разделены и используют собственные линии связи с АЛУ. Это
позволяет пересылать команды и данные одновременно и, следова-
тельно, увеличить производительность процессора. Гарвардская
архитектура требует наличия двух шин памяти. Это значительно
повышает количество выводов МП и стоимость производства чипа.
Часто необходимо произвести выборку не двух, а трех
компонентов – инструкции с двумя операндами, на что классическая
гарвардская архитектура неспособна. Для таких случаев данная
архитектура дополняется кэш-памятью. Она применяется для хране-
ния тех инструкций, которые будут использоваться вновь. Кэш-
память позволяет освободить шину адреса и шину данных, что
делает возможным выборку двух операндов. Такую архитектуру
называют расширенной гарвардской архитектурой (Super Harvard
ARChitecture – SHARC).
Но подобная схема реализации доступа к памяти имеет
очевидный недостаток: чтобы разделить каналы передачи адреса и
данных, на кристалле необходимо сделать в два раза больше выво-
дов. Для решения этой проблемы был использован следующий
прием: внешние данные передаются по общей шине данных и шине
165
адреса, а внутри кристалла эти данные расходятся на шину данных,
шину команд и две шины адреса. Такой подход позволяет избежать
увеличения числа выводов без особого ущерба для производи-
тельности.
Рассмотрим обобщенную структуру микропроцессорного ядра
(рис. 5.27). Условно в ней можно выделить блок обработки команд и
блок обработки данных. Блок обработки команд состоит из регистра
команд (РК) и управляющего устройства (УУ). Блок обработки
данных включает АЛУ, регистр-накопитель, буферный регистр (БР),
регистр признаков (РП), блок регистров общего назначения (БРОН) и
регистр адреса (РА). Рассмотрим более подробно функциональные
блоки, представленные на рис. 5.27.
Рис. 5.27. Обобщенная структура микропроцессорного ядра
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) является одной из
важнейших частей микропроцессора. Оно предназначено для выпол-
нения арифметических и логических операций над числами в двоич-
ном коде. АЛУ строится на базе параллельного сумматора, поэтому
для него базовой операцией является операция сложения двоичных
чисел. Другие операции выполняются АЛУ с помощью специальных
команд, двоичные коды которых хранятся во внешней памяти. В
состав арифметических операций, кроме сложения, входят операции
вычитания, сравнения, поразрядного умножения, а также логические
операции «И», «ИЛИ» и «НЕ».
166
Для АЛУ важнейшей характеристикой является разрядность,
которая и определяет разрядность всего МП. Поскольку любая цифра
из диапазона от «0» до «9» может быть закодирована четырьмя
двоичными разрядами, то для выполнения арифметических операций
достаточно иметь 4-разрядное АЛУ. Однако этого недостаточно для
обработки текстовой информации, так как символы принято коди-
ровать 8-разрядным двоичным кодом. Именно поэтому в свое время
разработчики МП перешли от 4-разрядных АЛУ к 8-разрядным.
Разрядность АЛУ в современных микропроцессорах может доходить
до 64, что позволяет эффективно работать с большими числами, а
также упрощать адресацию при работе с большими объемами
данных.
Программный счетчик (на схеме не показан) используется для
формирования адреса очередной выполняемой команды. Команды
размещаются в ячейках памяти с последовательными адресами.
После того как очередная ячейка памяти считана в микропроцессор,
содержимое счетчика увеличивается на 1. Процедура увеличения
содержимого счетчика повторяется при выполнении всех команд
программы. При необходимости изменения порядка выполнения про-
граммы (например, при организации условных и безусловных пере-
ходов) содержимое счетчика подвергается изменению с помощью
специальных команд. Разрядность счетчика команд соответствует
разрядности адресов ячеек памяти, т.е. разрядности шины данных.
Как видно из рис. 5.27, в состав микропроцессора входит нес-
колько регистров, объединенных в блок регистров. По своему назна-
чению регистры МП разделяются на две категории:
– регистры общего назначения;
– специальные регистры.
Регистры общего назначения (РОН) выполняют функции свер-
хоперативной памяти. Наличие РОН на кристалле МП расширяет его
внутренние возможности по хранению данных и позволяет увели-
чить производительность МП без увеличения тактовой частоты. Все
РОН программно адресуемы.
Рассмотрим специальные регистры микропроцессоров. Входы
регистра-накопителя (аккумулятора) и буферного регистра подклю-
чены к внутренней магистрали микропроцессора, а выходы – к входу
АЛУ. Эти регистры применяются для выполнения арифметических и
логических операций, а их разрядности всегда равны. Буферный
регистр нужен исключительно для временного хранения одного из
167
операндов, участвующих в операции. Аккумулятор выполняет такую
же функцию, однако после завершения операции в него записывается
ее результат, т.е. аккумулятор участвует во всех арифметических
операциях. Кроме того, аккумулятор используется для ввода и
вывода данных к внешним устройствам. Следует заметить, что
существуют микропроцессоры, в которых отсутствует буферный
регистр, и тогда второй операнд поступает в АЛУ через внутреннюю
магистраль МП из РОН или из внешней памяти.
Регистр признаков предназначен для хранения результата
логической или арифметической операции, выполненной в АЛУ. В
качестве результатов могут выступать самые разнообразные призна-
ки: признак нулевого результата, признак четности единиц в резуль-
тате, признак переноса единицы в старший разряд и т.д. Количество
признаков и их назначение может изменяться в зависимости от
модели и производителя микропроцессора. Однако правило записи
информации о признаках всегда одинаково: логическая единица
соответствует удовлетворению признака. С помощью специальных
команд возможно получение информации о любом разряде регистра
признаков или извлечение его содержимого для дальнейшего приме-
нения. Признаки используются для организации условных переходов
в программах.
Для выполнения команд программы ее код, записанный в
память системы, считывается и по шине данных пересылается в
регистр команд, где и хранится до момента записи кода следующей
команды. Разрядность регистра команд совпадает с разрядностью
АЛУ микропроцессора.
Регистр адреса предназначен для хранения адреса очередной
выполняемой команды. Этот адрес формируется программным счет-
чиком команд. Регистр адреса позволяет организовать переходы в
процессе выполнения программы с помощью изменения содержи-
мого регистра.
Управляющее устройство (УУ) управляет работой всех блоков
микропроцессора и внешними устройствами системы с помощью
формирования управляющих сигналов. Для управления внутренними
устройствами УУ вырабатывает группу сигналов СУ, для управления
внешними устройствами – сигналы, входящие в состав шины управ-
ления. Комбинация управляющих сигналов, необходимая для выпол-
нения определенной команды, формируется в результате дешиф-
рации кода команды, который хранится в регистре команд.
168
Для связи МП с внешними устройствами используются следу-
ющие шины
МП (также называемые магистралями):
– шина адреса. Является однонаправленной и применяется для
передачи цифрового адреса (ячейки памяти или устройства) от
микропроцессора к внешним устройствам (в том числе и ОЗУ);
– шина данных. Двунаправленная шина, используемая для
передачи данных от микропроцессора к внешним устройствам и в
противоположном направлении;
– шина управления. Эта шина используется для передачи сиг-
налов управления от МП к внешним устройствам и наоборот. Одна-
ко, в отличие от шины данных, эта шина является квазидвунаправ-
ленной, т.е. каждый ее сигнальный провод используется для переда-
чи сигнала только в одном направлении.
Достарыңызбен бөлісу: |