Сушкин И.Н. Вычислительная техника и информационные технологии. Курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

графического изображения, способность самообучаться, делать логические

суждения, вести беседу с человеком и т. д.

История микропроцессоров началась в 1971 году, когда фирма Intel

выпустила первый микропроцессор. Он имел разрядность данных 4 бита и

тактовую частоту 108 КГц, адресовал 640 байт памяти, содержал 2300

транзисторов.

В 1974 году появился 8-разрядный процессор I8080 (в нашей стране это

КР580ВМ80), который стал весьма популярен, он имел частоту 2 МГц и адресовал

64 Кб памяти. Следующим этапом стал процессор I8085 (тактовая частота –

5МГц). Он сохранил совместимость с I8080, но в него добавили порт

последовательного ввода и внесли некоторые другие изменения.

Вариацию на тему 8080 и 8085 представляет процессор Z80 фирмы Zilog,

имевший более высокую производительность.

Первый 8-разрядный процессор 8086 фирма Intel выпустила в 1978 году,

частота 5 МГц (позже появились процессоры 8 и 10 МГц) адресуемая память 1

Мб. Массовое распространение и открытость архитектуры привели к

лавинообразному появлению программного обеспечения.

Процессор 80286 появился только в 1982 году, он адресовал до 16 Мб

физической памяти. Его принципиальные новшества – защищённый режим и

виртуальная память размером до 1 Гб – не нашли массового применения,

процессор использовался просто как быстрый 8088.

Класс 32-разрядных процессоров был открыт в 1985 году моделью 80386.

Разрядность шины данных достигла 32 бит, адресуемая память – 4 Гб. С

этого времени стала заметна тенденция «положительной обратной связи»: на

появление нового процессора производители программного обеспечения

реагируют выпуском новых интересных программ, которым скоро становится

тесно в рамках этого процессора. Появляется новый процессор, но после

непродолжительного восторга и его ресурсы «съедают» и т. д. Становится

очевидным интересный факт: большие ресурсы расслабляют разработчика ПО,

не принуждая его напрягаться в поисках эффективных решений.

История процессора 386 напоминает историю 8086: первую модель с 32-

битной шиной данных (386 DX) сменил 386 SX с 16-битной шиной. Это делается с

целью адаптации ранее разработанного программного обеспечения.

Процессор Intel 486 разработан в 1989 году. В нём появляется кэш-память и

встроенный математический сопроцессор

В1993 году появились первые процессоры Pentium c частотой 60 и 66 МГц –

32-разрядные процессоры с 64-битной шиной данных. Pentium продолжил

развитие идеи параллельной обработки. Его внутренний кэш достиг 8 Кбайт для

кода и 8 Кбайт для данных. В устройство декодирования и исполнения команд

был добавлен второй конвейер. Интерес к процессору со стороны производителей

и покупателей сдерживался его очень высокой стоимостью. Кроме того, возник

скандал с обнаруженной ошибкой сопроцессора. Хотя фирма Intel математически

обосновала невысокую вероятность её появления (раз в несколько лет), она всё-

таки пошла на бесплатную замену уже проданных процессоров на исправленные.

Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100 МГц, появившиеся в 1994 году,

представили уже второе поколение процессоров Pentium. В этих процессорах

появляются новые команды, для поддержки которых несколько изменили

программную модель микропроцессора, Эти команды, получившие название

ММХ-команд (MultiMediaExtention – мультемедийное расширение системы

команд), позволили одновременно обрабатывать несколько единиц однотипных

данных.

Параллельно с процессором Pentium развивался и процессор Pentium Pro,

который отличался большей динамичностью исполнения команд, в частности был

добавлен ещё один конвейер к имевшимся двум у микропроцессора Pentium. За

один такт работы микропроцессор стал выполнять до трёх инструкций,

совершенствуется его кэш-память. В Pentium Pro реализовали 36-разрядную

адресную шину, что позволило адресовать до 64 Гбайт оперативной памяти.

Появление Pentium Pro разделило рынок на два сектора –

высокопроизводительных рабочих станций и дешёвых домашних компъютеров.

Главное достоинство процессора Pentium III наличие новых 70 команд, Эти

команды дополняют группу ММХ-команд, но для чисел с плавающей точкой.

