процесс функционирования оу можно представить в виде ряда последовательных элементарных действий
Процесс функционирования оу можно представить в виде ряда последовательных элементарных действий
Центральный процессор синтезируется в виде 2 устройств – операционное (ОУ) и управляющего (УУ). Структура процессора:
ОУ – устройство, в котором осуществляются операции над операндами. Включает в качестве узлов – регистры, сумматоры. Каналы передачи информации, мультиплексоры, шифраторы, дешифраторы и многое другое.
УУ – координирует действие узлов ОУ, вырабатывает в нужной последовательности управляющие сигналы, под действие которых в узлах ОУ выполняются требуемые действия.
Процесс функционирования ОУ раскладывается на последовательность элементарных действия в его узлах:
1) установка регистра в некоторое состояние (например, запись в регистр R1 числа 0, обозначаемая R1 0);
2) инвертирование содержимого разрядов регистра (R2 ( ));
3) пересылка содержимого одного узла в другой (например, пересылка содержимого регистра R2 в регистр R1, обозначаемая R1 (R2));
4) сдвиг содержимого узла влево, вправо (н-р, сдвиг на один разряд влево содержимого регистра R1, обозначаемый R1 СдвЛ)
5) счет, при котором число в счетчике (регистре) возрастает или убывает на единицу (Сч (Сч ± 1));
6)сложение (R2 (R2) + (R1));
7) сравнение содержимого регистра на равенство с некоторым числом; результат сравнения: лог.1 (при выполнении равенства) либо лог.0 (при невыполнении равенства);
8) некоторые логические действия (поразрядно выполняемые операции конъюнкции, дизъюнкции и др.).
Каждое такое действие, выполняемое в одном из узлов ОУ в течение одного тактового периода, называется микрооперацией.
Совокупность одновременно выполняемых микроопераций называется микрокомандой, а весь набор микрокоманд, предназначенных для выполнения определённой задачи – микропрограммой.
В УУ предусматривается возможность выполнения определённого набора микроопераций в определённой последовательности. УУ определяет микропрограммы, то есть последовательность выполнения микрокоманд, и поэтому называется микропрограммным автоматом.
Т.о., если в ОУ предусматривается возможность исполнения различных микроопераций, то из УУ выходят nуправляющих цепей, каждая из которых соответствует определенной микрооперации. И если необходимо в ОУ выполнить некоторую микрооперацию, достаточно из УУ по определенной управляющей цепи, соответствующей этой микрооперации, подать сигнал (н-р, напряжение уровня лог.1).
Микропроцессорные системы
Всё это обязывает электрика знать хотя бы основы работы микропроцессорной техники.
Микропроцессорные системы предназначены для автоматизации обработки информации и управления различными процессами.
Понятие «Микропроцессорная система» очень широко и объединяет такие понятия как «Электронно-вычислительная машина (ЭВМ)», «управляющая ЭВМ», «Компьютер» и т.п.
Необходимо понимать, что система счисления – это всего лишь правила записи чисел, и выбор типа системы определятся удобством применения. Выбор двоичной системы обусловлен её простотой, а значит надёжностью работы цифровых устройств и лёгкостью их технической реализации.
Рассмотрим единицы измерения цифровой информации:
Бит – наименьшая единица представления информации.
Два взаимосвязанных байта называется словом, 4 байта – двойное слово, 8 байт – учетверённое слово.
Почти вся информация, которая нас окружает, является аналоговой. Поэтому, прежде чем информация попадёт на обработку в процессор, она подвергается преобразованию посредством АЦП (аналого-цифровой преобразователь). Кроме того, информация кодируется в определённом формате и может быть числовой, логической, текстовой (символьной), графической, видео и д.р.
Кроме двоичной и десятичной системы в МС используют шестнадцатеричную систему, в которой для записи чисел используются символы 0. 9 и A. F. Её применение обуславливается тем, что один байт описывается двухразрядным шестнадцатеричным числом, что значительно сокращает запись цифрового кода и делает его более читаемым (11111111 – FF).
Таблица 1 – Запись чисел в различных системах счисления
Перевод чисел из одной системы в другую и основные арифметические и логические операции над числами позволяет производить инженерный калькулятор (стандартное приложение операционной системы Windows).
Структура микропроцессорной системы
Основу микропроцессорной системы составляет микропроцессор (процессор), который выполняет функции обработки информации и управления. Остальные устройства, входящие в состав микропроцессорной системы, обслуживают процессор, помогая ему в работе.
