Аналоговые и цифровые электронные системы.Типы цифровых эл.систем.Цифровая эл.система на схемной логике.Микропроцессорная эл.система.

3.Способы адресации. Непосредственная и прямая.
Есть разные методы адресации,которые позволяют определить откуда брать входные операнды и куда помещать выходной результат.Эффективность методов адресации определяет эффективность работы процессора в целом.
Непосредственная адресация - предполагает,что входной операнд находится в памяти непосредственно за кодом команды и вызывается из памяти одновременно с командой,т.е.сразу же становится доступным.обычно операнд представл.собой константу,которую надо с чем-то сложить,куда-то переслать.Преимущество:Такой способ адресации не требует доп.обращения к памяти для вызова операна.Недостаток:Такая адресация позволяет работать только с константами,т.к.они не меняются при выполнении команды и их значение не перезаписывается,что исключает повреждение кода команды.
Прямая -для начала работы с глобальными переменными(var x:integer;),т.к. их адрес известен во время трансляции программы.Прямая адресация предполагает,что операнд или результат находится в памяти по адресу,код которого располагается внутри проги сразу же за кодом команды.Недостаток:прямая адресация предполагает,что команда будет иметь доступ к одному и тому же адресу памяти.Значение операнда может меняться,а его адрес нет.Это позволяет использовать прямую адресацию только для доступа к глобальным переменным,адреса которых известны во время компиляции.
Замечание: 1)выбор метода адресации определяет время выполнения команды. 2)самая быстрая адресация – регистровая.Поэтому чем больше в процессоре регистров,тем выгоднее использование регистровой адресации и тем быстрее будет работать микропроцессорная система.

4.Способы адресации.Регистровая и косвенно-регистровая адресация
Есть разные методы адресации,которые позволяют определить откуда брать входные операнды и куда помещать выходной результат.Эффективность методов адресации определяет эффективность работы процессора в целом.
Регистровая - Предполагает,что операнд или результат находится во внутреннем регистре процессора.По сути сходно с прямой адресацией,но вместо ячейки памяти определяется регистр. Т.к.регистров процессора меньше,чем ячеек памяти,то они имеют короткие адреса,что сокращает адресную часть команды.Кроме того у них маленькое время доступа,что делает регистровую адресацию и ее модификацию самым распространенным способом адресации.
Косвенно-регистровая -Предполагает,что во внутреннем регистре процессора находится не сам операнд,а его адрес в о.п. При таком способе адресации операнд берется из памяти или отправляется в память,но его адрес не зафиксирован жестко,как при прямой адресации.Вместо этого адрес содержится в регистре.Если адрес используется таким образом,то он наз.указателем.
Замечание: 1)выбор метода адресации определяет время выполнения команды. 2)самая быстрая адресация – регистровая.Поэтому чем больше в процессоре регистров,тем выгоднее использование регистровой адресации и тем быстрее будет работать микропроцессорная система.

5.Способы адресации.Автоинкрементная,автодекрементная и индексная адресация.
Автоинкрементная адресация.Очень близка к регистро-косвенной адресации,но отличается от нее тем,что после выполнения команды содержимое регистра увеличивается на некоторое число,зависящее от длины машинного слова. Этот метод адресации очень удобен при последовательной обработки массива данных,т.к. при обработки одного элемента массива адрес в регистре будет указывать уже на следующ.элемент массива.
Автодекрементная. Работает аналогично автоинкрементной,но содержимое регистра уменьшается на некоторое число.Use для работы с массивами и строками.Совместное использование автоинкрементной и автодикрементной адресации позволяет организовать память стекового типа.
for i:=1 to 5 do -автоинкрементная
A[i]:=3_________
for i:=5 downto 1 do -автодикрементная
A[i]:=3
Индексная. К адресу операнда в регистре прибавляется заданная константа,которая хранится в памяти непосредственно за кодом команды.
Замечание: 1)выбор метода адресации определяет время выполнения команды. 2)самая быстрая адресация – регистровая.Поэтому чем больше в процессоре регистров,тем выгоднее использование регистровой адресации и тем быстрее будет работать микропроцессорная система.

