Регистры Регистр — последовательное или параллельное

Регистры
Регистр — последовательное или параллельное логическое устройство, используемое для хранения nразрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними.
Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, обычно D, число которых
соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинационное цифровое
устройство, с помощью которого обеспечивается выполнение некоторых операций над словами.
Типичными являются следующие операции:
 приём слова в регистр;
 передача слова из регистра;
 поразрядные логические операции;
 сдвиг слова влево или вправо на заданное число разрядов;
 преобразование последовательного кода слова в параллельный и обратно;
 установка регистра в начальное состояние (сброс).
Рис.1 Сдвиговый регистр. Источник: 4-Bit_SIPO_Shift_Register.pn
Регистры процессора
По назначению регистры процессора различаются на:







аккумулятор — используется для хранения промежуточных результатов арифметических и
логических операций и инструкций ввода-вывода;
флаговые — хранят признаки результатов арифметических и логических операций;
общего назначения — хранят операнды арифметических и логических выражений, индексы и
адреса;
индексные — хранят индексы исходных и целевых элементов массива;
указательные — хранят указатели на специальные области памяти (указатель текущей операции,
указатель базы, указатель стэка);
сегментные — хранят адреса и селекторы сегментов памяти;
управляющие — хранят информацию, управляющую состоянием процессора, а также адреса
системных таблиц.
Регистр процессора — блок ячеек памяти, образующий сверхбыструю оперативную память (СОЗУ)
внутри процессора; используется самим процессором и большой частью недоступен программисту:
например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд (англ.), к
которому программист обратиться не может.
Буферный регистр
Микропроцессор
Микропроцессор (МП) – функционально законченное устройство, работающее по программе,
подаваемой на ее вход.
МП в микроЭВМ является центральным узлом по обработке информации. Он вырабатывает
большинство управляющих сигналов МПС, выдает адреса ячеек памяти, адреса устройств ввода/вывода,
из которых следует считать или записать данные. Микропроцессор ведет обмен данными практически со
всеми узлами микроЭВМ и осуществляет за ними контроль.
Память
Память МП представляет собой совокупность регистров (ячеек), предназначенных для хранения
информации в двоичной форме. Каждая ячейка имеет уникальный адрес, что обеспечивает возможность
доступа к ней. Адрес представляет собой двоичное слово, длина которого определяет количество ячеек,
которое может быть адресовано.
Совокупность всех адресов образует адресное пространство микроЭВМ.
Если m разрядов, то объем адресного пространства M= 2m.
Память имеет две классические разновидности:
1.
2.
постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) ROM (Read Only Memory),
оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) RAM (Random Access Memory).
ПЗУ хранит фиксированные программы и данные, оно является энергонезависимым и при
выключении питания информацию не теряет.
ОЗУ хранит оперативные данные (изменяемые программы, промежуточные результаты вычислений и
пр.) и теряет свое содержимое вместе с потерей питания. Но в ОЗУ в отличие от ПЗУ можно
записывать данные, а не только читать в процессе работы.
Параметры микросхем памяти
Разрядность микросхемы памятиопределяется количеством бит ячейки памяти или количеством
разрядов шины данных.
Микросхемы памяти могут быть как одноразрядные (динамические ОЗУ), так и многоразрядные
(словарные).
Слово – группа элементов памяти, к которым возможно только одновременное обращение.
Адресное пространство (число ячеек – максимальное возможное число слов, хранимых микросхемой)
определяется как 2n, где n– является разрядностью шины адреса.
Информационная емкость – это количество единиц информации, которое может одновременно
храниться в микросхеме памяти.
Информационная емкость равна произведению разрядности микросхемы на количество ячеек
микросхемы памяти, определяется в битах или в байтах.
Часто к единице измерения добавляют множители, обозначающие:
К– кило, 1Кбайт= 1024 байт;
М– мега, 1 Мбайт= 1024 Кбайт;
Г– гига, 1 Гбайт= 1024 Мбайт.
Например, информационная емкость микросхемы с разрядностью 4 и количеством ячеек 256
определяется следующим образом:
4⋅256 = 1024бита или 1Кбит.
Быстродействие ЗУ оценивается временем считывания и записи, длительностью циклов чтения и
записи, а также другими параметрами.
