Архитектура микропроцессора

Основные характеристики микропроцессора

Микропроцессор характеризуется:
1) тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ;
2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

Разрядностть МП обозначается m /n /k / и включает:
m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;
n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;
k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m /n /k=16/8/20;
3) архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры .

Микроархитектура микропроцессора - это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.

Макроархитектура - это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.

В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных.

Структура типового микропроцессора

Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рис. 2.1 Т акая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации.

Рис. 2.1. Архитектура типового микропроцессора.

Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется 16-разрядная адресная шина (ША), которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-разрядной информационной шине или шине данных (ШД) осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что МП может посылать информацию в память микроЭВМ или к одному из портов вывода, а также получать информацию из памяти или от одного из портов ввода.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую программу (на практике программу инициализации ЭВМ). Программы могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.

В качестве примера, иллюстрирующего работу микроЭВМ , рассмотрим процедуру, для реализации которой нужно выполнить следующую последовательность элементарных операций:
1. Нажать клавишу с буквой "А" на клавиатуре.
2. Поместить букву "А" в память микроЭВМ .
3. Вывести букву "А" на экран дисплея.

Это типичная процедура ввода-запоминания-вывода, рассмотрение которой дает возможность пояснить принципы использования некоторых устройств, входящих в микроЭВМ .

На рис. 2.2 приведена подробная диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода. Обратите внимание, что команды уже загружены в первые шесть ячеек памяти. Хранимая программа содержит следующую цепочку команд:
1. Ввести данные из порта ввода 1.
2. Запомнить данные в ячейке памяти 200.
3. Переслать данные в порт вывода 10.

Рис. 2.2. Диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода.

В данной программе всего три команды, хотя на рис. 2.2 может показаться, что в памяти программ записано шесть команд. Это связано с тем, что команда обычно разбивается на части. Первая часть команды 1 в приведенной выше программе - команда ввода данных. Во второй части команды 1 указывается, откуда нужно ввести данные (из порта 1). Первая часть команды, предписывающая конкретное действие, называется кодом операции (КОП), а вторая часть - операндом. Код операции и операнд размещаются в отдельных ячейках памяти программ. На рис. 2.2 КОП хранится в ячейке 100, а код операнда - в ячейке 101 (порт 1); последний указывает откуда нужно взять информацию.

В МП на рис. 2.2 выделены еще два новых блока - регистры: аккумулятор и регистр команд.

Рассмотрим прохождение команд и данных внутри микроЭВМ с помощью занумерованных кружков на диаграмме. Напомним, что микропроцессор - это центральный узел, управляющий перемещением всех данных и выполнением операций.

Итак, при выполнении типичной процедуры ввода-запоминания-вывода в микроЭВМ происходит следующая последовательность действий:
1. МП выдает адрес 100 на шину адреса. По шине управления поступает сигнал, устанавливающий память программ (конкретную микросхему) в режим считывания.
2. ЗУ программ пересылает первую команду ("Ввести данные") по шине данных, и МП получает это закодированное сообщение. Команда помещается в регистр команд. МП декодирует (интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нужен операнд.
3. МП выдает адрес 101 на ША; ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.
4. Из памяти программ на ШД пересылается операнд "Из порта 1". Этот операнд находится в программной памяти в ячейке 101. Код операнда (содержащий адрес порта 1) передается по ШД к МП и направляется в регистр команд. МП теперь декодирует полную команду ("Ввести данные из порта 1").
5. МП, используя ША и ШУ, связывающие его с устройством ввода, открывает порт 1. Цифровой код буквы "А" передается в аккумулятор внутри МП и запоминается.В ажно отметить, что при обработке каждой программной команды МП действует согласно микропроцедуре выборки-декодирования-исполнения.
6. МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.
7. Код команды "Запомнить данные" подается на ШД и пересылается в МП, где помещается в регистр команд.
8. МП дешифрирует эту команду и определяет, что для нее нужен операнд. МП обращается к ячейке памяти 103 и приводит в активное состояние вход считывания микросхем памяти программ.
9. Из памяти программ на ШД пересылается код сообщения "В ячейке памяти 200". МП воспринимает этот операнд и помещает его в регистр команд. Полная команда "Запомнить данные в ячейке памяти 200" выбрана из памяти программ и декодирована.
10. Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пересылает адрес 200 на ША и активизирует вход записи, относящийся к памяти данных.
11. МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в память данных. Код буквы "А" передается по ШД и записывается в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая команда. Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем по-прежнему находится код буквы "А".
12. МП обращается к ячейке памяти 104 для выбора очередной команды и переводит память программ в режим считывания.
13. Код команды вывода данных пересылается по ШД к МП, который помещает ее в регистр команд, дешифрирует и определяет, что нужен операнд.
14. МП выдает адрес 105 на ША и устанавливает память программ в режим считывания.
15. Из памяти программ по ШД к МП поступает код операнда "В порт 10", который далее помещается в регистр команд.
16. МП дешифрирует полную команду "Вывести данные в порт 10". С помощью ША и ШУ, связывающих его с устройством вывода, МП открывает порт 10, пересылает код буквы "А" (все еще находящийся в аккумуляторе) по ШД. Буква "А" выводится через порт 10 на экран дисплея.

В большинстве микропроцессорных систем (МПС) передача информации осуществляется способом, аналогичным рассмотренному выше. Наиболее существенные различия возможны в блоках ввода и вывода информации.

Подчеркнем еще раз, что именно микропроцессор является ядром системы и осуществляет управление всеми операциями. Его работа представляет последовательную реализацию микропроцедур выборки-дешифрации-исполнения. Однако фактическая последовательность операций в МПС определяется командами, записанными в памяти программ.

Таким образом, в МПС микропроцессор выполняет следующие функции:
- выборку команд программы из основной памяти;
- дешифрацию команд;
- выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах;
- управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода;
- отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств;
- управление и координацию работы основных узлов МП.

Архитектура микропроцессора - это совокупность сведений о составе его компонентов, организации обработки в нем инфор­мации и обмена информацией с внешними устройствами ЭВМ, а также о функциональных возможностях микропроцессора, выпол­няющего команды программы.

Структура микропроцессора - это сведения только о составе его компонентов, соединениях между ними, обеспечивающих их взаимодействие. Таким образом, архитектура является более об­щим понятием, включающим в себя кроме структуры еще и пред­ставление о функциональном взаимодействии компонентов этой структуры между собой и с внешней средой.

Основой любого МП (рис.14) является арифметико-логиче­ское устройство АЛУ, выполняющее обработку информации - арифметические и логические действия над исходными данными и соответствии с командами. Сами данные (исходные, промежу­точные и конечный результат) находятся в регистрах данных РД, а команды - в регистре команд РК. Управление всеми процесса­ми по вводу и выводу информации, взаимодействию между АЛУ, РД и РК осуществляет многофункциональное устройство управ­ления УУ. Данные, команды и управляющие сигналы передаются по внутренней шине ВШ.

Рис.14 Типовая структурная схема МП

Каждый микропроцессор имеет свой внутренний язык, называемый множеством микрокоманд или составом команд – это набор команд, которые понимает и может выполнять данный микропроцессор.

В течение каждого цикла команды ЦП выполняет много управляющих функций:

1) помещает адрес команды в адресную шину памяти;

2) получает команду из шины ввода данных и дешифрирует ее;

3) выбирает адреса и данные, содержащиеся в команде; адреса и данные могут находиться в памяти или в регистрах;

4) выполняет операцию, определенную в коде команды. Операцией может быть арифметическая или логическая функция, передача данных или функция управления;

5) следит за управляющими сигналами, такими как прерывание, и реагирует соответствующим образом;

6) генерирует сигналы состояния, управления и времени, которые необходимы для нормальной работы УВВ и памяти.

