История развития микропроцессорной техники

 

Рисунок 6 - Классификация команд

 

При использовании фиксированного числа бит под КОП для кодирования всех m команд необходимо в поле КОП выделить двоичных разрядов. Однако, учитывая ограниченную длину слова мини- и микроЭВМ, различное функциональное назначение команд, источники и приемники результатов операций, а также то, что не все команды содержат адресную часть для обращения к памяти и периферийным устройствам, в малых ЭВМ для кодирования команд широко используется принцип кодирования с переменным числом бит под поле КОП для различных групп команд.

В некоторых командах необходим  только один операнд и они называются однооперандными (или одноадресными) командами в отличие от двухоперандных (или двухадресных), в которых  требуются два операнда. При наличии  двух операндов командой обычно изменяется только один из них. Так как информация берется только из одной ячейки, эту ячейку называются источником; ячейка, содержимое которой изменяется, называется приемником.

Ниже приведен формат двухадресной (двухоперандной) команды процессоров  СМ.

 

Рисунок 7 - Формат двухадресной (двухоперандной) команды процессоров СМ

 

Формат команд процессоров СМ: 

а) двухадресная команда; 

б) одноадресная команда.

 

Таблица 1 - Примеры кодирования двухадресных команд в процессорах СМ

КОП	Мнемоника команды	Комментарий
0001  0010  0110  1110	MOV  CMP  ADD  SUB	Передача данных  Сравнение  Сложение  Вычитание
0000  1000	-  -	Кодирование группы  одноадресных команд

 

Четырехбитный КОП (биты 15-12) кодирует ряд двухоперандных операций, приведенных в таблице 1. Биты (11-6) и (5-0) для команд данного типа определяют адреса источника и приемника данных. Как видно из таблицы, комбинации 0000 и 1000 поля КОП определяют группы одноадресных команд. КОП 1 (биты 15-12), соответствующий кодам 0000 и 1000, определяет группу одноадресных команд, а КОП 2 (биты 11-6) кодирует конкретную операцию команд данной группы. Таким образом, команды, использующие один операнд, кодируются 10-битным КОП (биты 15-6).

Наиболее гибкая команда требует до четырех операндов. Например, команда сложения может указывать адреса слагаемых, адрес результата и адрес следующей команды. Если для задания адреса требуется 16 бит, то четырехоперандная команда займет 8 байт памяти, не учитывая код операции. Следовательно, получится медленнодействующая ЭВМ с огромной памятью. Поэтому в большинстве микроЭВМ любой команде требуется не более двух операндов. Это достигается следующими приемами: 

1. Адрес следующей команды указывается  только в командах переходов; в остальных случаях очередная команда выбирается из ячеек памяти, следующих за выполненной командой. 

2. Использование ячейки, в которой  находится один из операндов,  для запоминания результата (например, сумма запоминается в ячейки  первого операнда).

Локализацию и обращение к операндам  обеспечивают режимы адресации. При  введении нескольких режимов адресации  необходимо отвести в команде  биты, указывающие режимы адресации  для каждого операнда. Если предусмотрено  восемь режимов адресации, то для  задания каждого из них нужно три бита.

Почти во всех форматах команд первые биты отводятся для кода операции, но далее форматы команд разных ЭВМ  сильно отличаются друг от друга. Остальные  биты должны определять операнды или  их адреса, и поэтому они используются для комбинации режимов, адресов регистров, адресов памяти, относительных адресов и непосредственных операндов. Обычно длина команды варьируется от 1 до 3 и даже 6 байт.

По форматам команд можно судить о возможностях ЭВМ.

 

 

5 Режимы адресации

 

Для взаимодействия с различными модулями в ЭВМ должны быть средства идентификации ячеек внешней памяти, ячеек внутренней памяти, регистров МП и регистров устройств ввода/вывода. Поэтому каждой из запоминающих ячеек присваивается адрес, т.е. однозначная комбинация бит. Количество бит определяет число идентифицируемых ячеек. Обычно ЭВМ имеет различные адресные пространства памяти и регистров МП, а иногда - отдельные адресные пространства регистров устройств ввода/вывода и внутренней памяти. Кроме того, память хранит как данные, так и команды. Поэтому для ЭВМ разработано множество способов обращения к памяти, называемых режимами адресации.

Режим адресации памяти - это процедура  или схема преобразования адресной информации об операнде в его исполнительный адрес.

Все способы адресации памяти можно разделить на:  
1) прямой, когда исполнительный адрес берется непосредственно из команды или вычисляется с использованием значения, указанного в команде, и содержимого какого-либо регистра (прямая адресация, регистровая, базовая, индексная и т.д.);  
2) косвенный, который предполагает, что в команде содержится значение косвенного адреса, т.е. адреса ячейки памяти, в которой находится окончательный исполнительный адрес (косвенная адресация).

