Презентация, доклад на тему Учебный слайд-фильм Структурные составляющие микропроцессорной системы

устройства
Основные модели микропроцессоров и их характеристика
Управление процессом обработки информации. Работа микропроцессора
Назначение и состав арифметико–логических устройств

операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специа-лизированных микросхем (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели).

графическая и звуковая информация могли обрабатываться на компьютере, они должны быть представлены в форме данных. Данные хранятся и обрабатываются в компьютере на машинном языке, то есть в виде последовательностей нулей и единиц. Для того чтобы процессор компьютера «знал», что ему делать с данными, как их обрабатывать, он должен получить определенную команду (инструкцию). Обычно для решения какой-либо задачи процессору требуется не единичная команда, а их последовательность. Такая последовательность команд (инструкций) называется программой.

который считывает из памяти и исполняет команды, обрабатывая при этом данные и управляя работой всего компьютера.

систему команд процессора и регистры, через которые процессор становится доступным для программирования.  
Машинные команды, выполняемые процессором, обычно подразделяются следующим образом:
передача данных (из регистра в регистр, из памяти в регистр и наоборот)
арифметико логические операции (сложение, вычитание, ротация битов операндов, сдвиг вправо, сдвиг влево и т. д.)
доступ к отдельным битам
доступ к строкам
команды управления (уловного и безусловного перехода, подпрограммы и т. д.)
ввод-вывод
управление работой процессора.

PC собраны на базе процессоров семейства х86. Название семейства происходит от названия процессора Intel 8086, на базе которого в 1981 г. был выпущен первый ПК IBM PC.
К этому семейству относятся процессоры Intel 8086, 80286, 80386, 80484, Intel Pentium, Intel Pentium Pro.
Все эти процессоры имеют разную архитектуру и разные системы команд. Совместимость сверху вниз означает, что хотя система команд каждого нового процессора шире, тем не менее, любой процессор семейства понимает все инструкции своих предшественников. А это означает, что любая команда, написанная 15 лет назад для процессора 8086, будет работать на компьютере с самым современным процессором. В этом одна из причин такого повсеместного распространения ПК IBM PC.

их называют шинами.
Есть 2 вида шин:
Адресная шина – она подключает процессор к ОП. Чем больше дорожек в этой шине, тем к большему количеству ячеек памяти процессор может подключаться.
Шина данных – по ней в регистры процессора передается содержимое ячеек памяти.

в единицу времени.
Соответственно, чем больше частота, тем больше операций в единицу времени может выполнить процессор. Тактовая частота современных процессоров, в основном, составляет 1,0-4ГГц. Она определяется умножением внешней или базовой частоты, на определённый коэффициент. Например, процессор IntelCore i7 920 использует частоту шины 133 МГц и множитель 20, в результате чего тактовая частота равна 2660 МГц.

персонального компьютера. Все процессоры отличаются своей функциональностью, мощностью, однако составляющие у всех одни и те же, различные лишь по функционалу.
Основной компонент любого процессора — это ядро. Оно выполняет все функции в исполнении команд, а так же обработке данных, которые были получены непосредственно из оперативной памяти. Ядро процессора – это сложнейший компонент, его структура состоит из нескольких самостоятельных блоков, в которые сходит непосредственное устройство для разборки и хранения информации, предсказывания переходов, декодирование и исполнение команд.

Рассмотрим структуру УУ для двухадресных команд и взаимодействие его элементов в процессе функционирования: УВВ, УВыв, внешняя память, АЛУ.

которой являются числами
(сложение, вычитание, умножение, деление)

Логической операцией именуют процедуру,
осуществляющую построение сложного
высказывания (операции И, ИЛИ, НЕ,...).

Операции над битами обычно
подразумевают сдвиги.

Операции над битами

с оператив-ной памятью и защиту участков ОП от недозво-ленных данной програм-ме обращений, а также связь процессора с периферийными устрой-ствами и внешним по отношению к ЭВМ оборудованием (другими ЭВМ и т.д.).