Таким образом, ЦП является «мозгом», определяющим действия ЭВМ.

Рис.15 Цикл команды процессора

По характеру исполняемого кода и организации устройства управления выделяется несколько типов архитектур:

- Процессор со сложным набором инструкций , англ. CISC - Complex Instruction Set Computer . Эту архитектуру характеризует большое количество сложных инструкций, и как следствие сложное устройство управления. В ранних вариантах CISC-процессоров и процессоров для встроенных приложений характерны большие времена исполнения инструкций (от нескольких тактов до сотни), определяемые микрокодом устройства управления. Для высокопроизводительных суперскалярных процессоров свойственны глубокий анализ программы, внеочередное исполнение операций.

- Процессор с упрощённым набором инструкций , англ. RISC - Reduced Instruction Set Computer . В этой архитектуре значительно более простое устройство управления. Большинство инструкций RISC-процессора содержат одинаковое малое число операций (1, иногда 2-3), а сами командные слова в подавляющем числе случаев имеют одинаковую ширину (PowerPC, ARM), хотя бывают исключения (Coldfire). У суперскалярных процессоров - простейшая группировка инструкций без изменения порядка исполнения.

- Процессор с явным параллелизмом , англ. EPIC - Explicitly Parallel Instruction Computer (-ing , термин ® Intel, HP). Отличается от прочих прежде всего тем, что последовательность и параллельность исполнения операций и их распределение по функциональным устройствам явно определены программой. Такие процессоры могут обладать большим количеством функциональных устройств без особого усложнения устройства управления и потерь эффективности. Обычно такие процессоры используют широкое командное слово, состоящее из нескольких слогов, определяющих поведение каждого функционального устройства в течение такта.

- Процессор с минимальным набором инструкций , англ. MISC - Minimal Instruction Set Computer . Эта архитектура определяется прежде всего сверхмалым количеством инструкций (несколько десятков), и почти все они нуль-операндные. Такой подход даёт возможность очень плотно упаковать код, выделив под одну инструкцию от 5 до 8 бит. Промежуточные данные в таком процессоре обычно хранятся на внутреннем стеке, и операции производятся над значениям на вершине стека. Эта архитектура тесно связана с идеологией программирования на языке Forth и обычно используется для исполнения программ, написанных на этом языке.

- Процессор с изменяемым набором инструкций , англ. WISC - Writable Instruction Set Computer . Архитектура, позволяющая перепрограммировать себя, изменяя набор инструкций, подстраивая его под решаемую задачу.

- Транспорт-управляемый процессор , англ. TTA - Transort Triggered Architecture . Архитектура изначально ответвилась от EPIC, но принципиально отличающаяся от остальных тем, что инструкции такого процессора кодируют функциональные операции, а так называемые транспорты - пересылки данных между функциональными устройствами и памятью в произвольном порядке.

По способу хранения программ выделяется две архитектуры:

- Архитектура фон Неймана . В процессорах этой архитектуры используется одна шина и одно устройство ввода-вывода для обращения к программе и данным.

- Гарвардская архитектура . В процессорах этой архитектуры для выборки программ и обмена данным существуют отдельные шины и устройства ввода-вывода. Во встроенных микропроцессорах, микроконтроллерах и ПЦОС это также определяет существование двух независимых запоминающих устройств для хранения программ и данных. В центральных процессорах это определяет существование отдельного кэша инструкций и данных. За кэшем шины могут быть объединены в одну посредством мультиплексирования.

По организации регистрового файла ФУ можно выделить следующие типы процессоров.

- Регистровая архитектура - характеризуется свободным доступом к регистрам для выборки всех аргументов и записи результата. Элементарны арифметико-логические операции в таких процессорах кодируются в двух-, или трёхоперандные инструкции (регистр+регистр→регистр, иногда регистр результата совпадает с источником одного из агрументов).

- Аккумуляторная архитектура - из регистров выделяется один из несколько регистров-аккумуляторов. Регистр-аккумулятор является источником одного из аргументов и приёмником результата вычислений. Операции кодируются как правило в однооперандные инструкции (аккумулятор+операнд→аккумулятор). Такая архитектура характерная для многих CISC-процессоров (напр. Z80).

- Стековая архитектура - определяется организацией регистрового файла в виде стека, и косвенной адресацией регистров через указатель стека, который определяет положение вершины стека, операции производятся над значениями на вершине стека и результат кладётся также на вершину. Арифметические операции кодируются в нуль-операндные инструкции. Стековая архитектура является неотъемлемой частью MISC-процессоров.

Микропроцессор (МП) - это программно управляемое устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки и выполнено в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).

Понятие большая интегральная схема в настоящее время четко не определено. Ранее считалось, что к этому классу следует относить микросхемы, содержащие более 1000 элементов на кристалле. И действительно, в эти параметры укладывались первые микропроцессоры. Например, 4-разрядная процессорная секция микропроцессорного комплекта К584, выпускавшегося в конце 1970-х годов, содержала около 1500 элементов. Сейчас, когда микропроцессоры содержат десятки миллионов транзисторов и их количество непрерывно увеличивается, под БИС будем понимать функционально сложную интегральную схему.

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, основу которой составляет микропроцессор.

Микропроцессор характеризуется большим количеством параметров и свойств, так как он является, с одной стороны, функционально сложным вычислительным устройством, а с другой - электронным прибором, изделием электронной промышленности. Как средство вычислительной техники он характеризуется прежде всего своей архитектурой , то есть совокупностью программно-аппаратных свойств, предоставляемых пользователю. Сюда относятся система команд, типы и форматы обрабатываемых данных, режимы адресации, количество и распределение регистров, принципы взаимодействия с оперативной памятью и внешними устройствами (характеристики системы прерываний, прямой доступ к памяти и т. д.). По своей архитектуре микропроцессоры разделяются на несколько типов (рис. 1.1).

Универсальные микропроцессоры предназначены для решения задач цифровой обработки различного типа информации от инженерных расчетов до работы с базами данных, не связанных жесткими ограничениями навремя выполнения задания. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. К нему относятся такие известные микропроцессоры, как МП ряда Pentium фирмы Intel и МП семейства Athlon фирмы AMD.

Рис. 1.1. Классификация микропроцессоров

Характеристики универсальных микропроцессоров:

разрядность: определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ);

виды и форматы обрабатываемых данных;

система команд, режимы адресации операндов;

емкость прямоадресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса;

частота внешней синхронизации. Для частоты синхронизации обычно указывается ее максимально возможное значение, при котором гарантируется работоспособность схемы. Для функционально сложных схем, к которым относятся и микропроцессоры, иногда указывают также минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. В то же время в тех применениях МП, где не требуется высокое быстродействие, снижение частоты синхронизации - одно из направлений энергосбережения. В ряде современных микропроцессоров при уменьшении частоты он переходит в <спящий режим>, при котором сохраняет свое состояние. Частота синхронизации в рамках одной архитектуры позволяет сравнить производительность микропроцессоров. Но разные архитектурные решения влияют на производительность гораздо больше, чем частота;

производительность: определяется с помощью специальных тестов, при этом совокупность тестов подбирается таким образом, чтобы они по возможности покрывали различные характеристики микроархитектуры процессоров, влияющие на производительность.

Универсальные микропроцессоры принято разделять на CISC - иRISC-микропроцессоры. CISC-микропроцессоры (Completed Instruction Set Computing - вычисления с полной системой команд) имеют в своем составе весь классический набор команд с широко развитыми режимами адресации операндов. Именно к этому классу относятся, например, микро процессоры типа Pentium. В то же времяRISC-микропроцессоры (reduced instruction set computing - вычисления с сокращенной системой команд) используют, как следует из определения, уменьшенное количество команд и режимов адресации. Здесь прежде всего следует выделить такие микропроцессоры, как Alpha 21x64, Power PC. Количество команд в системе команд - наиболее очевидное, но на сегодняшний день не самое главное различие в этих направлениях развития универсальных микропроцессоров. Другие различия мы будем рассматривать по мере изучения особенностей их архитектуры.

