1. Регистры общего назначения , используются для операций с данными.
2. Адресные регистры— служат для хранения в них адресов, но которым процессор находит данные в памяти.
3. Специальные регистрыслужат для самопроверок процессора.
ПАМЯТЬ |
Адресные регистры |
Шина данных |
Регистры общего назначения |
Адресная шина |
ПРОЦЕССОР |
Работа процессора с ОП
Используя адреса из адресных регистров, по адресной шине процессор запрашивает данные из памяти. Данные по шине данных поступают в регистры общего назначения процессора. После обработки информации процессор отправляет данные по шине данных в оперативную память по определённому адресу, который запоминает в адресных регистрах.
При выполнении простой операции, например сумма двух чисел, процессор выполняет следующие действия:
В программный счетчик (обозначим СК) устанавливается адрес команды, которую будут выполнять. Этот адрес передается в оперативную память (ОП) и помечается некоторая ячейка.
Устройство управления процессора передает в ОП сигнал чтения, происходит снятие копии помеченной ячейки, и эта копия поступает в регистр команд АЛУ.
Команда из регистра команд передается в дешифратор и там расшифровывается.
В расшифрованном виде она поступает в сумматор.
При этом сумматор запрашивает из ОП данные, и они поступают в регистр данных.
Сумматор выполняет команду.
Результат отправляет в аккумулятор (АЛУ).
Из аккумулятора он сбрасывается в ОП по адресу, указанному в расшифрованной команде.
Итак, процессор выполняет 4 такта, что бы сложить (умножить) два числа:
1такт. Читать СК (1.)
2 такт. Читать команду (2-5)
3 такт. СК увеличить на 2
4 такт. Выполнить команду.( 6-8 )
Тактовая частота
Время исполнения команд компьютером измеряется в тактах. Тактовая частота– это количество команд, которые процессор может выполнить за одну секунду. Чем больше тактовая частота процессора, тем быстрее он работает. Она измеряется в мегагерцах (МГц ).
1 МГц = 1000000 тактов / секунду. |
Как ускоряют работу процессора
1. Повышение тактовой частоты.
2. Повышение разрядности процессора (от 8 — разрядных к 64 — разрядных и выше).
3. Внутреннее умножение частоты: т. е. внешние операции (например, обмен с оперативной памятью) процессор выполняет с одной тактовой частотой, а внутренние операции (обмен между регистрами) – с другой, более высокой.
4. Кэширование памяти: т. к. операции внутри процессора выполняются быстрее, чем в работе с ОП, поэтому чтобы процессор обращался к ОП, внутри него создают относительно небольшой участок памяти (на 256 – 512 Кбайт), называемая КЭШ памятью .
5.
ПРОЦЕССОР |
Оперативная память |
Кэш-память |
Конвейерная обработка данных: когда результаты работы одной команды «сходит с конвейера», другая команда уже выполняется, а третья — готовится к выполнению.
Контрольные вопросы
1. Что представляет собой аппаратное обеспечение компьютера?
2. Что такое процессор и из чего он состоит?
3. Чем характеризуется процессор?
4. Дайте определение памяти и ее характеристики.
5. Какие виды регистров существуют?
6. Как ускоряют работу процессора?
Упражнения
HЗадание 1
Выбрать правильный ответ, отметив его. Обосновать ответ.
1. Обеспечение компьютера, состоящее из различных устройств:
1) программное;
2) пользовательское;
3) системное;
4) аппаратное.
2. Устройство вывода информации для зрительного восприятия:
1) принтер;
2) дисплей;
3) мышь;
4) клавиатура.
3. Сменный носитель информации:
1) мышь;
2) дисплей;
3) дискета;
4) клавиатура.
4. Какие из перечисленных ниже устройств компьютера относятся к устройствам ввода?
1) монитор;
2) клавиатура;
3) мышь;
4) принтер.
5. АЛУ – это…
1) арифметико-логическое устройство;
2) арифметико-логическое управление;
3) аналитическо-лексионное устройство.
6. Процессор – устройство:
1) которое управляет всеми частями компьютера по программам из постоянной памяти;
2) которое производит арифметические и логические операции;
3) обеспечивающее преобразование информации и управления другими устройствами компьютера.
7. Оперативная память – это память…
1) которая хранит информацию только в тот момент, пока пользователь вводит информацию;
2) в которой хранятся программы, по которым работает УУ;
3) которая используется для длительного хранения информации.
8. Магнитные ленты, магнитные диски, лазерные диски, жесткие диски, флэш относятся к:
1) оперативной памяти;
2) постояннойпамяти;
3) внешней памяти.
9. ……регистры служат для самопроверок процессора
1) адресные;
2) общего назначения;
3) специальные.
10. 1 МГц =
1) 10000 тактов/сек;
2) 1000 000 тактов/сек;
3) 1000 000 000 тактов/сек;
HЗадание 2
Сформулировать определение.
Процессор – это | ||
Производительностьпроцессора- это | ||
Быстродействие памяти – это | ||
Задание 3
Вставить пропущенные слова.
Процессор состоит из _________________, в которых обрабатываются данные.
Объем памяти — _________________ количество хранения в ней __________________.
Тактовая частота – это количество команд, которые ______________ может выполнить за ________________.
Задание 4
Кроссворд «Устройство ЭВМ»
1.
Совокупность устройств, управляющих работой компьютера, оперативной памятью и арифметико-логическим устройством.
2. Устройство ручного ввода информации.
3. Электронная схема, предназначенная для подключения дополнительных устройств компьютера.
4. Состояние компьютера, при котором он не выдает результатов и не реагирует на запросы.
5. Оперативная память процессора.
6. Устройство, выполняющее инструкции и управляющее потоками информации в процессе ее обработки.
7. Функциональная часть компьютера, предназначенная для приема, хранения и выдачи информации.
8. Элемент ручного управления, срабатывающий от нажатия.
9. Соединение, предназначенное для передачи данных и обмена информацией между двумя или несколькими блоками компьютера.
HЗадание 4
Отгадать ребусы.
___________________________
__________________________________
__________________________________
Задание 5
Навыки работы с клавиатурой
1. Открыть текстовый редактор Пуск – Программы – Стандартные — Блокнот.
2. Набрать по одной строке из каждого столбца слова прописными буквами:
а) | б) | в) | г) | д) |
ШЩЩШ | ЩИТ | ЦУУЦУ | КАШНЕ | ЛУГ ЦИРК ФУНТ КУЩИ ШТУКА |
ШЩШЩ | ШАРЖ | УЦУУЦ | ШОФЕР | ГРУНТ ФАРТУК ПРИЦЕП ЦИРКУЛЬ ЖУРАВЛЬ |
ЩШЩЩШ | ВЕЩЬ | ЦУЦЦУ | ЛОЩИНА | |
ШЩШШЩ | ШАПКА | УУЦУЦ | ПРИЩЕПКА | |
ШЩШЩЩ | ШПАГА | ЦЦУЦУ | ||
ЩШЩШШ | МЕШОК | ЦУЦУУ |
Тема 7 | Дополнительная литература: | Угринович Н. Информатика и информационные технологии. М.: Лаб. Базовых Знаний, 2000 | |
Устройство ЭВМ: типы и свойства устройств внешней памяти | |||
Содержание | |||
· Устройства хранения информации · Структура диска · Физические и логические диски · Имена дисков | |||
Устройства хранения информации
Мы знаем, что оперативная память хранит информацию только при включенном компьютере. Поэтому для длительного хранения информации её сохраняют на внешние носители (внешнюю память), к которым относятся дискеты, жесткие и лазерные диски, магнитные ленты, флэш-память и другие устройства. Все они используются для переноса данных с одного ЭВМ на другой и для распространения программного обеспечения.
