Лекция 3 Микропроцессор Часть1 Содержание 1 Основные характеристики

Лекция 3 Микропроцессор Часть1 Содержание 1. Основные характеристики микропроцессора 1. 1 Тактовая частота 1. 2 Разрядность 1. 3 Архитектура микропроцессора 2. Компоненты МП 2. 1 Устройство управления. 2. 2 Арифметико-логическое устройство 2. 3 Регистры

1. Основные характеристики микропроцессора Микропроцессор характеризуется тактовой частотой, разрядностью, архитектурой. 1. 1 Тактовая частота Измеряется в Мегагерцах (герц — 1 колебание в секунду). Вырабатывается кварцевым резонатором, кристалл кварца в оловянном контейнере. Под воздействием электрического напряжения в кристалле кварца возникают колебания электрического тока, частота тока определяется формой и размером кристалла. Частота этого тока называется тактовой частотой

Тактовая частота Время такт

n Такт, период тактовой частоты, — наименьшая единица времени для процессора. На каждую операцию затрачивается минимум один такт. Например, обмен с памятью Pentium II выполняет за три такта плюс несколько циклов ожидания (это такт, когда процессор ожидает).

n Время, затрачиваемое различными процессорами на выполнение команд, не постоянно. 486 процессор использует в среднем 2 такта, Pentium с помощью двух параллельных конвейеров исполняет команду за 1 такт, в современных процессорах (Pentium Pro, Pentium II/III, Celeron, Xeon) за один такт выполняется как минимум 3 команды.

n Быстродействие компьютера связано с тактовой частотой, но сравнивать производительность компьютеров только на основании тактовой частоты затруднительно. ЦП с различными внутренними архитектурами выполняют одни и те же команды быстрее, либо медленнее.

n Современные процессоры (начиная с 486 DX 2) работают на тактовой частоте, которая равна произведению некоторого множителя на частоту системной платы (ее вырабатывает генератор тактовой частоты):

n На быстродействие процессора влияют так же количество циклов ожидания при обращении к памяти, разрядность шины данных, конструктивные особенности оперативной памяти.

n n 1. 2. 3. 1. 2 Разрядность — это максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно. Это понятие включает: разрядность внутренних регистров разрядность шины данных разрядность шины адреса

n n n разрядность внутренних регистров (m), внутренняя длина слова, это количество разрядов, обрабатываемых процессором. Определяет характеристики программного обеспечения. Процессор с 32 -разрядными регистрами может обрабатывать 32 -разрядные команды, данные 32 -разрядными порциями.

n разрядность шины данных (n), внешняя длина слова. Современные процессоры типа Pentium имеют 64 -разрядные внешние шины данных, т. е. они могут одновременно передавать в системную память или получать из неё 64 бита данных. Разрядность шины данных определяет так же и разрядность банка памяти. На первый взгляд кажется странным, что m=32, а n=64. Но в процессорах Pentium для обработки информации служат два 32 -разрядных параллельных конвейера. Процессор Pentium подобен двум 32 -разрядным процессорам в одном корпусе, а 64 -разрядная шина данных позволит быстро заполнить рабочие регистры. Современные процессоры 6 поколения имеют 6 внутренних конвейеров, некоторые из конвейеров специализированы, процессор может выполнять по три команды за цикл. Архитектура процессора с несколькими конвейерами называется суперскалярной.

n Современные процессоры 6 поколения имеют 6 внутренних конвейеров, некоторые из конвейеров специализированы, процессор может выполнять по три команды за цикл. Архитектура процессора с несколькими конвейерами называется суперскалярной.

n n n разрядность шины адреса (k), это набор проводников, по которым передается адрес ячейки памяти, куда или откуда передаются данные. По каждому проводнику передается один бит адреса. Определяет адресное пространство МП. Оно равно 2 k

1. 3 Архитектура микропроцессора n Напомним, что архитектура в информатике — это обобщенное представлении системы с точки зрения существующих в ней информационных потоков и способов их обработки.

В архитектуру МП включают следующие характеристики: 1. разрядность; 2. структура адресного пространства; 3. состав, имена и назначение регистров; 4. способы машинного представления (форматы) данных; 5. способы машинного представления (форматы) команд и режимы адресации; 6. возможность совмещения выполнения команд во времени; 7. наличие дополнительных устройств в МП; 8. режимы работы; 9. система команд; 10. классы прерываний, особенности организации прерываний.

2. Компоненты МП n Основными компонентами МП являются Устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), собственная регистровая память.