Однокристальные микроконтроллеры (ОМК или просто МК) предназначены для использования в системах промышленной и бытовой автоматики. Они представляют собой большие интегральные схемы, которые включают в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор (как правило, целочисленный), ЗУ команд, ЗУ данных, генератор тактовых сигналов, программируемые устройства для связи с внешней средой (контроллер прерывания, таймеры-счетчики, разнообразные порты ввода/вывода), иногда аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразова- тели и т. д. В некоторых источниках этот класс микропроцессоров назы- вается однокристальными микро-ЭВМ (ОМЭВМ).

В настоящее время две трети всех производимых микропроцессорных БИС в мире составляют МП этого класса, причем почти две трети из них имеет разрядность, не превышающую 16 бит. К классу однокристальных микроконтроллеров прежде всего относятся микропроцессоры серии MCS-51 фирмы Intel и аналогичные микропроцессоры других производителей, архитектура которых де-факто стала стандартом.

Отличительные особенности архитектуры однокристальных микроконтроллеров:

физическое и логическое разделение памяти команд и памяти данных (гарвардская архитектура), в то время как в классической неймановской архитектуре программы и данные находятся в общем запоминающем устройстве и имеют одинаковый механизм доступа;

упрощенная и ориентированная на задачи управления система команд: в МК, как правило, отсутствуют средства обработки данных с плавающей точкой, но в то же время в систему команд входят команды, ориентированные на эффективную работу с датчиками и исполнительными устройствами, например, команды обработки битовой информации;

простейшие режимы адресации операндов.

Основные характеристики микроконтроллеров (в качестве примера численные значения представлены для MK-51):

Разрядность (8 бит).

Емкость внутренней памяти команд и памяти данных, возможности и пределы их расширения:

внутренняя память команд - 4 Кбайт (в среднем команда имеет длину 2 байта, таким образом, во внутренней памяти может быть размещена программа длиной около 2000 команд); возможность наращивания за счет подключения внешней памяти до 64 Кбайт;

память данных на кристалле 128 байт (можно подключить внешнюю память общей емкостью до 64 Кбайт).

Тактовая частота:

• внешняя частота 12 МГц;

  частота машинного цикла 1 МГц.

Возможности взаимодействия с внешними устройствами: количество и назначение портов ввода-вывода, характеристики системы прерывания, программная поддержка взаимодействия с внешними устройствами.

Наличие и характеристики встроенных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) для упрощения согласования с датчиками и исполнительными устройствами системы управления.

Секционированные микропроцессоры (другие названия: микропрограммируемые и разрядно-модульные) - это микропроцессоры, предназначенные для построения специализированных процессоров. Они представляют собой микропроцессорные секции относительно небольшой (от 2 до 16) разрядности с пользовательским доступом к микропрограммному уровню управления и средствами для объединения нескольких секций.

Такая организация позволяет спроектировать процессор необходимой разрядности и со специализированной системой команд. Из-за своей малой разрядности микропроцессорные секции могут быть построены с использованием быстродействующих технологий. Совокупность всех этих факторов обеспечивает возможность создания процессора, наилучшим образом ориентированного на заданный класс алгоритмов как по системе команд и режимам адресации, так и по форматам данных.

Одним из первых комплектов секционированных микропроцессоров были МП БИС семейства Intel 3000. В нашей стране они выпускались в составе серии К589 и 585. Процессорные элементы этой серии представляли собой двухразрядный микропроцессор. Наиболее распространенным комплектом секционированных микропроцессоров является Am2900, основу которого составляют 4-разрядные секции. В нашей стране аналог этого комплекта выпускался в составе серии К1804. В состав комплекта входили следующие БИС:

• разрядное секционное АЛУ;

  блок ускоренного переноса;

  разрядное секционное АЛУ с аппаратной поддержкой умножения;

  типа схем микропрограммного управления;

  контроллер состояния и сдвига;

  контроллер приоритетных прерываний.

Основным недостатком микропроцессорных систем на базе секционированных микропроцессорных БИС явилась сложность проектирования, отладки и программирования систем на их основе. Использование специализированной системы команд приводило к несовместимости разрабатываемого ПО для различных микропроцессоров. Возможность создания оптимального по многим параметрам специализированного процессора требовала труда квалифицированных разработчиков на протяжении длительного времени. Однако бурное развитие электронных технологий привело к тому, что за время проектирования специализированного процессора разрабатывался универсальный микропроцессор, возможности которого перекрывали гипотетический выигрыш от проектирования специализированного устройства. Это привело к тому, что в настоящее время данный класс микропроцессорных БИС практически не используется.

Процессоры цифровой обработки сигналов, илицифровые сигнальные процессоры , представляют собой бурно развивающийся класс микропроцессоров, предназначенных для решения задач цифровой обработки сигналов - обработки звуковых сигналов, изображений, распознавания образов и т. д. Они включают в себя многие черты однокристальных микро контроллеров: гарвардскую архитектуру, встроенную память команд и данных, развитые возможности работы с внешними устройствами. В то же время в них присутствуют черты и универсальных МП, особенно с RISC-архитектурой: конвейерная организация работы, программные и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей запятой, аппаратная поддержка сложных специализированных вычислений, особенно умножения.

Как электронное изделие микропроцессор характеризуется рядом параметров, наиболее важными из которых являются следующие:

Требования к синхронизации: максимальная частота, стабильность.

Количество и номиналы источников питания, требования к их стабильности. В настоящее время существует тенденция к уменьшению напряжения питания, что сокращает тепловыделение схемы и ведет к повышению частоты ее работы. Если первые микропроцессоры работали при напряжении питания+-15В, то сейчас отдельные схемы используют источники менее 1 В.

Мощность рассеяния - это мощность потерь в выходном каскаде схемы, превращающаяся в тепло и нагревающая выходные транзисторы. Иначе говоря, она характеризует показатель тепловыделения БИС, что во многом определяет требования к конструктивному оформлению микропроцессорной системы. Эта характеристика особенно важна для встраиваемых МПС.

Уровни сигналов логического нуля и логической единицы, которые связаны с номиналами источников питания.

Тип корпуса - позволяет оценить пригодность схемы для работы в тех или иных условиях, а также возможность использования новой БИС в качестве замены существующей на плате.

Температура окружающей среды, при которой может работать схема. Здесь выделяют два диапазона:

коммерческий (0 0 С … +70 0 С);

расширенный (-40 0 С … +85 0 С).

Помехоустойчивость - определяет способность схемы выполнять свои функции при наличии помех. Помехоустойчивость оценивается интенсивностью помех, при которых нарушение функций устройства еще не превышает допустимых пределов. Чем сильнее помеха, при которой устройство остается работоспособным, тем выше его помехоустойчивость.

Нагрузочная способность, или коэффициент разветвления по выходу, определяется числом схем этой же серии, входы которых могут быть присоединены к выходу данной схемы без нарушения ее работоспособности. Чем выше нагрузочная способность, тем шире логические возможности схемы и тем меньше таких микросхем необходимо для построения сложного вычислительного устройства. Однако с увеличением этого коэффициента ухудшаются помехоустойчивость и быстродействие.

Надежность - это способность схемы сохранять свой уровень качества функционирования при установленных условиях за установленный период времени. Обычно характеризуется интенсивностью отказов (час-1) или средним временем наработки на отказ (час). В настоящее время этот параметр для больших инте- гральных схем обычно не указывается изготовителем. О надежности МП БИС можно судить по косвенным показателям, например, по приводимой разработчиками средств вычислительной техники надежности изделия в целом.