2.1.2. Общие методы представления операционной информации в ЭЦВУ

Все операции в вычислительной технике выполняются над электрическими

сигналами, закодированными двоичной цифрой 0 или 1. Поэтому перед

занесением в память данные и команды должны быть тем или иным способом

преобразованы в двоичную форму. Вычислители «питаются» однообразной

пищей, им подавай информацию структурированную, в виде строго

организованных последовательностей нулей и единиц, закодированные

комбинации которых и составляют машинный язык. К счастью, программисту не

нужно пытаться постичь значение различных комбинаций двоичных чисел, так как

для программирования уже давно используется символический аналог машинного

языка, называемый языком ассемблера. Он полностью отражает все особенности

машинного языка. Именно поэтому, в отличие от языков высокого уровня, язык

ассемблера для каждого типа процессора несколько отличается.

Для сокращения записи двоичных чисел (например, вы хотите указать

какое-то данное) целесообразно использовать системы счисления с другими

основаниями, например, с основанием 8 или 16. Для программиста такое

кодирование более удобно. Если в языках высокого уровня применяются

десятичные числа, то в языке ассемблера они изображаются в

шестнадцатеричном виде. Следовательно, для успешной работы надо приучаться

думать «по-шестнадцатеричному». В программах на языке ассемблера числа

могут представляться также в двоично-десятичном виде, где каждая десятичная

цифра от 0 до 9 представлена одной тетрадой двоичного кода. Десятичные числа,

другое их название ВСD-числа (Binary Code Decimal – двоично-десятичный код),

наиболее удобны для программирования прикладных задач. Недостаток этих чисел

в том, что для них требуется разработка специфических алгоритмов. Итак,

процессор поддерживает только двоичный и в определённом смысле двоично-

десятичный формат. Однако ввод информации с клавиатуры и вывод её на экран

осуществляется в символическом виде. Кодирование этой информации

производится согласно таблице ASCII, где каждый символ кодируется одним

байтом (см. * в конце раздела). Следовательно, при работе с клавиатурой нужно

преобразовать символьную информацию к формату, поддерживаемому

машинными командами. После такого преобразования нужно выполнить

необходимые вычисления и преобразовать результат обратно к символьному виду.

Затем следует отобразить информацию на мониторе.

2.1.2.1. Арифметические операции

Целочисленное вычислительное устройство поддерживает чуть больше

десятка арифметических команд. Группа арифметических целочисленных команд

работает с двумя типами чисел:

- целыми двоичными числами. Числа могут, иметь знаковый разряд или не

иметь такового, то есть быть числами со знаком или без знака;

- целыми десятичными числами.

Целое двоичное число – это число, закодированное в двоичной системе

счисления. Знак двоичного числа определяется тем, как интерпретируется

старший бит в представлении числа, причём среди арифметических команд есть

всего две команды, которые действительно учитывают этот старший разряд как

знаковый, – это команды целочисленного умножения и деления mul и div.

Десятичное число – специальный вид представления числовой

информации, в основу которого положен принцип кодирования каждой десятичной

цифры числа группой из четырёх бит. При этом каждый байт числа содержит одну

или две десятичные цифры в двоично-десятичном коде (BCD – Binary Coded

Decimal). Микропроцессор хранит эти числп в двух форматах – упакованном и

неупакованном.

Арифметические операции над числами в вычислительных устройствах

используют специальные машинные коды: прямой, обратный (инверсия прямого)

и дополнительный (обратный код плюс единица). Арифметические операции над

числами со знаком производятся в дополнительном коде. Чтобы найти двоичное

представление отрицательного числа (т. е. его дополнительный код), надо просто

взять его положительную форму, обратить (т. е. инвертировать) каждый бит

(заменить1 на 0, а 0 на 1), а затем добавить к полученному результату 1. Конечно,

использование дополнительного кода приводит к тому, что отрицательное число

становится трудно расшифровать. Однако только что описанной процедурой

можно воспользоваться для того, чтобы получить положительную форму

отрицательного числа, записанного в дополнительном коде.

2.1.2.2. ASCII-код

С целью стандартизации в компьютерах используется американский

национальный стандартный код для обмена информацией ASCII (Amerikan

National Standard Code for Information Interchange). Наличие стандартного кода

облегчает обмен данными между различными устройствами компьютера.

Восьмибитовый расширенный ASCII-код обеспечивает представление 256

символов, включая символы для национальных алфавитов.

В ASCII-коде шестнадцатеричные цифры кодируются по следующему

принципу в младшей тетраде для чисел от 0 до 9 помещается соответствующее

двоичное число, а в старшей – двоичное число 0011 (признак ASCII-кода), для

букв a, b, c, d, e, f – в младшей тетраде двоичные коды 0001, 0010, 0011, 0101 и т.

д., а в старшей тетраде – код 0100 для заглавных букв и код 0110 – для строчных

букв. Например:1h в ASCII – коде 31h, 4h – 34h; Ah – 41h; bh – 62h; Fh – 46h.