Гибкий диск (дискета)– устройство для хранения небольших объемов информации, представляющих собой гибкий пластиковый диск, покрытый специальным магнитным материалом и запечатанные в пластиковую защитную оболочку.
Жесткий диск (винчестер)– устройство представляющее собой малогабаритный пакет из нескольких жестких магнитных дисков, вращающихся с высокой скоростью на одной оси и размещенных в герметическом корпусе вместе с головками записи-чтения.
Для накопителей на жестких магнитных дисках время доступа лежит в диапазоне 5-100 мс, скорость чтения-записи 0,5-1 Мбайт/с.
Лазерный диск (компакт-диск, оптический диск)— оптический носитель информации в виде диска с отверстием в центре, информация с которого считывается с помощью лазера.
Стандартная емкость наиболее распространенных оптических дисков категории CD ROM (компакт-диск, предназначенный только для чтения) порядка 800 Мбайт. Такие характеристики дисков, как надежность и долговечность хранения информации, делают оптические характеристики вне конкуренции. Для накопителей на оптических дисках время доступа лежит в диапазоне 30-100 мс, скорость чтения-записи порядка нескольких Мбайт/с.
Изначально компакт-диск был создан для цифрового хранения аудио (т. н. Audio-CD), однако в настоящее время широко используется как устройство хранения данных широкого назначения (т. н. CD-ROM, КД-ПЗУ). Аудио-компакт-диски по формату отличаются от компакт-дисков с данными, и CD-плееры обычно могут воспроизводить только их (на компьютере, конечно, можно прочитать оба вида дисков). Встречаются диски, содержащие как аудиоинформацию, так и данные — их можно и послушать на CD-плеере, и прочитать на компьютере. С развитием MP3 производители бытовых CD-плееров и музыкальных центров начали снабжать их возможностью чтения MP3-файлов с CD-ROM’ов.
Аббревиатура CD-ROM означает англ. Compact Disc Read Only Memory, что в переводе обозначает компакт-диск только с возможностью чтения. КД-ПЗУ означает «Компакт-диск, постоянное запоминающее устройство». Название CD-ROM часто ошибочно используют для обозначения приводов для чтения компакт-дисков (правильно — CD- ROM Drive, CD-привод).
Магнитная лента– носитель магнитной записи, представляющий собой тонкую гибкую ленту, состоящую из основы и магнитного рабочего слоя.
Рабочие свойства магнитной ленты характеризуются её чувствительностью при записи и искажениями сигнала в процессе записи и воспроизведения. Наиболее широко применяется многослойная магнитная лента с рабочим слоем из игольчатых частиц магнитно-твёрдых порошков гамма-окиси железа (g-Fe2O3), двуокиси хрома (CrO2) и гамма-окиси железа, модифицированной кобальтом, ориентированных обычно в направлении намагничивания при записи.
Флэш-память– особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти, то есть:
· энергонезависимая — не требующая дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи);
· перезаписываемая — допускающая изменение (перезапись) хранимых в ней данных;
· полупроводниковая (твердотельная) — не содержащая механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построенная на основе интегральных микросхем (IC-Chip).
В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов – типичная ячейка флэш-памяти состоит всего-навсего из одного транзистора особой архитектуры. Ячейка флэш-памяти прекрасно масштабируется, что достигается не только благодаря успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в одной ячейке флэш-памяти хранить несколько бит информации.
Замены оперативной памяти флэш-памятью не происходит из-за двух особенностей флэш-памяти: флэш работает существенно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разных типов).
Надёжность/долговечность: информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (от 20 до 100 лет), и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жёстких дисков).
Основное преимущество флэш-памяти перед жёсткими дисками и носителями CD-ROM состоит в том, что флэш-память потребляет значительно (примерно в 10-20 и более раз) меньше энергии во время работы. В устройствах CD-ROM, жёстких дисках, кассетах и других механических носителях информации, большая часть энергии уходит на приведение в движение механики этих устройств. Кроме того, флэш-память компактнее большинства других механических носителей.
Итак, благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в качестве накопителя в таких портативных устройствах, как: цифровые фото- и видео камеры, сотовые телефоны, портативные компьютеры, MP3-плееры, цифровые диктофоны, и т.п.
Структура диска
У всех данных хранящихся на диске должен быть адрес. Каждый файл на диске имеет свой адрес. Если нужна какая-то информация, компьютер находит на диске нужный файл по его адресу, а потом байт за байтом считывает из него данные в оперативную память, пока не дойдёт до конца файла.
Чтобы у каждого файла на диске был свой адрес, диск разбивают дорожки с двух сторон, а дорожки – на сектора. Разбиение диска на дорожки и сектора называют форматированием диска . Его выполняют служебные программы. Форматирование диска чем-то похоже на разлиновывание тетради. После форматирования информация исчезает, поэтому заранее необходимо пересохранить.
Внимание!Диск форматируют не для того, чтобы удалить информацию, а для того, чтобы произвести разбиение диска на дорожки и сектора.
Адрес файласостоит из его имени, номера дорожки и номера сектора, с которого начинается запись файла.
Самая первая дорожка диска (нулевая) хранит таблицу размещения файлов (FAT- таблица), в которой компьютер запоминает адреса записанных файлов. Когда нам нужен какой-то файл, компьютер, по его имени находит в этой таблице номер дорожки и номер сектора, после чего магнитная головка переводится в нужное положение, файл считывается и направляется в ОП для дальнейшей работы. Эта таблица для надежности дублируется. У нее есть копия, и при любых повреждениях компьютер сам восстанавливает эту таблицу.
Физические и логические диски
Иногда для различных целей жесткий диск разбивают на несколько разделов при помощи специальных программ. Каждый такой раздел можно рассматривать как один отдельный жесткий логический диск. Обычный жесткий диск – это устройство физическое, его можно потрогать. Логический диск – потрогать нельзя, так как он не существует, это просто один из разделов физического диска. Каждый логический диск имеет свою систему адресации.
Имена дисков
А:> и В:> — имена гибких дисков.
С:> — имя жёсткого диска.
C:>, D:>, E:>, F:>……имена логических дисков.
Контрольные вопросы
1. Понятие дискеты и ее характеристики.
2. Что представляет собой жесткий диск?
3. Что такое оптические диски и в чем их преимущество?
4. Что такое флэш-память и в чем ее преимущество?
5. Определите структуру жесткого диска.
6. Чем отличаются физические диски от логических дисков?
Упражнения
HЗадание 1
Выбрать правильный ответ и отметить его. Обосновать ответ.
1. Укажите устройство, которое использует в своей работе лазерный луч.
1) жёсткий диск;
2) дискета;
3) оперативная память;
4) постоянная память;
5) CD-ROM .
2. Укажите накопитель без съемных носителей:
1) жёсткий диск;
2) дискета;
3) CD-ROM
3. Укажите устройство, состоящее из одной или нескольких микросхем, постоянно хранящих программы для управления компьютером:
1) жёсткий диск;
2) дискета;
3) оперативная память;
4) постоянная память.
4. Укажите устройство, все элементы которого помещены в металлический герметический корпус:
1) жёсткий диск;
2) дискета;
3) CD-ROM.
5. Укажите энергозависимую память:
1) жёсткий диск;
2) дискета;
3) оперативная память;
4) постоянная память.
HЗадание 2
Сформулировать определение.
К внешней памяти относятся: | |
Форматирование диска — это | |
Адрес файла состоит | |
Логический диск – это | |
HЗадание 3
Вставить пропущенные слова.
1) Гибкий диск (дискета) – устройство для хранения ________________________, представляющих собой________________________________________________________
2) Для накопителей на оптических дисках время доступа лежит в диапазоне _____________________________, скорость чтения-записи порядка нескольких Мбайт/с.
