Компоненти мікропроцесорів

 

Арифметико-логічний пристрій

Арифметико-логічний пристрій (АЛП) – центральна частина процесора, що виконує арифметичні й логічні операції.

АЛП реалізує важливу частину процесу обробки даних. Вона полягає у виконанні набору простих операцій. Операції АЛП поділяються на три основні категорії: арифметичні, логічні й операції над бітами. Арифметичною операцією називають процедуру обробки даних, аргументи й результат якої є числами (додавання, віднімання, множення, ділення,...). Логічною операцією називають процедуру, що здійснює побудову складного висловлення (операції І, АБО, НЕ,...). Операції над бітами зазвичай передбачають зміщення.

АЛП складається з регістрів, суматора з відповідними логічними схемами й елемента керування виконуваним процесом. Пристрій працює відповідно до повідомлюваних йому іменами (кодами) операцій, які при пересиланні даних потрібно виконати над змінними, що містяться в регістрах.

Арифметико-логічний пристрій функціонально можна розділити на дві частини:

а) мікропрограмний пристрій (пристрій керування), що задає послідовність мікрокоманд (команд) ;

б) операційний пристрій (АЛП), де реалізується задана послідовність мікрокоманд (команд).

 

Рис. 1. Структурна схема АЛП

 

Структурна схема АЛП і його зв'язок з іншими блоками машини показано на рис. 1. До складу АЛП входять регістри Рг1-Рг7, у яких обробляється інформація, що надходить із оперативної або пасивної пам'яті N1, N2,... NS; логічні схеми, що реалізують обробку слів по мікрокомандах, що надходять із пристрою керування.

Закон переробки інформації задає мікропрограма, яка записується у вигляді послідовності мікрокоманд A1, A2,..., Аn-1, An. При цьому розрізняють два види мікрокоманд: зовнішні, тобто такі мікрокоманди, які надходять в АЛП від зовнішніх джерел і викликають у ньому ті або інші перетворення інформації (на рис. 1 мікрокоманди A1, A2,..., Аn), і внутрішні, які генеруються в АЛП і впливають на мікропрограмний пристрій, змінюючи природній порядок проходження мікрокоманд. Наприклад, АЛП може генерувати ознаки залежно від результату обчислень: ознака переповнення, ознака від’ємного числа, ознака рівності 0 усіх розрядів числа та ін. На рис. 1 ці мікрокоманди позначені р1, p2,..., рm.

Результати обчислень із АЛП передаються по кодових шинах запису y1, y2,..., уs, в ОЗП. Функції регістрів, що входять в АЛП:

Рг1 – суматор (або суматори) – основний регістр АЛП, у якому утворюється результат обчислень;

Рг2, РгЗ – регістри, що складаються, співмножників, діленого або дільника (залежно від виконуваної операції) ;

Рг4 – адресний регістр (або адресні регістри), призначений для запам'ятовування (іноді й формування) адреси операндів і результату;

Рг6 – k індексних регістрів, вміст яких використовується для формування адрес;

Рг7 – i допоміжних регістрів, які за бажанням програміста можуть бути акумуляторами, індексними регістрами або використовуватися для запам'ятовування проміжних результатів.

Частина операційних регістрів є програмно-доступними, тобто вони можуть бути адресовані в команді для виконання операцій з їхнім вмістом. До них відносяться: суматор, індексні регістри, деякі допоміжні регістри.

Інші регістри програмно-недоступні, тому що вони не можуть бути адресовані в програмі. Операційні пристрої можна класифікувати по виду оброблюваної інформації, по способу обробки інформації й логічній структурі.

АЛП може оперувати чотирма типами інформаційних об'єктів: булевими (1 біт), цифровими (4 біти), байтними (8 біт) і адресними (16 біт). В АЛП виконується 51 різна операція пересилання або перетворення цих даних. Оскільки використовується 11 режимів адресації (7 для даних і 4 для адрес), то шляхом комбінування «операція-режим адресації» базове число команд 111 розширюється до 255 з 256 можливих при однобайтному коді операції.

Швидкодія АЛП багато в чому визначає продуктивність процесора. Причому важлива не тільки частота тактового сигналу, яким тактується АЛП, але й кількість тактів, необхідна для виконання тієї чи іншої команди. Для підвищення продуктивності розробники прагнуть довести час виконання команди до одного такту, а також забезпечити роботу АЛП на можливо вищій частоті. Один зі шляхів розв'язку цього завдання полягає в зменшенні кількості виконуваних АЛП команд, створення процесорів зі зменшеним набором команд (так звані Risc-процесори). Інший шлях підвищення продуктивності процесора – використання декількох паралельно працюючих АЛП.

 

 

У процесорі міститься чотири регістри загального призначення (РЗП), які позначаються як AX, BX, CX, DX, індексні регістри SP, BP, SI, DI, а також сегментні регістри CS, DS, ES, SS. Вміст останніх визначає поточну початкову адресу сегмента пам’яті, виділеного програмістом під інформацію, що відповідає назві регістра. Крім того, у складі процесора присутні регістр прапорців F та вказівник команд IP.

 

 

16-бітні регістри AX, BX, CX, DX можуть використовуватися без обмежень для різних цілей, необхідних програмістові (насамперед – для зберігання проміжних результатів обчислень). У процесорах 8086-80286 усі регістри мали розмір 16 біт і називалися саме так, а 32-бітні EAX, EBX, ECX і EDX з'явилися із введенням 32- бітної архітектури в 80386. Окремі байти в 16-бітних регістрах AX-DX також мають свої імена й можуть використовуватися як 8-бітні регістри. Старші байти цих регістрів називаються AH, BH, CH, DH, а молодші – AL, BL, CL, DL (рис. 2). Букви H і L у їхніх іменах походять від слів HIGH і LOW – більший (старший) і менший (молодший) відповідно.

 

Рис. 2.