Számítógépek felépítése 3. előadás CPU, utasítás ciklus, címzés

Az előadások a következő témára: "Számítógépek felépítése 3. előadás CPU, utasítás ciklus, címzés"— Előadás másolata:

1 Számítógépek felépítése 3. előadás CPU, utasítás ciklus, címzés

2 3. előadás tartalma utasítás típusok, utasítás készlet
a központi feldolgozó egység működése utasítás ciklus utasítás szerkezet címzési módok

3 Utasítás típusok

4 Utasítás típusok adat-töltő, adat átvitel a számítógép funkcionális részei között aritmetikai, logikai műveletek végzése adatokkal program vezérlő, vezérlésátadás a program egyik részéről egy másik részére speciális, rendszer vezérlő, hatékony működést segítő I/O, adat átvitel a számítógép és a környezete között [Szám. alap. pp 73-

5 Adat-töltő Regiszter -> Regiszter Regiszter -> Memória
Memória -> Regiszter Memória -> Memória

6 Aritmetikai, Logikai aritmetikai műveletek: + - * / (különféle adattípusokon) logikai függvények: AND, OR, NOT, XOR összehasonlítások, vizsgálatok léptetések

7 Program vezérlő feltétlen elágazás (ugró) feltételes elágazás
szubrutin hívás

8 Rendszer vezérlő HALT, WAIT megszakítás kezelés
kölcsönös kizárás megvalósítása (Test And Set)

9 I/O adatátvitel a periféria és a gép között periféria vezérlése

10 A központi feldolgozó egység
feladata, kapcsolata a többi egységgel részei, felépítése működése megvalósítása

11 központi feldolgozó egység
(CPU) memória (MEM) vezérlő egység (CU) művelet végző egység (ALU)

12 központi feldolgozó egység
címsín központi feldolgozó egység (CPU) memória (MEM) vezérlő sín vezérlő egység (CU) művelet végző egység (ALU) adatsín

13 központi feldolgozó egység
címsín központi feldolgozó egység (CPU) memória (MEM) CU vezérlő sín ALU regiszterek adatsín

14 A központi feldolgozó egység részei
A központi feldolgozó egység (Central Processing Unit - CPU) részei : műveleti egység (aritmetikai logikai egység) (Arithmetic Logical Unit - ALU) vezérlő egység (Control Unit - CU) regiszterek (registers) sínek (bus) regiszter : „egy-egy adat befogadására, megadott hosszúságú, gyors működésű tárolóhely” A CPU megvalósítása: vezérlő egység megvalósítása... művelet végző egység megvalósítása... regiszterek megvalósítása... buszok megvalósítása...

15 A processzor utasításciklusa
A CPU működése A processzor utasításciklusa

16 Utasítás ciklus Fetch („elérés”) : Utasítás kód beolvasása
Utasítás kód értelmezése (dekódolás) Operandusok beolvasása Execute („végrehajtás”) : Műveletvégzés (ALU) Eredmény tárolása Következő utasítás címének kiszámítása

17 központi feldolgozó egység
címsín központi feldolgozó egység utasítás számláló regiszter ALU memória (MEM) vezérlő sín CU utasítás tároló regiszter adat regiszterek adatsín

18 Utasítás végrehajtás funkcionális vázlata
számláló utasítás címképzés utasítás dekodoló vezérlő jelek utasítás regiszter ütemező címsín regiszterek adat [Számítástechnkia alapismeretek pp57] adatsín aritmetikai logikai egység tár puffer- regiszter tár cím- regiszter operatív tár

19 Utasítás végrehajtás lépései 1.
meghatározni a következő utasítás címét és a tár címregiszterébe tölteni az utasítást a tárból az utasításregiszterbe tölteni

20 aritmetikai logikai egység
Utasítás végrehajtás 1. számláló utasítás címképzés utasítás dekodoló vezérlő jelek utasítás regiszter ütemező címsín regiszterek adat [Számítástechnkia alapismeretek pp57] adatsín aritmetikai logikai egység tár puffer- regiszter tár cím- regiszter operatív tár

21 Utasítás végrehajtás lépései 2.
meghatározni (címképzés) a tár címregiszterébe tölteni az 1. adat címét adat a tárból az egyik adatregiszterbe

