Учебный курс Введение в цифровую электронику Лекция 6 Программирование микропроцессорной системы кандидат технических наук, доцент Новиков Юрий Витальевич

2 Языки программирования Языки высокого уровня удобные для разработчика, не зависят от аппаратуры, имеют развитые готовые средства обработки и отображения, программы легко переносятся на другую аппаратуру; но формируют большие и медленные программы (Си, Паскаль, Фортран и т.д.); Языки низкого уровня максимально приближены к аппаратуре, трудно писать сложные программы обработки, программы могут не работать на другой аппаратуре; но формируют максимально компактные и быстрые программы (язык машинных кодов, Ассемблер); Сочетание языков высокого и низкого уровней даёт оптимальные результаты.

3 Команды процессора Могут состоять из одного или нескольких байт; сколько именно байт команды читать процессору указано в первом байте (слове). Короче команда быстрее, длиннее команда сложнее операция. Включают в себя код операции, которую должен выполнить процессор, а также указания на операнды, с которыми надо выполнять операцию. Образуют систему команд, сложность и полнота которой определяет быстродействие процессора, его универсальность и удобство использования. Преобразуются процессором в последовательность внутренних микрокоманд.

4 Операнды Операнды это коды данных, с которыми производятся операции при выполнении программы (входные и выходные); Расположение операндов: Во внутренних регистрах процессора самое удобное и легкодоступное, но недостаточно места; В ячейках памяти самое часто встречающееся и достаточно удобное (доступно большое количество ячеек) массивы; В устройствах ввода/вывода самый редкий случай, при обмене с внешними устройствами. Адресация операндов это способ указания процессору на место расположения операндов (присутствует в каждой команде).

5 Непосредственная адресация и прямая адресация операндов

6 Регистровая адресация и косвенная адресация операндов

7 Автоинкрементная адресация и автодекрементная адресация Автоинкрементная адресация: похожа на косвенную, но после выполнения операции содержимое регистра увеличивается на 1 или на 2 (инкрементируется пост инкремент); Автодекрементная адресация работает, как косвенная, но перед выполнением операции содержимое регистра уменьшается на 1 или на 2 (декрементируется предекремент); Оба типа адресации применяются для работы с массивами данных (последовательного их сканирования вверх или вниз); Если оба типа адресации используются одновременно, то мы получаем буфер типа LIFO (например, в стеке).

8 Адресация слов и байтов

9 Сегментирование памяти

10 Вычисление адреса в памяти при сегментировании

11 Основные группы команд процессора Команды пересылки данных данные пересылаются (копируются) между памятью, регистрами процессора и УВВ. Не требуют выполнения каких-нибудь операций над данными; Арифметические команды выполнение арифметических операций (сложение, вычитание, и т.д.). Один или два входных операнда и один выходной; Логические команды выполнение логических операций (И, ИЛИ, инверсия, очистка, сдвиги). Один или два входных операнда и один выходной; Команды переходов условные и безусловные. Операндов нет. Изменяется состояние регистра-счётчика команд. Вызов подпрограмм, ветвление алгоритмов.

12 Команды пересылки данных Загрузка (запись) содержимого во внутренние регистры процессора; Сохранение в памяти (в стеке) содержимого внутренних регистров процессора; Копирование содержимого из одной области памяти в другую область памяти (одиночные и строчные); Запись в устройства ввода/вывода и чтение из устройств ввода/вывода (одиночные и строчные); Обмен информацией между двумя регистрами или между регистром и памятью; Обмен информацией между байтами регистра или памяти.

13 Арифметические команды Команды операций с фиксированной запятой (сложение, вычитание, умножение, деление) числа как со знаком, так и без знака; Команды операций с плавающей запятой (сложение, вычитание, умножение, деление) операнды в двух или более ячейках памяти, в сложных процессорах: тригонометрические, логарифмические, мультимедийные и т.д.; Команды очистки (выполняются быстрее команд пересылок, иногда считаются логическими командами); Команды инкремента и декремента увеличение на 1 или уменьшение на 1; Команда сравнения формирует флаги результата на основании сравнения (вычитания) операндов.

14 Логические (побитовые) команды Логическое И, логическое ИЛИ, сложение по модулю 2 (Исключающее ИЛИ) маскирование битов в 0 или 1, побитная инверсия по маске; Логические, арифметические и циклические сдвиги вправо или влево с разными значениями вдвигаемых битов; Проверка битов и операндов устанавливает флаги состояния на основании проверки (на нуль, на знак); Установка и очистка битов (флагов) регистра состояния процессора (PSW) для принудительного перевода процессора в тот или иной режим.

15 Выполнение сдвигов (вправо)

16 Команды переходов Команды безусловных переходов (независимо ни от чего); Команды переходов с возвратом в исходную точку; Команды условных переходов (в зависимости от значений флагов регистра состояния процессора): Переход, если равно нулю; Переход, если не равно нулю; Переход, если есть переполнение; Переход, если нет переполнения; Переход, если больше нуля; Переход, если меньше или равно нулю и т.д.; Для проверки условий перехода можно применять команду сравнения, но флаги устанавливаются и любой другой командой, кроме команд переходов.

17 Регистр состояния (FLAGS) процессора Intel 8086 CF флаг переноса при арифметических операциях, PF флаг четности результата, AF флаг дополнительного переноса, ZF флаг нулевого результата, SF флаг знака (старший бит результата), TF флаг пошагового режима (для отладки), IF флаг разрешения аппаратных прерываний, DF флаг направления при строковых операциях, OF флаг переполнения.

18 Реализация разветвления на две ветки

19 Реализация разветвления на три ветки

20 Команды перехода с возвратом в исходную точку (прерывания) Используются для вызова часто выполняемых подпрограмм; Обслуживаются по механизму прерываний (сохранение в стеке параметров возврата); Требуют задания входного числа смещения в памяти для адреса начала подпрограммы или номера прерывания (номера элемента в таблице векторов прерываний) программные прерывания; Для возврата в исходную точку используется специальная команда (безусловный переход) в конце подпрограммы, которая извлекает из стека параметры возврата. Упрощают написание программ, но замедляет их исполнение.

21 Методы увеличения быстродействия программ Использование вставок на языках низкого уровня в наиболее критичных местах; Минимизация количества команд в программе рациональное построение алгоритма; Использование команд с минимальным временем исполнения (например, очистка, инкремент, декремент); Минимизация количества команд переходов; Минимизация количества подпрограмм, вызываемых по механизму прерываний только самые необходимые и часто используемые; Оптимизация обращений к устройствам ввода/вывода; Рациональное расположение данных в памяти.