несколько блоков, перемещение которых на динамической основе производится с помощью соответствующего алгоритма замещения.
Быстродействующая память собрана на интегральных схемах и служит главным образом как память общих и рабочих регистров.
Различные быстродействующие памяти - сверхоперативная в процессоре, оперативная и др. - реализуются устройствами адресного типа с произвольным доступом. В качестве устройств внешней памяти используются менее быстродействующие ЗУ - с последовательным и циклическим доступом, обладающие по сравнению с предыдущими гораздо большей емкостью.

информация, необходимая для корректной работы запущенных на данный момент процессов, программ и приложений. Память отличается большой скоростью доступа к ней, в шутку можно сказать, что память очень «оперативная».

в процессоре: программа, команда (микропрограмма), микрооперация (микрокоманда).
Микропроцессор (МП) выполняет 2 функции:
1. Выполняет над числовыми данными арифметические и логические операции.
2. Управляет потоками данных, организуя как сами вычисления, так и их требуемую последовательность.
Любой МП состоит из следующих функциональных узлов:
1. Арифметико-логическое устройство (АЛУ).
2. Регистры.
3. Устройство управления.

машинного такта.
Машинный такт определяет интервал времени, в течение которого выполняется одна или одновременно несколько микроопераций.
Границы тактов задаются синхросигналами, вырабатываемыми специальной схемой — генератором синхросигналов.
Таким образом, может быть установлена следующая иерархия этапов выполнения программ в процессоре: программа, команда (микропрограмма), микрооперация (микрокоманда).

символьные имена (метки)
виртуальные адреса
физические адреса

и использующее тот же поток команд, что и ЦПУ, но во всех других отношениях независимое.
Микросхемы представляют собой параллельное центральное 8-разрядное процессорное устройство с фиксированной системой команд. ИС имеют раздельные 16-разрядный канал адреса и 8-разрядный канал данных. Канал адреса обеспечивает прямую адресацию внешней памяти объемом до 65536 байт, 256 устройств ввода и 256 устройств вывода. АЛУ микропроцессора обеспечивает выполнение арифметических и логических операций над двоичными данными, представленными в дополнительном коде, а также обработку двоично-десятичных упакованных чисел.

системы команд

микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом

микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд

микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др.

CISC

RISC

VLIW

MISC

Управление выполнением операции
2) Выборка команд программы в нужной последовательности
Команда - совокупность микроопераций; реализуется команда микропрограммой, выполняется за несколько тактов, в каждом такте может быть одна или несколько микрокоманд. Рабочий такт - интервал времени на выполненные микрооперации. Для реализации команды нужно подать на управляющие входы операционного блока соответствующие управляющие сигналы. Существует 2 подхода организации управления выполнения операции:
1) Управляющий автомат с жесткой логикой или аппаратное управление.
2) Управляющий автомат с микропрограммной логикой или микропрограммное управление.

управляющие сигналы дешифратором команд ДшК.
Исходные данные и промежуточные результаты за­писываются в регистры общего назначения РОН, один из кото­рых более тесно взаимодействует с АЛУ. Он называется аккумулятором, или регистром А.
В процессе вычисле­ний и обработки информации используется ре­гистр флагов (или признаков РП); «флаг» - сигнал о том, что в процессе вычислений или обработ­ки результат получил некий характерный признак. К числу таких признаков относятся следующие:
получился рав­ный нулю результат (флаг нуля);
получился отрицательный ре­зультат (флаг знака);
количество цифр 1 в результате есть четное число (флаг четности);
наличие переноса из старшего разряда (флаг переноса) и др.
Регистр флагов состоит из нескольких независимо управляемых триггеров, каждый из которых при переходе из со­стояния 0 в состояние 1 сигнализирует о появлении соответству­ющего признака.
Загрузка некоторых регистров МП, обработка содержащихся в них слов, пересылка слов в другие регистры могут происходить по командам программы. Такие регистры называются пользователь­скими.
Для временного хранения информации используются бу­ферные регистры (данных - БД и адресов - БА), они программи­сту недоступны.
Для повышения производительности МП исполь­зуют раздельные шины для передачи информации - шину дан­ных ШД, адресов ША, команд ШК.

и данные забираются из кэша - процеду­ра называется выборкой
команды декодируются в понятные для данного процессора машинные команды
декодированные команды поступают на исполнительные блоки процессора, где происходит их выполнение
результат записывается в оперативную память.

