Гарвардская архитектура.

Базовая структура микропроцессорной системы имеем вид

Задача управления системой возлагается на центральный процессор (ЦП), который связан с памятью и системой ввода-вывода через каналы памяти и ввода-вывода соответственно. ЦП считывает из памяти команды, которые образуют программу и декодирует их. В соответствии с результатом декодирования команд он осуществляет выборку данных из памяти м портов ввода, обрабатывает их и пересылает обратно в память или порты вывода. Существует также возможность ввода-вывода данных из памяти на внешние устройства и обратно, минуя ЦП. Этот механизм называется прямым доступом к памяти (ПДП). Каждая составная часть микропроцессорной системы имеет достаточно сложную внутреннюю структуру.

С точки зрения пользователя при выборе микропроцессора целесообразно располагать некоторыми обобщенными комплексными характеристиками возможностей микропроцессора. Разработчик нуждается в уяснении и понимании лишь тех компонентов микропроцессора, которые явно отражаются в программах и должны быть учтены при разработке схем и программ функционирования системы. Такие характеристики определяются понятием архитектуры микропроцессора.

Архитектура микропроцессора - это его логическая организация, рассматриваемая с точки зрения пользователя; она определяет возможности микропроцессора по аппаратной и программной реализации функций, необходимых для построения микропроцессорной системы. Понятие архитектуры микропроцессора отражает:

- его структуру, т.е. совокупность компонентов, составляющих микропроцессор, и связей между ними; для пользователя достаточно ограничиться регистровой моделью микропроцессора;

- способы представления и форматы данных;

- способы обращения ко всем программно-доступным для пользователя элементам структуры ( адресация к регистрам, ячейкам постоянной и оперативной памяти, внешним устройствам);

- набор операций, выполняемых микропроцессором;

- характеристики управляющих слов и сигналов, вырабатываемых микропроцессором и поступающих в него извне;

- реакцию на внешние сигналы ( система обработки прерываний и т.п.).

По способу организации пространства памяти микропроцессорной системы различают два основных типа архитектур.

Организация, при которой для хранения программ и данных используется одно пространство памяти, называется фон Неймановской архитектурой (по имени математика, предложившего кодирование программ в формате, соответствующем формату данных). Программы и данные хранятся в едином пространстве, и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти. Преимуществами такой архитектуры являются более простая внутренняя структура микропроцессора и меньшее количество управляющих сигналов.

Организация, при которой память программ CSEG (Code Segment) и память данных DSEG (Data Segment) разделены и имеют свои собственные адресные пространства и способы доступа к ним, называется Гарвардской архитектурой ( по имени лаборатории Гарвардского Университета, предложившей ее). Такая архитектура является более сложной и требует дополнительных управляющих сигналов. Однако, она позволяет осуществлять более гибкие манипуляции информации, реализовывать компактно кодируемый набор машинных команд и, в ряде случаев, ускорять работу микропроцессора. Представителями такой архитектуры являются микроконтроллеры семейства MCS-51 фирмы Intel.

Представление числовой информации. Представление текстовой информации.

Обработка информации.

В ЭВМ используются три вида чисел: с фиксированной точкой (запятой), с плавающей точкой (запятой) и двоично-десятичное представление. Точка (запятая) - это подразумеваемая граница целой и дробной частей числа.

У чисел с фиксированной точкой в двоичном формате предполагается строго определенное место точки (запятой). Обычно это место определяется или перед первой значащей цифрой числа, или после последней значащей цифрой числа. Если точка фиксируется перед первой значащей цифрой, то это означает, что число по модулю меньше единицы. Диапазон изменения значений чисел определяется неравенством

.

Если точка фиксируется после последней значащей цифры, то это означает, что п- разрядные двоичные числа являются целыми. Диапазон изменения их значений составляет:

Перед самым старшим из возможных разрядов двоичного числа фиксируется его знак. Положительные числа имеют нулевое значение знакового разряда, отрицательные - единичные.

Другой формой представления чисел является представление их в виде чисел с плавающей точкой (запятой). Числа с плавающей точкой представляются в виде мантиссы т_a и порядка р_a , иногда это представление называют полулогарифмической формой числа. Например, число A10= 373 можно представить в виде 0.373 • 103, при этом т = 0.373, р = 3, основание системы счисления подразумевается фиксированным и равным десяти. Для двоичных чисел А₂ в этом представлении также формируется т_a и порядок р_a при основании системы счисления равным двум.

