Architektura Systemów Komputerowych. Jednostka ALU Przestrzeń adresowa Tryby adresowania

Transkrypt

1 Architektura Systemów Komputerowych Jednostka ALU Przestrzeń adresowa Tryby adresowania 1

2 Jednostka arytmetyczno- logiczna ALU ALU ang: Arythmetic Logic Unit Argument A Argument B A B Ci Bit przeniesienia z poprzedniej pozycji Bity znaczników (flag) Fl ALU Fs Y Funkcja sterująca Wynik operacji 2

3 Jednostka arytmetyczno- logiczna ALU Cechy jednostki ALU: Wykonuje operacje arytmetyczne i logiczne określone funkcją sterującą Wykonuje operacje na jednym lub dwóch argumentach Jest układem kombinacyjnym nie posiada pamięci Zazwyczaj liczba bitów wyniku jest równa liczbie bitów argumentów (liczba bitów ALU ma znaczenie dla klasyfikacji całego komputera, np. system trzydziestodwubitowy ) 3

4 Jednostka arytmetyczno- logiczna ALU Przykład ośmiobitowej jednostki ALU z uwidocznionymi poszczególnymi bitami argumentów oraz innych sygnałów 4

5 Jednostka ALU - operacje Przykład operacji dodawania liczb ośmiobitowych w kodzie NBC (bez znaku) A: (02h) + B: (03h) = Y: (05h) 5

6 Jednostka ALU przekroczenie zakresu liczb Przekroczenie zakresu liczb dostępnego dla ALU Przykład: A=255, B=2 Wynik A+B=257 nie mieści się w zakresie liczb 8-bitowych A: (FFh) + B: (02h) = Y: (01h), C=1 6

7 Jednostka ALU operacje wielokrotnej precyzji Rozwiązanie problemu przekroczenia dostępnego zakresu liczb zastosowanie arytmetyki wielokrotnej precyzji: A: B: = Y: Y(lo)=A(lo)+B(lo) Y(hi)=A(hi)+B(hi)+Ci 7

8 Jednostka ALU operacje wielokrotnej precyzji Programowa implementacja arytmetyki podwójnej precyzji: Przykład liczba pierwsza jest zapisana z komórkach pamięci o adresach 0 i 1, druga: 2, 3, wynik trafia pod adresy: 4,5 LD Acc, M(0) ADD Acc, M(2) ST M(4), Acc LD Acc, M(1) ADC Acc, M(3) ST M(5), Acc 8

9 Przechowywanie znaczników Wartość znaczników w rejestrze stanu jest ustalana w wyniku ostatniej operacji arytmetycznej lub logicznej. Rejestr stanu C Z V N Fl ALU 9

10 Znaczenie znaczników Znaczenie znaczników: C przekroczenie zakresu liczb bez znaku (NBC) Z zerowy wynik operacji V przekroczenie zakresu liczb ze znakiem (U2) N wynik ujemny Rejestr stanu C Z V N 10

11 Przestrzeń adresowa Zbiór wszystkich możliwych adresów komórek pamięci lub rejestrów układów wejścia wyjścia W niektórych mikroprocesorach przyjęto koncepcję ujednolicenia przestrzeni adresowej pamięci i I/O poprzez traktowanie rejestrów urządzeń I/O jako komórek pamięci. 11

12 Przestrzeń adresowa Rozróżnia się przestrzenie adresowe: Pamięci - zbiór wszystkich możliwych adresów komórek pamięci. W niektórych mikroprocesorach wyróżnia się oddzielną przestrzeń adresową pamięci programu i danych (mikrokontrolery, procesory DSP) Wejścia-wyjścia zbiór wszystkich możliwych adresów rejestrów urządzeń I/O 12

13 Przestrzeń adresowa - rozwiązanie układowe Magistrala danych Mikroprocesor MEMsel IOsel RD WR Magistrala adresowa Magistrala sterująca Pamięć Układy wejścia wyjścia 13

14 Przestrzeń adresowa liniowa Przestrzeń liniowa nie zakłada podziału pamięci na obszary. Adres komórki pamięci jest specyfikowany za pomocą jednej liczby. 0x0000 0x0001 0xFFFF Przykład liniowej przestrzeni adresowej o wielkości 64kilosłów 14