Характеристики технологического процесса. Основной показатель здесь - разрешающая способность процесса. В настоящее время она составляет 32 нм, то есть около 30 тыс. линий на 1 мм. Более совершенный технологический процесс позволяет создать микропроцессор, обладающий большими функциональными возможностями.

Рис. 1.2. Затраты на производство микропроцессорной системы

Затраты на изготовление устройств, использующих микропроцессорные БИС, представлены на рис. 1.2. Здесь:

1. затраты на изготовление БИС (чем больше степень интеграции элементов на кристалле, тем дороже обходится производство схемы);

   затраты на сборку и наладку микропроцессорной системы (с увеличением функциональных возможностей МП потребуется меньше схем для создания МПС);

   общая стоимость микропроцессорной системы, которая складывается из затрат (1) и (2). Она имеет некоторое оптимальное значение для данного уровня развития технологии;

   переход на новую технологию (оптимальным будет уже другое количество элементов на кристалле, а общая стоимость изделия снижается).

В 1965 году Гордон Мур сформулировал гипотезу, известную в настоящее время как <закон Мура>, согласно которой каждые 1,5-2 года число транзисторов в расчете на одну интегральную схему будет удваиваться. Это обеспечивается непрерывным совершенствованием технологических процессов производства микросхем.

Наиболее развитая в технологическом отношении фирма Intel в жизненном цикле полупроводниковых технологий, создаваемых и применяемых в корпорации, выделяет шесть стадий.

Самая ранняя стадия проходит за пределами Intel - в университетских лабораториях и независимых исследовательских центрах, где ведутся поиски новых физических принципов и методов, которые могут стать основой научно-технологического задела на годы вперед. Корпорация финансирует эти исследования.

На второй стадии исследователи Intel выбирают наиболее перспективные направления развития новых технологий. При этом обычно рассматривается 2-3 варианта решения.

Главная задача третьей стадии - полная черновая проработка новой технологии и демонстрация ее осуществимости.

После этого начинается четвертая стадия, главная цель которой - обеспечить достижение заданных значений таких ключевых технических и экономических показателей, как выход годных изделий, надежность, стоимость и некоторые другие. Завершение этапа подтверждается выпуском первой промышленной партии новых изделий.

Пятая стадия - промышленное освоение новой технологии. Эта проблема не менее сложна, чем разработка самой технологии, поскольку необычайно трудно в точности воспроизвести в условиях реального производства то, что было получено в лаборатории. Обычно именно здесь возникают задержки со сроками выпуска новых изделий, с достижением запланированного объема поставок и себестоимости продукции.

Последняя, шестая стадия жизненного цикла технологии (перед отказом от ее применения) - зрелость. Зрелая технология, подвергаясь определенному совершенствованию с целью повышения производительности оборудования и снижения себестоимости продукции, обеспечивает основные объемы производства. По мере внедрения новых, более совершенных технологий <старые> производства ликвидируются.

Но не сразу: сначала они переводятся на выпуск микросхем с меньшим быстродействием или с меньшим числом транзисторов, например, периферийных БИС.

Структура и особенности архитектуры микропроцессора Pentium 4

Микропроцессор Pentium 4 является завершающей моделью 32-разрядных микропроцессоров фирмы INTel с архитектурой IA-32. Основные особенности этого процессора:

новая микроархитектура процессора NetBurst (пакетно-сетевая);

новая системная шина FSB.

Микроархитектура процессора определяет реализацию его внутренней структуры, принципы выполнения поступающих команд, способы размещения и обработки данных. Микроархитектура NetBurst отличается от своих предшественников по целому ряду позиций:

Применена гарвардская структура с разделением потоков команд и данных.

Используется гиперконвейерная технология (Hyper-PIPelINed Technology) выполнения команд, при которой число ступеней конвейера достигает 31 (в Pentium III - 11 ступеней). Таким образом, одновременно в процессе выполнения на разных стадиях реализации может находиться свыше 30 команд.

Используется динамическое выполнение команд (dynamic execution), построенное на трех базовых концепциях: предсказание переходов (branch prediction), динамический анализ потока данных (dynamic data flow analysis) и спекулятивное выполнение (OUT-oforder execution). Аналогичный механизм, названный Dynamic Execution, используется в МП Pentium III, однако в INTel Pentium 4 он улучшен.

Выполнение арифметических и логических операций происходит с удвоенной тактовой частотой процессора, что позволяет за один такт получить результаты для двух команд.

Кеш-память 2-го уровня емкостью 256 Кбайт размещается непосредственно на кристалле процессора, что позволяет сократить время выборки по сравнению с Pentuim III, где эта кэш-память располагается на отдельном кристалле в общем корпусе с процессором.

Значительно расширены возможности обработки чисел по принципу SIMD в новом блоке SSE-2.

Рассмотрим эти особенности более подробно. предСтруктура МП Pentium 4

Команды и данные поступают в микропроцессор через блок системного интерфейса.

Любой процессор архитектуры x86 обязательно оснащен процессорной шиной. Эта шина служит каналом связи между процессором и всеми остальными устройствами в компьютере: памятью, видеокартой, жестким диском и так далее. Так, классическая схема организации внешнего интерфейса процессора предполагает, что параллельная мультиплексированная процессорная шина, которую принято называть FSB (Front Side Bus), соединяет процессор (иногда два процессора или даже больше) и контроллер, обеспечивающий доступ к оперативной памяти и внешним устройствам. Этот контроллер обычно входит в состав северного моста набора системной логики (чипсета). Для ускорения обмена с памятью в Pentium 4 используется новая реализация системной шины, обеспечивающая обмен с эквивалентной частотой 400 МГц. Такая скорость достигается путем применения нового типа сверхбыстродействующей двухканальной памяти типа RDRAM и специальной микросхемы MCH (Memory ConTRoller Hub), реализующей 4 канала передачи данных. При тактовой частоте каждого канала 100 МГц обеспечивается общая частота обмена, эквивалентная 400 МГц. Шина включает 64-разрядную двунаправленную шину данных, дающую пропускную способность в 3,2 Гбайт/с, и 36-разрядную шину адреса (33 адресных линии А35-А3 и 8 линий выбора байтов BE7-ВЕ0), что позволяет адресовать физическую память емкостью до 64 Гбайт. Именно учетверенная результирующая частота передачи данных является одним из главных предметов гордости разработчиков Pentium 4. Однако для многочисленных мелких запросов, где данные в большинстве своем умещаются в одну 64-байтную порцию (и, соответственно, не используются возможности многоканальной передачи), важнее именно частота тактирования. Последние модели Pentium 4 работают на частоте системной шины 150 МГц, что обеспечивает эквивалентную частоту FSB в 600 МГц и пропускную способность в 4,8 Гбайт/с.

Полученная по системной шине информация сохраняется в кэш-памяти 2-го уровня (L2) емкостью 256 Кбайт, общей для команд и данных, которая размещается непосредственно на кристалле МП. Ширина шины, по которой идет обмен данными между кэш-памятью L2 и процессором, составляет 256 бит (32 байта), а ее тактовая частота совпадает с тактовой частотой ядра процессора.

Гарвардская внутренняя структура реализуется на уровне кэш-памяти 1-го уровня (L1) путем разделения потоков команд и данных. Кэш-память данных 1-го уровня имеет емкость 8 Кбайт. Вместо кэш-памяти команд 1-го уровня в Pentium 4 используется кэш-память для декодированных команд (микрокоманд). Execution TRace Cache - это название и одновременно способ реализации L1-кэша инструкций в архитектуре NetBurst. Смысловое содержание этого термина можно перевести как "кэш трассировки выполняемых микрокоманд". В Execution TRace Cache хранятся микрокоманды (?ops), которые были получены в результате декодирования входного потока инструкций исполняемого кода и готовы для передачи на выполнение конвейеру. Емкость Execution TRace Cache составляет 12 Кбайт.

