Презентация на тему: Лекция 6. Программирование микропроцессорной системы

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

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.

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.

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).

Непосредственная адресация и прямая адресация операндов

Регистровая адресация и косвенная адресация операндов

Автоинкрементная адресация и автодекрементная адресация Автоинкрементная адресация: похожа на косвенную, но после выполнения операции содержимое регистра увеличивается на 1 или на 2 (инкрементируется — постинкремент); 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).

Адресация слов и байтов

Сегментирование памяти

Вычисление адреса в памяти при сегментировании

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.

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.

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.

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.

Выполнение сдвигов (вправо)

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.

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.

Реализация разветвления на две ветки

Реализация разветвления на три ветки

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.

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.