3) Диск форматируют того, чтобы произвести разбиение диска на ____________________________________________.
HЗадание 4
Разгадать ребус.
Задание 5
Кроссворд «Устройство ЭВМ»
Вопросы по вертикали:
1. Системная плата
2. Жесткий…
3. Устройство охлаждения
4. Как называется одним словом монитор, системный блок, клавиатура, мышь
9. Устройство передачи графической информации в печатном виде
10. Оперативная…
11. Устройство ввода гибких дисков
13. Устройство выхода в Интернет
15. Центральное устройство ЭВМ
Вопросы по горизонтали: 3. Устройство воспроизведения звука 4. … содержит большое количество кнопок 5. Графический процессор 6. Главная часть системного блока. 7. Бывает полевая, ручная и компьютерная 8. Отверстие для подключения различных устройств 10. Шлейф, а по-другому… 12. Устройство сканирования информации | |
13. Устройство отображения информации 14. Их множество на клавиатуре 16. Звуковая… 17. Устройство ввода звуковой информации. |
Задание 6Навыки работы с клавиатурой
- Открыть текстовый редактор Пуск – Программы – Стандартные — Блокнот.
- Набрать по одной строке из каждого столбца слова прописными буквами:
а) | б) | в) | г) | д) |
БЮЮБЮ | ТЮК | ЧССЧС | ЧАН | ФОКУСНИК ПОКАЗЫВАЛ ФОКУСЫ |
БЮББЮ | БАЛ | СЧССЧ | СЫР | СКРОМНОСТЬ УКРАШАЕТ ЧЕЛОВЕКА |
ББЮБЮ | ТРЮК | ЧСЧЧС | НОС | ЮНОША СОБРАЛ БОЛЬШУЮ КОЛЛЕКЦИЮ КАКТУСОВ |
ЮБЮББ | КЛЮВ | ССЧСЧ | ДОЧЬ | ТЯЖЕЛЫЕ ВОЛНЫ МЕРНО И РОВНО РАСКАЧИВАЛИ ПАРУСНИК |
БЮБЮБ | БУРАН | ЧЧСЧС | ЧАСЫ | |
ББЮБ | БУФЕТ | ЧСЧСС | КЛЮВ |
Тема 8 | Дополнительная литература: | Симонович С.В., Евсеев Г.А. Общая информатика: Учебное пособие для средней школы. Универсальный курс. – М.: АСТ-ПРЕСС КНИГА, 2003. – 480 с | |
Программное обеспечение | |||
Содержание | |||
· Основные этапы развития информационных технологий · Основные виды программного обеспечения компьютера · Системное программное обеспечение: операционные системы, программы-оболочки драйверы, утилиты · Прикладное программное обеспечение · Инструментарий программирования (назначение программы транслятора) | |||
Основные этапы развития информационных технологий
Информационные технологии, которые обладают высокой гибкостью, мобильностью и адаптивностью к внешним воздействиям, является непременным условием повышения эффективности труда.
В информационной технологии процесс, как правило, не может быть непрерывным, так соединяет работу рутинного типа (снятие копий, оперативный учет, ввод данных и т.д.) и работу творческую, не всегда поддающуюся формализации (принятие решений).
Информационная система— это взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемая для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.
studlib.info
Общие сведения.
При составлении программ в первую очередь необходимо
знать, какие из регистров микропроцессора являются программно–доступными регистрами, в которых можно хранить подлежащие обработке данные (операнды), адреса и управляющие сигналы (команды). Совокупность программно–доступных регистров образуют регистровую модель микропроцессора. Адресация регистровой области процессора и быстрый доступ к ней обеспечивают создание эффективно исполняемых программ.
В регистровой модели современных процессоров обычно выделяют следующие группы регистров:
● регистры, используемые при выполнении прикладных программ. К ним относят:
• основные функциональные регистры (регистры общего назначения; указатель команд, или программный счетчик; сегментные регистры; регистр флагов, или слова состояния);
• регистры блока
FPU
обработки чисел с плавающей точкой (регистры данных, тегов, состояния, управления, регистры–указатели команды и операнда);
• регистры блока
SSE
обработки пакетов чисел с плавающей точкой (регистры пакетов данных и регистр управления–состояния);
● системные регистры (регистры управления режимом, регистры системных адресов, регистры отладки);
● служебные (модельно–специфические) регистры, которые используются в процессе отладки систем, содержат информацию о процессе выполнения программы (число декодированных команд, полученных запросов прерывания, число загрузок в кэш–память и т. п.), обеспечивают различные режимы работы кэш–памяти при обращении к определенным областям основной памяти
(MTRR
–регистры).
О неоднородности регистров.
Регистровая область памяти микропроцессора (
RSEG
— регистровый сегмент) представляет собой набор неоднородных по возможности доступа и по выполняемым функциям регистров. Например, в рассмотренном выше 8–разрядном процессоре:
● регистр команд является неадресуемым регистром и предназначен только для приема первого байта (кода команды) из памяти;
● адресуемые регистры В и С могут быть использованы для хранения одного байта данных или 16–разрядного адреса (в паре);
● указатель стека, представляющий собой 16–разрядный регистр, используется для доступа к стеку путем явной и неявной (с помощью специальных команд
PUSH
и
POP
) адресации;
● программный счетчик, или указатель команд, выполняет строго определенные функции и не может быть использован для хранения 16–разрядных операндов.
Функциональная неоднородность области
RSEG
процессора проявляется в специализации регистров. В зависимости от выполняемых функций можно выделить три группы регистров:
● регистры данных, используемые в операциях АЛУ в качестве источника и приемника операндов;
● адресные регистры, или указатели, предназначенные для формирования адресов данных и команд;
● специальные регистры, служащие для индикации текущего состояния процессора и управления режимами его работы.
Функциональная специализация затрудняет программирование (из–за необходимости учета организации регистров), однако позволяет создать быстро исполняемую программу с меньшим требуемым объемом памяти для ее хранения.
Регистры обозначаются латинскими буквами, используемыми для символического кодирования и отражающими назначение регистра.
Регистры данных.
Среди регистров данных важное место занимает аккумулятор А (
Accumulator
), который выполняет функции временного хранения исходных операндов и результатов операций арифметическо–логических устройств (АЛУ). Интенсивное использование аккумулятора и связанное с ним большинство команд арифметической и логической обработки операндов способствует снижению загруженности шины данных, упрощению адресации, повышению быстродействия процессора. В системах команд микропроцессора выделяются операции с аккумулятором. Поэтому ссылка на аккумулятор при адресации, как правило, производится неявно с помощью кода операции. Неявная адресация позволяет не указывать в командах месторасположение одного из операндов и (или) результата операции, что уменьшает длину их кода. В составе микропроцессора может быть не один, а два аккумулятора (например, в МС6809). К регистрам данных относятся явно адресуемые рабочие регистры
R
0,
R
1, …., используемые как сверхскоростные регистровые ОЗУ.
Рабочие регистры могут использоваться в операциях совместно с аккумулятором. Некоторые из них могут совмещать функцию хранения данных с функцией адресации. Для образования полноразмерного адреса регистры данных объединяются в пары.
В процессорах, предназначенных для работы в реальном времени, могут быть предусмотрены не один, а два или даже четыре (например, в некоторых микроконтроллерах) набора рабочих регистров. Один из регистров резервируется для системных целей или обработки прерываний, а остальные — для прикладных задач пользователя. В каждый момент времени доступен только один набор рабочих регистров, выбираемый специальным указателем.
К регистрам данных также относятся рассматриваемые ниже регистры общего назначения, которые совмещают функции хранения данных и адресов.
