Шпаргалка по дисциплине: «Микропроцессоры и микропроцессорные системы»

  При микропрограммной реализации устройства управления в  состав последнего вводится ЗУ, каждый разряд выходного кода которого определяет появление определенного функционального сигнала управления. Поэтому каждой микрооперации ставится в соответствие свой информационный код - микрокоманда. Набор микрокоманд и последовательность их реализации обеспечивают выполнение любой сложной операции. Набор микроопераций называют микропрограммами. Способ управления операциями путем последовательного считывания и интерпретации микрокоманд из ЗУ (наиболее часто в виде микропрограммного ЗУ используют быстродействующие программируемые логические матрицы), а также использования кодов микрокоманд для генерации функциональных управляющих сигналов называют микропрограммным, а микроЭВМ с таким способом управления - микропрограммными или с хранимой (гибкой) логикой управления.

  К микропрограммам  предъявляют требования функциональной полноты и минимальности. Первое требование необходимо для обеспечения возможности разработки микропрограмм любых машинных операций, а второе связано с желанием уменьшить объем используемого оборудования. Учет фактора быстродействия ведет к расширению микропрограмм, поскольку усложнение последних позволяет сократить время выполнения команд программы.

  Преобразование  информации выполняется в универсальном  арифметико-логическом блоке микропроцессора. Он обычно строится на основе комбинационных логических схем.

  Для ускорения  выполнения определенных операций вводятся дополнительно специальные операционные узлы (например, циклические сдвигатели). Кроме того, в состав микропроцессорного комплекта (МПК) БИС вводятся специализированные оперативные блоки арифметических расширителей.

  Операционные  возможности микропроцессора можно  расширить за счет увеличения числа  регистров. Если в регистровом буфере закрепление функций регистров  отсутствует, то их можно использовать как для хранения данных, так и  для хранения адресов. Подобные регистры микропроцессора называются регистрами общего назначения (РОН). По мере развития технологии реально осуществлено изготовление в микропроцессоре 16, 32 и более регистров.

  В целом  же, принцип микропрограммного управления (ПМУ) включает следующие позиции:  
1) любая операция, реализуемая устройством, является последовательностью элементарных действий - микроопераций;  
2) для управления порядком следования микроопераций используются логические условия;  
3) процесс выполнения операций в устройстве описывается в форме алгоритма, представляемого в терминах микроопераций и логических условий, называемого микропрограммой;  
4) микропрограмма используется как форма представления функции устройства, на основе которой определяются структура и порядок функционирования устройства во времени.

  ПМУ обеспечивает гибкость микропроцессорной системы  и позволяет осуществлять проблемную ориентацию микро- и миниЭВМ.

  Вопрос  №9

  Система команд

  Проектирование  системы команд оказывает влияние  на структуру ЭВМ. Оптимальную систему команд иногда определяют как совокупность команд, которая удовлетворяет требованиям проблемно-ориентированных применений таким образом, что избыточность аппаратных и аппаратно-программных средств на реализацию редко используемых команд оказывается минимальной. В различных программах ЭВМ частота появления команд различна; например, по данным фирмы DEC в программах для ЭВМ семейства PDP-11 наиболее часто встречается команда передачи MOV(B), на ее долю приходится приблизительно 32% всех команд в типичных программах. Систему команд следует выбирать таким образом, чтобы затраты на редко используемые команды были минимальными.

  При наличии  статистических данных можно разработать (выбрать) ЭВМ с эффективной системой команд. Одним из подходов к достижению данной цели является разработка команд длиной в одно слово и кодирование их таким образом, чтобы разряды таких коротких команд использовать оптимально, что позволит сократить время реализации программы и ее длину.

  Другим  подходом к оптимизации системы команд является использование микроинструкций. В этом случае отдельные биты или группы бит команды используются для кодирования нескольких элементарных операций, которые выполняются в одном командном цикле. Эти элементарные операции не требуют обращения к памяти, а последовательность их реализации определяется аппаратной логикой.

  Сокращение  времени выполнения программ и емкости  памяти достигается за счет увеличения сложности логики управления.