6.Система команд процессора.Общая характеристика.
Система команд любого процессора вкл.в себя 4 группы команд:
1) самые простые команды
Команды пересылки данных(mov(e)) – они не требуют выполнения каких-либо операций,поэтому арифметико-логическое устр-во(АЛУ)не участвует в выполнении этих команд,что явл.принципиальным отличием их от других команд. Команды пересылки данных просто пересылают данные из источника в приёмник,в качестве которых могут выступать регистры процессора,ячейки памяти и устр-ва I/o.
2)Арифметические команды(add-сложение)
Выполняют операции сложения,вычитания,умножения,деления а так же инкрементирования и декрементирования.Эти команды требуют 2-ух операндов,а результатов их действия явл.выходной операнд.
Замечание: В процессорах Intel-овской архитектуры 1 из входных операндов должен обязательно находится в регистре процессора.
3)Логические команды(or)
Выполняют логические операции И(and),ИЛИ(or),исключающее ИЛИ(xor).Кроме этого команды выполняют очистку регистров,инверсию(арифметические,логические,циклические,влево или вправо).Этим командам требуется 1 или 2 входных операнда и формируют они 1 выходной операнд.
Замечание: В процессорах Intel-овской архитектуры 1 из входных операндов должен обязательно находится в регистре процессора.
4)Команды переходов
Предназначены для изменения обычного порядка выполнения команд (последовательного).С их помощью организуются всевозможные циклы,переходы на выполнение подпрограмм,выхода из них,ветвление прог,пропуски фрагментов прог и т.д.Отличительной особенностью этих команд явл.то,что они всегда изменяют содержимое счетчика команд.Переходы могут быть условными и безусловными,что позволяет с помощью этих команд реализовать алгоритмы любой сложности.В соответствии с результатом каждой выполненной команды устанавливаются или очищаются биты регистра состояния процессора.

7.Структура системной шины.
В простейшем случае под понятием шина подразумевают параллельно проложенные провода, по которым передаётся двоичная информация. При этом по каждому проводу передаётся отдельный двоичный разряд. Информация может передаваться в одном направлении, как, например, для шины адреса или шины управления, или в различных направлениях (для шины данных). По шине данных информация передаётся либо к процессору, либо от процессора в зависимости от операции записи или чтения, которую в данный момент осуществляет процессор.
Шина данных – это основная шина,которая используется для передачи информационных кодов между всеми устройствами МПС.Кол-во разрядов и частота работы шины данных определяет скорость информационного обмена.Пропускная способность шины определяет кол-во бит информации передаваемых по шине в единицу времени и вычисляется по формуле: Пропускн.способность=частота*ширину шины.Для увелич пропускн.способности,надо увелич.либо частоту работы шины,либо ее разрядность. Повышать частоту работы шины сложно из-за того,что сигналы на разных линиях шины передаются с разной скоростью.Это явление наз.перекосом шины и оно тем больше,чем быстрее работает шина.
Шина адреса – служит для определения адреса устройства с которым процессор обменивается информацией.Каждому устройству в МПС(кроме процессора) в каждой ячейке памяти присваивается адрес.Когда процессор выставляет на шину адреса адрес какого-либо устр-ва или ячейки памяти,то устр-во,которому этот адрес приписан понимает,что ему предстоит обменинформации.Если шина данных определяет быстродействие МПС,то шина адреса определяет ее сложность.
Шина управления. -В отличии от шины адреса и шины данных она состоит из набора автономных проводников.По каждому проводнику передаются отдельные управляющ.сигналы,каждый из которых имеет свою функцию.Некоторые сигналы служат для стробирования принимаемых или передаваемых сигналов.Другие управляющ.сигналы служат:1)для квитирования(подтверждение приема данных) 2)для сбросов всех устройств в исходное состояние 3)для работы с прерываниями и т.д.
Шина питания – предназначена для питания системы.Содержит линии напряжения и заземления.Допускается разброс напряжения от номинального значения 10%.