что соответствует записи

Порядок числа р_a определяет положение точки (запятой) в двоичном числе. Значение порядка лежит в диапазоне -р_a^max<=р_a<=р_a^max , где величина p_a^mах определяется числом разрядов к, отведенных для представления порядка

Положительные и отрицательные значения порядка значительно усложняют обработку вещественных чисел. Поэтому во многих современных ЭВМ используют не прямое значение р_a, а модифицированное р'_a приведенное к интервалу

Значение р'_a носит название “характеристика числа”. Обычно под порядок (модифицированный порядок - характеристику) выделяют один байт. Старший разряд характеристики отводится под знак числа, а семь оставшихся разрядов обеспечивают изменение порядка в диапазоне

Модифицированный порядок р^'_a вычисляется по зависимости

Этим самым значения р^'_a формируются в диапазоне положительных чисел

Мантисса числа m_a представляется двоичным числом, у которого точка фиксируется перед старшим разрядом, т. е.

где k - число разрядов, отведенных для представления мантиссы.

Если

то старший значащий разряд мантиссы в системе счисления с основанием N отличен от нуля. Такое число называется нормализованным. Например, A2 =(100;0.101101)2 -нормализованное число А₂= 1011.01 или А₁₀= 11.25, а то же самое число А₂ = (101 ;0.0101101) - число ненормализованное, так как старший разряд мантиссы равен нулю.

Диапазон представления нормализованных чисел с плавающей точкой определяется

где r и k - соответственно количество разрядов, используемых для представления порядка и мантиссы.

Третья форма представления двоичных чисел - двоично-десятичная. Ее появление объясняется следующим. При обработке больших массивов десятичных чисел (например, больших экономических документов) приходится тратить существенное время на перевод этих чисел из десятичной системы счисления в двоичную для последующей обработки и обратно -для вывода результатов. Каждый такой перевод требует выполнения двух - четырех десятков машинных команд. С включением в состав отдельных ЭВМ специальных функциональных блоков или спецпроцессоров десятичной арифметики появляется возможность обрабатывать десятичные числа напрямую, без их преобразования, что сокращает время вычислений. При этом каждая цифра десятичного числа представляется двоичной тетрадой. Например, A₁₀=3759, A_2-10= 0011 0111 0101 1001. Положение десятичной точки (запятой), отделяющей целую часть от дробной, обычно заранее фиксируется. Значение знака числа отмечается кодом, отличным от кодов цифр. Например, “+” имеет значение тетрады “1100”, а “-” - “1101”.

ЭВМ первых двух поколений могли обрабатывать только числовую информацию, полностью оправдывая свое название вычислительных машин. Лишь переход к третьему поколению принес изменения: к этому времени уже назрела настоятельная необходимость использования текстов.

С точки зрения ЭВМ текст состоит из отдельных символов. К числу символов принадлежат не только буквы (заглавные или строчные, латинские или русские), но и цифры, знаки препинания, спецсимволы типа "=", "(", "&" и т.п. и даже (обратите особое внимание!) пробелы между словами. Да, не удивляйтесь: пустое место в тексте тоже должно иметь свое обозначение.

Каждый символ хранится в виде двоичного кода, который является номером символа. Можно сказать, что компьютер имеет собственный алфавит, где весь набор символов строго упорядочен. Количество символов в алфавите также тесно связано с двоичным представлением и у всех ЭВМ равняется 256. Иными словами, каждый символ всегда кодируется 8 битами, т.е. занимает ровно один байт.

Как видите, хранится не начертание буквы, а ее номер. Именно по этому номеру воспроизводится вид символа на экране дисплея или на бумаге. Поскольку алфавиты в различных типах ЭВМ не полностью совпадают, при переносе с одной модели на другую может произойти превращение разумного текста в "абракадабру". Такой эффект иногда получается даже на одной машине в различных программных средах: например, русский текст, набранный в MS DOS, нельзя без специального преобразования прочитать в Windows. Остается утешать себя тем, что задача перекодировки текста из одной кодовой таблицы в другую довольно проста и при наличии программ машина сама великолепно с ней справляется.

Наиболее стабильное положение в алфавитах всех ЭВМ занимают латинские буквы, цифры и некоторые специальные знаки. Это связано с существованием международного стандарта ASCII (American Standard Code for Information Interchange - Американский стандартный код для обмена информацией). Русские же буквы не стандартизированы и могут иметь различную кодировку.

