Назначение, классификация и организация АЛУ. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) является одной из основных функциональных частей процессора, осуществляющей непосредственное преобразование информации. Все операции, выполняемые в АЛУ, можно разделить на следующие группы: — операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной запятой; — операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей запятой; — операции десятичной арифметики (над числами, представленными в двоично-десятичном коде); — операции адресной арифметики (при модификации адресов команд); — операции специальной арифметики; — логические операции;
Аттестационный тест по курсу «Информатика» 88,33%
Информатика
Аттестационный тест
Информатика
Информатика
Тест 1 — Основы программирования Си
Программирование и алгоритмизация
Экзамен — Теория 2023 г
Информатика
499 149 руб.
Ответы на Аттестацию официального партнера amoCRM 2023
Информатика
— операции над алфавитно-цифровыми полями. Современные универсальные ЭВМ обычно реализуют операции всех приведенных выше групп, а специализированные ЭВМ часто не имеют аппаратуры для обработки чисел с плавающей запятой, десятичных чисел и операций над алфавитно-цифровыми полями. В этом случае эти операции выполняются специальными подпрограммами. Основными являются арифметические и логические операции. К арифметическим операциям относятся сложение, вычитание, вычитание модулей («короткие операции»), умножение и деление («длинные операции»). Группу логических операций составляют операции дизъюнкции (логическое ИЛИ) и конъюнкции (логическое И) над многоразрядными двоичными словами, сравнение кодов на равенство. Специальные арифметические операции включают в себя нормализацию, арифметический сдвиг (сдвигаются только цифровые разряды, знаковый разряд остается на месте), логический сдвиг (знаковый разряд сдвигается вместе с цифровыми разрядами). Обширна группа операций редактирования алфавитно-цифровой информации. Для выполнения перечисленных операций в АЛУ включаются следующие функциональные узлы: — сумматор для выполнения суммирования и других действий над кодами операндов; — регистры для хранения кодов операндов на время выполнения действий над ними; — сдвигатели для сдвига кода на один или несколько разрядов вправо или влево; — преобразователи для преобразования прямого кода числа в обратный или дополнительный код; — комбинационные схемы для реализации логических операций, мультиплексирования данных, управляемой передачи информации, формирования признаков результата и т.д. Регистры и в некоторых случаях сумматоры имеют цепи управления приемом, выдачей и сбросом кодов операндов. Логические операции, операции сдвига и преобразования кодов могут выполняться не только специальными устройствами, но и с помощью дополнительных связей регистров и сумматора. В зависимости от типов используемых для суммирования базовых элементов различают комбинационные и накапливающие сумматоры. Классификация АЛУ По способу представления чисел различают АЛУ: — для чисел с фиксированной запятой; — для чисел с плавающей запятой; — для десятичных чисел. По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные. В параллельных АЛУ операнды представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов. В последовательных АЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. Такие АЛУ, как правило, используют конвейерный метод обработки, при котором совмещаются во времени фазы выполнения операции для различных разрядов операндов. По выполняемым функциям АЛУ делятся на многофункциональные и функциональные (блочные). В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей запятой, десятичными и алфавитно-цифровыми полями, операции типа «умножение» выполняются в отдельных блоках. Такой подход позволяет увеличить скорость работы АЛУ за счет использования быстродействующих блоков, а также за счет организации параллельной работы этих блоков. Однако в этом случае значительно возрастают затраты оборудования. «4. Фазы жизненного цикла» — тут тоже много полезного для Вас. В многофункциональных АЛУ всевозможные операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы. По структурной организации АЛУ можно разделить на устройства, имеющие: — регистровую структуру с непосредственными связями и закрепленной логикой; — магистральную структуру с сосредоточенной памятью и логикой. Арифметико-логические устройства первого типа базируются на принципе закрепления логических схем, используемых для выполнения микроопераций, за каждым из регистров. Так, на рис. 3.15 регистры Р1 и Р2 выполняют функции приема, хранения и выдачи операндов, поступающих из регистров общего назначения (РОН) процессора или КЭШ-памяти данных. С регистром Р1 непосредственно связан преобразователь кода ПК1. Комбинационный сумматор КСМ объединен с регистром РЗ по схеме накапливающего сумматора, с которым непосредственно связаны ПК2 и комбинационная схема КС для мультиплексирования входных данных. На регистре РЗ выполняются микрооперации сдвига вправо или влево и сброс. Регистр Р4 выполняет микрооперации сдвига и непосредственно связан с преобразователем кода ПКЗ. Таким образом, в данной структуре функции хранения и преобразования информации выполняются одним и тем же операционным блоком. Магистральная структура АЛУ отличается тем, что в ней регистры и схемы для преобразования информации выделены в отдельные блоки, связанные между собой по входам и выходам. В этом случае блок регистров (БР) выполняет функции приема, хранения, выдачи операндов и результатов, а операционный блок (ОБ) выполняет весь необходимый набор микроопераций над словами, хранимыми в БР. В данной структуре блок регистров может быть реализован двумя способами: либо как совокупность отдельных регистров с индивидуальными схемами управления, либо как сверхоперативное адресное запоминающее устройство.