Функции устр-в I/o - устр-во I/o обменивается инфой с шиной по тем же правилам,что и память.Однако память имеет в адресном пространстве системы сного адресов,а устр-во I/o от 1 до 10 устр-в. Модули памяти системы обмениваются с шиной и процессором,а I/o взаимодействует еще с внешними цифровыми и аналоговыми устр-вами.
Замечание. Для устр-в I/o используются и др.названия:устр-во сопряжения,контроллер.
В состав микропроцессорных систем входит следующ.спец.группы устр-в I/o: 1)устр-ва интерфейса пользователя(контроллеры,клавы,мыши,джостик,трекбол и др.) 2) устр-ва I/o для длительного хранения инфы (контроллеры дисководов) 3)Таймерные устр-ва.отличаются от др устр-в I/o тем,что не имеют выводов для подключения внешних устр-в.Предназначены для того,чтобы микропроцессорная система могла функционировать в соответствии с заданными временными интервалами,а так же следить за реальным временем. 4)устр-ва подключения к информационным сетям,которые сейчас могут присутствовать и в простом контроллере.
Процессор. 1)разрядность шины данных.Определяет быстродействие системы.2)разрядность шины адреса.Определяет сложность системы(объем о.п.). 3)Кол-во управляющих сигналов.Определяет разнообразие режимов обмена и эффективность обмена процессора с другими устр-вами. Кроме перечисленного процессор всегда имеет вывод для подключения внешнего тактового сигнала,т.к.процессор явл.тактируемым устройством,сигнал начального сброса(Reset)для обнуления регистров процессора. При вкл.питания аварийной ситуации(например при отклонении напряжения блоком питания на величину превышающую 10% от номинала)или зависании процессора подача этого сигнала заставляет его приступать к выполнению начального запуска. Для подкл.процессора к шине использ.буферные микросхемы обеспечивающие согласование сигналов и протоколов обмена.

8.Система команд процессора.Команды пересылки данных
Система команд любого процессора вкл.в себя 4 группы команд:
1)Команды пересылки данных(mov(e))
2)Арифметические команды(add-сложение)
3)Логические команды(or)
4)Команды переходов
Команды пересылки данных(mov(e)) – они не требуют выполнения каких-либо операций,поэтому арифметико-логическое устр-во(АЛУ)не участвует в выполнении этих команд,что явл.принципиальным отличием их от других команд. Команды пересылки данных просто пересылают данные из источника в приёмник,в качестве которых могут выступать регистры процессора,ячейки памяти и устр-ва I/o.
Функции: 1)загрузка содержания памяти во внутренние регистры процессора. 2)Сохранение в памяти содержимого внутренних регистров процессора. 3)Копирование содержимого из 1 области памяти в другую. 4)Запись в устр-ва I/o и чтение из устр-ва I/o.
Эти функции могут выполняться как одной командой,но с различными методами адресации операндов,так и с помощью нескольких команд.Любая команда содержит регистр процессора.

