Основные понятия

Команда– описание операции, которую требуется выполнить. Команда начинается с кода операции и содержит нужные адреса. Разные команды могут иметь разную длину, а также число и тип адресов:

КОП

А1

А2

А3

Каждая команда выполняется за один или несколько тактов.

ТактЦП – интервал времени между соседними импульсами генератора тактовых импульсов, частота которых называется тактовой частотой ЦП. Это важнейшая характеристика ЭВМ, в основном, определяющая скорость её работы.

Короткие команды (логические операции, операции с фиксированной запятой) обычно выполняются за пять тактов:

• выборка команды

• декодирование (расшифровка КОП)

• формирование адресов и выборка данных из памяти

• выполнение операции

• запись результата в память.

Циклпроцессора – время, за которое выполняется команда, состоит из нескольких тактов.

Процедура, соответствующая такту, реализуется определённой логической схемой ЦП и называется микропрограммой.

Регистры– быстрая память для временного хранения данных ограниченного объёма. Типы регистров: регистр счётчика команд, регистры общего назначения, регистры для формирования адреса (адресный, базовый, индексный).

За счёт увеличения числа регистров возможно распараллеливание(перекрытие) операции, что является предпосылкой построенияконвейерныхструктур. .

Системы команд

Основные команды ЭВМ классифицируются по функциям, адресности и типу приёма/передачи данных. Увеличение адресности команд потребует увеличения разрядности, но повысит быстродействие обработки.

По функциям:

1. Команды обработки данных

   1. Короткие операции

      1. Логические: ИЛИ, И, НЕ, Сравнение

      2. Арифметические: сложение, вычитание, сравнение арифметическое

   2. Длинные операции (сложение, вычитание, умножение, деление данных с плавающей запятой)

2. Операции управления (условный и безусловный переходы)

3. Операции обращения к внешним устройствам

По адресности:

• Безадресные

• Одноадресные

• двухадресные

• трёхадресные

По типу выборки и пересылки данных:

• Регистр – регистр

• Память – регистр

• Память – память

Наиболее распространена двухадресная система команд.

Функциональная структура МП

Функционально ЦП состоит из двух частей:

• Операционная часть - УУ, АЛУ и МПП (кроме нескольких регистров)

• интерфейсная система – адресные регистры МПП, блок регистров команд, блок формирования адреса, схемы управления шиной и портами.

Обе части МП работают параллельно, при этом интерфейсная часть опережает операционную, т.ч. выборка очередной команды из памяти (запись её в блок регистров команд и предварительный анализ) выполняется при выполнении операционной частью предыдущей команды (разные варианты конвейерного режима).

Устройство Управления (уу)

УУ – самое сложное устройство ПК. Его функция – выработка управляющих сигналов, передаваемых по шинам управления во все блоки ПК.

Шина адреса

Шина данных

Функциональная схема УУ

Регистр команд хранит текущую команду (код операции и адреса операндов). Он расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд.

Дешифратор команд – блок, выбирающий по коду команды один из множества своих выходов

ПЗУ микропрограмм – хранит в своих ячейках управляющие сигналы, необходимые для выполнения запрошенной операции. Выбранный дешифратором команд выход определяет нужную микропрограмму.

Блок формирования адреса (в интерфейсной части МП) – вычисляет адрес ячейки памяти или регистра на основании данных регистра команд и регистров МПП.

Шины данных, адреса и команд - часть внутренней интерфейсной шины МП.

АЛУ

АЛУ выполняет над данными арифметические и логические операции.

Функционально простейшее АЛУ состоит из двух регистров, сумматора и схем управления.

Сумматор – схема, выполняющая сложение поступающих на её вход двоичных кодов. Размерность сумматора – двойное машинное слово.

Регистры – быстрые ячейки памяти различной длины. На рисунке регистр1 имеет разрядность двойного слова, а регистр2 – слова. Во время операции в регистр1 помещается первое число, определённое в команде, а в регистр2 – второе число. По завершении операции результат помещается в регистр1. Т.о. регистр1 может и принимать и выдавать данные с шин данных, а регистр2 – только принимать.

Схемы управления – принимают по шинам управления управляющие сигналы от УУ и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора.

Шина команд

Функциональная схема АЛУ

АЛУ выполняет арифметические операции только над целыми двоичными числами. Операции над двоично-кодированными десятичными числами или над числами с плавающей запятой выполняет либо математический сопроцессор, либо программы.

Рассмотрим пример выполнения команды умножения двух двоичных чисел 1101 и 1011. Множимое находится в регистре1, а множитель – в регистре2. Операция выполняется в несколько тактов. В каждом такте число из регистра1 пройдёт в сумматор, только в случае, если в младшем разряде регистра2 будет единица.

Такт 1: число 1101 пойдёт в сумматор и сдвинется на 1 разряд влево, а число в регистре2 – на 1 разряд вправо. В конце такта после сдвигов в регистре1 будет число 11010, а в регистре 2 - число 101.

Такт 2: число из регистра1 пойдёт в сумматор. В конце такта числа в регистрах опять будут сдвинуты так, что в регистре1 станет 110100, а в регистре2 – 10.

Такт 3: число из регистра1 не пойдёт в сумматор. В конце такта будет: в регистре1 – 1101000, а в регистре2 – число 1

Такт 4: число из регистра1 пойдёт в сумматор. В конце такта будет: в регистре1 – 1101000, а в регистре2 –число 0. здесь операция закончится. В результате в сумматор последовательно поступят и сложатся числа: 1101, 11010, 1101000, их сумма будет равна 10001111 (143 десятичных) – это произведение чисел 1101 и 1011 (13 и 11 десятичных)