Арифметико-логическое устройство. Сложение двоичных чисел.
Поделитесь ссылкой:
Определение понятия
Арифметико-логическое устройство — один из блоков процессора, управляемый УУ (устройством управления). Его предназначение: выполнение логических и арифметических преобразований над данными-операндами (аргументами операции, информацией, обрабатываемой программой). Разрядность операндов в данном случае — размер или длина машинного слова.
Современное многофункциональное АЛУ состоит сегодня из двух частей:
- Операционное устройство.
- Устройство управления. Проводит вторичную дешифрацию кодов команды, определяет операцию, выполняемую в арифметико-логическом устройстве.
Набор выполняемых операций
Важно знать, какие операции должно исполнять АЛУ для того, чтобы обладать функциональной полнотой. Как правило, хватает четырех:
- Обращение к памяти устройства для чтения или записи информации.
- Декремент/инкремент.
- Сравнение. Здесь реализуется возможность условного перехода.
- Остановка функционирования устройства.
Если мы обратимся к первым арифметико-логическим устройствам, то увидим, что количество выполняемых ими операций ограничивалось 16-ю. Современные АЛУ способны выполнять сотни! Кстати, число операций и сегодня является важнейшей характеристикой данных устройств.
Состав и назначение основных элементов персонального компьютера. Периферийные устройства. Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ. Их характеристики
Внешние запоминающие устройства, устройства ввода-вывода данных, аппаратура сопряжения с объектами – датчиками сигналов, линиями связи, исполнительными органами и т.д., это – внешняя часть вычислительной системы
На материнской плате размещается … процессор
К основным характеристикам процессора относится … тактовая частота
К основным характеристикам процессора относятся …
тактовая частота и объем ОЗУ
Скорость выполнения вычислительных операций зависит от … процессора
Устройством для преобразования цифровых сигналов в аналоговую форму является … модем
Функциональной частью компьютера, предназначенной для приема, хранения и выдачи данных, не является … графопостроитель
Центральный процессор, системные шины
Процессор выполняет обработку всех видов информации
К основным характеристикам процессора относится тактовая частота
Интерфейс объединения модулей в вычислительную систему, называется общей шиной (или системной магистралью)
Аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к процессору другие устройства называется… портом
Основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой называется… системной шиной
Устройство управления является составной частью… микропроцессора
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) является составной частью… микропроцессора
Микропроцессорная память (МП) является составной частью… микропроцессора
Интерфейсная система является составной частью… микропроцессора
Кодовая шина данных является составной частью… системной шины
Кодовая шина адреса является составной частью… системной шины
Кодовая шина инструкций является составной частью… системной шины
Шина питания является составной частью… системной шины
Запоминающие устройства: классификация, принцип работы, основные характеристики. Системная память: ОЗУ, ПЗУ, кэш. Внешняя память: винчестер; стример; накопитель на гибких магнитных дисках; накопители на компакт-дисках
В состав внутренней памяти современного компьютера НЕ входит… накопители на магнитных дисках
Для временного хранения информации используется оперативная память (ОЗУ)
Невозможно случайно стереть информацию на … CD-R
Устройством для резервного копирования больших объемов информации является стример
дополнительным хранилищем копий блоков информации
Дисковая память является… памятью прямого доступа
КЭШ-память компьютеров: значительно увеличивает емкость оперативной памяти
Устройством, в котором хранение данных возможно только при включенном питании компьютера, является… оперативная память (ОЗУ)
Минимальной адресуемой ячейкой оперативной памяти является байт
Имеет механические части и поэтому работает достаточно медленно ________ память внешняя
Укажите, какие запоминающие устройства из предложенного списка относятся к внутренней памяти: а) жесткие магнитные диски б) оперативная память в) постоянная память г) гибкие магнитные диски д) кэш-память (б, в, д)
Укажите, какие устройства из предложенного списка являются устройствами памяти: а) жесткий диск б) джойстик в) мышь г) регистры д) CD-ROM (а, г, д)
Укажите, какие устройства из предложенного списка являются устройствами памяти: а) сканер б) ОЗУ в) мышь г) регистры д) CD-ROM (б, г, д)
Внешняя память компьютера предназначена … для долговременного хранения данных и программ
Компакт-диск (CD) – это … оптический диск, информация с которого считывается лазерным лучом
Процедурой исправления ошибок, используемой для защиты данных в памяти компьютера, является … код Хемминга
При отключении компьютера данные не сохраняются … в оперативной памяти (ОЗУ)
Принцип записи данных на гибкий магнитный диск заключается в намагничивании поверхности диска
Устройства ввода/вывода данных, данных, их разновидности и основные характеристики. Клавиатура. Координатные устройства ввода. Видео- и звуковые адаптеры. Назначение, разновидности и основные характеристики. Сканеры. Принтеры. Плоттеры. Мониторы
Модем – это устройство… для связи компьютера с сетью через телефонные линии связи
Разрешение принтера – это число точек, которое различают на линии длиной в один дюйм
Мышь может быть… оптической
Сканер используется для … ввода текстовой и графической информации в компьютер
Джойстик в первую очередь используется как манипулятор в игровых приставках
Выберите устройство ввода мышь
Принтеры классифицируют по типу механизм выполнения печати
НЕ существует мониторов _________ типа лазерного
Устройством ручного ввода графических данных, выполненное в виде рукоятки, связанной с датчиками напряжения, является… джойстик
Базаров Н.Р. 1
1 : Колледж коммерции, технологий и сервиса ФГБОУ ВО «Курский государственный университет»
Работа в формате PDF
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических преобразований над числами и словами.