Адресные регистры.
Среди регистров, на которые возложена функция адресации, следует выделить:
●
программный счетчик (
Program
Counter
—
PC
), или указатель инструкций–команд (
Instruction
Pointer
—
IP
), хранящий адрес следующей команды выполняемой программы. Его разрядность обычно соответствует числу линий адресной шины. При выполнении программы с последовательно возрастающими адресами команд содержимое
PC
увеличивается на 1 или 2 для указания следующего байта или слова. Увеличение содержимого счетчика происходит автоматически сразу после начала выполнения команды. Изменение последовательной выборки команд из ячеек памяти осуществляется путем загрузки программного счетчика адресом требуемой ячейки. Такая ситуация возникает, например:
• при выполнении команд условных и безусловных переходов;
• при инициализации микропроцессора путем сброса;
• при обслуживании запросов на прерывание;
● указатель стека (
Stack
Pointer
—
SP),
используемый для обращений к системному стеку. Стек представляет собой область памяти, предназначенную для хранения адресов возврата и состояний процессора (содержимого регистров) при вызове подпрограмм и обслуживании прерываний. Доступ к стеку организован по принципу «последним пришел — первым ушел» (
Last
–
In
First
–
Out
—
LIFO),
т. е. в него можно только последовательно добавлять (вталкивать) или извлекать (выталкивать) элементы данных. Типовой стек, применяемый в большинстве процессоров, заполняется в сторону уменьшения адресов.
Указатель стека
SP
всегда показывает на последнюю заполненную ячейку, называемую вершиной стека (
Top
of
Stack
—
TOS).
Поэтому при операции записи (
PUSH
) в стек элемента данных сначала содержимое указателя
SP
уменьшается на 1 или 2 в зависимости от длины элемента (байт, два байта), формируя адрес ячейки, в которую затем помещается элемент. При операции считывания (
POP
или
PULL
) сначала элемент данных извлекается из стека, после чего содержимое указателя
SP
увеличивается на 1 или 2.
Принцип взаимодействия указателя
SP
со стеком проиллюстрирован на примере записи в стек и считывания из него четырех однобайтных элементов (рис. 2.4.1, а).
При операциях со стеком значение указателя
SP
непрерывно меняется, поэтому применять его в качестве точки отсчета при доступе к хранящимся в стеке данным вызывает определенные трудности. Поэтому в ряде случаев, например, при хранении в стеке локальных переменных или при обмене параметрами между вызываемой и вызывающей процедурой (подпрограммой), используется указатель кадра (
Frame
Pointer
—
FP
) — специально зарезервированный адресный регистр. Регистр
FP
, указывающий на начало области параметров в стеке (рис. 2.4.1, б), принадлежит к классу базовых регистров. В 16–разрядных процессорах указателем кадра служит индексный регистр ВХ;
●
регистры, предназначенные для хранения адресов обращения к основной памяти. Такие регистры, называемые указательными или индексными, позволяют сократить размер кода (программы). К ним следует отнести:
• регистры косвенного адреса (
Data
Pointer
—
DP
), содержащие непосредственно адрес операнда;
• регистры базы (
Base
Pointer
—
BP
), хранящие начальные (базовые) адреса массивов и записей;
• индексные регистры I или X (
Index
), содержимое которых является относительным (смещенным) адресом операнда;
• регистры автоинкрементной и автодекрементной адресации, автоматически увеличивающие или уменьшающие свое содержимое после выполнения операции;
• регистры расширения адресного пространства (до 1М байт).
Специальные регистры.
К специальным регистрам следует отнести регистр флагов (
Flag
), или регистр слова состояния программы (
Program
Status
Word
—
PSW),
а также ряд регистров, используемых в сопроцессорах и микроконтроллерах.
На регистр флагов возлагается функция хранения признаков. С каждым признаком связывается одноразрядная переменная (бит), называемая флагом (флажком). Регистр флагов содержит:
● биты признаков состояния процессора. Обычно эти признаки формируются в АЛУ после выполнения операции и характеризуют ее результат;
● биты управления и системных признаков, которые устанавливаются операционной системой (некоторые пользователем) и задают режим процессора при организации ввода–вывода данных, обслуживании прерываний и исключений, решении последовательности вызываемых задач и реализации ряда других процедур.
Упаковка всех флагов в одно слово и хранение в регистре дает возможность их быстрой пересылки в память с последующим восстановлением, например, при обслуживании запросов на прерывание.
Ниже приведены обозначение, название и назначение флагов признаков состояния, а также показан принцип формирования некоторых флагов из отдельных бит
n
–разрядных операндов вида
Dn
–1
Dn
–2
…
D
1
D
0
, которые могут быть как исходным операндом, так и результатом выполненной операции:
●
CF (Carry Fl
ag)
—
флаг
переноса
.
При арифметических операциях
CF =
Dn
— бит результата, полученный как перенос из старшего (
n
– 1) –го разряда АЛУ. При циклическом сдвиге влево
CF
=
Dn–1
и вправо
CF =
D0,
где
Dn–1, D0
— выдвинутое значение старшего, младшего разряда исходного операнда;
●
PF (Parity
Fl
ag)
— флаг четности результата: ¯
PF =
⊕
n
-1
k=0
Dk,
где
⊕
— логическая операция исключающее ИЛИ. Значение
PF
=
1 фиксирует четное количество нулей в младшем байте;
●
AF
(Auxiliary Carry Flag)
— флаг дополнительного переноса или переноса из младшей тетрады:
AF
=
D
4
;
●
ZF (Zero Flag)
— флаг признака нуля: ¯
ZF =
V
n
-1
k=0
Dk,
где V — операция логического сложения;
Dk
— биты результата операции
(ZF
= 0 — ненулевой результат,
ZF
= 1 — нулевой результат);
●
SF (Sign Flag)
— флаг знака результата:
SF
=
Dn–1,
при целочисленной арифметике со знаком
(SF
= 0 — знак плюс,
SF
= 1 — минус);
●
OF (Overflow Flag)
— флаг арифметического переполнения. При выполнении арифметики в дополнительном коде
OF =
Dn
⊕
Dn–1,
где
Dn,
Dn–1
— биты переноса и старший бит результата. Флаг
OF
= 1 фиксирует разные значения
Dn
и
Dn–1.
Назначение и функции некоторых флагов системных признаков:
●
DF (Direction Flag)
— флаг направления (бит управления):
DF =
0/1 вызывает автоматический инкремент/декремент содержимого индексных регистров
SI, DI
после выполнения команды обработки символа. Значение
DF
устанавливается пользователем и задает порядок обработки строк символов (от младших адресов к старшим или в обратном направлении) при выполнении соответствующих команд;
● IF (Interrupt Enable Flag) —
флаг
прерывания
.
При
IF
= 1 разрешает обслуживание прерывания по внешнему входу
INTR
;
●
TF
(
Trap
Flag
) — флаг трассировки. При
IF
= 1 разрешает пошаговое исполнение команд; используется при отладке программ;
●
NF
(
Add
/
Subtract
Flag
) — флаг сложения/вычитания:
NF
= 1, если в предыдущей команде выполнялось вычитание (использовался в процессоре
Z
80).
Регистры общего назначения.
В процессорах имеются регистры, функции которых не специализированы. Такие регистры получили название регистров общего назначения
POH
(
General
Purpose
Register
—
GPR
). В процессоре, не имеющем
POH,
каждая команда должна считывать свои операнды из памяти и возвращать результат также в память. На обращение к памяти расходуется время, которое можно уменьшить, если временно хранить часто используемые, операнды и результаты в быстродоступном месте, каким является
POH.