Интервал между моментом появления сигнала чтения и слова навыходе называется временем
считывания.
Многократно программируемые, или репрограммируемые, микросхемы ПЗУ(РПЗУ) позволяют стереть
старую информацию и записать новую.
Для стирания информации могут использоваться либо электрические сигналы (EEPROM), либо
ультрафиолетовые лучи (EPROM).
Рис. 2 Обозначение микросхем памяти
Порты ввода/вывода
Порты ввода/вывода играют роль посредника между микроЭВМ и внешними устройствами. Как и
ячейки памяти, порты имеют адрес, что позволяет иметь множество портов в составе одной микроЭВМ.
Роль портов могут выполнять микросхемы буферных регистров. Для связи внешних устройств между
собой и с центральным процессором используют различные интерфейсы.
С их помощью центральный процессор получает и передает данные, управляет устройствами.
В параллельном интерфейсе для каждого бита передаваемого двоичного слова предназначен свой
проводник (рис. 3).
Передача всего двоичного слова осуществляется одновременно по всем проводникам за один такт
работы интерфейса.
Достоинства параллельного интерфейса:
● высокая производительность;
● простота интерпретации переданныхданных.
Недостатки:
● высокий расход дорогостоящей электротехнической меди;
● низкая помехозащищенность.
Вследствие недостатков расстояние между устройствами не может превышать нескольких метров.
Рис. 3 Параллельный интерфейс
Микросхема программируемого параллельного интерфейса (ППИ) предназначена для организации
ввода/ вывода информации различного формата и позволяет реализовать большинство известных
протоколов обмена по параллельным каналам.
Может использоваться для сопряжения микропроцессора с периферийным оборудованием (дисплеем,
принтером).
Последовательный интерфейс
Многие устройства ввода/вывода обмениваются информацией с компьютером последовательно по
одному биту, причем каждый бит занимает определенный временной интервал. Единица информации
(элемент данных) при последовательном обмене называется символом.
Символ может содержать от 5 до 8 информационных бит. Скорость передачи информации измеряется в
бодах (в честь французского изобретателя телеграфного аппарата Жана Бодо):
1 бод= 1 бит/с.
Иногда под бодом понимают количество передаваемых символов в секунду.
Достоинства последовательного интерфейса:
● относительная дешевизна ввиду малого количества проводников;
● высокая помехозащищенность за счет использования высоких уровней напряжения (тока);
● большое расстояние между передатчиком и приемником.
Недостатки:
● низкая производительность;
● относительно сложная интерпретация передаваемых данных.
Последовательная система передачи
полудуплексной или дуплексной.
информации
может
быть
Рис. 4 Упрощенная схема чтения данных из памяти микропроцессором.
симплексной
(в
1
сторону),
Рис. 5 Упрощенная схема записи данных в память микропроцессором
Рис. 6 Схема чтения данных из внешнего устройства микропроцессором через порт ввода
Рис. 7 Схема записи данных во внешнее устройство микропроцессором через порт вывода
Выполнение команд в МП
Каждая команда в МП выполняется на протяжении командного цикла.
Система команд микропроцессора
Мнемокод– символическое обозначение команды (содержит сокращение английского слова или фразы
об операции и операндах.
В общем случае система команд процессора включает в себя следующие четыре основные группы
команд:
 команды пересылки данных - Команда mov (movе)
 арифметические команды;
 логические команды;
 команды переходов Jmp
Команды ввода/вывода предназначены для обмена данными с внешними устройствами.
Стек – это специальным образом организованный участок памяти, используемый для временного
хранения переменных, для передачи параметров вызываемым подпрограммам и для сохранения адреса
возврата при вызове процедур и прерываний. Стек организован по принципу LIFO – Last In First Out.
Таймер
Рис.8 Программируемый интегральный таймер
Литература:
http://borbit.ucoz.ru/bibl/mikroproc/811656_30AC8_molodeckiy_v_b_mikroprocessornaya_teh.pdf
http://userdocs.ru/informatika/5971/index.htm
Контроллер
Контроллеры создаются, как правило, для решения одной или группы близких задач. Они обычно не
имеют возможностей подключения дополнительных узлов или устройств, например, большой памяти,
средств ввода-вывода. Их системная шина чаще всего не-доступна пользователю. Структура контроллера
проста и оптимизирована под максимальное быстродействие. В большинстве случаев выполняемые
программы хранятся в постоянной памяти и не меняются. Конструктивно контроллеры выполняются на
одной плате.