В АЛУ кроме классических арифметических операций, логического сложения и логического умножения двух слов выполняются сдвиги слов, преобразования кодов и некоторые другие операции.
Современные АЛУ выполняют:
- функции двоичной арифметики для данных в формате с фиксированной точкой;
- функции двоичной арифметики для данных в формате с плавающей точкой;
- функции арифметики двоично-десятичного представления данных;
- логические операций (в том числе сдвиги арифметические и логические);
- операции пересылки данных;
- работу с символьными данными;
- работу с графическими данными.
Основные характеристики АЛУ можно разделить на количественные и качественные.
Количественные характеристики определяют скорость выполнения операций, время выполнения одной операции, точность представления данных, количество выполняемых операций.
Среднюю скорость выполнения операций Vср. в АЛУ можно определить как отношение N(T)- количества операций, выполненных за отрезок времени Т к данному отрезку времени:
Среднее время, которое АЛУ тратит на выполнение операции равно: Tср = 1/Vср (2)
Точность представления данных в АЛУ зависит от разрядной сетки АЛУ и выбранного формата данных.
К качественным характеристикам АЛУ относятся:
- структурные особенности АЛУ;
- форматы представления данных (с фиксированной или плавающей точкой);
- способы кодирования данных.
АЛУ можно классифицировать по ряду признаков, приведенных ниже.
1. Классификация по способу представления данных:
- с фиксированной запятой;
- с плавающей запятой.
2. Классификация по способу действия над операндами:
·последовательные АЛУ, где каждая операция выполняется последовательно над каждым разрядом;
·параллельные АЛУ, операция выполняется над всеми разрядами данных одновременно;
·последовательно — параллельные АЛУ, где слово данных делится на слоги, обработка данных ведется параллельно над разрядами слога и последовательно над слогами.
3. Классификация по использованию систем счисления:
- двоичная;
- двоично- десятичная;
- восьмеричная;
- шестнадцатеричная;
- и т.д.
4. Классификация по характеру использования элементов и узлов:
- блочные — для выполнения отдельных арифметических операций в структуру АЛУ вводят специальные блоки, что позволяет процесс обработки информации вести параллельно;
- конвейерные — в конвейерных АЛУ операция разбивается на последовательность микроопераций, выполняемых за одинаковые промежутки времени (такты) на разных ступенях конвейера, что позволяет выполнять операцию над потоком операндов каждый такт;
- многофункциональные — это универсальные АЛУ, выполняющие множество операций в одном устройстве. В таких АЛУ требуется настройка на выполнение данной операции при помощи кода операции.
5.Классификация по временным характеристикам.
По временным характеристикам АЛУ делятся на:
- синхронные — в синхронных АЛУ каждая операция выполняется за один такт.
- Асинхронные — не тактируемые АЛУ, обеспечивающие высокое быстродействие, так как выполняются на комбинационных схемах.
6.Классификация по структуре устройства управления:
- АЛУ с жесткой логикой устройства управления;
- АЛУ с микропрограммным управлением.
Структура АЛУ представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Структура АЛУ
Исходные данные (операнды) по командам УУ (см выше) считываются из ОЗУ в регистры первого и второго операндов (связь 1).
Из УУ в блок управления АЛУ поступает команда на выполнение той или иной операции (связь 2), которая передается им в операционную часть (связь 3).
В соответствии с этой командой операционная часть выполняет нужное действие с данными, которые выбираются из регистров первого и второго операндов (связь 6). Результат заносится в регистр результата (связь 4), откуда – в ОЗУ (связь 5).
Структура регистров АЛУ, куда помещаются исходные и результирующие данные, а также размер регистров (число двоичных разрядов t) формируют понятие разрядной сетки (далее – сетки), которое используется ниже.
Таким образом, структура АЛУ определяется набором микроопераций, необходимых для выполнения заданных арифметических, логических и специальных операций, а задачу построения АЛУ можно свести к задаче определения набора микроопераций, который позволяет составить микропрограмму любой из заданных операций. Такой набор легко получить, если записать микропрограммы всех операций, выполняемых в АЛУ, и выбрать из них все микрооперации, входящие в микропрограммы хотя бы один раз. Однако, если при этом алгоритм операций выбирать произвольно, то количество микроопераций, входящих в полный набор, может оказаться слишком большим и, следовательно, АЛУ будет сложным.