Желающие могут в качестве примера ознакомится с таблицей стандартной части алфавита ЭВМ - символы с шестнадцатиричными кодами с 20 до 7F.

7. Структурная схема микропроцессора.

Главным устройством любой ЭВМ является центральный процессор. Он выбирает из памяти команды программы и выполняет их. Обычный цикл работы центрального процессора выглядит так: он читает первую команду из памяти, декодирует ее для определения ее типа и операндов, выполняет команду, затем считывает, декодирует и выполняет последующие команды. Таким образом, осуществляется выполнение программ. Пример выполнения команд процессором можно посмотреть здесь.

Ранее было отмечено, что каждый процессор характеризуется набор команд, который он в состоянии выполнить. Например, процессор Pentium фирмы не может обработать программы, написанные для процессора SPARC фирмы Sun, а SPARC не может выполнить программы, написанные для Pentium.

Укрупненную структурную схему типичного процессора можно представить в виде трех основных блоков: управляющего блока УБ, операционного блока ОБ и интерфейсного блока ИБ. Управляющий блок выполняет функции выборки, декодирования и вычисления адресов операндов, а так же генерирует последовательности микрокоманд, реализующих команды процессора. Он содержит устройство управления, прерывания, синхронизации. Операционный блок служит для обработки данных. Он объединяет арифметико-логическое устройство АЛУ, регистры общего назначения РОН и специальные регистры. АЛУ выполняет арифметические (сложение, вычитание и т.п.) и логические (логическое И, ИЛИ и т.п.) операции. Регистры являются своего рода памятью ОБ, предназначенной для хранения промежуточных результатов и некоторых команд управления, информацию о состоянии процессора. Информация из них считываются и записываются очень быстро, поскольку они находятся внутри процессора. Регистров может быть от несколько десятков до нескольких сотен штук в зависимости от типа процессора. Большим количеством регистров характеризуются RISC - процессоры, а небольшим - CISC - процессоры

Интерфейсный блок ИБ позволяет подключить память и периферийные устройства к процессору. ИБ выполняет также функции канала прямого доступа к памяти. Интерфейс процессора содержит информационные шины данных ШД, адресов ША и управления ШУ. Надо заметить, что такое распределение аппаратных блоков процессора между функциональными частями весьма условно и приводится для примера.

Процессор выполняет каждую команду за несколько шагов:
1. вызывает следующую команду из памяти и переносит ее в регистр команд;
2. меняет положение счетчика команд, который теперь должен указывать на следующую команду;
3. определяет тип вызванной команды;
4. если команда использует данные из памяти, определяет место нахождение данных;
5. переносит данные в регистр процессора;
6. выполняет команду;
7. переходит к 1 шагу, что бы начать выполнение следующей команды.

Эта последовательность шагов (выборка – декодирование – исполнение) является основой работы для всех процессоров.

Упрощенная структурная схема типичного процессора изображена на следующем рисунке.

Кроме регистров общего назначения РОН, используемых для хранения переменных и временных результатов, большинство процессоров имеют несколько специальных регистров, также доступных для программиста. Один из них называется счетчиком команд СчК, в котором содержится адрес следующей, стоящей в очереди на выполнение команды. После того как команда выбрана из памяти, регистр команд корректируется и указатель переходит к следующей команде. Регистр процессора, служащий для организации стековой памяти, называется указателем стека УС. Он содержит адрес вершины стека в памяти. Стек содержит по одному фрейму (области данных) для каждой процедуры, которая уже начала выполняться, но еще не закончена. В стековом фрейме процедуры хранятся ее входные параметры, а также локальные и временные переменные, не хранящиеся в регистрах.

Первый байт любой команды поступает из ОЗУ по шине данных на регистр команд РК. Этот первый байт подается в управляющий блок УБ, который определяет вид операции. В частности, он определяет, является ли команда однобайтовой, или она состоит из большего числа байтов. В последнем случае дополнительные байты передаются по шинам данных из ОЗУ и принимаются или в регистр адреса РА данных, или в один из регистров РОН

Регистр адреса данных РА содержит адрес операнда для команд, обращающихся к памяти, адрес порта для команд ввода/вывода или адрес следующей команды для команд перехода. Регистры РОН могут содержать операнды для всех команд, работающих с данными. Среди РОН есть специальный регистр результата РР или аккумулятор, участвующий во всех арифметических и логических операциях. В частности, он содержит один из операндов перед выполнением операции и получает результат после ее завершения. Все арифметические и логические операции выполняются в арифметико – логическом устройстве АЛУ. Результаты из АЛУ передаются либо в РР, либо в какой-то из регистров РОН.