15 Przestrzeń adresowa - stronicowanie pamięci Podział przestrzeni pamięci na rozłączne obszary o wielkości będącej naturalną potęgą liczby 2 0x0000 0x00FF 0x0100 0x01FF 0x0200 Strona 0 Strona 1 Przykład podziału na strony o wielkości 256 słów 15

16 Przestrzeń adresowa - stronicowanie pamięci Rozwiązanie pozwala zmniejszyć dwukrotnie liczbę wyprowadzeń magistrali adresowej mikroprocesora Pamięć Mikroprocesor Rej. Strony ADDR HI Magistrala adresowa ADDR LO 16

17 Przestrzeń adresowa - bankowanie Mechanizm pozwalający stosować pamięci o łącznej pojemności przekraczającej możliwości adresowania mikroprocesora. Mikroprocesor ma dostęp tylko do jednego banku. Przełączanie banków jest realizowane przez zaprogramowanie dodatkowego rejestru przechowującego numer banku. 17

18 Przestrzeń adresowa - segmentacja Podział przestrzeni pamięci na częściowo pokrywające się obszary. Adres komórki pamięci należącej do kilku segmentów można wyspecyfikować na kilka sposobów. Mechanizm ułatwia podział pamięci na obszar programu, danych i stosu. 0000: : :0110= =0001: :FFFF 0001:FFFF Segment 0 Segment 1 Segment 2 Przykład podziału pamięci na segmenty o wielkości słów 18

19 Przestrzeń adresowa - segmentacja W adresowaniu bierze udział tzw. rejestr segmentowy, przechowujący numer aktualnego segmentu. W adresowaniu programu, danych i stosu mogą brać udział inne rejestry segmentowe. Rej. Segm. Magistrala adresowa + MAR Rej. Adr. Adres efektywny Adres fizyczny 19

20 Przestrzeń adresowa - segmentacja Zalety: Bezpieczeństwo programu Relokowalność programu Efektywne wykorzystanie pamięci 20

21 Tryby adresowania Tryby lub sposoby adresowania to sposoby interpretacji pola adresowego rejestru instrukcji. Jednostka sterująca Rejestr instrukcji IR Pole operacyjne Pole adresowe Większość omówionych trybów będzie dotyczyła adresowania drugiego argumentu operacji dwuargumentowych z udziałem ALU. MAR Magistrala adresowa 21

22 Tryby adresowania Adresowanie implikowane Argument operacji znajduje się w rejestrze mikroprocesora. Acc Acc + R ALU Acc R 22

23 Tryby adresowania Adresowanie natychmiastowe Argument operacji znajduje się w polu adresowym rejestru instrukcji (jest stałą). Acc Acc + stała Rejestr instrukcji IR PO PA stała ALU Acc 23

24 Tryby adresowania Adresowanie bezpośrednie W polu adresowym rejestru instrukcji znajduje się adres argumentu. IR MBR Acc Acc + M(adr) PO PA adres ALU Acc MAR 24

25 Tryby adresowania Adresowanie pośrednie Pole adresowe przechowuje kod rejestru rejestru instrukcji znajduje się adres argumentu. IR PO MBR Acc Acc + M(X) PA kod Rejestry funkcji specjalnych SFR X ALU Acc MAR 25

26 Tryby adresowania Adresowanie pośrednie indeksowe W adresowaniu biorą udział dwa rejestry określane mianem bazowego i indeksowego. Acc Acc + M( B, I ) SFR MBR B I + ALU Acc MAR 26

27 Tryby adresowania Adresowanie pośrednie indeksowe z postinkrementacją lub postdekrementacją Zawartość rejestru indeksowego jest zwiększana lub zmniejszana o jeden po zaadresowaniu argumentu. Postinkrementacja: Postdekrementacja: Acc Acc + M( B, I++ ) Acc Acc + M( B, I-- ) W niektórych mikroprocesorach jest także możliwa modyfikacja zawartości rejestru indeksowego przed jego użyciem, mówimy wówczas o preinkrementacji lub predkrementacji. 27

28 Tryby adresowania Adresowanie względne Jest stosowane w skokach służy do przeniesienia sterowania o pewną liczbę pozycji względem aktualnie wykonywanej instrukcji. IR PO PA przemieszczenie + PC Rejestry funkcji specjalnych SFR 28