Для получения более простой схемы АЛУ алгоритмы арифметических и логических операций следует выбирать из условия получения минимального набора микроопераций. При этом необходимо учитывать требование обеспечения заданного быстродействия АЛУ: слишком ограниченный набор микроопераций может привести к «длинным микропрограммам некоторых операций», что увеличивает время выполнения данных операций.
Список использованных источников
- Арифметико-логическое устройство [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.studfiles.ru/preview/3565590/page:3/ Дата обращения: 07.02.2017
- Арифметико-логическое устройство [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.intuit.ru/studies/courses/60/60/lecture/1770%3Fpage%3D1 Дата обращения:07.02.2017
- Арифметико-логическое устройство. Общие сведения, функции и классификация [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.studfiles.ru/preview/716008/ Дата обращения: 07.02.2017
Состав и назначение основных элементов персонального компьютера. Периферийные устройства. Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ. Их характеристики
Внешние запоминающие устройства, устройства ввода-вывода данных, аппаратура сопряжения с объектами – датчиками сигналов, линиями связи, исполнительными органами и т.д., это – внешняя часть вычислительной системы
На материнской плате размещается … процессор
К основным характеристикам процессора относится … тактовая частота
К основным характеристикам процессора относятся …
тактовая частота и объем ОЗУ
Скорость выполнения вычислительных операций зависит от … процессора
Устройством для преобразования цифровых сигналов в аналоговую форму является … модем
Функциональной частью компьютера, предназначенной для приема, хранения и выдачи данных, не является … графопостроитель
Центральный процессор, системные шины
Процессор выполняет обработку всех видов информации
К основным характеристикам процессора относится тактовая частота
Интерфейс объединения модулей в вычислительную систему, называется общей шиной (или системной магистралью)
Аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к процессору другие устройства называется… портом
Основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой называется… системной шиной
Устройство управления является составной частью… микропроцессора
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) является составной частью… микропроцессора
Микропроцессорная память (МП) является составной частью… микропроцессора
Интерфейсная система является составной частью… микропроцессора
Кодовая шина данных является составной частью… системной шины
Кодовая шина адреса является составной частью… системной шины
Кодовая шина инструкций является составной частью… системной шины
Шина питания является составной частью… системной шины
Запоминающие устройства: классификация, принцип работы, основные характеристики. Системная память: ОЗУ, ПЗУ, кэш. Внешняя память: винчестер; стример; накопитель на гибких магнитных дисках; накопители на компакт-дисках
В состав внутренней памяти современного компьютера НЕ входит… накопители на магнитных дисках
Для временного хранения информации используется оперативная память (ОЗУ)
Невозможно случайно стереть информацию на … CD-R
Устройством для резервного копирования больших объемов информации является стример
дополнительным хранилищем копий блоков информации
Дисковая память является… памятью прямого доступа
КЭШ-память компьютеров: значительно увеличивает емкость оперативной памяти
Устройством, в котором хранение данных возможно только при включенном питании компьютера, является… оперативная память (ОЗУ)
Минимальной адресуемой ячейкой оперативной памяти является байт
Имеет механические части и поэтому работает достаточно медленно ________ память внешняя
Укажите, какие запоминающие устройства из предложенного списка относятся к внутренней памяти: а) жесткие магнитные диски б) оперативная память в) постоянная память г) гибкие магнитные диски д) кэш-память (б, в, д)
Укажите, какие устройства из предложенного списка являются устройствами памяти: а) жесткий диск б) джойстик в) мышь г) регистры д) CD-ROM (а, г, д)
Укажите, какие устройства из предложенного списка являются устройствами памяти: а) сканер б) ОЗУ в) мышь г) регистры д) CD-ROM (б, г, д)
Внешняя память компьютера предназначена … для долговременного хранения данных и программ
Компакт-диск (CD) – это … оптический диск, информация с которого считывается лазерным лучом
Процедурой исправления ошибок, используемой для защиты данных в памяти компьютера, является … код Хемминга
При отключении компьютера данные не сохраняются … в оперативной памяти (ОЗУ)
Принцип записи данных на гибкий магнитный диск заключается в намагничивании поверхности диска
Устройства ввода/вывода данных, данных, их разновидности и основные характеристики. Клавиатура. Координатные устройства ввода. Видео- и звуковые адаптеры. Назначение, разновидности и основные характеристики. Сканеры. Принтеры. Плоттеры. Мониторы
Модем – это устройство… для связи компьютера с сетью через телефонные линии связи
Разрешение принтера – это число точек, которое различают на линии длиной в один дюйм
Мышь может быть… оптической
Сканер используется для … ввода текстовой и графической информации в компьютер