Структура микропроцессорной системы представлена на рисунке 1. В упрощённом виде процессор состоит из арифметически-логического устройства (АЛУ), осуществляющего обработку цифровой информации и устройства управления (УУ).
Память обычно включает постоянно-запоминающее устройство (ПЗУ), являющееся энергонезависимым и предназначенное для долговременного хранения информации (например, программ), и оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное для временного хранения данных.
Рисунок 1 – Структура микропроцессорной системы
шину данных DB (Data Bus), по которой производится обмен данными между ЦП, памятью и портами;
шину адреса AB (Address Bus), используемой для адресации процессором ячеек памяти и портов;
шину управления CB (Control Bus), набор линий, передающих различные управляющие сигналы от процессора на внешние устройства и обратно.
Приставка «микро» в названии процессора означает, что выполняется он по микронной технологии.
Рисунок 2 – Внешний вид микропроцессора Intel Pentium 4
В ходе работы микропроцессор считывает команды программы из памяти или порта ввода и исполняет их. Что означает каждая команда, определяется системой команд процессора. Система команд заложена в архитектуре микропроцессора и выполнение кода команды выражается в проведении внутренними элементами процессора определённых микроопераций.
Основные характеристики микропроцессоров:
1) Тактовая частота (единица измерения МГц или ГГц) – количество тактовых импульсов за 1 секунду. Тактовые импульсы вырабатывает тактовый генератор, который чаще всего находится внутри процессора. Т.к. все операции (инструкции) выполняются по тактам, то от значения тактовой частоты зависит производительность работы (количество выполняемых операций в единицу времени). Частотой процессора можно варьировать в определённых пределах.
2) Разрядность процессора (8, 16, 32, 64 бит и т.д.) – определяет число байтов данных, обрабатываемых за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью его внутренних регистров. Процессор может быть 8-разрядным, 16-разрядным, 32-разрядным, 64-разрядным и т.д., т.е. данные обрабатываются порциями по 1, 2, 4, 8 байт. Понятно, что чем больше разрядность, тем выше производительность работы.
Внутренняя архитектура микропроцессора
Упрощенная внутренняя архитектура типового 8-разрядного микропроцессора показана на рисунке 3. В структуре микропроцессора можно выделить три основных части:
1) Регистры для временного хранения команд, данных и адресов;
Как видно из схемы, основу процессора составляют регистры, которые делятся на специальные (имеющие определенное назначение) и регистры общего назначения.
Аккумулятор – регистр, используемый в подавляющем большинстве команд логической и арифметической отработки; он одновременно является и источником одного из байт данных, которые требуются для операции АЛУ, и местом, куда помещается результат операции АЛУ.
Регистр признаков (или регистр флагов) содержит информацию о внутреннем состоянии микропроцессора, в частности о результате последней операции АЛУ. Регистр флагов не является регистром в обычном смысле, а представляет собой просто набор триггер-защелок (флаг поднят или опущен. Обычно имеются флаж¬ки нуля, переполнения, отрицательного результата и переноса.
Регистр команды содержит текущий командный байт, который декодируется дешифратором команды.
Линии внешних шин изолированы от линий внутренней шины с помощью буферов, а основные внутренние элементы связаны быстродействующей внутренней шиной данных.
Лидирующими компаниями по разработке и изготовлению процессоров являются Intel и AMD.
Алгоритм работы микропроцессорной системы
Алгоритм — точное предписание, однозначно задающее процесс преобразования исходной информации в последовательность операций, позволяющих решать совокупность задач определённого класса и получать искомый результат.
Рассмотрим последовательность действий микропроцессор во время выполнения команд программы:
1) Перед выполнением очередной команды микропроцессор содержит ее адрес в программном счетчике РС.
2) МП обращается к памяти по адресу, содержащемуся в РС, и считывает из памяти первый байт очередной команды в регистр команд.
3) Дешифратор команд декодирует (расшифровывает) код команды.
4) В соответствии с полученной от дешифратора информацией устройство управления вырабатывает упорядоченную во времени последовательность микроопераций, реализующих предписания команды, в том числе:
— извлекает операнды из регистров и памяти;
— выполняет над ними предписанные кодом команды арифметические, логические или другие операции;
— в зависимости от длины команды модифицирует содержимое РС;
— передает управление очередной команде, адрес которой снова находится в программном счетчике РС.
Совокупность команд микропроцессора можно разделить на три группы:
1) Команды перемещения данных
Перемещение происходит между памятью, процессором, портами ввода/вывода (каждый порт имеет свой собственный адрес), между регистрами процессора.