9.Система команд процессора.Арифметические команды.
Система команд любого процессора вкл.в себя 4 группы команд:
1)Команды пересылки данных(mov(e))
2)Арифметические команды(add-сложение)
3)Логические команды(or)
4)Команды переходов
Арифм.ком-Выполняют операции сложения,вычитания,умножения,деления а так же инкрементирования и декрементирования.Эти команды требуют 2-ух операндов,а результатов их действия явл.выходной операнд.
Рассматривают коды операндов как числовые двоичные коды.
1)Команды операций с фиксированной точкой.(+-*/)
Работают с кодами в регистрах процессора и памяти как с обычными двоичными кодами.Используются для работы с числами без знака и числами со знаком.
2) Команды операций с плавающей точкой. (+-*/)
Используют формат представления чисел с мантисой и порядком. Z₂=±M₂*2^±K2
Однако к этим командам относятся не только команды выполнения 4 арифметич.действий,но и более сложные команды такие как вычисления логарифмических тригонометрических и спец.функций,необходимых для обработки изображения и звука.
3)Команды очистки(обнуление регистра)
Предназначены для записи в регистр или ячейку памяти.Эквивалентны команде пересылки нулевого кода,но работают быстрее.
4)Команды инкремента(увелич на 1) и дискремента(уменьш на 1)
Требуют одного входного операнда,который явл.и выходным операндом.Эквивалентны командам суммированным с единицей и вычитания единицы,но работают быстрее.
5)Команды сравнения.
Предназначена для сравнения 2ух операндов.По сути она вычисляет их разность.Но при этом не формирует выходной операнд,а лишь изменяет отдельные биты в регистре состояния процессора.Эта команда идет в паре с командой перехода,которая анализирует биты в регистре состояния процессора и в зависимости от их значений выполняет соответствующий переход.

10.Обмен информацией в режиме прямого доступа к памяти.
Микропроцессорные системы поддерживают 3 основных режима обмена информации по шине:1)программный обмен 2)обмен с использ.прерываний 3)обмен с использ.прямого доступа к памяти(ДМА)
Прямой доступ к памяти – это режим,отличающийся от 2 других тем,что обмен инфой между устр-вом и о.п. выполняется без участия процессора.Внешние устр-ва,требущие обслуживания сигнализируют процессору,что ему необходим режим ДМА.В ответ на это процессор заканчивает выполнение текущей команды,отключается от всех шин,сигнализирует тем самым устр-ву,что можно начинать режим ДМА.Режим ДМА заключается в пересылке информ.из устр-ва I/o в память или наоборот.Когда пересылка будет закончена процессор вновь возвращается к прерванной проге в ту точку,где его прервали.
Замечание: теоретически режим ДМА может обеспечить более высокую скор.передачи информ,чем программный обмен,т.е.процессор передает данные медленнее,чем контроллер,но скор.обмена лимитируется пропускной способностью шины.

11.Система команд процессора.Команды логический операций.
Система команд любого процессора вкл.в себя 4 группы команд:
1)Команды пересылки данных(mov(e))
2)Арифметические команды(add-сложение)
3)Логические команды(or)
4)Команды переходов
Логические команды-выполняют логические(побитовые) операции.Они рассматривают коды операндов не как единое число,а как набор отдельных битов.Этим они отличаются от арифметич.команд.Кроме этого команды выполняют очистку регистров,инверсию(арифметические,логические,циклические,влево или вправо).Этим командам требуется 1 или 2 входных операнда и формируют они 1 выходной операнд.
1)Логич И(and),ИЛИ(or),исключ ИЛИ(xor)
2)Логич,арифметич и циклич сдвиги
3)Установка и очистка флагов регистра признаков.
AND – используется для принудительной очистки заданных битов.при этом в качестве одного из операндов use код маски,в котором разряды,требующие очистки установлены в 0.
OR – применяется для принудительной установки заданных битов.В качестве одного из операндов use код маски,в котором разряды,требующие установки в единицу,равны единице.
XOR – используется для инверсии заданных битов.В качестве одного из операндов применяется код маски,в котором биты,подлежащие инверсии установлены в единицу.

12.Программный обмен информацией
Микропроцессорные системы поддерживают 3 основных режима обмена информации по шине:1)программный обмен 2)обмен с использ.прерываний 3)обмен с использ.прямого доступа к памяти(ДМА)
Программный обмен инфой явл.основным в любой МПС.Без него невозможны и др.режимы.В этом режиме процессор явл.единоличным хозяином(master)системной шины.Все циклы обмена инициируются только процессором и выполняются в порядке предписанном исполняемой программы. Путь процессора по проге может быть:1)линейный 2)циклический 3)содержать переходы. Особенностью явл.то,что этот путь всегда непрерывен и полностью находится под контролем процессора.

