Упрощенно структуру микропроцессора можно представить в следующем виде (Рис. …).
Рисунок Упрощенная структура процессора
В общих чертах работа процессора выглядит следующим образом:
В регистре, счетчика команд, хранится адрес команды, которую необходимо выполнить. Устройство управления читает этот регистр и выдает на шину адреса адрес необходимый для чтения кода команды из памяти. Команда сохраняется в специальном регистре команды, где она хранится все время ее выполнения.
Из регистра команды ее код поступает в дешифратор команды и затем в устройство управления, которое в зависимости от поступившей команды либо сразу переходит к ее выполнению, либо считывает данные или адрес, расположенные сразу после кода команды и необходимые для ее выполнения.
Непосредственное выполнение инструкции производится арифметико-логическим устройством (АЛУ). На входы АЛУ могут подаваться обрабатываемые данные из памяти или из внутренних регистров. Результат выполнения инструкции сохраняется в одном из регистров или в памяти. Кроме этого выполнение инструкции всегда изменяет регистр счетчика команд и (не для всех инструкций) регистр флагов, каждый бит которого содержит информацию о результате выполнения последней команды.
Основные функции показанных узлов следующие.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ, англ. Arithmetic And Logic Unit, ALU)) предназначено для обработки информации в соответствии с полученной процессором командой. Примерами обработки могут служить логические операции (типа логического «И», «ИЛИ», «Исключающего ИЛИ» и т.д.) то есть побитные операции над операндами, а также арифметические операции (типа сложения, вычитания, умножения, деления и т.д.). Над какими кодами производится операция, куда помещается ее результат — определяется выполняемой командой. Если команда сводится всего лишь к пересылке данных без их обработки, то АЛУ не участвует в ее выполнении. АЛУ имеет свои собственные внутренние регистры. Разрядность регистров АЛУ называется внутренней разрядностью процессора, которая может не совпадать с внешней разрядностью.
В принципе АЛУ умеет только суммировать разряды. Все остальные арифметические действия сводятся к арифметической операции суммирования, логическим операциям сдвига при умножении и делении (Заметим, что сдвиг влево на 1 разряд соответствует умножению на два, а сдвиг вправо на один разряд - целочисленному делению на два.). Вычитание заменяется суммированием в дополнительном коде. Разберем, как работает АЛУ на примере инструкции суммирования. Порядок работы следующий: слагаемые размещаются во внутренних регистрах АЛУ. Старший разряд резервируется для знака числа и называется знаковым, все остальные будут называться числовыми. (Напоминаем, что для представления отрицательного числа используется дополнительный код) Слагаемые складываются по правилам сложения двоичных чисел. При этом знаковые разряды участвуют в вычислениях наряду с числовыми.
Приведем несколько примеров. Для упрощения будем рассматривать АЛУ с 8 разрядными регистрами.
Примеры арифметических операций для целых чисел.
Сначала простой случай, проведем сложение 61 + 1
+
Получили число 62, ничего интересного кроме правил сложения двоичных чисел этот пример не демонстрирует.
Теперь выполним сложение 127 + 1:
+
В результате мы получаем число 128, т.е. старший 7-й разряд будет установлен в 1, это означает, что мы будем интерпретировать это число как отрицательное (-128), в регистре флагов при этом установится в 1 флаг знака (SF). Как видно, мы складывали два положительных числа и получили отрицательное, Этот эффект принято называть переполнением, так как сумма вышла за пределы диапазона чисел, представимых в дополнительном коде, при этом в регистре флагов установится в 1 флаг переполнения (Overflow flag, OF). Установка флага переполнения показывает, что сложение со знаком дает неверный результат.
Третий пример продемонстрирует сложение отрицательных чисел представленных, естественно, в дополнительном коде.
Суммируем (-1) + (-126)
+
Получили -127, при этом сумма осталась отрицательной, но произошел перенос из самого старшего 7-го разряда числа, это значит, что в регистре флагов установится в 1 флаг переноса (Carry flag, CF), этот флаг показывает что, в результате операции из старшего бита происходит перенос при сложении или заем при вычитании.
Схема управления выборкой команд или дешифратор выполняет чтение команд из памяти и их дешифрацию, т.е. интерпретацию кода операции, информация о результате дешифрации передается устройству управления.
Устройство управления организует взаимодействие всех узлов процессора, перенаправляет данные, синхронизирует работу процессора с внешними сигналами, а также реализует процедуры ввода и вывода информации.