Джойстик в первую очередь используется как манипулятор в игровых приставках
Выберите устройство ввода мышь
Принтеры классифицируют по типу механизм выполнения печати
НЕ существует мониторов _________ типа лазерного
Устройством ручного ввода графических данных, выполненное в виде рукоятки, связанной с датчиками напряжения, является… джойстик
Кнопки, используемые для выдачи сигналов, обеспечивающих тот или иной вид обработки участка изображения или текста на экране, располагаются на поверхности
Укажите, какие устройства из предложенного списка являются устройствами вывода данных: а) плоттер б) процессор в) блок питания г) монитор д ) сканер (а, г)
Укажите, какие устройства из предложенного списка являются устройствами вывода данных: а) привод CD-ROM б) жесткий диск в) монитор г) сканер д) лазерный принтер (в, д)
Укажите, какие устройства из предложенного списка являются устройствами ввода данных: а) жесткий диск б) джойстик в) мышь г) регистры д) привод CD-ROM (б, в)
Укажите, какие устройства из предложенного списка являются устройствами ввода данных: а) сканер б) ОЗУ в) мышь г) регистры д) привод CD-ROM (а, в)
Один из физических каналов ввода/вывода компьютера, разъем – называется… портом
Разрешение принтера – это … число точек, которое способен напечатать принтер на одном дюйме
Наиболее важная характеристика экрана монитора – это … физический размер экрана
К устройствам вывода НЕ ОТНОСИТСЯ мышь
Понятие системного программного обеспечения: назначение, возможности, структура; операционные системы
Выберите операционную систему. UNIX MS DOS
Главными частями системного программного обеспечения являются операционная система и система программирования
Текстовый, экранный, графический редакторы относятся к числу ______ обеспечения служебного, сервисного
Средство, позволяющее быстро собрать данные о компьютере и его операционной системе это…
программа Сведения о системе
Ядро операционной системы можно отнести к _________ программному обеспечению. системному
По реализации пользовательского интерфейса операционные системы разделяются на … графические и неграфические
В основные функции операционной системы не входит … разработка программ для ЭВМ
Драйверы – это … программы для согласования работы внешних устройств и компьютера
Определением программного приложения является … совокупность прикладных программ, созданные для работы под управлением конкретной операционной системы
Из трех открытых на рисунке окон активным является …(РИС)
Пользователь с окном Блокнот выполняет операцию (РИС)
Операции устройства
Структура АЛУ предполагает выполнение действий через логические функции, которые делятся на такие группы:
- десятичная арифметика;
- двоичная арифметика для цифр с четко обозначенной точкой;
- шестнадцатеричная арифметика для выражений с плавающим разделителем;
- модификация адресов команд;
- операции логического типа;
- преобразование алфавитно-цифровых полей;
- специальная арифметика.
Современные электронно-вычислительные машины способны реализовать все вышеупомянутые типы активности, а микроЭВМ не имеют такого базового функционала, поэтому наиболее сложные процедуры выполняют через подключение небольших подпрограмм.
Арифметические операции и логические процедуры
Все действия АЛУ можно условно разделить на несколько групп.
Арифметические операции включают в себя деление, умножение, вычитание модулей, обычное вычитание и сложение.
К группе логических преобразований причисляют логическое «и» и «или», то есть конъюнкцию и дизъюнкцию, а также сравнение данных на равенство. Такие процедуры, как правило, проводят над двоичными словами, состоящими из множества разрядов.
К специальным арифметическим операциям относятся нормализация, логический и арифметический сдвиги. Между этими преобразованиями есть существенная разница. Если при арифметическом сдвиге в местоположении меняют лишь цифровые разряды, то при логическом знаковый разряд присоединяется к движению.
Каждую операцию, которая происходит посредством использования арифметико-логического устройства, можно назвать последовательностью функций логического типа, которые описываются многоразрядной логикой для электронно-вычислительных машин. К примеру, для двоичных ЭВМ используется двоичная логика и так далее, вплоть до десятеричной системы.
Абсолютно у всех арифметико-логических преобразований есть собственные операнды, а результаты на выходе трактуются как битовые строки с шестнадцатью разрядами. Исключением являются лишь примитивы знакового деления DIVS. А разнообразные флаги позволяют трактовать данные на выходе как цифры со знаком минус или плюс при переполнении. Логика преобразования битов строится на арифметике по модулю. Флаг ставится, если произошли непредсказуемые изменения со знаком. К примеру, складывая два положительных числа, вы должны получить результат со знаком «+». Но если происходит перенос в знаковый бит, устанавливающий единицу, а итог получается отрицательным, то устанавливается флаг переполнения.
Логика бита переноса базируется на беззнаковой арифметике. Этот флаг устанавливается системой, если сгенерированный перенос из старшего разряда не может быть записан как результат. Этот бит АЛУ очень эффективен при использовании преобразований с многословными представлениями.