  Важной  характеристикой команды является ее формат, определяющий структурные элементы команды, каждый из которых интерпретируется определенные образом при ее выполнении. Среди таких элементов (полей) команды выделяют следующие: код операции, определяющий выполняемое действие; адрес ячейки памяти, регистра процессора, внешнего устройства; режим адресации; операнд при использовании непосредственной адресации; код анализируемых признаков для команд условного перехода.

  Классификация команд по основным признакам представлена на рис. 2.4. Важнейшим структурным элементом формата любой команды является код операции (КОП), определяющей действие, которое должно быть выполнено. Большое число КОП в процессоре очень важно, так как аппаратная реализация команд экономит память и время. Но при выборе ЭВМ необходимо концентрировать внимание на полноте операций с конкретными типами данных, а не только на числе команд, на доступных режимах адресации. Число бит, отводимое под КОП, является функцией полного набора реализуемых команд.

  

  Рис. 2.4. Классификация  команд.

  При использовании  фиксированного числа бит под  КОП для кодирования всех m команд необходимо в поле КОП выделить двоичных разрядов. Однако, учитывая ограниченную длину слова мини- и микроЭВМ, различное функциональное назначение команд, источники и приемники результатов операций, а также то, что не все команды содержат адресную часть для обращения к памяти и периферийным устройствам, в малых ЭВМ для кодирования команд широко используется принцип кодирования с переменным числом бит под поле КОП для различных групп команд.

  В некоторых  командах необходим только один операнд  и они называются однооперандными (или одноадресными) командами в  отличие от двухоперандных (или двухадресных), в которых требуются два операнда. При наличии двух операндов командой обычно изменяется только один из них. Так как информация берется только из одной ячейки, эту ячейку называются источником; ячейка, содержимое которой изменяется, называется приемником

                                                      

  Вопрос  №10

        Ниже  приведен формат двухадресной (двухоперандной) команды процессоров СМ.

  

  Формат команд процессоров СМ:  
а) двухадресная команда;  
б) одноадресная команда.

  Примеры кодирования двухадресных команд в  процессорах СМ

  Четырехбитный КОП (биты 15-12) кодирует ряд двухоперандных операций, приведенных в таблице 1. Биты (11-6) и (5-0) для команд данного  типа определяют адреса источника и  приемника данных. Как видно из таблицы, комбинации 0000 и 1000 поля КОП определяют группы одноадресных команд (рис 1,б). КОП 1 (биты 15-12), соответствующий кодам 0000 и 1000, определяет группу одноадресных команд, а КОП 2 (биты 11-6) кодирует конкретную операцию команд данной группы. Таким образом, команды, использующие один операнд, кодируются 10-битным КОП (биты 15-6).

  Наиболее  гибкая команда требует до четырех  операндов. Например, команда сложения может указывать адреса слагаемых, адрес результата и адрес следующей  команды. Если для задания адреса требуется 16 бит, то четырехоперандная команда займет 8 байт памяти, не учитывая код операции. Следовательно, получится медленнодействующая ЭВМ с огромной памятью. Поэтому в большинстве микроЭВМ любой команде требуется не более двух операндов. Это достигается следующими приемами:  
1. Адрес следующей команды указывается только в командах переходов; в остальных случаях очередная команда выбирается из ячеек памяти, следующих за выполненной командой.  
2. Использование ячейки, в которой находится один из операндов, для запоминания результата (например, сумма запоминается в ячейки первого операнда).

  Локализацию и обращение к операндам обеспечивают режимы адресации. При введении нескольких режимов адресации необходимо отвести  в команде биты, указывающие режимы адресации для каждого операнда. Если предусмотрено восемь режимов адресации, то для задания каждого из них нужно три бита.

  Почти во всех форматах команд первые биты отводятся  для кода операции, но далее форматы  команд разных ЭВМ сильно отличаются друг от друга. Остальные биты должны определять операнды или их адреса, и поэтому они используются для комбинации режимов, адресов регистров, адресов памяти, относительных адресов и непосредственных операндов. Обычно длина команды варьируется от 1 до 3 и даже 6 байт.