Регистры общего назначения обладают гибкими, взаимозаменяемыми (во многих командах) функциями. Применение РОИ дает возможность создавать регулярную систему команд, большинство из которых используют любой регистр многими способами. Поэтому в процессорах
POH
находят широкое применение.
Рассмотрим регистры общего назначения 16–разрядных процессоров. Они представляют интерес, поскольку составляют основу
POH
архитектуры 32–разрядных процессоров
(IA–32)
и используются до настоящего времени в реальном режиме. К обозначению имен 32–разрядных
POH
добавилась приставка
E
(
Extended
– расширенный).
Память
RSEG
16–битных процессоров 8086 содержит восемь регистров общего назначения АХ,
B
Х, СХ,
DX
,
BP
,
SP DI,
SI
, входящих в его регистровую модель (см. рис. 2.4.4, а). Допускается несколько применений регистров, причем их можно адресовать произвольно. Типичные команды могут привлекать любой регистр и ячейку памяти в качестве источника или (и) приемника. Большинство команд допускают нахождение обоих операндов в регистрах общего назначения. Следовательно, в команде можно указывать любую пару 16– или 8–битных регистров.
Регистры АХ,
D
Х, СХ и ВХ обычно используются для хранения данных и допускают отдельные обращения к их 8–битным половинам, каждой из которых дано свое название: младшие (
Low
) половины называются
AL, BL, CL
и
DL,
а старшие (
High
) — АН, ВН, СН и
DH
. Разделение
POH
на две половины позволяет одинаково легко оперировать байтами и словами. Обычно один РО
H
(а иногда и два) участвует в пересылках данных и в вычислениях. В некоторых командах функции отдельных регистров специализированы, например:
● регистры АХ (
Accumulator
— аккумулятор), ВХ (
Base
— база) и
DX
(
Data
— данные) наделены специальными функциями, вытекающими из их названия;
● регистр СХ (
Counter
— счетчик) может хранить в цепочечных командах число элементов цепочки (для этого нельзя использовать регистры АХ, ВХ и
DX
). Пять регистров общего назначения (ВХ,
SI, DI,
BP
,
SP
) могут хранить адреса и данные и привлекаются для вычисления адреса:
● регистр базы (ВХ), указатель стека (
Stack
Point
—
SP
) и указатель базы (
Base
Point
—
BP
) почти всегда используются как адресные регистры для хранения смещений. Смещение показывает расстояние от начала (базы) сегмента до операнда;
● указатель
SP
адресует вершину стека в памяти и автоматически используется в стековых командах
PUSH
и
POP
;
● регистр ВХ обычно применяется для хранения смещения в структуре данных, а не в текущем стеке. Без специального указания смещение в регистре ВХ относится к сегменту данных;
● указатель базы
BP
также часто используется для хранения смещения в текущем сегменте стека;
● индексные регистры источника (
Source
Index
—
SI
) и назначения (
Destination
Index
—
DI)
наиболее часто используются для доступа к данным в текущем сегменте данных. Предполагается, что смещение операнда–источника содержится в регистре
SI,
а операнда–приемника — в регистре
DI.
Существует и более узкая специализация регистров. В частности, регистр АХ выполняет функции аккумулятора; регистр
DX
может служить расширением аккумулятора до 32 разрядов.
Сегментные регистры.
Сегментные регистры играют важную роль при адресации операндов в памяти. Дело в том, что объем памяти 16–разрядных процессоров составляет 220 = 1М байт, а адреса имеют длину всего 16 бит и не могут адресовать всю память. Поэтому в памяти выделяются четыре сегмента емкостью 216 = 64К байт: кодовый сегмент (
Code
Segment
—
CS
), сегмент стека (
Stack
Segment
—
SS
), сегмент данных (
Data
Segment
) и дополнительный сегмент данных (
Extra
Segment
—
ES).
Для задания начального, или базового, адреса
(base20)
каждого из указанных сегментов в процессоре предусмотрены четыре 16–битных сегментных регистра с именами
CS, DS, SS
и
ES.
Базовый адрес текущего сегмента однозначно определяются содержимым сегментного регистра:
base20
=
16 x sel,
где
sel
— селектор, или значение (содержимое) сегментного регистра.
Адресация памяти реализуется следующим образом (рис. 2.4.2): команда задает смещение (
offset
) в сегменте, а сегментные регистры определяют требуемый сегмент. Выбор сегмента зависит от того, как команда использует смещение. Смещение может определять:
● следующую команду. Поскольку выборки всех команд осуществляются из текущего сегмента кода
CS,
в качестве регистра, содержащего смещение для следующей выполняемой команды, используется программный счетчик, или указатель команды;
● операнд для выполнения текущей команды. Сегмент, из которого считывается операнд, может быть задан в префиксе команды, указательном регистре или дополнительном регистре
ES.
Сегментация памяти и сегментные регистры играют важную роль в архитектуре процессора:
● обеспечивают модульность программ. Это объясняется тем, что код и данные размещаются относительно базового адреса сегмента, поскольку при каждом обращении к памяти участвует какой–либо сегментный регистр;
● придают коду и данным переместимость. Так как базовый адрес сегмента служит дополнительным компонентом механизма адресации программиста, любой сегмент можно перемещать в физической памяти, а затем правильно адресовать его, корректируя при этом только значение базы сегмента. Сегменты можно передавать как параметры, используя одно значение селектора;
● реализуют управление виртуальным адресным пространством, защиту памяти, многозадачность и другие функции.
Регистровые структуры микропроцессоров.
Рассмотрим наборы программно доступных регистров некоторых 8– и 16–разрядных процессоров, составляющих их регистровые модели.
8–разрядные процессоры.
На рис. 2.4.3, а приведен набор программно доступных регистров микропроцессора 8080 фирмы
Intel,
содержащий аккумулятор А, регистр флагов
F
и регистры общего назначения
B–L
.
Регистровые пары А и
F (PSW),
В и С (В),
D
и Е
(D)
Н и
L
(Н) могут быть использованы как 16–разрядные регистры для косвенной адресации. В них хранится адрес ячейки памяти. Наиболее часто используется регистровая пара Н.
Микропроцессор
Z80
фирмы
Zilog
имеет два блока регистров
A–L
(рис. 2.4.3, б), переключение которых осуществляется командой ЕХХ. Второй блок целесообразно использовать при вызове подпрограммы или при обработке запросов прерываний внешних устройств, так как в этом случае не потребуется стек.
В набор регистров входят также регистр вектора прерывания I (для хранения старшего байта адреса в режиме прерывания), регистр регенерации памяти
R
динамических ОЗУ и 16–разрядные индексные регистры IX,
IY.
В микропроцессоре МС6800 отсутствуют
POH
(рис. 2.4.3, в), однако имеется два аккумулятора А и В. Кроме них в процессоре содержится 16–разрядный регистр X для хранения адресов.
Указатель стека
SP
и программный счетчик
PC
имеется в регистровых структурах всех рассмотренных процессоров.
Как видно из рис. 2.4.3, б регистровая структура процессора
Z80
сложнее, чем 8080, хотя оба процессора имеют одинаковую архитектуру.
16–разрядные микропроцессоры
. Приведенный на рис. 2.4.4, а набор программно доступных регистров микропроцессора 8086 фирмы
I
ntel
рассмотрен выше.
В процессоре
Z8001
(рис. 2.2.4, б) имеется шестнадцать 16–разрядных
POH
R0…R15,
из которых
R0…R7
можно использовать как шестнадцать восьмиразрядных регистров. Составленные из
R0…R15
восемь регистровых пар
RR0 (R0, R1), RR1 (R1, R2)…
,
RR14 (R14, R15)
служат для хранения адресов. Имеется два составных регистра
RR
14, один из которых выполняет функцию указателя системного стека, другой — указателя стека пользователя.