из кэша, их декодирование и продвижение к исполнитель­ным блокам осуществляется в предпроцессоре, а процесс выполнения декодированных команд - в постпроцессоре.
Данные стадии принято называть конвейером обработки команд:

словами) выполняются в главной части процессора - арифметико-логическом устройстве.
Арифметико-логические устройства – устройства, предназначенные для выполнения арифметических и логических операций над числами (операндами).
Операндами могут быть:
целые и дробные числа с фиксированной точкой
числа с плавающей точкой
десятичные числа
группы булевых однобитовых переменных
алфавитно-цифровые коды.
Все арифметические действия с двумя числами (сложение, вычитание, умножение, деление) сводятся в АЛУ к операции сложения или вычитания. Поэтому в состав АЛУ обязательно входит сумматор или вычитатель (большой разницы между ними нет). Два числа (операнды) находятся в двух регистрах с соответствующими логическими схемами, их взаимодействием с сумматором руководит устройство управления. Результат выполненной операции может направляться по указанному в команде адресу, но обычно остается в специальном регистре - аккумуляторе. Процессор содержит несколько регистров, но наиболее близок к АЛУ именно аккумулятор.

процессора; Рг1 – регистр, который может выполнять роль аккумулятора; См – сумматор; регистры Рг1 и Рг2 — для хранения слагаемых, или уменьшаемого и вычитаемого, или множимого и множителя, или делимого и де­лителя (в зависимости от выполняемой операции); устройство управления вычислениями УУВ - координирует работу АЛУ, управляет последовательностью действий; с ЗУП АЛУ связано шинами чтения данных ШЧД и записи данных ШЗД, с УУП - шиной управления ШУ, по которой в УУВ поступают тактовые импульсы, а из УУВ - сигнал об окончании вычислений.

УУВ, где формируются сигналы, соответствующие данной операции. Затем из ЗУП выбирается первый операнд (по адресу, указанному в команде), который по ШЧД поступает на Рг1. Второй операнд, выбранный из ЗУП по второму адресу, указанному в команде, поступает также по ШЧД в Рг2. После приема обоих операндов начинается выполнение операции, в ходе которой используются сигналы переноса, делаются необходимые сдвиги. Результат операции формируется в См. Сигналы, характеризующие признаки результата в См, называются признаками. Эти сигналы являются также составной частью понятия «состояние процессора».
По окончании формирования результата вырабатывается сигнал признака конца операции, в соответствии с которым результат из См поступает через ШЗД в ЗУП по адресу, указанному в команде. Кроме формирования результата в АЛУ могут вырабатываться различные сигналы, обозначающие признаки результата (признак переполнения, признак отрицательного результата и т.д.). Эти признаки поступают в УУП и влияют на дальнейший ход вычислительного процесса.

(иногда говорят - арифметикой).
По способу реализации вычислительного процесса:
последовательного действия – операции выполняются слово за словом
параллельного действия - выполнение операций над всеми разрядами чисел одновременно

двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;
операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой;
операции десятичной арифметики;
операции индексной арифметики (при модификации адресов команд);
операции специальной арифметики;
операции над логическими кодами (логические операции);
операции над алфавитно-цифровыми полями.

полнотой. Чтобы обеспечить функциональную полноту достаточно четырех операций:
обращение к памяти для записи/чтения данных;
инкремент/декремент;
сравнение (реализует возможность условного перехода);
останов работы устройства.

(точкой) и с плавающей запятой (точкой). Эти формы называют также соответственно естественной и полулогарифмической. В ЭВМ используются двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная система счисления.
При представлении чисел с фиксированной положение запятой фиксируется в определенном относительно разрядов числа. Обычно подразумевается, что запятая находится или перед старшим разрядом, или после младшего. В первом случае могут быть представлены только числа, которые по модулю меньше 1, во втором только целые числа. Используют два представления целых чисел: со знаком и без знака. В последнем случае все разряды разрядной сетки служат для представления модуля числа. При представлении числа со знаком для кода знака выделяется «знаковый» разряд (обычно крайний слева). В знаковом разряде 0 соответствует положительному числу, а 1 – отрицательному числу.