Процессор имеет регистр признаков РП, содержащий в своих разрядах значения, которые отражают результаты выполнения некоторых команд процессора, приоритет текущей программы, режим работы процессора (пользовательский или режим ядра). Также РП содержит другую служебную информацию. Обычно пользовательские программы могут читать весь регистр РП целиком, но изменять могут только некоторые из его полей. Регистр РП играет важную роль в системных вызовах и операциях ввода-вывода.
В управляющем блоке УБ дешифрируется и анализируется код команды, поступающий из РК. В УБ из АЛУ и от триггера переноса поступают сигналы, по которым определяются условия для передачи управления. Все остальные компоненты процессора получают от УБ управляющие и синхронизирующие сигналы, необходимые для выполнения команды.
Операционная система должна знать все обо всех регистрах. При временном мультиплексировании центрального процессора операционная система часто останавливает работающую программу для запуска (или перезапуска) другой программы, например, обслуживающей периферийное устройство. Каждый раз при таком процессе, называемом прерыванием, операционная система должна сохранять значения тех регистров процессора, которые будут востановленны позже, для того чтобы прерванная программа продолжила свою работу без потери данных, с того места, где она была прервана.
В целях улучшения характеристик центральных процессоров их разработчики давно отказались от простой модели, в которой за один такт может быть считана, декодирована и выполнена только одна команда. Многие современные процессоры обладают возможностями выполнения нескольких команд одновременно. Например, у процессора могут быть раздельные модули, занимающиеся выборкой, декодированием и выполнением команд, и во время выполнения команды с номером n он может декодировать команду с номером n + 1 и считывать команду с номером n + 2. Подобная организация процесса называется конвейером. Более передовым по сравнению с конвейерной конструкцией является суперскалярный процессор. В этой структуре присутствует множество выполняющих узлов: один для целочисленных арифметических операций, второй - для операций с плавающей точкой и еще один - для логических операций. За один такт считывается две или более команды, которые декодируются и сбрасываются в буфер хранения, где они ждут своей очереди на выполнение. Когда выполняющее устройство освобождается, оно заглядывает в буфер хранения, интересуясь, есть ли там команда, которую оно может обработать, и если да, то забирает ее и выполняет. В результате команды часто исполняются не в порядке их следования. В большинстве случаев аппаратура должна гарантировать, что результат совпадет с тем, который выдала бы последовательная конструкция
Большинство процессоров, используемых в современных ЭВМ, имеют два режима работы: режим ядра и пользовательский режим. Обычно режим задается битом РП или слова состояния процессора. Если процессор запущен в режиме ядра, он может выполнять все команды из набора инструкций и использовать все возможности аппаратуры. Операционная система работает в режиме ядра, предоставляя доступ ко всему оборудованию.
В противоположность этому программы пользователей работают в пользовательском режиме, разрешающем выполнение подмножества команд и делающем доступным лишь часть аппаратных средств. Как правило, все команды, включая ввод-вывод данных и защиту памяти, запрещены в пользовательском режиме. Установка бита режима ядра в регистре признаков РП пользовательском режиме естественно, недоступна.
Для связи с операционной системой пользовательская программа должна сформировать системный вызов, который обеспечивает переход в режим ядра и активизирует функции операционной системы. После завершения работы управление возвращается к пользовательской программе, к команде, следующей за системным вызовом.
Стоит отметить, что в компьютерах, помимо инструкций для выполнения системных вызовов, есть и другие прерывания. Большинство этих прерываний вызываются аппаратно для предупреждения об исключительных ситуациях, таких как попытка деления на ноль или переполнение при операциях с плавающей точкой. Во всех подобных случаях управление переходит к операционной системе, которая должна решать, что делать дальше. Иногда нужно завершить программу с сообщением об ошибке. В других случаях ошибку можно проигнорировать (например, при потере значимости числа его можно принять равным нулю). Наконец, если программа объявила заранее, что требуется обработать некоторые виды условий, управление может вернуться назад к программе, позволяя ей самой разрешить появившуюся проблему.
8. Основные параметры и классификация МП.
Микропроцессор как функциональное устройство ЭВМ обеспечивает эффективное автоматическое выполнение операций обработки цифровой информации в соответствии с заданным ал-горитмом. Для решения широкого круга задач в различных облас-тях применений микропроцессор должен обладать алгоритмически полной системой команд (операций).
Теоретически показано, что минимальная алгоритмически полная система команд процессора состоит из одной или несколь-ких универсальных команд. Однако использование процессоров с минимальными по числу операций системами команд ведет к не-экономичному использованию информационных емкостей памяти и значительным затратам времени на выполнение «длинных» про-грамм. Поэтому обычно в МП встраиваются аппаратурные средст-ва, позволяющие реализовать многие десятки и сотни команд. Та-кие развитые системы команд дают возможность обеспечить ком-пактную запись алгоритмов и соответственно эффективные про-граммы.