2) Команды преобразования данных
Любые данные (текст, рисунок, видеоролик и т.д.) представляют собой числа, а с числами можно выполнять только арифметические и логические операции. Поэтому к командам этой группы относятся сложение, вычитание, сравнение, логические операции и т.п.
3) Команда передачи управления
Очень редко программа состоит из одной последовательной команд. Подавляющее число алгоритмов требуют разветвления программы. Для того, чтобы программа имела возможность менять алгоритм своей работы в зависимости от какого-либо условия, и служат команды передачи управления. Данные команды обеспечивают протекание выполнения программы по разным путям и организуют циклы.
К внешним, относятся все устройства, находящиеся вне процессора (кроме оперативной памяти) и подключаемые через порты ввода/вывода. Внешние устройства можно подразделить на три группы:
1) устройства для связи человек-ЭВМ (клавиатура, монитор, принтер и т.д.);
2) устройства для связи с объектами управления (датчики, исполнительные механизмы, АЦП и ЦАП);
3) внешние запоминающие устройтсва большой ёмкости (жёсткий диск, дисководы).
Для взаимодействия процессора и внешних устройств применяется система (механизм) прерываний.
Это специальный механизм, который позволяет в любой момент, по внешнему сигналу заставить процессор приостановить выполнение основной программы, выполнить операции, связанные с вызывающим прерывание событием, а затем вернуться к выполнению основной программы.
Рассмотрим пример взаимодействия процессора персонального компьютера с клавиатурой (рисунок 4).
Рисунок 4 – Работа процессора с клавиатурой
1) При нажатии клавиши контроллер клавиатуры формирует цифровой код. Этот сигнал поступает в микросхему порта клавиатуры.
2) Порт клавиатуры посылает процессору сигнал прерывания. Каждое внешнее устройство имеет свой номер прерывания, по которому процессор его и распознаёт.
3) Получив прерывание от клавиатуры, процессор прерывает выполнение программы (например, редактор Microsoft Office Word) и загружает из памяти программу обработки кодов с клавиатуры. Такая программа называет драйвер.
4) Эта программа направляет процессор к порту клавиатуры, и цифровой код загружается в регистр процессора.
5) Цифровой код сохраняется в памяти, и процессор переходит к выполнению другой задачи.
Благодаря высокой скорости работы, процессор выполняет одновременно большое количество процессов.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
1.2 Организация управления процессом
Тема 1.2 Организация управления процессом обработки информации
1 Структура микропроцессора
2 Аппаратный принцип управления выполнением операций
3 Микропрограммный принцип управления выполнением операций
1 Структура микропроцессора
Структура микропроцессора определяет состав и взаимодействие основных устройств и блоков, размещенных на его кристалле.
Рекомендуемые файлы
В эту структуру входят:
центральный процессор (процессорное ядро), состоящее из устройства управления (УУ), одного или нескольких операционных устройств (ОУ), структурная схема приведена на рисунке 2;
внутренняя память (РЗУ, кэш-память, блоки оперативной и постоянной памяти);
интерфейсный блок, обеспечивающий выход на системную шину и обмен данными с внешними устройствами через параллельные или последовательные порты ввода/вывода;
периферийные устройства (таймерные модули, аналого-цифровые преобразователи, специализированные контроллеры);
различные вспомогательные схемы (генератор тактовых импульсов, схемы для выполнения отладки и тестирования, сторожевой таймер и ряд других).
Рисунок 2 – Структурная схема процессора
Арифметико–логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций.
Управляющее устройство (УУ) координирует действия узлов операционного устройства; оно вырабатывает в некоторой временной последовательности управляющие сигналы, под действием которых в узлах операционного устройства выполняются требуемые действия.
Процесс функционирования операционного устройства распадается на последовательность элементарных действий в его узлах:
1) установка регистра в некоторое состояние (например, запись в регистр R 1 числа 0, обозначаемая R 1
2) инвертирование содержимого разрядов регистра (например, если регистр R 2 содержал двоичное число 101101, то после инвертирования его содержимое будет равно 010010; такое действие обозначают R 2 
));
3) пересылка содержимого одного узла в другой (например, пересылка содержимого регистра R 2 в регистр R 1, обозначаемая R 1 R 2));
4) сдвиг содержимого узла влево, вправо (например, сдвиг на один разряд влево содержимого регистра R 1, обозначаемый R 1 R 1);
5) счет, при котором число в счетчике (регистре) возрастает или убывает на единицу (Сч
6) сложение (например, R 2 R 2) + ( R 1));
7) сравнение содержимого регистра на равенство с некоторым числом; результат сравнения: лог. 1 (при выполнении равенства) либо лог.0 (при невыполнении равенства);
8) некоторые логические действия (поразрядно выполняемые операции конъюнкции, дизъюнкции и др.). Каждое такое элементарное действие, выполняемое в одном из узлов ОУ в течение одного тактового периода, называется микрооперацией.