Регистровая структура МП MC68000 (рис. 2.4.4, в
) объединяет шестнадцать 32–разрядных РОН: восемь регистров данных
D
0, ….,
D
7 и восемь адресных регистров А0, …, А7. Регистры
D
0, …,
D
7 позволяют получать формат данных в виде байта, 16–разрядного слова одинарной и двойной длины. При формировании адресов возможно сложение содержимого адресных регистров, кроме того, допускается использование адресов длиной в одно и два слова. Имеется два регистра А7, один из которых выполняет функцию указателя системного стека, другой — указателя стека пользователя. Регистровая структура MC68000 может использоваться в 32–разрядных процессорах.
Программный счетчик
PC
и регистр флагов
F
(регистр состояния) имеются в регистровых структурах всех рассмотренных процессоров.
pue8.ru
|
Архитектура Астрономия Аудит Биология Ботаника Бухгалтерский учёт Войное дело Генетика География Геология Дизайн Искусство История Кино Кулинария Культура Литература Математика Медицина Металлургия Мифология Музыка Психология Религия Спорт Строительство Техника Транспорт Туризм Усадьба Физика Фотография Химия Экология Электричество Электроника Энергетика |
Регистром называется типовой функциональный узел компьютера, предназначенный для приема, временного хранения, преобразования и выдачи многоразрядных двоичных слов. Регистры наряду со счетчиками и запоминающими устройствами являются наиболее распространенными последовательностными устройствами цифровой техники. Регистры обладают большими функциональными возможностями. Они используются в качестве управляющих и запоминающих устройств, генераторов и преобразователей кодов, счетчиков, делителей частоты, узлов временной задержки. Элементами структуры регистров являются синхронные триггеры D-типа либо RS— (JK)-типа с динамическим или статическим управлением. Один триггер – это простейший одноразрядный регистр (RG). В многоразрядных регистрах используют наборы или цепочки триггеров. В отличие от счетчиков регистры не имеют внутренних запрещающих обратных связей. Понятие "весовой коэффициент" к разрядам регистра, в отличие от счетчика, применимо не всегда. Однако, обозначение и нумерация входов и выходов аналогично счетчикам. Информационные входы обозначаются D1,D2, D3…(D0,D1, D2…), а выходы – Q1, Q2, Q3…(Q0, Q1, Q2 …). В наиболее общем случае регистры можно классифицировать по следующим признакам: · По функциональным свойствам регистры делятся на накопительные (регистры памяти, хранения) и сдвигающие. · По способу ввода/вывода информации регистры разделяются на параллельные, последовательные и комбинированные (параллельно-последовательные и последовательно-параллельные). · По направлению передачи (сдвига) информации – однонаправленные и реверсивные. · По способу управления записью регистры делятся на асинхронные и синхронные. · По числу тактов для записи слова – одно-, двух- и многотактные. · По числу линий для представления значения одного разряда слова (бита) – однофазные и парафазные; при однофазном представлении информации значение каждого разряда слова передается по одной линии связи (прямое или инверсное значение), а при парафазном – по двум линиям (одновременно передается прямое и инверсное значение разряда).
Регистры памяти
Регистры памяти – простейший вид регистров – хранят двоичную информацию. Это набор синхронных триггеров, каждый из которых хранит один разряд двоичного числа. Если регистр построен на триггерах-защелках, то такой регистр называют регистром-защелкой. Схема такого регистра представлена на рис. 8.1. Типовыми внешними связями регистра являются информационные входы Di, вход сигнала записи С (или загрузки синхронизации), вход гашения (установки в 0) R, выходы триггеров Qi, разрешение выхода (чтения) RE, разрешение приема информации (записи) WE. Возможны другие обозначение информационных и управляющих входов и выходов. Условное изображение регистра показано на рис. 8.2.
Рис. 8.1. Регистр памяти
Изображение по варианту а используется, когда нужно показать каждый вход и выход данных. Если же тракт данных рассматривается как единое, укрупненное понятие – шина данных, то используется обозначение, показанное на рис. 8.2, б.
а б
Рис. 8.2. Условное изображение регистра: а – с раздельными линиями по разрядам; б – с информационными линиями в виде шины
Часто регистры дополняются элементами отключения выходных шин. Тогда микросхема имеет дополнительный вход перевода в третье состояние EZ. Ввод (запись) и вывод (считывание) производится одновременно во всех разрядах при наличии разрешения WE или RE. С приходом очередного тактового импульса происходит обновление информации. Считывание информации может осуществляться в однофазном виде в прямом или обратном коде (с выходов ) или в парафазном виде. В качестве подобных регистров могут быть использованы без дополнительных элементов многие синхронные триггеры: К155ТМ5, ТМ7, ТМ8, 564ТМ3, 555ТМ8 и др. Наращивание разрядности регистра достигается добавлением нужного числа триггеров, тактовые входы которых присоединяют к линии синхронизации. На рис. 8.3 представлен регистр К155ИР15 – регистр с тремя состояниями. Здесь D1 – D4 – информационные входы, С – синхронизирующий вход. Запись осуществляется по фронту 0,1 ( ), Q1 – Q4 – прямые выходы, Е1, Е2 – разрешающие входы. Запись возможна при Е1 = Е2 = 0 (если на одном из входов Е логическая 1, то это режим хранения информации). Входы ЕZ1,EZ2 – перевод в 3-е состояние, R – установка в 0 (высоким уровнем): с приходом 1 на вход R все триггеры устанавливаются в 0. При вводе информации на входах Е1, Е2 и R должен быть 0. Если на EZ (любом) логическая 1 – выходы отключаются. Более подробные сведения о режимах работы микросхемы можно посмотреть, например, в [12, 13].
Рис. 8.3. Цоколевка регистра К155ИР15
Выпускаемые промышленностью регистры иногда объединяют на кристалле микросхемы с другими узлами, в паре с которыми регистры часто используются в схемах цифровой аппаратуры. Пример такого комплексного узла – микросхема многорежимного буферного регистра К589ИР12. Условное обозначение и структура регистра представлены на рис. 8.4. Микросхема состоит из восьми информационных D-триггеров, восьми выходных буферных устройств с тремя состояниями, отдельного D-триггера для формирования запросов на прерывание и гибкой схемы управления режимами работы регистра.
а б
Рис. 8.4. Условное обозначение (а) и функциональная схема (б) регистра ИР12
Микросхема имеет 24 вывода, из которых шестнадцать служат для ввода входных данных – DI1-DI8 и вывода выходных данных – DO1 — DO8. Управляющие сигналы: MD – выбор режима; CS1, CS2 – сигналы выбора кристалла; С – стробирующий сигнал; R – очистка (сброс); INT – сигнал прерывания, выдаваемый микропроцессору. Запись информации в регистр обеспечивается одной из следующих комбинаций управляющих сигналов: CS1∙CS2∙MD v C∙MD, где CS1, CS2 – входы выборки кристалла; когда CS1=0 и CS2=1, регистр выбирается; C – вход для подачи стробирующего сигнала при записи; MD – вход выбора режима, используется для определения тактирующего сигнала на входе С триггеров регистра (CS1∙CS2 при MD=1 или C при MD=0) и для управления состоянием выходного буфера. Чтение информации с регистра осуществляется одной из двух комбинаций входных сигналов: CS1, CS2 v MD. Формирование сигнала прерывания INT возможно при записи или чтении информации с регистра: CS1∙CS2 v C. Сброс запроса прерывания INT осуществляется сигналом очистки регистра R=0, или при CS1∙CS2=1 триггер прерывания устанавливается в 1. Часто регистры объединяются в блоки регистровой памяти – регистровые файлы. Такие микросхемы, могут быть объединены с входным дешифратором, позволяющим принимать входные данные в соответствующий регистр, выбираемый сигналами на адресных входах микросхемы. Объединяют регистры и с выходным мультиплексором MS, позволяющим выбирать содержимое соответствующего регистра. Пример схемы такого устройства представлен на рис. 8.5.
