Основные элементы процессора

БУ – блок управления – декодирует команды в микрооперации и даёт другим частям процессора соответствующие указания для их выполнения, а также, отвечает за передачу результатов во внешнюю память и обратно.

ОБ – операционный блок – содержит в своём составе АЛУ. (оно выполняет и арифметические и логические операции)

Регистры – внутренняя память процессора.

Регистры подразделяются на:

1. Регистры общего пользования (Предназначены для запоминания данных)

2. Специальные регистры.

К последним относятся:

-   регистры-ак0кумуляторы – они запоминают промежуточные результаты вычислений

- регистры команд – содержат адрес следующей команды (счётчик команд). Он увеличивается автоматически после выполнения команды, но может быть настроен программно по условию выполнения операции (например, условие A>B) (они содержат считываемую память команды).

- регистр состояния (регистр статуса) – содержит набор битовых полей, отражающих ход выполнения команды. Например, бит переполнения (A+B – результат не может поместиться в данное количество разрядов)

- указатель стека – содержит адрес следующей свободной ячейки стековой памяти – память, используемая для запоминания состояния регистров. Например, при вызове прерывания с последующим их восстановлением после его окончания или при передаче данных при вызове функций.

 

 

Компьютерная память

 

 

Компьютерная память – это устройство хранения информации, запоминающее устройство. Информация подразделяется на:

- память программ;

- память данных.

В сложных устройствах память имеет иерархическую структуру, т. е. состоит из разных типов запоминающих устройств.

В ПК под «памятью» часто понимают один из её видов – динамическую память с произвольным доступом (DRAM). Эта память является энергозависимой памятью, и часто называется ОЗУ. После выключения питания компьютера информация о программах полностью стирается, в отличие от энергонезависимой памяти, где находится BIOS.

Также в ПК к устройствам памяти можно отнести устройства хранения информации: HDD (винчестер), FDD (дискеты), CD- и DVD-RAM, USB-накопители.

 

Классификация типов памяти

1. Энергозависимость

1.1. энергозависимая (ОЗУ) – теряет информацию при отключении питания;

1.1.1. статическая – выполняется на базе триггера. По переднему фронту C триггер запоминает состояние на входе D (0 или 1);

1.1.2. динамическая – выполняется на базе конденсаторов (ёмкостных ячеек); поскольку используемые мощности малы (~10^-12Ф), для исключения потери памяти динамическая память требует регенерации. Регенерация - это периодическое обращение к ячейкам памяти для пополнения заряда конденсатора.

1.2. энергонезависимая (ПЗУ) – не теряет информацию при отключении питания;

1.2.1. ROM (однократно программируемые устройства) - кристалл содержит перемычки

1.2.2. RROM (репрограммируемые устройства с возможностью ультрафиолетового стирания)

1.2.3. EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory – электрические перепрограммируемые запоминающие устройства), в которых стирание и запись происходит с помощью электрических сигналов. Количество циклов записи/очистки информации ограничено.

Память современных микроконтроллеров вся электроперепрограммируемая.

Типы памяти микроконтроллеров (МК):

1. Флэш-память (SH) – служит для хранения кода программ; информация во флэш-память записывается с помощью специального устройства – программатора (заливка, прошивка);

2. EEPROM – для хранения параметров, коэффициентов и т.п.; может быть изменена по команде микроконтроллера, существует ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10⁵ до 10⁶ циклов)

Недостатки электроперепрограммируемой памяти:

1. Ограниченное количество циклов перезаписи (от 100 тыс до 1 млн раз)

2. Назначение

2.1. Память хранения программы

2.2. Память данных

2.2.1. буферная память – память, предназначенная для временного хранения данных при их обмене между устройствами, имеющими разную скорость приёма или передачи данных

2.2.2. cash – память, предназначенная для временного хранения части программ/ данных, с которыми в данный момент работает процессор

2.3. временная память – память для хранения промежуточных результатов обработки данных

3. Метод доступа

3.1. RAM (random access memory) – произвольный доступ

Устройства имеют:

- шину адреса;

- шину данных;

- сигнал управления

3.2. SAM (sequential access memory) – ячейки памяти выбираются последовательно одна за другой – последовательный доступ. Задаётся номер (адрес) первой ячейки и количество ячеек.