Из выше сказанного следует, что для преобразования кода ASCII в

шестнадцатеричное число от 0 до 9 можно:

- выполнить двоичное вычитание (код ASCII)h – 30h;

- обнулить старшую тетраду байта в коде ASCII.

Не следует забывать после записи шестнадцатеричной цифры ставить

символ «h». Это делается для того, чтобы транслятор мог отличить в программе

одинаковые по форме записи десятичные и шестнадцатеричные числа.

2.2. Принципы построения, организации и управления

микропроцессорным вычислителем

2.2.1.Общие принципы построения микропроцессорного вычислителя.

Структурная схема микроЭВМ

В основу построения вычислительных устройств заложены структуры фон

Неймана (1902 – 1957 г.).

ЭВМ обрабатывает информацию так же, как и человек. Типичное

вычислительное устройство состоит их процессора, памяти и устройств ввода-

вывода (рис. 2.1).

Шины ввода Шины вывода

Рис.2.1. Структурная схема вычислительного устройства

«Сердцем» вычислительного устройства является центральный

процессор, в состав которого входят:

- устройство управления выборкой команд из памяти и их выполнением;

- регистры, осуществляющие временное хранение данных и состояний

процессора;

- схемы для управления и связью с памятью и устройствами ввода-

вывода.

Устройства ввода обеспечивают считывание информации (данные и

программа) с носителей информации (клавиатуры, магнитных дисков,

телетайпа и т. д.). Эти же устройства представляют информацию в

необходимую для процессора форму.

Память представляет собой устройство, хранящее:

П А М Я Т Ь

УСТРОЙСТ

ВА

ВВОДА

ПРОЦЕССОР

УСТРОЙСТ

ВА

ВЫВОДА

Устройство

управления

Арифметико-

логическое

устройство

Регистры

- совокупность команд, образующих программу;

- обрабатываемые данные.

Память состоит из ячеек, хранящих набор бит, составляющих

информационные слова. Ячейки нумеруются числами, называемыми адресом

ячейки. Если необходимо записать или считать информационное слово.

Следует подать на шину адреса требуемый адрес. Таким образом, процессор

связан с памятью однонаправленной шиной адреса (ША) и двунаправленной

шиной данных (ШД). Кроме основной памяти в компъютерах имеется

внешняя память для долговременного хранения программ и данных. Для

этого используются накопители на магнитных дисках и т. д.

Устройства вывода представляют результаты обработки информации в

форме, удобной для восприятия.

2.2.2. Классификация микропроцессоров

Микропроцессор характеризуется очень большим числом параметров и

качеств, поскольку обеспечивает эффективное автоматическое выполнение

операций обработки цифровой информации в соответствии с заданным

алгоритмом.

По числу БИС в микропроцессорном комплекте различают

микропроцессоры однокристальные и многокристальные секционированные

(микропрограммируемые). Однокристальные получаются при реализации

всех аппаратурных средств в виде одной БИС, они имеют фиксированную

систему команд. Секционированные микропроцессоры получаются в том

случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) структуры процессора

при функциональном разбиении её вертикальными плоскостями. Для

построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном

включении секций МП в них добавляются средства «стыковки», чем

достигается возможность работы с требуемой разрядностью слов. (Принцип

микропрограммирования приведён в конце раздела).

По назначению различают универсальные и специализированные

микропроцессоры.

Универсальные микропроцессоры предназначаются для решения

широкого круга задач и применения в различных вычислительных системах

Специализированные процессоры включают в себя цифровые

сигнальные процессоры и микроконтроллеры. Цифровые сигнальные

процессоры – рассчитаны на обработку в реальном времени цифровых

потоков, образованных путем оцифровывания аналоговых сигналов. Это

обусловливает их сравнительно малую разрядность и преимущественно

целочисленную обработку. Однако современные сигнальные процессоры

способны проводить вычисления с плавающей точкой над 32 – 40-

разрядными операндами. Кроме того, появился класс медийных процессоров,

представляющих собой законченные системы для обработки аудио- и

видеоинформации.

Микроконтроллеры – обладают наибольшей специализацией и

разнообразием функций. Используются во встроенных системах управления,

в том числе в бытовых приборах.

CISC (Complete Instruction Set Computer) – Микропроцессоры с полным

набором команд. Такие микропроцессоры используют программирование на

языке команд и выполняются на одном кристалле. Они имеют

фиксированную разрядность слова данных и фиксированный набор команд.