В определенные тактовые периоды одновременно могут выполняться несколько микроопераций, например R 2
Таким образом, если в операционном устройстве предусматривается возможность исполнения п различных микроопераций, то из управляющего устройства выходят п управляющих цепей, каждая из которых соответствует определенной микрооперации. И если необходимо в операционном устройстве выполнить некоторую микрооперацию, достаточно из управляющего устройства по определенной управляющей цепи, соответствующей этой микрооперации, подать сигнал (например, напряжение уровня лог. 1). В силу того, что управляющее устройство определяет микропрограмму, т.е. какие и в какой временной последовательности должны выполняться микрооперации, оно получило название микропрограммного автомата.
Для сокращения числа управляющих цепей, выходящих из управляющего устройства (в тех случаях, когда оно конструктивно выполняется отдельно от операционного), микрокоманды могут кодироваться.
Существует два принципиально разных подхода к проектированию микропрограммного автомата (управляющего устройства):
— использование принципа схемной логики;
— использование принципа программируемой логики.
В первом случае в процессе проектирования подбирается некоторый набор цифровых микросхем (обычно малой и средней степени интеграции) и определяется такая схема соединения их выводов, которая обеспечивает требуемое функционирование (т.е. функционирование процессора определяется тем, какие выбраны микросхемы и по какой схеме выполнено соединение их выводов). Устройства, основанные на таком принципе схемной логики, способны обеспечивать наивысшее быстродействие при заданном типе технологии элементов. Недостаток этого принципа построения процессора состоит в трудности использования БИС и СБИС.
Второй подход предполагает построение процессора с использованием одной или нескольких БИС некоторого универсального устройства, в котором требуемое функционирование (т.е. специализация устройства на выполнение определенных функций) обеспечивается занесением в память устройства определенной программы (или микропрограммы).
В зависимости от введенной программы такое универсальное управляющее устройство способно обеспечивать требуемое управление операционным устройством при решении самых разнообразных задач. В этом случае число типов БИС, необходимых для построения управляющего устройства, окажется небольшим, а потребность в БИС каждого типа высокой, что обеспечит целесообразность их выпуска промышленностью.
При построении операционных устройств целесообразно широко использовать БИС с таким набором узлов и схемой соединения, которые обеспечили бы решение разнообразных задач. Независимо от решаемой задачи может быть использовано одно и то же универсальное операционное устройство, функционирующее под действием микропрограммы, хранящейся в управляющем устройстве. Следует иметь в виду, что наивысшее быстродействие достигается в процессорах, в которых управляющее устройство строится с использованием принципа схемной логики, а операционное устройство выполняется в виде устройства, специализированного для решения конкретной задачи.
2 Аппаратный принцип управления выполнением операций
Процессор является примером цифрового автомата-устройства, осуществляющего прием, хранение и преобразование дискретной информации по некоторому алгоритму. Теорию автоматов подразделяют на абстрактную и структурную. Абстрактная теория изучает поведение автомата, отвлекаясь от структуры (т.е. способа его построения, схемной реализации).
Автомат под действием входных сигналов принимает состояния в соответствии с набором значений входных сигналов и выдает сигнал, зависящий от внутреннего состояния либо от внутреннего состояния и входных сигналов.
Для хранения внутреннего состояния автомат должен иметь память; таким образом, автомат является устройством с памятью, т.е. устройством последовательностного типа.
Несмотря на то, что реальные автоматы могут иметь несколько входов и выходов, на каждом из которых в дискретные моменты времени (определяемые тактом работы) образуются сигналы, соответствующие лог. 0 и лог.1, в абстрактной теории удобно рассматривать автоматы с одним входом и одним выходом (рисунок 3).
Функционирование цифрового автомата происходит на трех множествах:
Одно из состояний является начальным (состояние а0), и перед началом работы автомат всегда устанавливается в это состояние.
Работа автомата определяется следующими функциями:
— функцией переходов f , которая определяет состояние автомата a ( t + 1) в момент t + 1 в зависимости от состояния автомата a ( t ) и значения входного сигнала x ( t ) в момент t :
— функцией выходов φ, определяющей зависимость выходного сигнала автомата y ( t ) от состояния автомата a ( t ) и входного сигнала x ( t ):
Автомат c функцией выходов, зависящей от состояния автомата и входного сигнала, называется автоматом Мили.