Примеры реализации SAM:

- stack – приём программирования по методу LIFO;

- очередь – приём программирования по методу FIFO;

3.3 временная память – память для хранения промежуточных результатов обработки данных

Стэк

Принцип: «первый зашёл – последний вышел».

Данные могут быть внесены только в первую ячейку. При внесении следующего данного, данные из первой ячейки переносятся во вторую, таким образом, при записи в стековую память очередного байта, все хранящиеся в нём байты смещаются в стек на 1 значение, освобождая при этом 1-ю ячейку для записанного байта, и при (n +1) заполнении данные из n ячейки теряются.

Из стековой памяти можно извлечь только самый первый байт. При этом, все хранящиеся в ней байты поднимаются на ячейку (на одно значение адреса)

Очередь

Принцип: «первый зашёл – первый вышел».

Удобно для проведения усреднений значений в режиме реального времени.

4. Физический принцип хранения информации

4.1. электрическая память (оперативная, перепрограммируемая)

4.2. магнитная память (HD, флоппи-диск, магнитные ленты, магнитные кассеты)

4.3. кассетная память (использование аудио- и видеокассет)

4.4. оптическая память (CD, DVD: перезаписываемые/неперезаписываемые)

4.5. бумажная память (перфокарты, перфоленты)

Метод прямого доступа к памяти (ПДВ) DMA (“ direct memory access ”)

Этот метод используется для передачи больших объёмов (массивов) данных без участия микропроцессора. Для реализации этого используется специальный контроллер прямого доступа к памяти (ПДП). Это схема, которая программируется программатором, а именно устанавливается адрес начальной ячейки, откуда будут отправляться данные, адрес ячейки, куда будут записываться данные и количество передаваемых данных. После этого  контроллер ПДП захватывает системные шины (ША, ШД, ШУ), процессор в это время находится в нейтральном состоянии (для исключения конкуренции сигналов), контроллер ПДП проводит перенос данных (т. е. производит обмен данными), после чего сам переходит в нейтральное состояние и передаёт управление шинами в распоряжение процессора.

Такой метод используется для:

- обмена с КЭШ-памятью;

- обмена с видео-картой;

- обмена со звуковой картой;

- обмена с некоторыми PCI устройствами, имеющими буферную память (картами ввода/вывода данных);

- обмена с дисководами;

- обмена с Internet – контроллером (сетевой картой).

Режим обмена данными между устройствами и основной памятью происходит без участия процессора. Скорость обмена увеличивается, т.к. данные не пересылаются в процессор и обратно. Кроме того данные пересылаются сразу для многих слов, расположенных по подряд идущим адресам. В персональных компьютерах DMA-контроллер производит обмен данными между памятью ПК и видеокартой, дисководами, PCI устройствами и AGP устройством.

 

 

Прерывание

Прерывание – сигнал, сообщающий процессору о наступлении какого-либо события, требующего обработки. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается и управление передаётся функции обработки прерывания, которая реагирует на событие (обслуживает его), после чего возвращает в управление прерванный код. После завершения выполнения функции обработки прерывания процессор возобновляет выполнение прерванной последовательности команд.

При передаче управления функции обработки прерывания процессор сохраняет в стеке содержимое регистров и адрес, с которого будет выполняться прерванная команда после завершения фукнции прерывания.

Пусть в момент выполнения n -й команды основного цикла программы возникло прерывание. Процессор при этом автоматически сохраняет в стеке содержание своих регистров и адрес (n +1)-й команды. После этого процессор из таблицы адресов прерываний берёт адрес первой команды ФОП 1 и начинает её выполнять, т.е. передаёт управление ФОП 1.

