 |
Семинар 4. Простой процессор, работающий с четырехадресной командой.
|
|
|
|
Введение
Начнем с анализа работы простого калькулятора.
 |
Y3
|  | ||||||||||
| |||||||||||
Y5
|
Y4
 |  | ||||||
 | | ||||||
|
|
АЛУ Y6
Y7
Y8
Y2
 |
Получить сумму чисел: 21+38+14+…
Начальное положение
Регистр Y
Регистр X
Шаг 1.
Начнем с момента нажатия клавиши «+», завершающей ввод первого слагаемого 21, ввод цифры 3 – старшей цифры второго слагаемого: ввод первой цифры любого операнда (первое нажатие клавиши после нажатия клавиши операции) должен инициировать перезапись содержимого Рх в Ру. Устройство управления вводом числа и выполнением операций вырабатывает определенную последовательность управляющих сигналов (Yi) для осуществления необходимых пересылок информации между устройствами калькулятора.
Итак:
1. первый такт - Y3 – перепись содержимого Рх в Ру, У6 – установка «0» на выходе АЛУ;
2. второй такт - У2 – «0» с АЛУ переписывается в Рх (теперь производится очистка Рх, суммирование его содержимого с вводимой цифрой и перепись полученной суммы в Рх);
3. третий такт - У1 – запись в АЛУ значение Рх, У5 – запись в АЛУ текущего значения кода вводимого числа, – одновременно У7 – настройка АЛУ на суммирование;
4. четвертый такт- У2 – вывод первой цифры на дисплей.
Регистр Y Содержимое Р X переписалось для сохранения в РY, РX был
Регистр X очищен и в его младший разряд записан код нажатой
клавиши, т.е. цифра 3.
|
|
|
Шаг 2.
Ввод цифры 8 – младшей цифры второго слагаемого:
Регистр Y Число в Р X было сдвинуто на один разряд и на его место
Регистр X был записан код нажатой клавиши, т.е. цифра 8.
Шаг 3.
Нажатие клавиши «+»:
Регистр Y 38, выполнили операцию сложения содержимого регистров
Регистр X X и Y (операция АЛУ: 21+38) и операция пересылки
Полученного результата в регистр X.
Шаг 4.
Ввод цифры 1 – старшей цифры третьего слагаемого:
Регистр Y
Регистр X
Сигнал у1
у2
 | |
 |
у7
Временная диаграмма работы калькулятора
Устройство управления вырабатывает импульсы которые открывают или закрывают соответствующие вентили калькулятора (Y1,2,3,4,5) и управляют работой АЛУ (Y6,7,8).
Очевидно, не требуется доказательств необходимости синхронизировать работу управляющих импульсов и тактового генератора. Например, можно ли при суммировании содержимого регистров X,Y одновременно вырабатывать сигналы Y1, Y2, Y4, Y7? Простейший анализ показывает, что при одновременной выработке сигналов Y1 и Y2, а также при настройке АЛУ на выполнение операции с содержимым регистра X возникает неопределенность: содержимое регистра X попадает в АЛУ, через него обратно в регистр X и так далее. С другой стороны, если при суммировании X и Y не будет обеспечена одновременная выработка сигналов Y1, Y4 и Y7, то суммы не получится.
Вывод:
Очевидно, калькулятор представляет собой некоторую специализированную вычислительную систему, предназначенную для работы под управлением «жесткой» логики, которая решает ограниченный круг задач и не является универсальной системой.
Такая система может рассматриваться как частный случай электронной системы, предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов. В качестве входных и выходных сигналов при этом могут использоваться аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигналы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Внутри системы может производиться хранение, накопление сигналов (или информации), но суть от этого не меняется. Если система цифровая, то входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательности кодов выборок с помощью АЦП, а выходные аналоговые сигналы формируются из последовательности кодов выборок с помощью ЦАП. Обработка и хранение информации производятся в цифровом виде.
|
|
|
Характерная особенность традиционной цифровой системы состоит в том, что алгоритмы обработки и хранения информации в ней жестко связаны со схемотехникой системы. То есть изменение этих алгоритмов возможно только путем изменения структуры системы, замены электронных узлов, входящих в систему, и/или связей между ними. Например, если нам нужна дополнительная операция суммирования, то необходимо добавить в структуру системы лишний сумматор. Или если нужна дополнительная функция хранения кода в течение одного такта, то мы должны добавить в структуру еще один регистр. Естественно, это практически невозможно сделать в процессе эксплуатации, обязательно нужен новый производственный цикл проектирования, изготовления, отладки всей системы. Именно поэтому традиционная цифровая система часто называется системой на «жесткой логике».
Электронная система.
Любая система на «жесткой логике» обязательно представляет собой специализированную систему, настроенную исключительно на одну задачу или (реже) на несколько близких, заранее известных задач. Это имеет свои бесспорные преимущества.
Во-первых, специализированная система (в отличие от универсальной) никогда не имеет аппаратурной избыточности, то есть каждый ее элемент обязательно работает в полную силу (конечно, если эта система грамотно спроектирована).
Во-вторых, именно специализированная система может обеспечить максимально высокое быстродействие, так как скорость выполнения алгоритмов обработки информации определяется в ней только быстродействием отдельных логических элементов и выбранной схемой путей прохождения информации. А именно логические элементы всегда обладают максимальным на данный момент быстродействием.
|
|
|
Но в то же время большим недостатком цифровой системы на «жесткой логике» является то, что для каждой новой задачи ее надо проектировать и изготавливать заново. Это процесс длительный, дорогостоящий, требующий высокой квалификации исполнителей. А если решаемая задача вдруг изменяется, то вся аппаратура должна быть полностью заменена. В нашем быстро меняющемся мире это довольно расточительно.
Путь преодоления этого недостатка довольно очевиден: надо построить такую систему, которая могла бы легко адаптироваться под любую задачу, перестраиваться с одного алгоритма работы на другой без изменения аппаратуры. И задавать тот или иной алгоритм мы тогда могли бы путем ввода в систему некой дополнительной управляющей информации, программы работы системы. Тогда система станет универсальной, или программируемой, не жесткой, а гибкой. Именно это и обеспечивает микропроцессорная система.
Программируемая (она же универсальная) электронная система.
Но любая универсальность обязательно приводит к избыточности. Ведь решение максимально трудной задачи требует гораздо больше средств, чем решение максимально простой задачи. Поэтому сложность универсальной системы должна быть такой, чтобы обеспечивать решение самой трудной задачи, а при решении простой задачи система будет работать далеко не в полную силу, будет использовать не все свои ресурсы. И чем проще решаемая задача, тем больше избыточность, и тем менее оправданной становится универсальность. Избыточность ведет к увеличению стоимости системы, снижению ее надежности, увеличению потребляемой мощности и т.д.
Кроме того, универсальность, как правило, приводит к существенному снижению быстродействия. Оптимизировать универсальную систему так, чтобы каждая новая задача решалась максимально быстро, попросту невозможно. Общее правило таково: чем больше универсальность, гибкость, тем меньше быстродействие. Более того, для универсальных систем не существует таких задач (пусть даже и самых простых), которые бы они решали с максимально возможным быстродействием. За все приходится платить.
|
|
|
Таким образом, можно сделать следующий вывод. Системы на «жесткой логике» хороши там, где решаемая задача не меняется длительное время, где требуется самое высокое быстродействие, где алгоритмы обработки информации предельно просты. А универсальные, программируемые системы хороши там, где часто меняются решаемые задачи, где высокое быстродействие не слишком важно, где алгоритмы обработки информации сложные. То есть каждая система хороша на своем месте.
|
|
|
