Системы счисления, архитектура и принцип действия микропроцессоров и микроЭВМ

Системой счисления называется метод изображения чисел с помощью ограниченного числа цифр. Базисом (основанием) Р системы счисления называется количество цифр, используемых для изобра­жения любых чисел. Для десятичной системы это цифры О, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, всего 10 цифр, т.е. базис Р₁₀=10.

В микропроцессорной технике используется двоичная, десятич­ная, восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления. В таблице 5 приведено представление чисел в этих системах.

Базис двоичной системы P₂=2 состоит из цифр 0 и 1; базис восьмеричной системы P₈=8 состоит из цифр О, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. В шестнадцатеричной системе используются все цифры десятичной системы, а в качестве недостающих шести цифр – первые шесть букв латинского алфавита А, В, С, D, Е и F. Все устройства МП и микроЭВМ работа­ют только в двоичном коде, а остальные системы счисления исполь­зуются программистом для более простого обращения с двоичными числами, которыми закодированы все действия и операнды ЭВМ.

Таблица 5- Переводы кодов

Восьмеричная и шестнадцатеричные системы были выбраны потому, что смена порядка числа (переход в старший разряд числа) происходит в них одновременно со сменой порядка числа в двоичной системе (см. строки 9 и 17 табл. 5).

Это обстоятельство позволяет записывать громоздкие двоичные числа в более привычных десятичных числах О, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и буквах А, В, ..., F; при этом запись получается компактной и легко воспринимаемой.

Например, для записи двоичного числа ll0l000l0l0lllll00₂ в восьмеричном коде его разбивают на триады (группы чисел по три цифры в каждой), начиная с первой части числа. Недостающие циф­ры в последней триаде дополняют нулями.

011 010 001 010 111 100 =321274₈

3 2 1 2 7 4

Пользуясь табл. 5, которую легко запомнить, вместо каждой триады записывают ее аналог в восьмеричной системе, в итоге полу­чается восьмеричное число. Аналогично переводятся двоичные числа в шестнадцатеричную систему счисления, при этом двоичное число разбивается на тетрады (группы по четыре цифры):

0001 1010 0010 1011 1100 =1А2ВС₁₆

1 А 2 В С

В основном для обозначения чисел в описанных системах счис­ления используют не индексы, а буквы: для десятичной – букву D, для двоичной - В, восьмеричной - Q и шестнадцатеричной – Н. На­пример:

216 D = 11011000 В = 330 Q = D8 Н.

Архитектура микропроцессора КР580ИК80А: МП состоит из АЛУ, устройства управления, регистров и вспомогательных схем (рисунок 7).

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – это основное уст­ройство МП, которое производит непосредственно обработку данных. Типичными операциями АЛУ являются СЛОЖЕНИЕ, ВЫЧИТАНИЕ, И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, НЕ, СДВИГ вправо и влево, ПРИРА­ЩЕНИЕ положительное и отрицательное.

Устройство управления (УУ) организует работу всех устройств МП и микроЭВМ. Технопроводная шина управления (ШУ) связывает УУ со всеми устройствами МПС. По проводам ШУ передаются управляющие сигналы к тем устройствам, которые должны участво­вать в реализации текущей команды. Например, по ходу операции команды «записать содержимое регистра В в аккумулятор» дешиф­ратор команд (ДШК) и формирователь машинных циклов (ФМЦ) вы­рабатывают сигналы, подключающие регистры В и А к шине данных (ШД), и двоичное число, хранящееся в регистре В, переписывается в регистр А.

Синхронизация работы устройств МП во времени производится с помощью сигналов синхронизации (СС), которые вырабатываются на основе сигналов генератора тактовых импульсов СГ. Это исключает наложение последовательных операций друг на друга.

Рисунок 7 - Архитектура микропроцессора КР580ИК80А

Основными сигналами УУ являются ЗАПИСЬ, ЧТЕНИЕ, ПРЕ­РЫВАНИЕ, ОБМЕН, ОЖИДАНИЕ. Каждому сигналу соответствует свой тип машинного цикла, формируемый ФМЦ.

К основным устройствам МП также относятся: блок регистров общего назначения (РОН) со схемой выборки регистров (СВР), регистр команд РК с ДШК и ФМЦ, регистры временного хранения данных РВХД, Z, W, регистр состояния (ФР), буферы аккумулятора (БА), шин адресов (БША) и данных (БШД), счетчик команд PC, указатель стека SP, схема десятичной коррекции (СДК), схема приращения и уменьшения на единицу (СПУ), восьмиразрядная ШД и шестнадцати­разрядная ША. В скобках (рисунок 7) указана разрядность каждого уст­ройства МП. Регистрами, доступными программисту, являются РОН В, С, D, Е, Н, L, аккумулятор А, указатель стека SP, счетчик команд PC.