Арифметико логическое устройство является составной частью
Архитектура МП (Лекция)
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Внутреннее построение микропроцессора
2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
5. Счетчик команд (Program Counter (РС) — программный счётчик)
6. Регистр адреса памяти (регистр адреса)
7. Регистр команд
8. Регистр состояния
9. Буферные регистры АЛУ
10. Регистры общего назначения (РОН)
11. Указатель стека (Stack Pointer — (SP))
12. Схема управления
1. Внутреннее построение микропроцессора
Потребитель, воспринимает МП как нечто цельное, имеющее внешние потребительские свойства, заложенные в его архитектуру.
Архитектура МП – функциональные возможности аппаратных средств МП, используемые для представления данных, машинных операций, описания алгоритмов и процессов вычислений.
С точки зрения пользователя-программиста под архитектурой МП в общем случае понимают совокупность следующих компонентов и характеристик:
1) разрядность адресов и данных;
2) состав и назначение программно-доступных регистров;
3) формат и система команд;
4) режим адресации памяти;
5) способы машинного представления данных разного типа;
6) структура адресного пространства;
7) способы адресации внешних устройств и средств выполнения операций ввода-вывода;
8) классы прерываний, особенности инициирования и обработки прерываний.
Какими бы ни были рассматриваемые МП, касающаяся их информация содержит много общего. Типовая документация содержит информацию о структуре ИС, схеме выводов ИС и назначение каждого из них. Схематизируется архитектура МП, описываются его основные свойства. Одновременно даются временные диаграммы и состав команд МП.
Структурная схема МП даёт наглядное представление о его архитектуре и позволяет рассмотреть работу МП по выполнению двух основных функций: обработке и манипулированию данными.
Использование структурной схемы МП существенно облегчает понимание того, как МП решает поставленные задачи. Рассмотрим структурную схему, представленную на рисунке 1. Изображённый 8-разрядный МП приведен в качестве типичного примера и не является какой-либо конкретной моделью, выпускаемой промышленностью.
Структурная схема МП даёт наглядное представление о его архитектуре и позволяет рассмотреть работу МП по выполнению двух основных функций: обработке и манипулированию данными.
Рис. 1. Структурная схема 8-разрядного МП
Использование структурной схемы МП существенно облегчает понимание того, как МП решает поставленные задачи. Рассмотрим структурную схему представленную на рис. 1
МП состоит из трёх основных блоков: АЛУ, нескольких регистров и устройства управления. Для передачи данных между этими блоками МП используется внутренняя шина данных. Поясним назначение отдельных элементов структурной схемы.
2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
АЛУ выполняет обработку данных. Типичными операциями, выполняемыми АЛУ являются сложение, инвертирование, сдвиг, а также операции инкремента и декремента. АЛУ содержит два входных порта и один выходной порт. Оба входных порта снабжены буферами, роль которых выполняют регистры временного хранения данных – буферные регистры. В конечном итоге АЛУ выполняет все арифметические и логические операции. Каждый порт соединён со своим буферным регистром, способным хранить для АЛУ одно слово данных. АЛУ принимает данные или с внутренней шины данных МП, или из специального регистра, именуемого аккумулятором. Единственный выходной порт АЛУ пересылает слово данных в аккумулятор. АЛУ оперирует одним или двумя словами в зависимости от вида выполняемой операции.
Схема десятичной коррекции позволяет производить операции десятичной арифметики. Точнее, позволяет выполнять обработку данных, представленных в двоично-десятичной системе счисления.
Регистры являются важной составной частью любого МП. Количество и назначение регистров в МП зависит от его архитектуры. Однако все МП имеют шесть основных регистров: состояния, буферные, команд, адреса памяти, счетчик команд и аккумулятор. Остальные регистры предназначены для упрощения работы программиста. В процессе ознакомления с каждым из основных регистров следует обращать внимание на то, какое влияние оказывает именно этот регистр на данные, проходящие через МП. Некоторые основные регистры не используются в качестве средства программирования. Это объясняется не их физическим отсутствием, а тем, что программисту не предоставляются средства изменения содержимого этих регистров. Понимание влияния каждого основного регистра на поток данных в МП позволяет получить правильное представление о его функционировании.
Аккумулятор – главный регистр МП при различных манипуляциях с данными. Для выполнения любой операции над данными прежде всего их необходимо поместить в аккумулятор. Данные поступают в него с внутренней шины данных МП. В свою очередь аккумулятор может посылать данные на эту шину. На пути прохождения данных из аккумулятора в АЛУ находится буфер аккумулятора. Большинство арифметических и логических операций осуществляется путём использования АЛУ и аккумулятора. Любая из таких операций над двумя словами данных предполагает размещение одного из них в аккумуляторе, а другого в памяти или в каком-либо регистре. Результат операции АЛУ размещается в аккумуляторе. При этом исходное содержимое аккумулятора теряется.
Количество разрядов аккумулятора соответствует разрядности шины данных МП, т.е. 8 бит. Некоторые МП имеют аккумуляторы двойной длины или группу аккумуляторов.
5. Счетчик команд ( Program Counter (РС) — программный счётчик)
Для корректного выполнения программы её команды должны поступать в строго определённом порядке. Счетчик команд следит за тем, какая команда выполняется, а какая подлежит выполнению следующей. Счетчик команд содержит адрес ячейки памяти следующей для выполнения команды. Для МП адресующихся к памяти объёмом 64 кбайта число разрядов счетчика команд равно 16. Счетчик команд (РС) соединён с внутренней шинной данных МП. Теоретически этот регистр может получать данные об адресах программы из любого блока МП, подключенного к внутренней шине. Однако в действительности данные поступают в счетчик команд из памяти ЭВМ.
Для правильного понимания излагаемого отметим следующее. После извлечения команды из памяти МП автоматически даёт приращение содержимому счетчика команд. Это приращение СК получает как раз в тот момент, когда МП начинает выполнять команду, только что извлеченную из памяти. С этого момента СК указывает, какой будет следующая команда. СК содержит адрес следующей выполняемой команды на протяжении всего времени выполнения текущей команды. Перед выполнением программы СК загружается адресом ячейки памяти, содержащей первую команду программы.
6. Регистр адреса памяти (регистр адреса)
При каждом обращении к памяти ЭВМ регистр адреса памяти указывает (содержит) адрес ячейки памяти, которая подлежит использованию МП. Регистр адреса памяти содержит двоичное число – адрес области памяти. Выход этого регистра называется адресной шиной.
В течение выборки команды из памяти регистр адреса памяти и счетчик команд имеют одинаковое содержимое, то есть регистр адреса памяти указывает местоположение команды извлекаемой из памяти. После декодирования команды счетчик команд получает приращение, а регистр адреса памяти приращения не получает. При выполнении команды содержимое регистра адреса памяти зависит от выполняемой команды. Если МП должен произвести ещё одно обращение к памяти, то регистр адреса памяти подлежит вторичному использованию при обработке команды. Для некоторых команд адресация к памяти не требуется. При обработки таких команд регистр адреса памяти используется только один раз — в течении подцикла выборки команды из памяти. Регистр адреса памяти располагает количеством разрядов, достаточным для адресации любой области памяти ЭВМ. Для памяти 64 кбт-16 разрядов.
7. Регистр команд
В ходе извлечения команды из памяти её первый байт (КОП) передаётся в 8-разрядный регистр команд. Содержимое регистра доступно тогда дешифратору команд. Регистр команд предназначен исключительно для хранения текущей выполняемой команды. Эта функция реализуется МП с начала цикла выборка-выполнение, называемый также машинным циклом. Регистр команд соединён с внутренней шиной данных, однако он может только принимать данные – посылать данные на шину он не может.
При извлечении команды из области памяти копия команды помещается на внутреннюю шину данных и пересылается в регистр команд. Далее дешифратор команд считывает содержимое регистра команд, сообщая МП что делать для реализации операций команды.
8. Регистр состояния
Наличием регистра состояния подлинная ЭВМ отличается от калькулятора. Данный регистр предназначен для хранения результатов некоторых проверок состояния аккумулятора, осуществляемых в процессе выполнения программы. Регистр состояния содержит пять одноразрядных индикаторов, содержимое этих индикаторов используется условными ветвлениями программ.
На рис. 2 показаны разряды регистра состояния. Этот регистр ещё называют регистром признаков.
Бит CY указывает, что последняя выполненная операция сопровождалась переносом или заёмом. Значение разряда переноса устанавливается равным 1, если в результате сложения двух чисел имеет место перенос из 8-го разряда результата. Отрицательный перенос фиксируется в бите CY при вычитании большего числа из меньшего.
Бит нулевого результата Z принимает единичное значение, если после окончания операции во всех разрядах результата обнаружены двоичные нули. В противном случае бит Z содержит нуль.
Знаковый бит S принимает единичное значение, когда старший значащий бит результата становится равным 1. При выполнении арифметических операций с числами в дополнительном коде единичное значение старшего бита показывает, что получено отрицательное число.
Бит четности Р поверяет число единиц в аккумуляторе. Если это число четное то в бите P устанавливается 1, если число нечетное – бит Р сбрасывается в 0.
Бит вспомогательного переноса АС показывает перенос из третьего разряда аккумулятора в четвёртый. Работает аналогично индикатору CY . Значение этого бита используют команды десятичной арифметики.
Не все разряды регистра состояния используются МП. В неиспользуемых 8-разрядах постоянно записаны двоичные единицы или нули. Слово состояния МП – это содержимое регистра состояния. Содержимое регистра состояния может быть загружено во внутреннею шину данных МП. Однако он не имеет возможности принимать данные, поступающие по шине.