  По форматам команд можно судить о возможностях ЭВМ.

  Вопрос  №11

  Режимы  адресации

  Для взаимодействия с различными модулями в ЭВМ должны быть средства идентификации ячеек  внешней памяти, ячеек внутренней памяти, регистров МП и регистров устройств ввода/вывода. Поэтому каждой из запоминающих ячеек присваивается адрес, т.е. однозначная комбинация бит. Количество бит определяет число идентифицируемых ячеек. Обычно ЭВМ имеет различные адресные пространства памяти и регистров МП, а иногда - отдельные адресные пространства регистров устройств ввода/вывода и внутренней памяти. Кроме того, память хранит как данные, так и команды. Поэтому для ЭВМ разработано множество способов обращения к памяти, называемых режимами адресации.

  Режим адресации  памяти - это процедура или схема преобразования адресной информации об операнде в его исполнительный адрес.

  Все способы  адресации памяти можно разделить  на:  
1) прямой, когда исполнительный адрес берется непосредственно из команды или вычисляется с использованием значения, указанного в команде, и содержимого какого-либо регистра (прямая адресация, регистровая, базовая, индексная и т.д.);  
2) косвенный, который предполагает, что в команде содержится значение косвенного адреса, т.е. адреса ячейки памяти, в которой находится окончательный исполнительный адрес (косвенная адресация).

  В каждой микроЭВМ реализованы только некоторые  режимы адресации, использование которых, как правило, определяется архитектурой МП. 
 

  Вопрос  №12

        Способы и механизмы адресации

  Понятия и термины, используемые для обозначения способов адресации, возникли на практике, и истолкования их не всегда однозначны, а иногда противоречивы. Поэтому истолкование, приводимое ниже, конечно, не будет в согласии со всеми существующими.

  Большинство способов адресации связано с необходимостью вычисления адреса оперативной памяти (ОП), по которому производится фактическое обращение к ней. Этот адрес называют исполнительным. Рассмотрим способы адресации, используемые в современных ЭВМ. 

  Прямая  адресация. В данном способе адресации код адреса в команде является исполнительным адресом обращения к памяти. В некоторых ЭВМ используют короткую прямую адресацию, обеспечивающую доступ к ограниченной части адресного пространства. Например, короткий адрес может быть расширен до полного с использованием его старшего разряда, т.е. недостающие старшие разряды принимают значения, равные значению старшего разряда короткого адреса. Таким образом, становится возможным задавать любую ячейку ОП в верхней или нижней части адресного пространства объемом байт (рис. П.I, а, б).

  Рис. П.1. Прямая адресация: а - длинная, б - короткая 

  Вопрос  №13

        Косвенная адресация. Как показано на рис.П.4, при этом способе адресации в качестве исполнительного адреса используется содержимое ячейки памяти, задаваемой в команде прямым адресом. Таким образом, косвенная адресация может быть определена как «адресация адреса». На косвенную адресацию указывает либо код операции команды, либо значение специального разряда (признака адресации). Цифра «0» или «1» в нем указывает, является адресная часть команды прямым адресом или косвенным. 

  

  Рис. П.4. Косвенная адресация 
 

  Вопрос  №14

        Организация ввода/вывода в микопроцессорной системе

  Вводом/выводом (ВВ) называется передача данных между ядром ЭВМ, включающим в себя микропроцессор и основную память, и внешними устройствами (ВУ). Это единственное средство взаимодействия ЭВМ с "внешним миром", и архитектура ВВ (режимы работы, форматы команд, особенности прерываний, скорость обмена и др.) непосредственно влияет на эффективность всей системы. За время эволюции ЭВМ подсистема ВВ претерпела наибольшие изменения благодаря расширению сферы применения ЭВМ и появлению новых внешних устройств. Особенно важную роль средства ВВ играют в управляющих ЭВМ. Разработка аппаратных средств и программного обеспечения ВВ является наиболее сложным этапом проектирования новых систем на базе ЭВМ, а возможности ВВ серийных машин представляют собой один из важных параметров, определяющих выбор машины для конкретного применения.