22 Utasítás végrehajtás lépései 2.
számláló utasítás címképzés utasítás dekodoló vezérlő jelek utasítás regiszter ütemező címsín regiszterek adat [Számítástechnkia alapismeretek pp57] adatsín aritmetikai logikai egység tár puffer- regiszter tár cím- regiszter operatív tár

23 Utasítás végrehajtás lépései 3.
meghatározni (címképzés) a tár címregiszterébe tölteni az 2. adat címét adat a tárból egy másik adatregiszterbe

24 Utasítás végrehajtás lépései 3.
számláló utasítás címképzés utasítás dekodoló vezérlő jelek utasítás regiszter ütemező címsín regiszterek adat [Számítástechnkia alapismeretek pp57] adatsín aritmetikai logikai egység tár puffer- regiszter tár cím- regiszter operatív tár

25 Utasítás végrehajtás lépései 4.
utasítani az aritmetikai logikai egységet a művelet elvégzésére eredmény tárolása egy adatregiszterben

26 aritmetikai logikai egység
Utasítás végrehajtás 4. számláló utasítás címképzés utasítás dekodoló vezérlő jelek utasítás regiszter ütemező címsín regiszterek adat [Számítástechnkia alapismeretek pp57] adatsín aritmetikai logikai egység tár puffer- regiszter tár cím- regiszter operatív tár

27 Utasítás végrehajtás lépései 5.
meghatározni (címképzés) a tár címregiszterébe tölteni az eredmény címét az eredmény az adatregiszterből a tárba

28 aritmetikai logikai egység
Utasítás végrehajtás 5. számláló utasítás címképzés utasítás dekodoló vezérlő jelek utasítás regiszter ütemező címsín regiszterek adat [Számítástechnkia alapismeretek pp57] adatsín aritmetikai logikai egység tár puffer- regiszter tár cím- regiszter operatív tár

29 Utasítás végrehajtás lépések összefoglalása
következő utasítás címe, elérése, előkészítése 1. adat címe, elérése, előkészítése 2. adat címe, elérése, előkészítése művelet elvégzése eredmény címe, eltárolása

30 Utasítás végrehajtáshoz szükséges „információk”
vezérlőegységnek információ <- utasítás elvégzendő művelet 1. adat címe (helye) 2. adat címe (helye) erdmény címe (helye) következő utasítás címe nem lehetne máshogy ?!

31 Utasítások tárolási formái
utasítás szerkezet címzési módok utasítás típusok, utasítás készlet [Cserny könyv szerint]

32 Egy utasítás felépítése, részei
műveleti kód módósításra utaló rész címrész

33 4,3,2,1,0 címes utasítás formák (a megadott címek száma szerint)
[Szám. alap. pp58-61] Utasítás címzési módok :

34 4 címes utasítás forma műveleti kód 1. adat címe 2. adat címe eredmény
következő utasítás címe

35 3 címes utasítás forma műveleti kód 1. adat címe 2. adat címe eredmény
következő utasítás címe program számláló utasítás számláló regiszter , Program Counter (PC) PC := PC + utasítás hossz

36 2 címes utasítás forma műveleti kód 1. adat címe 2. adat címe eredmény
az eredmény a 2. adat címére kerül

37 1 címes utasítás forma műveleti kód 1. adat címe 2. adat címe eredmény
akkumulátor regiszter a 2. adat címe helyett akkumulátor regiszter, az eredmény az akkumulátor regiszterbe kerül

38 0 címes utasítás forma műveleti kód 1. adat címe eredmény címe
akkumulátor regiszter a művelet az akkumulátor regiszteren hajtódik végre

39 a címrész tartalma szerint
Utasítás formák a címrész tartalma szerint

40 jelölések S : tárcím R : regisztercím A : akkumulátor regiszter
I : közvetlen adat az utasításban MK : műveleti kód @ : tetszőleges művelet (S) : adat a tárban (R) : adat a regiszterben (A) : adat az akkumulátor regiszterben LI(n) : az n. utasítás hossza SI(n) : az n. utasítás címe

41 4 címes : MK S1 S2 S3 S4 (S2) -> (S3), SI(n+1) = S4 3 címes : MK S1 S2 S3 (S2) -> (S3), SI(n+1) = SI(n) + LI(n) 2 címes : MK S1 S2 (S2) -> (S2) ” 1 címes : MK S1 (A) -> (A) ” 0 címes : MK @ (A) -> (A) ”