Каждая команда представляет собой определенную последовательность

микрокоманд. На ее выполнение может затрачиваться несколько машинных

циклов (обращений к внешней памяти), каждый из которых включает в себя

1…5 (а иногда и более) рабочих тактов.

RISC (Reduce Instruction Set Computer) – Микропроцессоры с

сокращенным набором команд. Основная особенность RISC-процессоров

состоит в использовании небольшого набора часто используемых команд

одинакового формата, которые могут быть выполнены за один командный

цикл (такт). Более сложные, редко используемые команды реализуются на

программном уровне. Однако за счет значительного повышения скорости

выполнения сокращенного набора команд средняя производительность RISC-

процессоров оказывается выше, чем у CISC-процессоров.

2.2.3. Принцип микропрограммного управления

Секционированные микропроцессоры работают не на программном, а

на микропрограммном уровне, поэтому не имеют своей системы команд. Они

могут использовать систему команд какого-либо однокристального

процессора, разбивая его команды на микрокоманды или просто

разрабатывая программы на микропрограммном уровне. Микропрограммное

устройство управления состоит из микропрограммной памяти и схемы

формирования адресов микрокоманд. Микрокоманда содержит в общем

случае три поля: поле управления генерацией адреса следующей

микрокоманды, поле управления длительностью такта, поле управления

операционной частью микропроцессора.

2.3 Архитектура 16-разрядных процессоров I8086/88

2.3.1 Архитектура микропроцессора I8086/88 (К1810ВМ86/88)

2.3.1.1 Введение

Микропроцессор 8086 фирмы Intel содержит на кристалле около 29000

транзисторов и производится по МОП-технологии. Процессоры I8086 и

выпущенный годом позже его модифицированный вариант I8088 выполняют

8/16-битные логические и арифметические операции, включая умножение и

деление, операции со строками и операции ввода-вывода. Процессоры имеют

20-разрядную шину адреса (ША), позволяющую адресовать 1 Мб памяти.

Шина данных у микропроцессоров I8086, у I8088 – 8-разрядная. Это

сокращение, сделанное с целью удешевления системы, поскольку

предоставляет возможность использования ранее разработанного

программного обеспечения, оборачивается некоторым снижением

производительности: I8086 за счёт большей разрядности ШД работает

примерно на 20-60 % быстрее, чем I8086 c такой же тактовой частотой. С

программной точки зрения эти процессоры идентичны, их система команд и

набор регистров включены во все процессоры РС-совместимых процессоров.

От процессора I8086 пошло общее обозначение семейства: х 86.

Процессоры поддерживают аппаратные и программные прерывания,

предусмотрено использование математического сопроцессора, повышающего

производительность вычислений.

В процессорах применена конвейерная архитектура, позволяющая

выполнить выборку кодов команд из памяти и их дешифрацию во время

выполнения внутренних операций. Это сокращает время простоя его

операционных узлов.

2.3.1.2 Структурная схема

Структурная схема микропроцессора представлена на рисунке 2.2.

Структуру микропроцессора можно условно разбить на три части:

операционное устройство, устройство сопряжения с шиной и управляющее

устройство.

Операционное устройство. В операционном устройстве декодируются

команды и обрабатываются данные, т. е. осуществляется сам процесс

выполнения команды. В состав операционного устройства входят: 16-

разрядное арифметико-логическое устройство (АЛУ) с тремя регистрами

временного хранения и регистром признаков и восемь 16-разрядных

регистров. АЛУ выполняет различные арифметические и логические

операции, а также операции сдвига.

Устройство

обработки

запроса

прерывания

Синхронизи

рующее

устройство

Управление

шиной

Регистр

очереди

команд

(6х8)

Управляющее

устройство

выполнения

команд

Sm (Сум.)

Регистры временного

хранения

АЛУ

Регистр признаков

Устройство

управления

Буфер

канала

aдреса/

данных

BH BL

CH CL

AH AL

POHы

NMI

INT

CLK

CLR

RDУ

ТЕST

HLDA

(RQ/GT1)

HLD

(RQ/GT0)

MN/MX

AD (0 -15)

INTA (QS1)

STB(QS0)

DE(ST0)

OP/IP(ST1)

M/ID(ST2)

W(LOCK)

BHE/ST7

A19/ST6

A18/ST5

A17/ST4

A16/ST3

Рис. 4.1. Структурная схема микропроцессора I 8086

Рис. 2.2. Структурная схема микропроцессора I 8086

Поскольку АЛУ является комбинационной схемой, регистры

временного хранения необходимы для хранения операндов во время

выполнения операций, программисту они не доступны.