После заполнения кэш-памяти микрокоманд практически любая команда будет храниться в ней в декодированном виде. Поэтому при поступлении очередной команды блок трассировки выбирает из этой кэшпамяти необходимые микрокоманды, обеспечивающие ее выполнение.

Если в потоке команд оказывается команда условного перехода, то включается механизм предсказания ветвления, который формирует адрес следующей выбираемой команды до того, как будет определено условие выполнения перехода.

После формирования потоков микрокоманд производится выделение регистров, необходимых для выполнения декодированных команд.

Эта процедура реализуется блоком распределения регистров. Он выделяет для каждого указанного в команде логического регистра (регистра цлочисленных операндов EAX, EBX и т. д., регистра операндов с плавающей точкой ST0-ST7 или регистра блоков MMX, SSE) один из 128 физических регистров, входящих в состав блоков регистров замещения (БРЗ) целочисленного блока микропроцессора и блока обработки чисел с плавающей точкой. Эта процедура позволяет минимизировать конфликты в конвейерах и выполнять команды, использующие одни и те же логические регистры, одновременно или с изменением их последовательности.

Ступени распределения/переименования конвейера могут выпустить три микрокоманды за такт на следующую ступень конвейера.

Выбранные микрокоманды размещаются в очереди микрокоманд. В ней содержатся микрокоманды, реализующие выполнение до 120 поступивших и декодированных команд, которые затем направляются в исполнительные устройства. Отметим, что в процессорах Pentium III в очереди находятся микрокоманды для 40 поступивших команд. Значительное увеличение числа команд, стоящих в очереди, позволяет более эффективно организовать поток их исполнения, изменяя последовательность выполнения команд и выделяя команды, которые могут выполняться параллельно. Эти функции реализует блок распределения микрокоманд. Он выбирает микрокоманды из очереди не в порядке их поступления, а по мере готовности соответствующих операндов и исполнительных устройств. В результате команды, поступившие позже, могут быть выполнены до ранее выбранных команд. При этом реализуется одновременное выполнение нескольких микрокоманд (команд) в параллельно работающих исполнительных устройствах. Таким образом, естественный порядок следования команд (микрокоманд) нарушается, чтобы обеспечить более полную загрузку параллельно включенных исполнительных устройств и повысить производительность процессора.

Адреса операндов, выбираемых из памяти, вычисляются блоком формирования адреса (БФА), который реализует интерфейс с кэш-памятью данных 1-го уровня. В соответствии с заданными в декодированных командах способами адресации формируются 48 адресов для загрузки операндов из памяти в регистр БРЗ и 24 адреса для записи из регистра в память (в Pentium III формируются 16 адресов для загрузки регистров и 12 адресов для записи в память). При этом БФА формирует адреса операндов для команд, которые еще не поступили на выполнение. При обращении к памяти БФА одновременно выдает адреса двух операндов: один для загрузки операнда в заданный регистр БРЗ, второй - для пересылки результата из БРЗ в память. Таким образом реализуется процедура предварительного чтения данных для последующей их обработки в исполнительных блоках (спекулятивная выборка).

Аналогичным образом организуется параллельная работа блоков SSE, FPU, MMX, которые используют отдельный набор регистров и блок формирования адресов операндов.

При выборке операнда из памяти производится обращение к кэшпамяти данных (L1), которая имеет отдельные порты для чтения и записи. За один такт производится выборка операндов для двух команд.

При формировании адресов обеспечивается обращение к заданному сегменту памяти. Каждый сегмент может делиться на страницы. Для сокращения времени трансляции используется буфер ассоциативной трансляции страничного адреса TLB, который хранит базовые адреса наиболее часто используемых страниц.

Микрокоманды поступают в исполнительное ядро из блока распределения по 4 портам в 8 исполнительных блоков. Эти порты выполняют функцию шлюзов к функциональным устройствам. Для обработки целочисленных данных и выполнения логических операций в Pentium 4 используются 4 однотипных арифметико-логических устройства (ALU). Обработка чисел с плавающей запятой проходит в FPU. Блоки MMX и SSE предназначены для выполнения команд этих типов.

За один такт через порты может пройти до шести микрокоманд. Это больше, чем может выполнить препроцессор (3 микрокоманды за такт), что дает некоторую свободу в случае резкого увеличения количества готовых к исполнению микрокоманд. Суперскалярная архитектура микропроцессора реализуется путем организации исполнительного ядра МП в виде ряда параллельно работающих блоков.

Арифметико-логические блоки ALU производят обработку целочисленных операндов, которые поступают из заданных регистров БРЗ. В эти же регистры заносится и результат операции. При этом проверяются условия ветвления для команд условных переходов и выдаются сигналы перезагрузки конвейера команд в случае неправильно предсказанного ветвления. Рабочая тактовая частота модулей ALU в два раза выше тактовой частоты процессора. Это достигается за счет срабатывания как по переднему, так и по заднему фронтам задающего тактового сигнала. Таким образом, каждый ALU-модуль способен выполнить до двух целочисленных операций за один рабочий такт процессора.

Эффективность конвейера резко снижается из-за необходимости его перезагрузки при выполнении условных ветвлений, когда требуется произвести очистку всех предыдущих ступеней и выбрать команду из другой ветви программы. Чтобы сократить потери времени, связанные с перезагрузкой конвейера, используется улучшенный блок предсказания ветвлений . Его основной частью является ассоциативная память, называемая буфером адресов ветвлений BTB, в которой хранятся 4092 адреса ранее выполненных переходов. Отметим, что в BTB процессора Pentium III хранятся адреса только 512 переходов. Кроме того, BTB содержит биты, хранящие предысторию ветвления, которые указывают, выполнялся ли переход при предыдущих выборках данной команды. При поступлении очередной команды условного перехода указанный в ней адрес сравнивается с содержимым BTB. Если этот адрес не содержится в BTB, то есть ранее не производились переходы по данному адресу, то предсказывается отсутствие ветвления. В этом случае продолжается выборка и декодирование команд, следующих за командой перехода. При совпадении указанного в команде адреса перехода с каким-либо из адресов, хранящихся в BTB, производится анализ предыстории. В процессе анализа определяется чаще всего реализуемое направление ветвления, а также выявляются чередующиеся переходы. Если предсказывается выполнение ветвления, то выбирается и загружается в конвейер команда, размещенная по предсказанному адресу. Более совершенный механизм предсказания переходов в МП Pentium 4 обеспечивает уменьшение количества ошибочно предсказанных переходов в среднем на 33 % по сравнению с Pentium III. Таким образом, резко уменьшается число перезагрузок конвейера при неправильном предсказании ветвления.

В Pentium 4 также интегрирован набор из 144 новых SIMD-инструкций, обеспечивающих одновременное выполнение одной операции над несколькими операндами. Рассмотрим особенности использования этой схемы обработки данных подробнее.

Технология MMX - итог совместной работы создателей архитектуры микропроцессоров INTel и программистов. При ее разработке был исследован широкий круг программ аудиовизуальной обработки информации: обработка изображений, MPEG-видео, синтеза музыки, сжатия речи и ее распознавания, поддержка видеоконференций, компьютерные игровые программы и т. д. В результате этого анализа были выявлены основные особенности таких программ:

использование данных целого типа небольшой разрядности, например, 8-разрядные графические пиксели и 16-разрядная оцифровка звука;

короткие циклы с высокими коэффициентами повторяемости;

большое количество операций умножения и суммирования, в том числе из-за широкого использования быстрого преобразования Фурье;

применение алгоритмов, требующих интенсивных вычислений;

широкое использование операций с высоким уровнем параллелизма.