Рис. 9 Узлы автомобиля, в которых применяются микроконтроллеры.
Факторы, влияющие на быстродействие микропроцессоров
Одной из важнейших характеристик микропроцессора является его быстродействие. От чего же оно
зависит?
1. От тактовой частоты, то есть от частоты той последовательности импульсов, которая задает ритм
работы внутренних устройств микросхемы микропроцессора. Конечно, тактовая частота - величина не
«безразмерная», она зависит от того, каким способом, т.е. по какой технологии изготавливается
микросхема микропроцессора. Если, например, подать высокие частоты, используемые при работе
современных компьютеров, на микросхемы, произведенные, в 80-90х годах, то работа этих микросхем
будет просто невозможна.
2. На быстродействие микропроцессора влияет разрядность шины данных. Количество разрядов ШД
определяет скорость и эффективность информационного обмена. Обычно ШД имеет 8, 16, 32 или 64
разряда. Понятно, что за один цикл обмена по 64-разрядной шине может передаваться восемь байт
информации, в то время, как по восьмиразрядной – только один. Разрядность шины данных определяет и
разрядность системной шины, в том смысле, что когда говорят о разрядности системной шины,
подразумевают разрядность ШД.
3. На быстродействие микропроцессора влияет объем оперативной памяти, используемой в системе.
Так как чем больше объем, тем больше промежуточной информации может сохраняться при работе
программ микропроцессора. Также, на быстродействие микропроцессора влияет разрядность шины
адреса, которая определяет максимально возможную сложность микропроцессорной системы, т.е.
допустимый объем памяти, и, следовательно, максимально допустимый размер программ и максимально
возможный объем запоминаемых данных. Количество адресов, обеспечиваемое шиной адреса, равно 2 N ,
где N – количество разрядов ША. Например, 16-разрядная шина адреса позволит адресоваться к 65536
ячейкам памяти. Разрядность шины адреса обычно кратна 4 и может достигать 32 и даже 64 разрядов.
4.
Немаловажным фактором, влияющим на быстродействие микропроцессоров, является их
архитектура. Чем совершеннее электронная схема, на которой реализован микропроцессор, тем
меньше времени понадобится электрическому сигналу для ее прохождения – с одной стороны. С другой
стороны, чем совершеннее система команд микропроцессора, тем более совершенна программа, в
соответствии с которой он работает.
Шины
Шина данных — это основная шина, ради которой и создается вся система. Количество ее разрядов
(линий связи) определяет скорость и эффективность информационного обмена и максимально
возможное количество команд. Шина данных всегда двунаправленная, так как предполагает
передачу информации в обоих направлениях. Обычно шина данных имеет 8, 16, 32 или 64 разряда. За
один цикл обмена по 64-разрядной шине может передаваться 8 байт информации, а по 8-разрядной —
только один байт. Разрядность шины данных определяет и разрядность всей магистрали. Например,
когда говорят о 32-разрядной системной магистрали, подразумевается, что она имеет 32-разрядную шину
данных.
Шина адреса —шина, которая определяет максимально возможную сложность микропроцессорной
системы, то есть допустимый объем памяти и, следовательно, максимально возможный размер
программы и максимально возможный объем запоминаемых данных. Количество адресов,
обеспечиваемых шиной адреса, определяется как 2 N, где N — количество разрядов. Например, 16разрядная шина адреса обеспечивает 65 536 адресов.
Для
снижения
общего
количества
линий
связи
магистрали
часто
применяется
мультиплексирование шин адреса и данных - одни и те же линии связи используются в разные
моменты времени для передачи как адреса, так и данных (в начале цикла — адрес, в конце цикла —
данные).
Рис. 10. Мультиплексирование шин адреса и данных
Шина управления — это вспомогательная шина, управляющие сигналы на которой определяют тип
текущего цикла и фиксируют моменты времени, соответствующие разным частям или стадиям цикла.
Кроме того, управляющие сигналы обеспечивают согласование работы процессора (или другого хозяина
магистрали, задатчика, master) с работой памяти или устройства ввода/вывода (устройства-исполнителя,
slave).