Блок регистров состоит из четырёх 16-разрядных регистров А, В, С, D,

двух указательных (SP,BP) и двух индексных регистров (SI, DI). Для первых

четырёх регистров общего назначения (РОНов) существует возможность их

использования как раздельных восьмиразрядных. Если РОН используется как

16-разрядный – добавляется буква Х, если как 8-разрядный – символ Н для

левой группы (от английского слова high) и буква L для правой группы (от

слова low), т. е. старшие и младшие байты. Аккумулятор (А) называют

собственным регистром АЛУ, его функции довольно разнообразны. Кроме

того, что в РОНах могут храниться данные, участвующие в операциях,

каждый регистр имеет ещё своё специфическое назначение, неявно

подразумеваемое в некоторых командах:

АХ – умножение, деление, ввод и вывод слова;

AL – умножение, деление, ввод и вывод байта, десятичная арифметика,

трансляция (XLAT);

АН – умножение и деление слова;

ВХ – трансляция, адресация по базе;

СХ – счётчик циклов и указатель длины строковых операций;

DХ – умножение и деление слова, ввод и вывод с косвенной адресацией.

Регистры – указатели SP, BP и индексные регистры SI и DI главным

образом хранят адресную информацию.

SP (Stack Pointer – указатель стека) – операции со стеком;

BP (Base Pointer – указатель базы) – обращение к стеку;

SI (Sours Index – индекс источника) – смещение адреса в текущем

сегменте данных DS;

DI (Destination Index – индекс приёмника) – смещение адреса в

дополнительном сегменте ES.

Регистр признаков (F) состоит из нескольких триггеров, называемых

флажками (рис. 2.3). Он хранит признаки результатов выполнения

арифметических и логических операций и управляющие триггеры. Команды

пересылок на флаги не воздействуют. Назначение флагов:

CF (Carri Flag) – флаг переноса (заёма) старшего бита в

арифметических операциях;

PF (Pariti Flag) – флаг паритета, устанавливается при чётном числе

единиц в результате;

15р

14р

13р

12р

11р

10р

9р

8р

6р

5р

4р

3р

2р

1р

0р

Рис. 2.3. Регистр флагов

AF (Auxiliary Flag) – флаг дополнительного переноса (заёма) в тетраде

для десятичной арифметики;

ZF (Zero Flag) – флаг нулевого результата.

SF (Sign Flag) – флаг знака. Если в триггере устанавливается единица,

флаг отрицательный.

TF (Trap Flag) – флаг трассировки (пошагового режима). При

установке этого флага после выполнения каждой команды вызывается

внутреннее прерывание 1-го типа (INT 1).

IF (Interrapt Flag) – флаг управления прерываниями. При единичном

значении разрешается выполнение маскируемых аппаратных прерываний.

DF (Direction Flag) – флаг управления направлением в строковых

операциях. При единичном значении индексные регистры, участвующие в

строковых операциях, автоматически декрементируются на количество байт

операнда, при нулевом – инкрементируются.

OF (Overflow Flag) – флаг переполнения. Устанавливается, если

результат арифметической команды не умещается в операнде назначения.

Устройство сопряжения с шиной осуществляет связь с ВУ,

обеспечивает выборку команд и данных из памяти, формирует очередь

команд.

В состав устройства сопряжения с шиной входят: сегментные регистры

CS, DS, SS и ES, указатель команд IP, сумматор адреса, регистры очереди

команд и буферы, обеспечивающие связь с шинами адреса и данных.

Блок очереди команд у I8086 имеет 6-байтную организацию. Блок

предварительной выборки при наличии двух свободных регистров в очереди

старается её заполнить в то время, когда внешняя шина процессора не занята

операциями обмена. Очередь у процессора I8088 сокращена до 4 байт, а

предварительная выборка выполняется уже при наличии одного свободного

байта. Очередь обнуляется при выполнении любой команды передачи

управления. Конвейерный принцип, при котором пока одна команда

исполняется в операционном устройстве, другая команда выбирается из

памяти, повышает скорость выполнения программы.

Буферы представляют собой 16 двунаправленных усилителя с тремя

выходными состояниями для линий AD0 – AD15. Для линий А16 – А19

буферы содержат четыре однонаправленных усилителя с тремя выходными

состояниями.

Особое место занимают 16-битные регистры – указатели сегментов CS

(Code Segment – сегмент кодов команд), DS (Date Segment – сегмент данных),

ES (Extra Segment – дополнительный сегмент данных), SS (Stack Segment –

сегмент стека). Содержимое этих регистров не может быть изменено

никакими командами, кроме команд их загрузки.