Было отмечено, что в мультимедийных приложениях 80 % времени выполнения программы приходится на 10-20 % программного кода.

Малая разрядность данных требует дополнительных действий при их обработке на 32-разрядном микропроцессоре, не позволяя в то же время использовать всю мощь 32-разрядной архитектуры.

Простым и наглядным примером такого рода обработки может служить изменение значений всех пикселей видеопамяти на определенную величину. Пусть емкость видеопамяти составляет 1 Мбайт, а каждый пиксель кодируется 1 байтом. Тогда для выполнения указанного действия потребуется выполнить примерно 1 млн операций по прибавлению константы к однобайтовому операнду, который выбирается из памяти. Одновременное выполнение таких действий над 4 операндами, что сократило бы количество операций в 4 раза, невозможно в классической архитектуре IA-32 из-за отсутствия соответствующих команд в системе команд и форматов используемых данных.

На устранение этих противоречий и были направлены основные усилия разработчиков технологии MMX. Процессор Pentium MMX, в котором впервые была реализована новая технология, был представлен фирмой INTel в январе 1997 года. Он позволил на 10-20 % повысить производительность на стандартных тестах, а для специализированных мультимедийных приложений - на 50 %.

Тема 1.2 Организация управления процессом обработки информации

План:

1 Структура микропроцессора

2 Аппаратный принцип управления выполнением операций

3 Микропрограммный принцип управления выполнением операций

Структура микропроцессора

Структура микропроцессора определяет состав и взаимодействие основных устройств и блоков, размещенных на его кристалле.

В эту структуру входят:

­ центральный процессор (процессорное ядро), состоящее из устройства управления (УУ), одного или нескольких операционных устройств (ОУ), структурная схема приведена на рисунке 2;

­ внутренняя память (РЗУ, кэш-память, блоки оперативной и постоянной памяти);

­ интерфейсный блок, обеспечивающий выход на системную шину и обмен данными с внешними устройствами через параллельные или последовательные порты ввода/вывода;

­ периферийные устройства (таймерные модули, аналого-цифровые преобразователи, специализированные контроллеры);

­ различные вспомогательные схемы (генератор тактовых импульсов, схемы для выполнения отладки и тестирования, сторожевой таймер и ряд других).

Рисунок 2 – Структурная схема процессора

Операционное устройство (ОУ) - устройство, в котором выполняются операции. Оно включает в качестве узлов регистры, сумматоры, арифметико–логическое устройство (АЛУ), каналы передачи информации, мультиплексоры для коммутации каналов, шифраторы, дешифраторы и т.д.

Арифметико–логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций.

Управляющее устройство (УУ) координирует действия узлов операционного устройства; оно вырабатывает в некоторой временной последовательности управляющие сигналы, под действием которых в узлах операционного устройства выполняются требуемые действия.

Процесс функционирования операционного устройства распадается на последовательность элементарных действий в его узлах:

1) установка регистра в некоторое состояние (например, запись в регистр R1 числа 0, обозначаемая R1 <− 0);

2) инвертирование содержимого разрядов регистра (например, если регистр R2 содержал двоичное число 101101, то после инвертирования его содержимое будет равно 010010; такое действие обозначают R2 <− ());

3) пересылка содержимого одного узла в другой (например, пересылка содержимого регистра R2 в регистр R1, обозначаемая R1 <− (R2));

4) сдвиг содержимого узла влево, вправо (например, сдвиг на один разряд влево содержимого регистра R1, обозначаемый R1 <− СдвЛ (R1);

5) счет, при котором число в счетчике (регистре) возрастает или убывает на единицу (Сч<− (Сч ± 1));

6) сложение (например, R2 <− (R2) + (R1));

7) сравнение содержимого регистра на равенство с некоторым числом; результат сравнения: лог. 1 (при выполнении равенства) либо лог.0 (при невыполнении равенства);

8) некоторые логические действия (поразрядно выполняемые операции конъюнкции, дизъюнкции и др.). Каждое такое элементарное действие, выполняемое в одном из узлов ОУ в течение одного тактового периода, называется микрооперацией.

В определенные тактовые периоды одновременно могут выполняться несколько микроопераций, например R2 <− 0, Сч <− (Сч) - 1. Такая совокупность одновременно выполняемых микроопераций называется микрокомандой , а весь набор микрокоманд, предназначенный для решения определенной задачи, - микропрограммой.

Таким образом, если в операционном устройстве предусматривается возможность исполнения п различных микроопераций, то из управляющего устройства выходят п управляющих цепей, каждая из которых соответствует определенной микрооперации. И если необходимо в операционном устройстве выполнить некоторую микрооперацию, достаточно из управляющего устройства по определенной управляющей цепи, соответствующей этой микрооперации, подать сигнал (например, напряжение уровня лог. 1). В силу того, что управляющее устройство определяет микропрограмму, т.е. какие и в какой временной последовательности должны выполняться микрооперации, оно получило название микропрограммного автомата.

Формирование управляющих сигналов y 1 , ... ,y п для выполнения микрокоманд может происходить в зависимости от состояния узлов операционного устройства, определяемого сигналами х 1 , ... x s , которые подаются с соответствующих выходов операционного устройства на входы управляющего устройства. Управляющие сигналы y 1 , ..., y п могут также зависеть от внешних сигналов x s +1 ,..., x L .

Для сокращения числа управляющих цепей, выходящих из управляющего устройства (в тех случаях, когда оно конструктивно выполняется отдельно от операционного), микрокоманды могут кодироваться.

Существует два принципиально разных подхода к проектированию микропрограммного автомата (управляющего устройства):

Использование принципа схемной логики;

Использование принципа программируемой логики.

В первом случае в процессе проектирования подбирается некоторый набор цифровых микросхем (обычно малой и средней степени интеграции) и определяется такая схема соединения их выводов, которая обеспечивает требуемое функционирование (т.е. функционирование процессора определяется тем, какие выбраны микросхемы и по какой схеме выполнено соединение их выводов). Устройства, основанные на таком принципе схемной логики, способны обеспечивать наивысшее быстродействие при заданном типе технологии элементов. Недостаток этого принципа построения процессора состоит в трудности использования БИС и СБИС.

Второй подход предполагает построение процессора с использованием одной или нескольких БИС некоторого универсального устройства, в котором требуемое функционирование (т.е. специализация устройства на выполнение определенных функций) обеспечивается занесением в память устройства определенной программы (или микропрограммы).

В зависимости от введенной программы такое универсальное управляющее устройство способно обеспечивать требуемое управление операционным устройством при решении самых разнообразных задач. В этом случае число типов БИС, необходимых для построения управляющего устройства, окажется небольшим, а потребность в БИС каждого типа высокой, что обеспечит целесообразность их выпуска промышленностью.

При построении операционных устройств целесообразно широко использовать БИС с таким набором узлов и схемой соединения, которые обеспечили бы решение разнообразных задач. Независимо от решаемой задачи может быть использовано одно и то же универсальное операционное устройство, функционирующее под действием микропрограммы, хранящейся в управляющем устройстве. Следует иметь в виду, что наивысшее быстродействие достигается в процессорах, в которых управляющее устройство строится с использованием принципа схемной логики, а операционное устройство выполняется в виде устройства, специализированного для решения конкретной задачи.

Рисунок 5 - Типовая структура микропроцессорной системы

Разрядность шины адреса определяет максимальный объем адресуемой процессором внешней памяти. Например, 16-разрядная шина А обеспечивает адресацию памяти объемом до 64 Кбайт, а 32-разрядная шина-до 4 Гбайт.