Функционирование автомата может быть задано в форме таблиц переходов и выходов либо с помощью так называемого графа.
Синтез управляющего устройства в форме автомата Мили и автомата Мура состоит из следующих этапов:
— построение схемы алгоритма в микрооперациях;
— построение схемы алгоритма в микрокомандах;
— построение графа функционирования;
— кодирование состояний устройства;
— построение структурной схемы управляющего устройства;
— структурная схема управляющего устройства;
— построение таблицы функционирования комбинационного узла;
— построение логической схемы комбинационного узла.
3 Микропрограммный принцип управления выполнением операций
Мы рассмотрели выполнение операций процессором в виде последовательности микрокоманд. Можно предусмотреть другой способ формирования управляющих сигналов, под действием которых в операционном устройстве выполняются микрокоманды.
Управляющие сигналы у1. уп на выходе управляющего устройства в каждом тактовом периоде имеют уровни лог. 0 и лог. 1. Таким образом, каждой микрокоманде на выходе управляющего устройства соответствует некоторая кодовая комбинация. Такие кодовые комбинации, называемые кодовыми комбинациями микрокоманд (или просто микрокомандами), можно хранить в специально предназначенной для них управляющей памяти. При этом выполнение операции сводится к выборке из управляющей памяти последовательно микрокоманд микропрограммы и выдаче с их помощью управляющих сигналов у1. уп в операционное устройство.
На рисунке 4 изображена структурная схема процессора с управляющим устройством, построенным по принципу программируемой логики. Функции блока микропрограммного управления (БМУ) сводятся к определению адреса очередной микрокоманды (МК) в управляющей памяти (УП). Поступающая из оперативной памяти (ОП) команда содержит адрес первой МК той микропрограммы, которая реализует предусматриваемую командой операцию. Так решается задача поиска в УП микропрограммы, соответствующей данной команде. Адреса всех последующих МК определяются в БМУ следующим образом.
Рисунок 4 – Структурная схема процессора
с микропрограммным принципом управления
Машинное представление команды в памяти микроконтроллера называется объектным кодом.
Организация работы процессора состоит из фаз:
1) выборка очередной команды (ВК);
2) декодирование выбранной команды (ДК);
3) формирование адреса операнда (ФА);
4) прием операнда из памяти (ПО);
5) выполнение операции (ВО);
6) размещение результата в памяти (РР).
Реализация каждого этапа занимает один такт машинного времени и производится устройствами и блоками процессора, образующими ступени исполнительного конвейера, на каждой из которых выполняется соответствующая микрооперация. При последовательной загрузке в конвейер выбираемых команд каждая его ступень реализует определенный этап выполнения очередной команды.
Время для исполнения одной команды называется командным циклом. Основное содержание фазы выборки состоит в считывании первого байта (слова) команды из памяти микроконтроллера и его ввод в специальный регистр команд IR ( Instruction Register ).
Существует два принципиально разных подхода к проектированию микропрограммного автомата (управляющего устройства) процессора с использованием схемной логики и с использованием программируемой логики.
В первом случае в процессе проектирования подбирается некоторый набор цифровых микросхем (обычно малой и средней степени интеграции) и определяется такая схема соединения их выводов, которая обеспечивает требуемое функционирование (т.е. функционирование процессора определяется тем, какие выбраны микросхемы и по какой схеме выполнено соединение их выводов). Устройства, основанные на таком принципе схемной логики, способны обеспечивать наивысшее быстродействие при заданном типе технологии элементов. Недостаток этого принципа построения процессора состоит в трудности использования БИС и СБИС.
Второй подход предполагает построение процессора с использованием одной или нескольких БИС некоторого универсального устройства, в котором требуемое функционирование (т.е. специализация устройства на выполнение определенных функций) обеспечивается занесением в память устройства определенной программы (или микропрограммы).
В зависимости от введенной программы такое универсальное управляющее устройство способно обеспечивать требуемое управление операционным устройством при решении самых разнообразных задач. В этом случае число типов БИС, необходимых для построения управляющего устройства, окажется небольшим, а потребность в БИС каждого типа высокой, что обеспечит целесообразность их выпуска промышленностью.
1 Пояснить структуру процессора.
2 В чем суть аппаратного принципа управления операциями микропро-цессора?
Ещё посмотрите лекцию «2. Информационные системы» по этой теме.
3 Пояснить работу микропроцессора с микропрограммным управлением.
4 Каково назначение управляющего устройства микропроцессора?
5 Что представляет собой операционное устройство?
6 Каковы преимущества принципа микропрограммного управления микропроцессором?