При проектировании МП решаются задачи определения на-боров команд, выполняемых программным или аппаратурным способом на основе заданной системы микрокоманд. Аппаратур-ная реализация сложных команд дает возможность увеличить бы-стродействие микропроцессора, но требует значительных аппара-турных ресурсов кристалла интегральной схемы МП. Программ-ная реализация сложных команд позволяет обеспечивать програм-мирование сложных задач, изменять количество и особенности исполнения сложных команд. Однако скорость исполнения программных команд ниже скорости исполнения аппаратурно-реализованных команд.
Практически во всех современных МПС используются сложные развитые системы команд. Их ядро, состоящее из набора универсальных команд, реализуется аппаратурным способом в центральном МП. Кроме того, специализированные части наборов системы команд реализуются вспомогательными или периферий-ными микропроцессорами. Эти расширяющие возможности обра-ботки данных специальные арифметические или логические МП позволяют ускорить выполнение определенных команд и тем са-мым сократить время исполнения программ.
Для описания МП как функциональных устройств необхо-димо охарактеризовать формат обрабатываемых данных и команд, количество, тип и гибкость команд, методы адресации данных, число внутренних регистров общего назначения и регистров ре-зультата, возможности организации и адресации стека, параметры виртуальной памяти и информационную емкость прямо адресуе-мой памяти. Большое значение имеют средства построения систе-мы прерываний программ, построения эффективных систем ввода — вывода данных и развитого интерфейса.
МП могут быть реализованы на различной физической ос-нове: на электронной, оптоэлектронной, оптической, биологиче-ской и даже на пневматической или гидравлической.
По назначению различают универсальные и специализиро-ванные микропроцессоры.
Универсальные МП предназначены для решения широкого круга задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач В системе ко-манд МП заложена алгоритмическая универсальность, означаю-щая, что выполняемый машиной состав команд позволяет полу-чить преобразование информации в соответствии с любым задан-ным алгоритмом.
К универсальным МП относятся и секционные микропро-цессоры, поскольку для них система команд может быть оптими-зирована в каждом частном проекте создания секционного микро-процессора.
Эта группа МП наиболее многочисленна, в нее входят та-кие комплекты как К580, Z80, Intel 80?86, К582, К587, К1804, К1810 и др.
Специализированные МП предназначены для решения оп-ределенного класса задач, а иногда только для решения одной конкретной задачи. Их существенными особенностями являются простота управления, компактность аппаратурных средств, низкая стоимость и малая мощность потребления.
Специализированные МП имеют ориентацию на ускорен-ное выполнение определенных функций, что позволяет резко уве-личить эффективную производительность при решении только оп-ределенных задач.
Среди специализированных микропроцессоров можно вы-делить различные микроконтроллеры, ориентированные на вы-полнение сложных последовательностей логических операций; математические МП, предназначенные для повышения производи-тельности при выполнении арифметических операций за счет, на-пример матричных методов их выполнения; МП для обработки данных в различных областях применений и т. д.
С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, они позволяют осуществить более сложную математи-ческую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции, дают возможность в реальном масштабе времени на-ходить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами для эффектив-ного выделения полезного сигнала на фоне шума и т.д.
По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры.
Сами МП являются цифровыми устройствами обработки информации. Однако в ряде случаев они могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразова-тель в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преоб-разования в аналоговую форму поступают на выход.
С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смеще-ние, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реаль-ном масштабе времени и т. д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденса-торов и т.д.). При этом применение аналогового МП значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспро-изводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной “настройки” цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов.
Обычно в составе однокристальных аналоговых МП имеет-ся несколько каналов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. В аналоговом микропроцессоре разрядность об-рабатываемых данных достигает 24 бит и более. Большое значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметических опе-раций.
Отличительная черта аналоговых МП - это способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполне-нию операций сложения и умножения с большой скоростью, при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и пе-реходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую фор-му, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый пре-образователь. При этом согласно теореме Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верх-нюю частоту сигнала.
Одним из направлений дальнейшего совершенствования аналоговых МП является повышение их универсальности и гибко-сти. Поэтому вместе с повышением скорости обработки большого объема цифровых данных будут развиваться средства обеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой инфор-мации за счет реализации аппаратурных блоков прерывания про-грамм и программных переходов.
По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.
В однопрограммных МП выполняется только одна про-грамма. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.
В много- или мультипрограммных МП одновременно вы-полняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Ор-ганизация мультипрограммной работы микропроцессорных управ-ляющих систем, например, позволяет осуществить контроль за со-стоянием и управлением большим числом источников или прием-ников информации.