Рис. 8.5. Схема регистра общего назначения
Входы Di четырёх регистров подключены к общей входной шине данных DIN. Вход загрузки требуемого регистра выбирается дешифратором записи DCW на основании поступающего на вход DCW адреса записи WA (write address), т. е. кода номера загружаемого регистра. Запись данных, присутствующих на шине DIN, происходит по сигналу разрешения записи WE (write enable). Выходы регистров мультиплексором MS подключаются к выходной шине DOUT (data out). Номер регистра, с которого происходит чтение, определяет код адреса чтения RA (read address). Выдачу данных в шину DOUT разрешает сигнал RE (read enable). Поскольку дешифрация адреса записи и адреса чтения производится независимыми узлами (WA и RA), регистровая память может одновременно записывать данные в один регистр и читать из другого. Описанная структура использована в микросхеме 155РП1. Аналогичные, но более развитые структуры имеют регистровые памяти ИР11 и ИР12 серий К561 и К564, ИР26 155 серии и др. Микросхемы регистровой памяти легко наращиваются по разрядности и допускают наращивание по числу регистров. Они разработаны для построения блоков регистров общего назначения (РОН) и других специализированных блоков памяти небольшого объема, предназначенных для временного хранения исходных данных и промежуточных результатов в цифровом устройстве. Для памяти с большим числом регистров часто используют один дешифратор адреса и при записи и при чтении. Такую память называют памятью с произвольным доступом (по ЕСКД это RAM) – ОЗУ. В таких устройствах и ввод, и вывод данных часто осуществляется через одни и те же выводы корпуса микросхемы за счёт использования элементов с тремя состояниями. Пример реализации двунаправленной шины управления рассмотрен ранее (см. рис. 3.35, а). Здесь при наличии на входе Z сигнала низкого уровня (0) информация передается слева направо, при наличии высокого уровня – справа налево. Микросхемы ОЗУ малой ёмкости есть в составе распространённых серий. Они имеют входы адреса (Аi), данных (Di), режима W/R, выходы данных Qi, вход разрешения Е (BM, BK, CS – выбор кристалла). Примеры микросхем ОЗУ: 155РУ2 – 16*4 (16 слов по 4 разряда); 155РУ5 – 256*1; 564РУ2 – 256*1. Это статические ОЗУ. Они более быстродействующие, чем динамические.
Буферы данных
Кроме РОН в цифровых устройствах используют буферы данных, которые строят на основе регистровой памяти. В буфер записывают несколько слов по очереди (последовательно слово за словом). Для организации обычной очередности служит буфер типа “очередь”, или FIFO (first in – first out) первый вошел – первый вышел. Необходимость в таком буфере возникает, когда приемное устройство не успевает обрабатывать данные, которые поступают нерегулярно и иногда очень быстро. Если потери информации недопустимы, то между источником и приемником включается буфер FIFO, в котором хранится очередь слов, ожидающих обработки. Можно представить набор регистров в виде кольца (рис. 8.6). Часть регистров занята очередью, остальные – резерв.
Рис. 8.6. Диаграмма использования адресов регистра
Адрес записи при постановке в очередь задается счетчиком хвоста СТхв (рис. 8.7). По сигналу “поставить в очередь” на входе WE (разрешение записи – write enable) записываются данные с шины DI в тот регистр, номер которого хранится в счетчике хвоста очереди СТхв. Разрешение записи на соответствующий регистр поступает через дешифратор DCW. По срезу сигнала “поставить в очередь” выходной код счетчика хвоста увеличивается на 1, подготавливая адрес записи для очередного сигнала поставить в очередь. При поступлении сигнала извлечь из очереди на выходной шине D0 появляется слово, хранящееся в том регистре памяти, номер которого задан кодом счетчика головы очереди СТГОЛ. По срезу сигнала выходной код счетчика увеличивается на 1,
Рис. 8.7. Структура буферного регистра типа “очередь“
подготовив для выдачи следующее слово, стоящее теперь первым в очереди. Переполнение счетчика хвоста очереди осложнений не вызовет, т. к. после максимально возможного кода счетчика все единицы в нем автоматически появится код все нули. Очередь в своем кольце просто переползет через нулевую отметку счетчика. Так же со временем переползет и “голова”. В процессе нормальной работы очередь двигается в кольце значений адресов по часовой стрелке, хвостом вперед, удлиняясь или укорачиваясь в соответствии с флуктуациями активности передатчика. Перед началом работы оба счетчика сбрасываются в нуль. Однако могут возникнуть две особых ситуации, о которых буфер должен сигнализировать: первая – буфер полон, тогда в него нельзя больше записывать и нужно приостановить передатчик; вторая – буфер пуст, тогда из него нельзя брать данные, и нужно приостановить приемник. Обе ситуации возникают при равенстве показаний обоих счетчиков (головы и хвоста). Этот признак выявляет компаратор. Если коды на выходе счетчиков стали равны после очередного извлечения из очереди, то очередь иссякла и буфер пуст. Если они стали равны после очередной постановки в очередь, то буфер полон. Характер последнего обращения к буферу запоминается в RS-триггере. Сигналы, информирующие устройство управления об особых состояниях буфера, получаются как конъюнкция того или иного состояния триггера и признака равенства показаний счетчиков головы и хвоста. Другим, часто используемым буфером, является буфер типа “магазин”, или стек (stack), или буфер LIFO (last in – first out) – последний вошедший первым выходит. Один из вариантов реализации буфера представлен на рис. 8.8. В отличие от нормальной очереди здесь в качестве первого кандидата на обслуживание выбирается то слово, которое встало в очередь последним. Стековые структуры данных возникают в цифровых устройствах, когда процесс выполнения менее срочного задания прерывается более срочным и все данные, связанные с прерванной работой, засылаются на временное хранение в буфер типа “магазин”. Выполнение срочного задания может быть прервано поступлением сверхсрочного и т. д.
Рис. 8.8. Схема буферного регистра типа “магазин”
Основу буферного регистра “магазин” также составляют набор регистров памяти и счетчик адреса. В отличие от буфера “очередь” здесь счетчик должен быть реверсивным. Он должен уметь прибавлять 1 при поступлении команды “Заслать в стек (push)” и вычитать 1 при команде “Извлечь из стека (pop)”. Диаграмма использования адресов (рис. 8.9) показывает, что адрес, по которому производится засылка очередного слова в стек, всегда на единицу больше адреса регистра, из которого читается слово.
Рис. 8.9. Диаграмма использования адресов буферного регистра “магазин”
Последовательность операций в регистровой памяти при записи и считывании информации в простейшем случае следующая. При поступлении команды «Заслать в стек» происходит запись информации в регистр, на адрес которого указывает содержимое счётчика СТ. После этого происходит увеличение содержимого счётчика (адреса регистра) на 1. При поступлении команды «Извлечь из стека» содержимое счётчика (адрес регистра) уменьшается на 1. После этого происходит извлечение информации из регистра, на адрес которого указывает содержимое счётчика СТ (новый адрес регистра). Буферный регистр “магазин”, как и буфер типа “очередь”, также имеет два особых состояния: «буфер полон» и «буфер пуст». Эти состояния обнаруживаются по содержимому реверсивного счётчика СТ. Состоянию «буфер полон» соответствует содержимое счётчика 111…1, которое индицируется элементом И. При этом, запись в буфер запрещена. Состоянию «буфер пуст» соответствует содержимое счётчика 000…0, которое индицируется элементом НЕ-И. При этом считывание из буфера запрещено. Рассмотренный вариант аппаратной реализации регистра типа “магазин” не является единственным. Можно использовать другие виды памяти. Например, буфер типа “магазин” может быть реализован на основе сдвигающих регистров. Выбор варианта делается на основе оценки получаемых временных параметров и аппаратурных затрат.