В некоторых системах для уменьшения числа необходимых линий связи и соответствующих выводов и контактов используетсямультиплексирование линий адреса и данных. В таких системах для передачи адреса и данных используются одни и те же линии связи, на которые сначала выдается адрес, а затем поступают данные. Обмен информацией по мультиплексированной шине AD требует введения отдельного регистра для хранения адреса в процессе пересылки данных.

Разрядность шины управления С определяется организацией работы системы, возможностями реализации различных режимов ее функционирования, используемыми методами контроля микропроцессора и других устройств. Поэтому набор передаваемых по шине С управляющих сигналов является индивидуальным для каждой модели микропроцессора. В процессе функционирования микропроцессорной системы реализуются следующие основные режимы ее работы:

­ выполнение основной программы;

­ вызов подпрограммы;

­ обслуживание прерываний и исключений;

­ прямой доступ к памяти.

Рассмотрим основные принципы реализации этих режимов.

Режим вызова программы

Обращение к подпрограмме реализуется при поступлении в микропроцессор специальной команды CALL (в некоторых процессорах эта команда имеет мнемоническое обозначение JSR - Jump-to-SubRoutine), которая указывает адрес первой команды вызываемой подпрограммы. Этот адрес загружается в PC, обеспечивая в следующем командном цикле выборку первой команды подпрограммы. Предварительно выполняется процедура сохранения в специальном регистре или ячейке памяти текущего содержимого PC, где хранится адрес следующей команды основной программы, чтобы обеспечить возвращение к ней после выполнения подпрограммы. Возврат к основной программе реализуется при поступлении команды RETURN (мнемоническое обозначение RET), завершающей подпрограмму. По этой команде сохранявшееся содержимое PC снова загружается в программный счетчик, обеспечивая выполнение команды, которая в исходной программе следовала за командой CALL.

Особенность этой процедуры состоит в том, что большинство микропроцессоров обеспечивают возможности вложения подпрограмм, т.е. реализуют при выполнении подпрограммы вызов новой подпрограммы с последующим возвращением к предыдущей подпрограмме (Рисунок 7). При вложении нескольких подпрограмм требуется сохранение нескольких промежуточных значений содержимого PC и последовательная загрузка этих значений в PC при возврате к предыдущим подпрограммам и к основной программе.

Рисунок 7 - Последовательный вызов (вложение) подпрограмм

Для реализации этой процедуры используетсястек - специальная память магазинного типа, работающая по принципу «последний пришел - первый ушел» (стек типа LIFO -«Last In-First Out»). Существуют различные варианты реализации стека. Регистровый стек (Рисунок 5) реализуется с помощью реверсивных сдвиговых регистров. Каждая команда CALL вызывает ввод в стек очередного содержимого PC. По команде RETURN направление сдвига изменяется и производится извлечение из стека последнего поступившего содержимого PC. Таким образом, обеспечивается выполнение вложенных подпрограмм. Возможное число вложенных подпрограмм определяется глубиной стека, т.е. разрядностью используемых регистров сдвига. Если число вложений превышает глубину стека, первые из введенных в стек значений PC теряются, т.е. возврат к основной программе не будет обеспечен. Поэтому при использовании регистрового стека необходим строгий контроль за числом вложений. Такая реализация стека применяется в системах, решающих задачи с ограниченным числом вложенных подпрограмм (обычно не более 10-20).

Значительно более широкие возможности вложения подпрограмм обеспечивает реализация стека в ОЗУ (Рисунок 8). В этом случае часть ОЗУ выделяется для работы в качестве стека. Адресация к ячейкам стека производится с помощью специального регистра - указателя стека SP (Stack Pointer), который вводится в состав УУ процессора. Регистр SP содержит адрес верхней заполненной ячейки стека, в которой хранится значение PC, записанное при выполнении команды CALL.

Рисунок 8 - Варианты реализации стека:

регистровый стек (а) и стек, реализуемый в ОЗУ (б)

При поступлении новой команды CALL (операция PUSH ) содержимое SP автоматически уменьшается на 1, адресуя следующую, еще незаполненную ячейку стека. Полученный адрес SP-1 выдается на шину А, а на шину D поступает содержимое PC, которое должно сохраняться в стеке.

Таким образом, производится последовательное заполнение ячеек стека «снизу-вверх», при этом SP всегда адресует вершину стека. По команде RETURN (операция POP ) текущее содержимое SP выдается на шину А, и по шине D производится считывание с вершины стека последнего записанного значения PC. После этого содержимое SP увеличивается на 1, адресуя предыдущее значение PC, хранящееся в стеке. Так как ОЗУ обычно имеет значительный объем, то для размещения стека можно выделить достаточно большое количество ячеек памяти, обеспечивая необходимый уровень вложения подпрограмм.

Рисунок 9 - Реализация конвейерного исполнения команд

при идеальной (а) и реальной (б) загрузке 6-ступенчатого конвейера

Реализация каждого этапа занимает один такт машинного времени и производится устройствами и блоками процессора, образующими ступени исполнительного конвейера, на каждой из которых выполняется соответствующая микрооперация. При последовательной загрузке в конвейер выбираемых команд каждая его ступень реализует определенный этап выполнения очередной команды. В идеальном варианте при полной загрузке конвейера на его выход в каждом такте будет поступать результат выполнения очередной команды (Рисунок 9, а). В этом случае производительность процессора (операций/с) будет равна его тактовой частоте (тактов/с). Реально отдельные ступени конвейера могут оказаться незагруженными, находясь в состоянии ожидания или простоя. Ожиданием называется состояние исполнительной ступени, когда она не может выполнить требуемую микрооперацию, так как еще не получен необходимый операнд, являющийся результатом выполнения предыдущей команды. Простоем называется состояние ступени, когда она вынуждена пропустить очередной такт, так как поступившая команда не требует выполнения соответствующего этапа. На рисунке 8,б показан пример работы 6-ступенчатого конвейера при выполнении фрагмента реальной программы, когда отдельные ступени оказываются в состоянии ожидания (ОЖ) или простоя (ПР).

При использовании в программе разноформатных команд, содержащих различное количество байтов, число состояний простоя и ожидания, которые приходится вводить в процессе выполнения команд, значительно увеличивается. Поэтому принятый во многих RISC-процессорах стандартный 4-байтный формат команд обеспечивает существенное сокращение числа ожиданий и простоев конвейера, что позволяет значительно повысить производительность.

Другой причиной снижения эффективности конвейера являются команды условного ветвления. Если выполняется условие ветвления, то приходится производить перезагрузку конвейера командами из другой ветви программы, что требует выполнения дополнительных рабочих тактов и вызывает значительное снижение производительности. Поэтому одним из основных условий эффективной работы конвейера является сокращение числа его перезагрузок при выполнении условных переходов. Эта цель достигается с помощью реализации различных механизмов предсказания направления ветвления, которые обеспечиваются с помощью специальных устройств - блоков предсказания ветвления , вводимых в структуру процессора.

Возможность повышения производительности процессора достигается также при введении в структуру процессора нескольких параллельно включенных операционных устройств, обеспечивающих одновременное выполнение нескольких операций. Такая структура процессора называется суперскалярной. В этих процессорах реализуется параллельная работа нескольких исполнительных конвейеров, в каждый из которых поступает для выполнения одна из выбранных и декодированных команд. В идеальном случае число одновременно выполняемых команд равно числу операционных устройств, включенных в исполнительные конвейеры. Однако при выполнении реальных программ трудно обеспечить полную загрузку всех исполнительных конвейеров, поэтому на практике эффективность использования суперскалярной структуры оказывается несколько ниже. Современные суперскалярные процессоры содержат до 4 до 10 различных операционных устройств, параллельная работа которых обеспечивает выполнение за один такт в среднем от 2 до 6 команд.