Пусть в момент выполнения m -й команды возникает второе прерывание, которое обслуживается ФОП 2. Процессор сохраняет в стеке содержание регистров и адрес (m +1)-й команды и после этого переходит к выполнению ФОП 2, тем самым осуществляется вложенное прерывание. Пусть пока выполнялась ФОП 2, ничего не прерывалось. Закончив выполнение функции ФОП 2, процессор по инструкции iret (“interrupt return”) восстанавливает из стэка адрес команды КПР 1.1+ n и содержание регистров на момент вызова второго прерывания и переходит к выполнению команды ФОП 1. Выполнив все команды ФОП 1, процессор по инструкции iret ФОП 1 восстанавливает из стэка содержание регистров на момент вызова первого прерывания и продолжает выполнение программы основного цикла, начиная с команды n +1.

 

ФОП – функция обработки прерывания

 

Виды прерываний

1. Асинхронные (внешние) – вызываются событиями, которые происходят от внешних источников (периферийных устройств: клавиатура, мышь, таймер) и могут произойти в любой момент времени.

2. Синхронные (внутренние) – вызываются событиями внутри самого процессора как результат каких-либо условий при исполнении программы (деление на ноль, переполнение стека, обращение к недопустимым адресам, код неизвестной команды).

3. Программные – частный случай внутреннего прерывания, используемые при работе ОС с периферийными устройствами. Вызываются из программы для загрузки драйверов, функций или для работы операционной системы.

 

Приоритизация прерываний

Источники прерываний делятся на классы, каждому из которых присваивается свой приоритет запроса на вызов функции обработчика (ФОП). Прерывание с высшим приоритетом могут вызываться при выполнении функции обработки прерывания с низшим приоритетом, но не наоборот. Таким образом, реализуется иерархия вложенных прерываний (какое из них вызывается первее). Например, Ctrl+Alt+Del имеет высший приоритет.

Одним из важных источников возникновения прерываний является таймер вычислительной системы.

 

Маскирование прерываний

Маскирование прерываний – это возможность временного запрещения выполнения аппаратных прерываний путём установки запрещающих битв регистре маски прерываний процессора (по большей части для микроконтроллера).

Маскируемые прерывания – прерывания, которые можно временно запретить при выполнении программы установкой соответствующих битов в регистре процессора. Немаскируемые прерывания – прерывания, которые никогда нельзя запретить.

Таймер

 

 

Таймер – устройство, предназначенное для:

- организации и формирования временных интервалов и временных последовательностей (длительность импульсов t, период следования импульсов T, временных последовательностей заданной скважности).

Если временная последовательность повторяется непрерывно с заданным интервалом T, то в ней одновременно задаётся и длительность импульсов t.

 

- формирования сигнала заданной частоты в форме миандра (f = 1/ T);

- подсчёта числа внешних событий.

Таймер реализует работу ВУ во времени. Таймер может вызывать прерывания. Основа таймера – всегда счётчик. Счётчик – это схема, которая увеличивает на единицу содержание своего регистра при поступлении на его вход импульса. При достижении определённого состояния регистра таймера установленного кода max значения или нулевого значения вызывается прерывание. Пример таймера – системные часы. Если системная частота составляет 1 МГц, а необходимая – 1 ГГц, то таймера может не хватить.

Рассмотрим 16-тиразрядный счётчик. На него поступают импульсы с заданной частотой, определяемой таковым генератором (ТГ).

При достижении max значения счётчик сбрасывается в ноль.

 

Максимальное время счета  максимальное время счёта таймера, определяемое периодом ТГ и максимальным кодом, который может просчитать счётчик.

При  мкс, N = 16 .

Полная структура таймера

ПД – предварительный делитель частоты системного ТГ (пресканнер); коэффициент деления задаётся настройкой, делит частоту ТГ на заданный коэффициент деления (2, 4, 8, 16, …, 1024), т.к. максимальный период определяется частотой тактирования счётчика:

 

КД – коэффициент деления.

ЦК – цифровой компаратор кода, сравнивающий код со счётчика с кодом, заданным в регистре кода (РК), и когда коды станут равными, формирует выходной сигнал, поступающий на схему обработки состояния (СОС), которая может:

- вызывать прерывания (interrupt);

- создавать различные сигналы на выходе микроконтроллера;

- сформировать внутренний сигнал управления, например, для запуска АЦП.

РК – регистр кода (запись второго кода осуществляется в РК).

 =