Регистры РВХД, W, Z используются для временного хранения данных при выполнении команд микропроцессором.

Регистры общего назначения В, С, D, Е, Н, L являются сверх­оперативной памятью МП и служат для хранения данных и проме­жуточных результатов вычислений, выполняемых АЛУ. При обработ­ке шестнадцатиразрядных слов РОН объединяются в пары ВС, DE, HL.

Аккумулятор А является основным операционным звеном АЛУ, служит источником одного из операндов, участвующих в операции, выполняемой АЛУ, и местом хранения результата операции.

Регистр команд РК – в нем содержится код текущей команды, которая расшифровывается ДШК, в результате чего ФМЦ формирует циклы ее выполнения и с помощью УУ команда реализуется в МП. После выполнения очередной команды в РК автоматически записыва­ется код следующей команды из ячейки ОЗУ, адрес которой содер­жится в PC.

Счетчик команд PC (program counter) хранит адрес следующей команды, которая должна быть выполнена вслед за предыдущей. Со­держимое PC автоматически увеличивается на еденицу (с помощью схемы СПУ) после поступления адреса предыдущей команды из ОЗУ в РК, указывая тем самым на адрес следующей команды в ОЗУ. Перед пус­ком команды в PC заносится код адреса в ОЗУ ее первой команды.

Указатель стека SP хранит адрес очередной ячейки стека. Сте­ком называется участок ОЗУ, организованный по принципу магазина автомата, где каждый вкладываемый патрон продавливает ко дну магазина предыдущий патрон, а при выходе патронов первым выхо­дит тот, который поступил последним. Стек может быть организован программистом в ОЗУ на любую глубину. Когда данные записываются в стек через его первую ячейку, предыдущие данные опускаются в следующие ячейки, а SP указывает адрес нижней заполненной ячей­ки стековой памяти, при этом содержимое SP уменьшается на еденицу. Ко­гда данные считываются из стековой памяти (тоже через первую ячейку), содержимое SP увеличивается на еденицу с каждым выбранным байтом. Стековые операции позволяют организовать многоуровневые прерывания.

Флаговый регистр (ФР) или регистр состояний содержит пять двоичных разрядов, называемых флагами. Флаги устанавливаются автоматически по результату операции АЛУ. В МП КР580ИК80А ис­пользуются:

- флаг нуля Z (zero) – если результат операции в АЛУ равен нулю, то в разряде Z записывается 1, если нет, то 0;

- флаг переноса С (carry) – 0=1, если есть перенос в старший разряд при сложении и сдвигах, С=0, если нет переноса;

- флаг знака S (sign) – S=1, если результат отрицательный, и с=0, если результат положительный;

- флаг четности Р (parity) – Р=1, если число единиц в результа­те четно, Р=0, если число единиц нечетно;

- флаг дополнительного переноса AC (auxiliary carry) – учиты­вает перенос между тетрадами восьмиразрядного данного, АС=1, если в результате есть перенос 1 из третьего разряда в четвертый (т.е. в старшую тетраду), и АС=0, если перенос отсутствует.

Так как МП имеет одну внутреннюю ШД, то на входах АЛУ не­обходимы буферные регистры БА и РВХД, которые выполняют функцию временного хранения операндов, участвующих в операции. По ШД эти операнды передаются последовательно.

Схема десятичной коррекции СДК используется при сложении десятичных чисел, представленных в двоично-десятичном коде.

Буферы шины данных БШД и шины адресов БША изолируют и согласуют внешние шины и внутренние ШД и ША микропроцессо­ра. Они имеют три устойчивых состояния – 0, 1 и состояние высокого сопротивления, равнозначное разрыву цепи. В состоянии 0 буфер пропускает данные в МП, в состоянии 1 – из МП (в периферийные устройства), в третьем состоянии внешние устройства практически отключены.

Чтобы МП мог функционировать, к нему подключаются устрой­ства ввода-вывода информации УВВ и память ОЗУ, в которую запи­сываются программа выполнения операций и необходимые данные. Совокупность МП, УВВ и ОЗУ образуют простейшую микроЭВМ (рис. 8). Подключение ОЗУ и УВВ к МП производится с помощью ШУ, ШД и ША. ОЗУ состоит из восьмиразрядных ячеек, каждая из которых имеет свой адрес. Количество ячеек обычно равно 64К, т.е. 64 тысячи байт, поэтому для обращения к любой из них требуется 64К=2¹⁶, т.е. шестнадцатиразрядная ША, поскольку каждый адрес является шест­надцатиразрядным числом.