В каждой микроЭВМ реализованы только некоторые режимы адресации, использование которых, как правило, определяется архитектурой МП. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Типы архитектур

 

Существует несколько подходов к классификации микропроцессоров по типу архитектуры. Так, выделяют МП с CISC (Complete Instruction Set Computer) архитектурой, характеризуемой полным набором команд, и RISC (Reduce Instruction Set Computer) архитектурой, которая определяет систему с сокращенным набором команд одинакового формата, выполняемых за один такт МП.

Определяя в качестве основной характеристики МП разрядность, выделяют следующие типы МП архитектуры: 

- с фиксированной разрядностью  и списком команд (однокристальные); 

- с наращиваемой разрядностью (секционные) и микропрограммным управлением.

Анализируя адресные пространства программ и данных, определяют МП с архитектурой фон Неймана (память программ и память данных находятся в едином пространстве и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти) и МП с архитектурой Гарвардской лаборатории (память программ и память данных разделены, имеют свои адресные пространства и способы доступа к ним).

Мы рассмотрим более подробно основные типы архитектурных решений, выделяя  связь со способами адресации памяти. 

1. Регистровая архитектура определяется  наличием достаточно большого регистрового файла внутри МП. Команды получают возможность обратиться к операндам, расположенным в одной из двух запоминающих сред: оперативной памяти или регистрах. Размер регистра обычно фиксирован и совпадает с размером слова, физически реализованного в оперативной памяти. К любому регистру можно обратиться непосредственно, поскольку регистры представлены в виде массива запоминающих элементов - регистрового файла. Типичным является выполнение арифметических операций только в регистре, при этом команда содержит два операнда (оба операнда в регистре или один операнд в регистре, а второй в оперативной памяти).

К данному типу архитектуры относится  микропроцессор фирмы Zilog. Процессор Z80 - детище фирмы Zilog помимо расширенной  системы команд, одного номинала питания и способности исполнять программы, написанные для i8080, имел архитектурные "изюминки". 

Рисунок 8 - Микропроцессор Z80 фирмы Zilog

 

В дополнение к основному набору РОН, в кристалле был реализован второй комплект аналогичных регистров. Это значительно упрощало работу при вызове подпрограмм или процедур обслуживания прерываний, поскольку программист мог использовать для них альтернативный набор регистров, избегая сохранения в стеке содержимого РОНов для основной программы с помощью операций PUSH. Кроме того, в систему команд был включен ряд специальных инструкций, ориентированных на обработку отдельных битов, а для поддержки регенерации динамической памяти в схему процессора введены соответствующие аппаратные средства. Z80 применялся в машинах Sinclair ZX, Sinclair Spectrum, Tandy TRS80.

Предельный вариант - архитектура  с адресацией посредством аккумуляторов (меньший набор команд).

МП фирмы Motorola имел ряд существенных преимуществ. Прежде всего, кристалл МС6800 требовал для работы одного номинала питания , а система команд оказалась весьма прозрачной для программиста. Архитектура МП также имела ряд особенностей. 

Рисунок 9 - Микропроцессор МС6800 фирмы Motorola

 

Микропроцессор МС 6800 содержал два  аккумулятора, и результат операции АЛУ мог быть помещен в любой  из них. Но самым ценным качеством  структуры МС 6800 было автоматическое сохранение в стеке содержимого всех регистров процессора при обработке прерываний (Z80 требовалось для этого несколько команд PUSH). Процедура восстановления РОН из стека тоже выполнялась аппаратно.

2. Стековая архитектура дает возможность создать поле памяти с упорядоченной последовательностью записи и выборки информации.  
В общем случае команды неявно адресуются к элементу стека, расположенному на его вершине, или к двум верхним элементам стека. 

3. Архитектура МП, ориентированная на оперативную память (типа "память-память"), обеспечивает высокую скорость работы и большую информационную емкость рабочих регистров и стека при их организации в оперативной памяти. 

Архитектура этого типа не предполагает явного определения аккумулятора, регистров общего назначения или стека; все операнды команд адресуются к области основной памяти.

С точки зрения важности для пользователя-программиста под архитектурой в общем случае понимают совокупность следующих компонентов и характеристик: 

- разрядности адресов и данных; 

- состава, имен и назначения  программно-доступных регистров; 

- форматов и системы команд; 

- режимов адресации памяти; 

- способов машинного представления данных разного типа; 

- структуры адресного пространства; 

- способа адресации внешних устройств и средств выполнения операций ввода/вывода; 

- классов прерываний, особенностей  инициирования и обработки прерываний.