютера. Режим работы
процессора задается микросхемой, называемой генератором тактовых импульсов.
На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество
тактов. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций выполняет
микропроцессор за одну секунду. Тактовая частота измеряется в МГц;
2. разрядность процессора — это максимальное количество разрядов двоичного числа,
над которым одновременно может выполняться машинная операция. Чем больше
разрядность процессора, тем больше информации он может обрабатывать в единицу
времени и тем больше, при прочих равных условиях, производительность
компьютера;
Общая структура МПС
Микропроцессор центральная часть любой микропроцессорной системы (МПС)
включает в себя АЛУ и ЦУУ, реализующее командный цикл. МП может функционировать
только в составе МПС, включающей в себя, кроме МП, память, устройства ввода/вывода,
вспомогательные схемы (тактовый генератор, контроллеры прерываний и ПДП, шинные
формирователи, регистрызащелки и др.). В любой МПС можно выделить следующие
основные части (подсистемы) : • процессорный модуль; • память; • внешние устройства
(внешние ЗУ + устройства ввода/вывода); • подсистему прерываний; • подсистему прямого
доступа в память. Связь между процессором и другими устройствами МПС может
осуществляться по принципам радиальных связей, общей шины или комбинированным
способом. В однопроцессорных МПС, особенно 8 и 16разрядных, наибольшее
распространение получил принцип связи "Общая шина", при котором все устройства
подключаются к интерфейсу одинаковым образом (Рис.1.1).Вс
е сигналы интерфейса делятся на три основные группы данных, адреса и управления.
Многочисленные разновидности интерфейсов "Общая шина" обеспечивают передачу по
раздельным или мультиплексированным линиям (шинам). Например, интерфейс Microbus, с
которым работают большинство 8разрядных МПС на базе i8080, передает адрес и данные
по раздельным шинам, но некоторые управляющие сигналы передаются по шине данных.
Интерфейс Qbus, используемый в микроЭВМ фирмы DEC (отечественный аналог
микропроцессоры серии К1801) имеет мультиплексированную шину адреса/данных, по
которой эта информация передается с разделением во времени. Естественно, что при
наличии мультиплексированной шины в состав линий управления необходимо включать
специальный сигнал, идентифицирующий тип информации на шине. Обмен информацией по
интерфейсу производится между двумя устройствами, одно из которых является
активным, а другое пассивным. Активное устройство формирует адреса пассивных
устройств и управляющие сигналы. Активным устройством выступает, как правило,
процессор, а пассивным всегда память и некоторые ВУ. Однако, иногда
быстродействующие ВУ могут выступать в качестве задатчика (активного устройства) на
интерфейсе, управляя обменом с памятью (т.н. режим прямого доступа в память см.
раздел 8). Концепция "Общей шины" предполагает, что обращения ко всем устройствам
МПС производится в едином адресном пространстве, однако, в целях расширения числа
адресуемых объектов, в некоторых системах искусственно разделяют адресные
пространства памяти и ВУ, а иногда даже и памяти программ и памяти данных. Как
известно, процессор является основным вычислительным блоком компьютера, в
наибольшей степени определяющим его мощь. Процессор является устройством,
исполняющим программу последовательность команд (инструкций), задуманную
программистом и оформленную в виде модуля программного кода. Чтобы понять, что
делает процессор, рассмотрим его в окружении системных компонентов IBM PC
совместимого компьютера. Этой компьютерной архитектурой, естественно, не
ограничивается сфера применения процессоров. Всем известный IBM PCсовместимый
компьютер представляет собой реализацию так называемой фоннеймановской
архитектуры вычислительных машин. Эта архитектура была представлена Джоном фон
Нейманом еще в 1945 году и имеет следующие основные признаки. Машина состоит из
блока управления, арифметикологического устройства (АЛУ), памяти и устройств
ввода/вывода. В ней реализуется концепция хранимой программы: программы и данные
хранятся в одной и той же памяти.
Рис. 1.1 Архитектура фонНейманапамять программ и память данных мы получимЕсли разделить память на Гарвардскую
архитектуру.
Рис. 1.2 Гарвардская архитектура
Выполняемые действия определяются блоком управления и АЛУ, которые вместе
являются основой центрального процессора. Центральный процессор выбирает и исполняет
команды из памяти последовательно, адрес очередной команды задается "счетчиком
адреса" в блоке управления. Этот принцип исполнения называется последовательной
передачей управления. Данные, с которыми работает программа, могут включать
переменные именованные области памяти, в которых сохраняются значения с целью
дальнейшего использования в программе. Фоннеймановская архитектура не
единственный вариант построения ЭВМ, есть и другие, которые не соответствуют
указанным принципам (например, потоковые машины). Однако подавляющее большинство
современных компьютеров основано именно на этих принципах, включая и сложные
многопроцессорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон
неймановских машин. Конечно же, за более чем полувековую историю ЭВМ классическая
архитектура прошла длинный путь развития. Прерывание – первое отличие современных
архитектур от машин фонНеймана. что при поступлении сигналаРабота прерывания
заключается в том прерывания процессор обязан прекратить выполнение текущей
программы и немедленно начать обработку процедуры прерывания.
Рис. 1.3 Архитектура фонНеймана с прерыванием
ПДП (Прямой Доступ к Памяти) – второе отличие современных архитектур от машин фон
Неймана. ПДП позволяет сократить расходы на пересылку единицы информации.
Рис. 1.4 Архитектура фонНеймана с каналом ПДП3.Характеристики микропроцессоров.
Кратко перечислим основные характеристики микропроцессоров: • разрядность; •
быстродействие (тактовая частота, время выполнения "короткой" команды; •
потребляемая мощность; • технология (уровень логических сигналов); • архитектурные
особенности: система операций, способы адресации, наличие и организация подсистем
прерываний и ПДП, объем и организация СОЗУ, конвейер операций, аппаратная поддержка
системы виртуальной памяти и т.п.; • структурные особенности: количество и назначение
шин (стандарт интерфейса), внутренняя структура; • число источников питания; • число
БИС в комплекте; и др.