13.Система команд процессора.Команды переходов без возврата.Команды переходов с возвратом.
Система команд любого процессора вкл.в себя 4 группы команд:
1)Команды пересылки данных(mov(e))
2)Арифметические команды(add-сложение)
3)Логические команды(or)
4)Команды переходов
Ком.перех - предназначены для организации циклов,ветвлений,вызовов подпрограмм,т.к. они нарушают последовательный ход выполнения команды.Эти команды записывают в счетчик команд новое значение адреса,и тем самым вызывают переход процессора не к следующей по порядку команде,а к любой другой команде.
Без возврата: текущее состояние процессора не сохраняется.1)Условный переход(if<усл>then<операнд1>else<операнд2>)(для организации циклов)Используется совместно с арифметич.командой сравнения 2)Безусловные переходы(goto метка)
С возвратом в точку,из которой выполнен переход:Текущее состояние процессора сохраняется в стеке. Использ для работы с подпрограммами и для организ.прерываний.
Совместное использование нескольких команд условных и безусловных переходов позволяет организовать алгоритм любой сложности.

14.Обмен информацией по прерываниям.
Микропроцессорные системы поддерживают 3 основных режима обмена информации по шине:1)программный обмен 2)обмен с использ.прерываний 3)обмен с использ.прямого доступа к памяти(ДМА)
Обмен по прерываниям использ.тогда,когда необходима реакция МПС на какие-то внешние событии, на приход внешнего сигнала.В общем случае организовать реакцию на внешние события можно:1)с помощью постоянного программого контроля факта наступления события(метод опроса флага) 2)с помощью прерываний,т.е. насильственного перевода процессора с выполнения текущей проги на выполнение экстренно-необходимой проги 3)с помощью прямого доступа к памяти без участия процессора при его отключении от системной шины. Случай с опросом флага реализуется в МПС постоянным чтением инфы процессором из устр-ва I/o,связанного с тем внешним устр-вом,на поведение которого надо срочно реагировать.
В режиме прерывания процессор получив запрос прерывания от внешнего устройства((IRQ-Interrupt ReQuest)),заканчивает выполнение текущей команды и переходит к проге обработки прерывания,закончив выполнение которой процессор возвращ.к прерванной проге в той точке,где его прервали.
В режиме прерывания,как и в программном режиме вся работа выполняется самим процессором.Внешние события только лишь отвлекают процессор на некоторое время,но все сигналы на шину выставляются процессором. Для обслуживания прерываний в систему иногда вводят контроллер прерываний(специализированный процессор),но в обмене информации он не участвует,а только упрощает работу процессора с внешними запросами прерываний.

15.Двухшинная архитектура процессорных систем (гарвардская)
1)Эта архитектура предполагает наличие в системе отдельной памяти для данных и команд.Обмен процессора с каждой памятью выполняется по своей шине.2)Используется в процессорах начиная с Pentium,в которых кэш-память первого уровня делится на кэш-память данных и кэш-память команд.3)Эта архитектура заставляет процессор одновременно работать с двумя потоками инфы,поэтому объемы памяти не велики и перераспределение памяти невозможно,что ограничивает круг решаемых задач.4)Т.к.обмен инфой по обоим шинам осуществляется не зависимо параллельно во времени,то структура шин(кол-во разрядов,порядок и скорость обмена информацией)могут быть оптимизированы.5)Двухшинная архитектура ускоряет работу системы,но требует затрат на ее реализацию,что усложняет архитектуру процессора.

