Введение в электронику

36-1. Вопросы

Микропроцессор содержит четыре основные части: регистры, арифметико-логическое устройство, цепи синхронизации и управления и цепи дешифрации. Микропроцессор сконструирован таким образом, что команда или программа может быть извлечена из памяти, помещена в регистр команд и дешифрована. Программа влияет на цепи синхронизации, управления и дешифрации. Программа позволяет оператору направлять данные в различные регистры и арифметико-логическое устройство и извлекать их оттуда. Регистры и арифметико-логическое устройство используются микропроцессором для обработки данных и информации.

Различные микропроцессоры отличаются друг от друга архитектурой и набором команд. На рис. 36-5 изображены основные части многих 8-разрядных микропроцессоров. Поскольку названия и количество регистров в различных микропроцессорах различны, они изображены и перечислены отдельно.

Рис. 36-5. Узлы 8-разрядного микропроцессора.

Аккумулятор — это регистр наиболее часто используемый в микропроцессоре. Он используется для приема или хранения данных из памяти или устройства ввода/вывода. Его работа также связана с работой арифметико-логического устройства. Количество разрядов в аккумуляторе определяет размер слова в микропроцессоре. В 8-разрядном микропроцессоре размер слова — 8 разрядов.

Регистр условия кода — это 8-разрядный регистр, позволяющий программисту проверить состояние микропроцессора в некоторой точке программы. В зависимости от микропроцессора этот регистр может называться регистром состояния процессора, регистром состояния или флаговым регистром (регистром признака). Один разряд в этом регистре называется флаговым разрядом. Чаще всех встречаются флаг переполнения, нулевой флаг и флаг знака. Флаг переполнения используется во время арифметических действий для определения необходимости переноса или заема. Нулевой флаг используется для определения наличия нулей во всех разрядах результата или команды. Флаг знака используется для указания знака числа — положительный или отрицательный. Из 8 разрядов этого регистра процессоры Motorola 6800 и Zilog Z80 используют 6 разрядов; процессор Intel 8080А использует 5; процессор MOS Technology 6502 использует 7.

Счетчик команд — это 16-разрядный регистр, содержащий адрес команды, извлеченный из памяти. По мере того как команды выполняются, содержимое счетчика увеличивается на единицу для извлечения адреса следующей команды. Содержимое счетчика команд может только увеличиваться. Однако, последовательность команд может быть изменена с помощью команд ветвления или перехода.

Указатель стека — это 16-разрядный регистр, содержащий адрес ячейки памяти данных, хранящихся в стеке. Стек будет обсуждаться немного позднее.

Большинство микропроцессоров имеют одинаковые наборы основных команд с различными машинными кодами и несколько собственных команд. Основные команды делятся на девять категорий:

1. Перемещение данных.

2. Арифметические.

3. Логические.

4. Сравнение и проверка.

5. Вращение и сдвиг.

6. Управление программой.

7. Стек.

8. Ввод/вывод.

9. Разные.

Команды перемещения данных перемещают данные из одного места в другое внутри микропроцессора и памяти (рис. 36-6). Данные перемещаются сразу по 8 бит в параллельном коде (одновременно) из одного места в другое.

Рис. 36-6. Команды перемещения данных.

Команды микропроцессора используют символические обозначения, указывающие, как перемещать данные. В микропроцессорах 6800 и 6502 стрелка перемещает слева направо. В микропроцессорах 8080А и Z80 стрелка перемещает справа налево. В любом случае сообщение об операции одинаково. Данные перемещаются от источника к месту назначения.

Арифметические команды влияют на арифметико-логическое устройство. Наиболее мощными командами являются сложение, вычитание, приращение и уменьшение. Эти команды позволяют микропроцессору проводить вычисления и обрабатывать данные. Они отличают компьютер от произвольной логической цепи. Результат работы этих команд помещается в аккумулятор.

Логические команды — это команды, содержащие один или более Булевых операторов: И, ИЛИ и исключающее ИЛИ. Они работают одновременно с восемью битами в АЛУ, а результаты работы этих команд помещаются в аккумулятор. Другой логической операцией является команда дополнения. Она включает дополнение до единицы и дополнение до двух. Так как дополнение осуществляется с помощью дополнительной цепи, эта операция содержится не во всех микропроцессорах. Микропроцессоры 6502 не содержат команды дополнения. Микропроцессор 8080А имеет команду дополнения до единицы. Микропроцессоры 6800 и Z80 имеют команды дополнения до единицы и дополнения до двух.

Операции дополнения обеспечивают метод представления чисел со знаками. Дополняющие числа позволяют АЛУ выполнять операции вычитания с помощью цепи сумматора. Следовательно, блок микропроцессора может использовать Одни и те же цепи для сложения и вычитания.

Команды сравнения сравнивают данные в аккумуляторе с данными в ячейке памяти или в другом регистре. Результат сравнения не хранится в аккумуляторе, но в результате сравнения может измениться флаговый бит. Сравнение может быть выполнено путем наложения (маскирования) или путем поразрядной проверки. Маскирование — это процесс вычитания двух чисел, позволяющий вычитать только определенные разряды. Маска — это заранее определенный набор разрядов, используемых для определения существования некоторых условий внутри микропроцессора. Недостаток процедуры маскирования в том, что она использует команду И и, следовательно, разрушает содержимое аккумулятора. Хотя процедура побитовой проверки также использует команду И, она не разрушает содержимое аккумулятора. Команду побитовой проверки имеют не все микропроцессоры.

Команды вращения и сдвига изменяют данные в регистре или в памяти путем перемещения данных вправо или влево на один разряд. Обе команды используют разряд переноса. Разница между этими командами состоит в том, что команда вращения сохраняет данные, а команда сдвига разрушает их.

Команды управления программой изменяют содержимое счетчика команд. Эти команды позволяют микропроцессору выбирать определенные ячейки памяти для выполнения различных программ или для повторения части той же программы. Команды могут быть безусловными, изменяющими содержимое счетчика команд, или условными, которые сначала проверяют состояние флагового бита для того, чтобы узнать, можно ли изменить содержимое счетчика команд. Если условие флагового бита не удовлетворяется, то выполняется следующая команда.

Команды стека позволяют хранить и извлекать содержимое различных регистров микропроцессора в стек.

Стек — это временная ячейка памяти, используемая для хранения содержимого счетчика команд в течение перехода к подпрограмме. Разница между стеком и другими формами памяти в способе, с помощью которого осуществляется доступ к данным или их адресация. Команда «push» запоминает содержимое регистра, а команда «pull» находит содержимое регистра. Преимущество стека в том, что данные в нем можно сохранить или прочитать с помощью одноразрядных команд. Все данные передаются из верхней части стека в аккумулятор. Это означает, что аккумулятор сообщается только с верхней ячейкой стека.