2. 1 Устройство управления n n n Устройство управления — управляет работой всех компонентов компьютера и взаимодействием компонентов друг с другом. Управление происходит с помощью импульсных сигналов, которые посылаются на входы управляемых объектов. Устройство управления получает ответные сигналы.

n n n Физически УУ представляет собой цифровую электронную схему. На вход схемы поступает код выполняемой операции, а выходом являются серии импульсных сигналов. Таким образом, восприняв код операции, УУ формирует цепочку управляющих сигналов и подает их в нужные точки компьютера.

2. 2 Арифметико-логическое устройство n n n Арифметико-логическое устройство предназначено для исполнения арифметических и логических операций. Основу АЛУ составляет операционный блок, цифровое электронное устройство, которое может настраиваться на различные операции и их выполнять. Настройка на конкретную операцию и последовательность шагов ее выполнения задается управляющими сигналами от УУ.

2. 3 Регистры n n Регистр — это электронно-цифровое устройство для временного запоминания информации в виде двоичного кода. Запоминающим элементом регистра является триггер. О находится в одном из двух состояний: запоминание нуля или единицы. Регистр содержит несколько триггеров — по одному триггеру на каждый разряд запоминаемого числа. Число триггеров в регистре равно разрядности регистра.

Регистры используются не только для запоминания информации, но и для ее преобразования: n инвертирование кода, n прибавление и вычитание единицы. n Регистры специализированы для выполнения некоторой функции. n

n n Программно-недоступные регистры. Изменить роль этих регистров нельзя. Невозможно даже узнать их содержимое программным путем. Программный счетчик (счетчик команд) служит для формирования и запоминания адреса очередной выполняемой команды. После выполнения каждой команды счетчик содержит адрес следующей команды. По этому адресу команда хранится в оперативной памяти.

n n n Регистр команд хранит код текущей выполняемой команды. Входящий в состав команды код операции используется для формирования в УУ серии управляющих сигналов. Оставшаяся часть команды может содержать информацию об адресах операндов, участвующих в выполнении данной команды.

Регистр адреса памяти служит для запоминания адреса команды, операнда или результата операции во время чтения команды или операнда из памяти или записи результата операции в память. n Этот регистр может находиться и в оперативной памяти. n

n Регистр аккумулятор входит в АЛУ, предназначен для хранения одного из операндов перед выполнением операции в АЛУ или для кратковременного запоминания результата операции.

n n Программно-доступные регистры. Программист может использовать в работе. Среди них есть регистры общего назначения и регистр слово состояния процессора. Регистры общего назначения. Основное время при работе процессора тратится на обращение к памяти. Можно повысить производительность процессора, сохраняя промежуточные результаты вычислений и операнды внутри процессора. Для этого используют регистры общего назначения. Операции регистр значительно быстрее, чем регистр-память.

n Регистры общего назначения не имеют конкретного функционального назначения, программист использует их по своему усмотрению. Чтобы различать регистры общего назначения им присвоены уникальные имена (номера), которые и используются в программе.

Регистр слово состояния процессора (регистр флагов). n В программе часто требуется принять решение на основании результата только что исполненной МП команды. n Биты регистра флагов позволяют это сделать. В этом регистре фиксируется текущая информация. n

Всего в регистре имеется несколько одноразрядных флагов (битов): n флаг переноса — флаг установлен, если операция привела к переносу из старшего бита при сложении или к заему в старший бит при вычитании; n флаг переполнения — флаг установлен, если имеется переполнение разрядной сетки МП; n флаг нуля — установлен, если все биты результата нулевые; n флаг знака — установлен, если результат отрицательный; n флаг трассировки — если флаг установлен, то МП работает в пошаговом режиме для отладки; n флаг разрешения прерываний — если флаг установлен, то МП реагирует на запросы внешних (маскируемых) прерываний. Если сброшен — прерывания запрещены.

n n n У МП есть команды условной передачи управления, которые проверяют состояние флагов переноса, нуля, знака, переполнения. Флаги обычно используются независимо друг от друга. Они объединены в один регистр, так как все они отражают текущее состояние, оно может быть запомнено в стеке, а затем восстановлено из стека.

Вопросы n n n Перечислите основные характеристики МП Опишите тактовую частоту Что определяет тактовая частота? Как связана тактовая частота и производительность компьютера? Как связана частота МП и частота системной платы?

n n n Что такое разрядность МП? Какие существуют три вида разрядности МП? Охарактеризуйте их. Что включают в архитектуру МП? Перечислите компоненты МП Опишите УУ, АЛУ Для чего предназначены регистры МП, из чего они состоят

Какие существуют две категории регистров? n Перечислите программно-недоступные регистры n Опишите регистры общего назначения n Расскажите о регистре флагов. n