16. Производительность процессора. Основная формула произв.процессора. Факторы, влияющие на произв.процессора.
T=(N*S)/f= N*S* τ
T-общее время выполнения проги явл. процессорное время,т.е.время выполнения прикладной программы+прог ОС.Это время не вкл.в себя операции с данными на диске или о.п. и печать результатов на принтере. f-частота процессора. τ=1/f – длительность одного такта(определяет быстродействие цифровых схем). N-кол-во машинных команд(не равно кол-ву команд в объектной проге,т.к. команды расположены в цикле будут выполняться многократно, а входящие в условные операторы могут ни разу не выполныться). S-кол-во микроопераций из которых состоит одно машинная команда. N*S определяется архитектурой команд процессора. Если N↓ то S↑ RISC. Если N↑ то S↓ CISC.
Факторы: для увелич.производительности процессора можно увелич.частоту,уменьш. N*S; чтоб увелич.тактовую частоту процессора надо совершенствовать технологии формирования транзисторов на кристалле; часто используемые команды должны кодироваться более короткими кодами; чем больше команд вызывается процессором для выполнения,тем выше производительность процессора,а время выполнения команды не играет большой роли.

17.Одношинная архитектура микропроцессорных систем (принстонская,фон-неймановская)
1)Самая распространенная архитектура.Использ в ПК.2)простая архитектура,т.к.не требует от процессора одновременного обслуживания данных и команд по двум различным шинам.3)Наличие единой памяти данных и команд позволяет гибко распределять ее объем между кодами данных и команд.4)в системах с такой архитектурой можно использ.память большого объема.5)Быстродействие такой архитектуры ограничивается последовательной пересылкой кодов команд и данных по единственной шине.

18.Особенности CISC-архитектуры.
1)появилась в 1964г.Сравнительно небольшое число регистров общего назначения к каждому из которых приписана спец.функциональность.2)Большое кол-во машинных команд,которые выполняются за несколько тактов. 3)Большое кол-во методов адресации. 4)Большое кол-во форматов команд различной разрядности,что затрудняет декодирование. 5)Преобладание 2-ух адресного формата команд.

19. Особенности RISC-архитектуры.
Архитектура процессора,содержащая только простые,быстро-выполнимые команды,в качестве операндов которых use регистры.
1)1979г.Одинаковая длина команд,что упрощает декодирование. 2)Единый формат команд,в основном трехадресный. 3)Команды выполняют только простые действия. 4)Выполнение любой команды производится за один такт. 5)Большой регистровый файл.Все регистры равноправны. 6)Только простая адресация. 7)Значительно более сложный компилятор.
Принципы RISC: 1)все команды выполняются аппаратно. 2)Процессор должен начинать выполнение большого числа команд(принцип параллелизма).Чем больше команд вызывается процессором для выполнения,тем выше производительность процессора,а время выполнения команды не играет большой роли. 3)Команды должны легко декодироваться.Кол-во команд,вызываемых в единицу времени зависит от процесса декодирования отдельных команд,поэтому use команды с фиксированной длиной. 4)К памяти должны обращаться только 2 команды(загрузки в память и извлечение). 5)Должно быть большое число регистров,в которых данные могут находиться до тех пор,пока станут не нужными.

20. Принципы параллелизма.
кроме повышения тактовой частоты для увеличения производительности вычислительной системы можно выполнять одновременно(параллельно) 2 и более операций.
Формы параллелизма: 1) На уровне команд: а)Динамич.конвейер.Идея конвейера состоит в том,что производительность цепочки последовательных действий определяется не сложностью,а лишь длительностью самой сложной операции.б)Суперскалярная архитектура(она содержит несколько конвейеров) в)VLIW-архитектура((VLIW-очень длинное машинное слово))в каждой команде имеется поле,в котором указывается связь с другими командами,как правило 3 команды объединяются в одно машинное слово.2) На уровне процессоров: 2.1)Физич.параллелизм(многоядерные процессоры) 2.2)Логич.параллелизм(Технология Hyper Threading)
а)-распараллеливание кода выполняется не компилятором,а во время выполнения программы. б,в)-по сути статический конвеер,т.к. распараллеливание кода осущ.на этапе компиляции.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: