8.Основные аппаратные средства микропроцессоров: АЛУ, аккумулятор, регистры общего назначения.
АЛУ, аккумулятор, регистры являются составными частями архитектуры МП.
Обобщенные вид архитектуры МП:
Общий вид:
Структурная схема МП КР580ВМ80А (рис. 1) состоит из двух частей: операционной (ОП) и управляющей (УП). Обе части расположены на одном кристалле. Управляющая часть содержит недоступную для пользователя управляющую память, в которую в процессе изготовления БИС записаны операции, определяющие состав команд МП. Структура МП мало отличается от структуры обобщенного МП, но имеет некоторые особенности.
Операционная часть МП построена на базе 8-разрядного АЛУ, на два входа которого подключены два 8-разрядных буферных регистра БР1 И БР2. Вход регистра БР1 соединен с внутренней магистралью МП, а вход регистра-защелки БР2 - с аккумулятором, выполняющим функции регистра-накопителя.
Регистры общего назначения Первый набор включает в себя регистры общего назначения или РОН, необходимые для временного хранения тех операндов и результатов вычислений, доступ к которым постоянно повторяется в процессе выполнения программы. Использование РОН в подобных случаях существенно ускоряет работу системы за счет сокращения времени чтения/записи и пересылки данных из ОЗУ. Всего регистров общего назначения четыре, они, разумеется, 16-разрядные, но могут использоваться и как 8-разрядные (однобайтные), при этом их количество удваивается.
Функции всех РОН, в основном, идентичны, но в некоторых случаях архитектура предполагает их строгую специализацию. Например, при выполнении команд обработки строк и циклов, в одном из регистров должно храниться число, равное количеству итераций. Этот регистр выполняет роль счетчика (counter) и носит название CX. Остальные регистры выполняют функции аккумулятора (AX), базы (BX) и ячейки временного хранения данных (DX). Как мы уже знаем, каждый регистр из числа РОН может быть разделен на два однобайтных, один из которых (0-7) называется младшим (Low), а другой (7-15) — старшим (High). В соответствии с этим, каждый 8-разрядный регистр получил свое название: младшие именуются AL, BL, CL, DL, а старшие — AН, BН, CН и DH
АЛУ МП выполняет арифметические, логические и сдвиговые операции над 8-разрядными двоичными числами. Базовой операцией АЛУ является операция сложения двоичных чисел. Все арифметические, логические и сдвиговые операции выполняются при участии аккумулятора. Результат операции размещается в аккумуляторе. Обмен информацией МП с ВУ возможен только через аккумулятор. МП имеет возможность выполнения операции с 2-разрядными десятичными числами. С этой целью каждая десятичная цифра размещается в тетраде любого регистра МП. Коррекция двоичных чисел, необходимость которой возникает при выполнении арифметических операций над десятичными числами, выполняется специальной схемой десятичной коррекции СДК.
АЛУ имеет входы чисел А0-А3 и В0-В3, входы управления S0-S3, М, вход переноса С0, выход результата F0-F3, выход переноса С4, выход равенства кодов К, выходы Р и G для схемы быстрого переноса. Работа АЛУ поясняется таблицей функционирования, изображенной ниже. Вход М определяет вид выполняемых операций (при М=1 над А и В выполняется 16 лог. операций, при М=0 выполняются арифметические операции). Знаком \/ обозначается лог. сложение, арифметическое сложение обозначается плюсиком (+), умножение (только логическое) - знаком "х", А1 - число А, сдвинутое на один разряд вправо.
АЛУ может выполнять следующие операции:
-Арифметическое суммирование чисел (при М=0 операция №10).
-Арифметическое вычитание чисел (при М=0 операция №7).
-Сравнение чисел - операция №7 при С0=1. Если А=В, то К=1, если A>B, то С4=0, если A<B, то С4=1.
-Формирование модуля числа А. При М=1 на входы S3-S0 параллельно подается знак числа А равный 1 при положительном числе А. Если А отрицательно - 0. Для S=1 выполняется 16-я операция, S=0 - 1-я. Также для числа В (11-я и 6-я операции соответственно), но нужно иметь знак и его инверсию.
-Мультиплексирование чисел А и В. При М=1 и 16-й операции на выход поступает число А, 11-я операция - число В. 1-я и 6-я операции выполняют мультиплексирование с инверсией.
-Увеличение числа А в 1,5 раза - 13 операция.
Аккумулятор (регистр процессора) — регистр, в котором сохраняются непосредственные результаты выполнения арифметических и логических команд. Альтернативными методами для сохранения результата являются использование регистров общего назначения или оперативной памяти.
Микропроцессор с аккумуляторной архитектурой или 1-операндная машина отличается тем, что даже если в нем несколько регистров, результат большинства операций сохраняется в специальном регистре, который называется «аккумулятор». Это упрощает как реализацию архитектуры, так и сокращает размеры машинного кода. Исторически практически все первые микропроцессоры были аккумуляторными машинами, и сейчас многие популярные однокристальные микроконтроллеры (68HC12, PIC, 8051) - это аккумуляторные машины.
Современные CPU обычно являются 2-х и 3-х операндными машинами — в которых дополнительные операнды указывают между какими из регистров общего назначения осуществляются вычисления.
Процессор может иметь несколько аккумуляторов: в 8051 имеется два, основной A и вторичный B, причем второй используется при операциях умножения и деления.