Процессор имеет регистр признаков РП, содержащий в своих разрядах значения, которые отражают результаты выполнения некоторых команд процессора, приоритет текущей программы, режим работы процессора (пользовательский или режим ядра). Также РП содержит другую служебную информацию. Обычно пользовательские программы могут читать весь регистр РП целиком, но изменять могут только некоторые из его полей. Регистр РП играет важную роль в системных вызовах и операциях ввода-вывода.

В управляющем блоке УБ дешифрируется и анализируется код команды, поступающий из РК. В УБ из АЛУ и от триггера переноса поступают сигналы, по которым определяются условия для передачи управления. Все остальные компоненты процессора получают от УБ управляющие и синхронизирующие сигналы, необходимые для выполнения команды.

Операционная система должна знать все обо всех регистрах. При временном мультиплексировании центрального процессора операционная система часто останавливает работающую программу для запуска (или перезапуска) другой программы, например, обслуживающей периферийное устройство. Каждый раз при таком процессе, называемом прерыванием, операционная система должна сохранять значения тех регистров процессора, которые будут востановленны позже, для того чтобы прерванная программа продолжила свою работу без потери данных, с того места, где она была прервана.

В целях улучшения характеристик центральных процессоров их разработчики давно отказались от простой модели, в которой за один такт может быть считана, декодирована и выполнена только одна команда. Многие современные процессоры обладают возможностями выполнения нескольких команд одновременно. Например, у процессора могут быть раздельные модули, занимающиеся выборкой, декодированием и выполнением команд, и во время выполнения команды с номером n он может декодировать команду с номером n + 1 и считывать команду с номером n + 2. Подобная организация процесса называется конвейером. Более передовым по сравнению с конвейерной конструкцией является суперскалярный процессор. В этой структуре присутствует множество выполняющих узлов: один для целочисленных арифметических операций, второй - для операций с плавающей точкой и еще один - для логических операций. За один такт считывается две или более команды, которые декодируются и сбрасываются в буфер хранения, где они ждут своей очереди на выполнение. Когда выполняющее устройство освобождается, оно заглядывает в буфер хранения, интересуясь, есть ли там команда, которую оно может обработать, и если да, то забирает ее и выполняет. В результате команды часто исполняются не в порядке их следования. В большинстве случаев аппаратура должна гарантировать, что результат совпадет с тем, который выдала бы последовательная конструкция

Большинство процессоров, используемых в современных ЭВМ, имеют два режима работы: режим ядра и пользовательский режим. Обычно режим задается битом РП или слова состояния процессора. Если процессор запущен в режиме ядра, он может выполнять все команды из набора инструкций и использовать все возможности аппаратуры. Операционная система работает в режиме ядра, предоставляя доступ ко всему оборудованию.

В противоположность этому программы пользователей работают в пользовательском режиме, разрешающем выполнение подмножества команд и делающем доступным лишь часть аппаратных средств. Как правило, все команды, включая ввод-вывод данных и защиту памяти, запрещены в пользовательском режиме. Установка бита режима ядра в регистре признаков РП пользовательском режиме естественно, недоступна.

Для связи с операционной системой пользовательская программа должна сформировать системный вызов, который обеспечивает переход в режим ядра и активизирует функции операционной системы. После завершения работы управление возвращается к пользовательской программе, к команде, следующей за системным вызовом.

Стоит отметить, что в компьютерах, помимо инструкций для выполнения системных вызовов, есть и другие прерывания. Большинство этих прерываний вызываются аппаратно для предупреждения об исключительных ситуациях, таких как попытка деления на ноль или переполнение при операциях с плавающей точкой. Во всех подобных случаях управление переходит к операционной системе, которая должна решать, что делать дальше. Иногда нужно завершить программу с сообщением об ошибке. В других случаях ошибку можно проигнорировать (например, при потере значимости числа его можно принять равным нулю). Наконец, если программа объявила заранее, что требуется обработать некоторые виды условий, управление может вернуться назад к программе, позволяя ей самой разрешить появившуюся проблему.