9. Буферные регистры АЛУ
Буферные регистры предназначены для временного хранения одного слова данных. Один из этих регистров называется буфером аккумулятора АЛУ. В оба буферных регистра данные поступают с внутренней шины данных МП. В буфер аккумулятора данные могут поступать и с выхода аккумулятора. Необходимость в таких регистрах вызвана отсутствием в АЛУ своего запоминающего устройства. В состав АЛУ включены только комбинационные схемы и поэтому при поступлении исходных данных на входы АЛУ немедленно появляется результат на его выходе. Результат помещается в аккумулятор. Комбинационные операции – операции, при которых информационные сигналы на выходах операционного блока представляют собой некоторую функцию входных сигналов и существуют до тех пор, пока поданы на входы операционного блока входные сигналы.
Работа АЛУ без регистров временного хранения данных невозможна. Когда в арифметической или логической операций АЛУ участвуют два слова данных, одно из них из аккумулятора. Результат подобной операции помещается в аккумулятор. Буфер аккумулятора позволяет избежать ситуации, при которой вход и выход АЛУ одновременно подсоединены к одной и той же точке схемы. Буферные регистры недоступны для программирования.
10. Регистры общего назначения (РОН)
В некоторых МП РОН служат в качестве запоминающих устройств, это позволяет повысить быстродействие микро-ЭВМ за счет сокращения пересылок кодов между МП и памятью. В некоторых МП функциональные возможности этих регистров не уступают возможностям аккумулятора. Последнее достигается в том случае, если АЛУ может помещать в них данные.
Регистры общего назначения BC , DE , HL могут быть использованы как шесть 8-разрядных или три 16-разрядные пары регистров в зависимости от текущей выполняемой команды. Выборка команд длиной 2 и 3 байт производится с участием регистров W и Z . Первый байт команды заносится в регистр команд, второй — в регистр W , а третий — в регистр Z . Регистры W и Z программно недоступные. Пара HL обычно используется для указания адреса. Остальные РОН являются регистрами хранения данных. В нашем случае АЛУ не помещает данные в РОН, поэтому они не обладают возможностями аккумулятора. РОН представляет собой сверхоперативную память МП.
11. Указатель стека ( Stack Pointer — ( SP ))
Указатель стека ( SP ) представляет 16-разрядный регистр, который содержит адрес последнего помещенного в стек байта. Указатель стека декрементируется при каждом помещении в стек и инкрементируется при каждом извлечении из него.
Стек – это область памяти, специально выделяемая для временного хранения данных программы. Отличительной особенностью стека является особая организация обращения к нему со стороны МП. Запись и чтение данных в стеке осуществляется в соответствии с принципом LIFO ( Last In First Out ) – «последним пришел, первым ушел». Таким образом, информация в стеке размещается в строгой последовательности – ячейка памяти, заполненная последней, считывается первой, а ячейка памяти заполненная первой извлекается последней. В ячейки стека информация заносится последовательно и извлекается в порядке обратном порядку занесения. Таким образом, стек функционирует как память с последовательным доступом. По мере записи данных в стек он растёт в сторону младших адресов. Эта особенность заложена в алгоритм команд работы со стеком. Концептуальная схема организации стека показана на рисунке.
Стек предназначен для обработки прерываний и программ. При записи слова данных в ячейку стека значение адреса в указателе стека уменьшается на единицу, а при считывании данных увеличивается на единицу.
Стек выполняется на некоторой выделенной области ОЗУ. В этом случае стек представляет память с последовательным доступом. Обращение и адресация к стеку производится через регистр указателя стека.
Стек на внутренних регистрах МП более быстродействующий, но из-за малого числа регистров, имеющихся в МП, не обеспечивается большая глубина вложения данных. Поэтому стеки большинства МП размещаются в памяти.
Вершиной стека называется адрес его последней загруженной ячейки памяти. Таким образом, указатель стека всегда содержит адрес его вершины. Начало стека в ОЗУ (его дно) определяется программистом путём записи в регистр SP адреса первой ячейки памяти стека. Вершина стека подвижна и её расположение определяется объёмом данных, загруженных в стек. Стек не имеет ограничений, за исключением тех, которые обусловлены наличием других программ в ОЗУ.
12. Схема управления
Схема управления состоит из дешифратора команд и устройства управления и синхронизации. Одна из главных функций схемы управления – декодирование команды. Для этого служит дешифратор команд. Он декодирует команду, находящуюся в регистре команд и выдаёт сигналы, необходимые для выполнения команды, в устройство управления. Основу устройства управления МП составляют программируемые логические матрицы (ПЛМ). Дешифратор анализирует отдельные биты команды и передаёт код операции в устройство управления. Устройство управления получает сигналы от дешифратора команд для определения природы выполняемой команды. Устройство управления получает также информацию от регистра состояния в случае условного перехода. Сигналы управления и синхронизации передаются во все блоки МП для координации выполнения команд и управления внешними устройствами (ОЗУ, ПЗУ, УВВ).
Устройство управления связано с генератором тактовых импульсов, синхронизирующим во времени работу МП. Принимаемые тактовые сигналы схемой управления преобразуются в многофазные синхросигналы. В качестве ГТИ используют кварцевый генератор – внешний или внутренний, встроенный в МП.