Регистры сдвига
В рассмотренных регистрах не предусмотрена возможность сдвига информации, поэтому ввод и вывод “слова” в них осуществляется только в параллельном коде. Необходимо отметить также, что при выводе информации состояние триггеров не меняется. Следовательно, считывание слова из регистра может производиться многократно без разрушения информации. Чтобы иметь возможность осуществлять сдвиг информации, применяют сдвигающие регистры. Схема сдвигающего регистра на D-триггерах приведена на рис. 8.10. а б
Рис. 8.10. Функциональная схема (а) и условное обозначение (б) сдвигового регистра
Регистр состоит из цепочки триггеров. Пусть ТТ0 – триггер младшего разряда, ТТ3 – триггер старшего. D-вход каждого триггера (кроме ТТ0) подключен к выходу соседнего (младшего) триггера. Когда на все объединенные С-входы триггеров поступает активный отрицательный фронт (спад) сигнала “сдвиг”, выход каждого триггера принимает состояние своего младшего соседа. Таким образом, информация, содержащаяся в регистре, сдвигается на один разряд в сторону старших триггеров, вправо. Выход D триггера ТТ0 принимает при этом состояние последовательного входа DS. Регистр загружается данными, последовательно поступающими по этому входу. Считывать данные, хранимые в RG, можно как в последовательном коде с выхода последнего разряда, так и в параллельном, сразу со всех разрядов. Сдвиг может производиться как влево, так и вправо. Далее рассмотрим кольцевые счетчики, которые строятся на базе сдвигающих регистров, а затем вернемся к конкретным сдвигающим регистрам.
Кольцевые счетчики В качестве счетчика может быть использован сдвигающий регистр, замкнутый в кольцо цепью обратной связи (рис. 8.11).
Рис . 8.11. Схема кольцевого счетчика на базе сдвигающего регистра
В этом регистре продвигается одна единица, которая при подаче очередного продвигающего импульса передается в следующую по порядку ячейку. Дойдя до конца регистра, единица записывается в первую ячейку и счет повторяется. Входной импульс с (тактирующий) в этом счетчике выполняет функции продвигающего. Число поступивших на вход импульсов фиксируется позицией единицы в регистре в данный момент времени. В таких счетчиках отсутствует последовательная передача сигнала переноса от ячейки к ячейке и поэтому задержка выходного импульса относительно входного оказывается незначительной. Количество двоичных ячеек должно быть равно коэффициенту счета (деления), при больших коэффициентах такой счетчик неэкономичен. Для существенного увеличения коэффициента счета при малых аппаратурных затратах счетчики соединяют последовательно (рис. 8.12). Если у одного счетчика коэффициент счета равен n, а у другого – m, то общий коэффициент счета будет равен произведению N = n * m.
Рис. 8.12. Последовательное соединение счетчиков
Продолжим далее рассмотрение сдвиговых регистров. В качестве первого примера сдвигового регистра рассмотрим микросхему К155ИР1 – четырехразрядный регистр сдвига с последовательным или параллельным вводом и параллельным выводом информации. Он может быть использован в качестве буферной памяти, элемента задержки на несколько тактов, преобразователя последовательного кода в параллельный и наоборот, делителя частоты, кольцевого распределителя импульсов, элемента арифметических устройств и т. п. Условное изображение приводится на рис. 8.13.
Рис. 8.13. Реверсивный сдвиговый регистр
С1, С2 – тактовые входы; V2 – выбор режима; V1 – для ввода информации в последовательном коде; D1-D4 для записи информации в параллельном коде; Q1—Q4 – четыре разряда выхода. Входы С1 и С2 для синхронизации от одного или двух генераторов. Срабатывание триггера по перепаду 1,0 импульсов на одном из входов С. Если на входе сигнал V2 = 0 – ввод последовательным кодом через V1 и сдвиг вправо, а тактовые импульсы подаются на С1. Сдвиг вправо при каждом перепаде 1,0 тактовых импульсов. Через 4 тактовых импульса информацию можно считать в параллельном коде. Ввод параллельным кодом производится при V2 = 1 по спаду импульса на входе С2. Входы V1 и С1 при этом блокированы и роли не играют. В этом же режиме V2 и С2 производится преобразование последовательного кода в параллельный со сдвигом влево. В этом случае информация идет от 4-го триггера к 3-му, от 3-го ко 2-му и т. д. Для этого выходы Q4, Q3, Q2 соединяют со входами D3, D2, D1 соответственно. Информация в последовательном коде поступает через вход D4 при каждом перепаде С2 с 0 на 1. Таблица состояний регистра 155ИР1 приведена ниже.
Во избежание сбоев смена состояний V2 должна происходить только при С1 = С2 = 0. Последовательным соединением n микросхем можно получить 4-n разрядный регистр с преобразованием параллельного кода в последовательный и наоборот. Микросхема К155ИР13 – универсальный 8-ми разрядный регистр сдвига с большими функциональными возможностями – представлена на рис. 8.14.
Регистр может работать в следующих режимах (табл. 8.2): – последовательный ввод информации со сдвигом вправо; — последовательный ввод со сдвигом влево; — параллельный ввод; — хранение; — установка нулей (сброс).
Рис. 8.14. Универсальный восьмиразрядный сдвиговый регистр
Информационные входы последовательного ввода: DR – при сдвиге вправо; DL – при сдвиге влево; D1¸D8 – параллельный ввод; С – тактовый вход; S1, S0 – для выбора режима; R – для установки триггера в 0; Q1¸Q8 – выходы.
Далее приведена схема регистра сдвига с параллельным и последовательным вводом информации и последовательным ее выводом (рис. 8.15). Режим работы регистра определяется сигналом на входе s/p (последовательно–параллельно). Допустим, сигнал на этом входе имеет уровень 1. На выходе инвертора DD8 будет 0, который закроет логические элементы DD5.1–DD5.4 и DD6.1–DD6.4 и создаст тем самым на асинхронных входах триггеров Sa и Ra уровни 1, разрешающие синхронное действие. Входы D1–D4 для параллельного ввода информации при этом заблокированы. Тактовые импульсы на входе обеспечат синхронный ввод информации в последовательном коде (со входа А) и также сдвиг ее вправо. За счет инверсии тактовых импульсов элементом DD7 тактирование происходит по фронту 0,1 (а не по срезу).
Рис. 8.15. Схема реверсивного регистра
Когда на входе s/p 0 элемент DD7 заперт, тактирование триггеров прекращается. Сигнал на общих входах элементов DD5.1–DD5.4 и DD6.1–DD6.4 становится 1, вследствие чего каждый из этих элементов для сигналов на шинах параллельного ввода D1–D4 служит инвертором. Под воздействием входных сигналов параллельного ввода выходы соответствующих триггеров примут те же состояния – Qi = Di. С появлением на входе s/p 1 (разрешение тактирования) информация, введенная в параллельном коде, с каждым тактовым импульсом будет сдвигаться на один разряд и выдаваться в последовательной форме, т. е. произойдет преобразование информации параллельного вида в последовательный. Если в такой схеме сделать выводы с выхода каждого JK-триггера, то можно будет вводить и выводить информацию в параллельном и в последовательном коде и преобразовывать из последовательного кода в параллельный, и наоборот.
|
studopedya.ru