42 1 R címes : MK R: @ (R) -> (R) 1 + R címes : MK R S : (S) -> (R) vagy (S) -> (S) 2 R címes : MK R1 R2 : (R2) -> (R1) 3 R címes : MK R1 R2 R3: (R2) -> (R3) közvetlen operandusú : MK I S vagy MK I (S) -> (S) vagy @ I -> (A)

43 címértelmezés címmegadás
Címzési módok címértelmezés címmegadás [Szám. alap. pp82-]

44 Címértelmezés műv. kód adat regiszter közvetlen (immediat) adatmegadás
rejtett (inheritent), implicit címzés adat műv. kód cím tár register mode ? register indirect közvetlen (direkt) címzés cím műv. kód 1 cím adat közvetett (indirekt) címzés

45 Címmegadás + műv. kód cím adat abszolút címmegadás bázis D adat
cím (D) D = displacement (eltolás) vagy „offset” rövidített címmegadás

46 Rövidített címmegadás
Mihez képest számítjuk a címet : lapcímes :az adott lap kezdetétől bázisregiszteres : bázisregiszter értékétől (általában a bázisregiszter tartalma rögzített) mutatós (pointeres) : a meghatározott regiszter értékétől (a regiszter tartalma a program végrehajtása során változik, pld. PC) példa : JMP relatív

47 Kombinált címzési módok
... Címmódósítás : indexelés (vektor feldolgozása : első elem megadása, index automatikus növelése) fix utasításhossz változó utasításhossz Intel és Motorola címzési lehetőségek [Cserny pp91-92]

48

49 Az utasítások felépítése, szerkezete
fix és változó utasítás hossz

50 Utasítások kódolása Példa : 8 bites utasításhossz, 3 bites címhossz
3 címes címzés lehetetlen 2 címes címzés : marad 2 bites műveleti kód : 4 féle utasítás 1 címes címzés : marad 5 bites műveleti kód : 32 féle utasítás 0 címes címzés : 8 bites műveleti kód : 256 féle utasítás

51 Utasítások kódolása műveleti kód 1. cím 2. cím 2 bit 3 bit 3 bit
00 xxx yyy 01 xxx yyy 10 xxx yyy 11 xxx yyy

52 Utasítások kódolása („expanding”)
2bit 3bit 3bit 00 xxx yyy 01 xxx yyy 10 xxx yyy yyy yyy yyy yyy yyy yyy yyy yyy 2 bites műveleti kód 3 db 2 címes utasítás 5 bites műveleti kód 8 db 1 címes utasítás Hasonló elven : 2bites műveleti kód, 3db 2címes utasítás+ 5bites műveleti kód, 7db 1címes utasítás+ 8bites műveleti kód, 8db 0címes utasítás

53 Eltérő címzésí módú gépek programozása példa (1)
Adott 4 különféle típusú gép : 0 címes gép (verem), pld.: ADD, PUSH (M), POP (M) 1 címes gép, pld.: ADD M = ACC <- (ACC) + (M) 2 címes gép, pld.: ADD X,Y = X <- (X) + (Y) 3 címes gép, pld.: ADD X,Y,Z = Z <- (X) + (Y) műveletek : MOV, ADD, SUB, DIV, MUL, (LDA,STA) Kiszámolandó : Z:= ((A+B)*C)/((D-E)*F)

54 Eltérő címzésí módú gépek programozása példa (2)
Adatok : M - 20 bites memóriacím X,Y,Z - 20 bites memória cím, vagy 3 bites regisztercím (R0-R7) a műveleti kód rész hossza 8 bit Kérdés mindegyik géptípusra (programra) : az utasítások száma a program mérete (bit-ben) a felhasznált regiszterek száma

55 REG ALU FLAG AC CU IR PC [Cserny pp57.] a proceszor építőelemei

56 Logikai struktura adattípusok programozható regiszterek
utasítás típusok (utasítás lista) utasítás formák címzési módok

57 Fizikai struktura operatív tár műveleti (aritmetikai logikai) egység
vezérlőegység megszakítási rendszer I/O rendszer

58 Összefoglalás