Эффективная одновременная работа нескольких исполнительных конвейеров обеспечивается путем предварительной выборки-декодирования ряда команд и выделения из них группы команд, которые могут выполняться одновременно. В современных суперскалярных процессорах производится выборка нескольких десятков команд, которые декодируются, анализируются и группируются для параллельной загрузки в исполнительные конвейеры.

Вывод:

Большинство микропроцессорных систем имеет магистрально-модульную структуру, в которой отдельные устройства (модули), входящие в состав системы, обмениваются информацией по общей системной шине – магистрали (фон Неймановская архитектура). Системная шина содержит несколько десятков проводников, которые в соответствии с их функции-ональным назначением подразделяются на отдельные шины - адреса А, данных D и управления С. В процессе функционирования микропроцессорной системы реализуются следующие основные режимы ее работы: выполнение основной программы; вызов подпрограммы; обслуживание прерываний и исключений; прямой доступ к памяти.

В микропроцессорах с Гарвардской архитектурой и физическим разделением памяти команд и данных, реализуется конвейерный принципвыполнения команд, обеспечивая высокую производительность.При этом процесс выполнения команды разбивается на ряд этапов: выборка очередной команды (ВК); декодирование выбранной команды (ДК); формирование адреса операнда (ФА); прием операнда из памяти (ПО); выполнение операции (ВО); размещение результата в памяти (РР). Повысить производительность процессора можно при введении в структуру процессора нескольких параллельно включенных операционных устройств, обеспечивающих одновременное выполнение нескольких операций. Такая структура процессора называется суперскалярной.

Контрольные вопросы:

1 Что представляет собой архитектура процессора фон Неймана типа?

2 Каков состав общей шины в структуре процессора?

3 Какие режимы при работе процессора?

4 Объяснить принцип конвейерной обработки команд.

5 Каков принцип работы процессора с суперскалярной структурой?

Тема 1.4 Ассемблерная мнемоника. Структура и форматы команд. Виды адресации. Система команд микропроцессора

План:

1 Язык ассемблера. Основные понятия

2 Символы языка ассемблера

3 Типы операторов ассемблера

4 Директивы ассемблера

5 Система команд процессора

Язык ассемблера. Основные понятия

Язык ассемблера - это символическое представление машинного языка. Все процессы в машине на самом низком, аппаратном уровне приводятся в действие только командами (инструкциями) машинного языка. Отсюда понятно, что, несмотря на общее название, язык ассемблера для каждого типа компьютера свой.

Программа на ассемблере представляет собой совокупность блоков памяти, называемых сегментами памяти. Программа может состоять из одного или нескольких таких блоков-сегментов. Каждый сегмент содержит совокупность предложений языка, каждое из которых занимает отдельную строку кода программы.

Предложения ассемблера бывают четырех типов:

1) команды или инструкции, представляющие собой символические аналоги машинных команд. В процессе трансляции инструкции ассемблера преобразуются в соответствующие команды системы команд микропроцессора;

2) макрокоманды - оформляемые определенным образом предложения текста программы, замещаемые во время трансляции другими предложениями;

3) директивы, являющиеся указанием транслятору ассемблера на выполнение некоторых действий. У директив нет аналогов в машинном представлении;

4) строки комментариев , содержащие любые символы, в том числе и буквы русского алфавита. Комментарии игнорируются транслятором.

Рисунок 11 - Формат директив

Рисунок 12 - Формат команд и макрокоманд

На этих рисунках:

­ имя метки - идентификатор, значением которого является адрес первого байта того предложения исходного текста программы, которое он обозначает;

­ имя - идентификатор, отличающий данную директиву от других одноименных директив. В результате обработки ассемблером определенной директивы этому имени могут быть присвоены определенные характеристики;

­ код операции (КОП) и директива - это мнемонические обозначения соответствующей машинной команды, макрокоманды или директивы транслятора;

­ операнды - части команды, макрокоманды или директивы ассемблера, обозначающие объекты, над которыми производятся действия. Операнды ассемблера описываются выражениями с числовыми и текстовыми константами, метками и идентификаторами переменных с использованием знаков операций и некоторых зарезервированных слов.

Синтаксические диаграммы помогаютнайти и затем пройти путь от входа диаграммы (слева) к ее выходу (направо). Если такой путь существует, то предложение или конструкция синтаксически правильные. Если такого пути нет, значит эту конструкцию компилятор не примет.

Символы языка ассемблера

Допустимыми символами при написании текста программ являются:

1) все латинские буквы: A-Z ,a-z . При этом заглавные и строчные буквы считаются эквивалентными;

2) цифры от 0 до 9 ;

3) знаки ? ,@ ,$ ,_ ,& ;

4) разделители , . () < > { } + / * % ! " " ? \ = # ^ .

Предложения ассемблера формируются из лексем , представляющих собой синтаксически неразделимые последовательности допустимых символов языка, имеющие смысл для транслятора.

Лексемами являются:

1) идентификаторы- последовательности допустимых символов, использующиеся для обозначения таких объектов программы, как коды операций, имена переменных и названия меток. Правило записи идентификаторов заключается в следующем: идентификатор может состоять из одного или нескольких символов;

2) цепочки символов- последовательности символов, заключенные в одинарные или двойные кавычки;

3) целые числав одной из следующих систем счисления: двоичной, десятичной, шестнадцатеричной. Отождествление чисел при записи их в программах на ассемблере производится по определенным правилам:

4) десятичные числа не требуют для своего отождествления указания каких-либо дополнительных символов, например 25 или 139. Для отождествления в исходном тексте программы двоичных чисел необходимо после записи нулей и единиц, входящих в их состав, поставить латинское “b ”, например 10010101b .

5) шестнадцатеричные числа имеют больше условностей при своей записи:

Во-первых, они состоят из цифр 0...9 , строчных и прописных букв латинского алфавита a ,b , c ,d ,e ,f или A ,B ,C ,D ,E ,F .

Во-вторых, у транслятора могут возникнуть трудности с распознаванием шестнадцатеричных чисел из-за того, что они могут состоять как из одних цифр 0...9 (например, 190845), так и начинаться с буквы латинского алфавита (например, ef15 ). Для того чтобы "объяснить" транслятору, что данная лексема не является десятичным числом или идентификатором, программист должен специальным образом выделять шестнадцатеричное число. Для этого на конце последовательности шестнадцатеричных цифр, составляющих шестнадцатерич-ное число, записывают латинскую букву “h ”. Это обязательное условие. Если шестнадцатеричное число начинается с буквы, то перед ним записывается ведущий ноль: 0 ef15h.

Практически каждое предложение содержит описание объекта, над которым или при помощи которого выполняется некоторое действие. Эти объекты называются операндами . Их можно определить так: операнды - это объекты (некоторые значения, регистры или ячейки памяти), на которые действуют инструкции или директивы, либо это объекты, которые определяют или уточняют действие инструкций или директив.

Возможно, провести следующую классификацию операндов:

­ постоянные или непосредственные операнды;

­ адресные операнды;

­ перемещаемые операнды;

­ счетчик адреса;

­ регистровый операнд;

­ базовый и индексный операнды;

­ структурные операнды;

­ записи.

Операнды являются элементарными компонентами, из которых формируется часть машинной команды, обозначающая объекты, над которыми выполняется операция. В более общем случае операнды могут входить как составные части в более сложные образования, называемые выражениями .

Выражения представляют собой комбинации операндов и операторов, рассматриваемые как единое целое. Результатом вычисления выражения может быть адрес некоторой ячейки памяти или некоторое константное (абсолютное) значение.

Типы операторов ассемблера

Перечислим возможные типы операторов ассемблера и синтаксические правила формирования выражений ассемблера:

­ арифметические операторы;

­ операторы сдвига;

­ операторы сравнения;

­ логические операторы;

­ индексный оператор;

­ оператор переопределения типа;

­ оператор переопределения сегмента;

­ оператор именования типа структуры;

­ оператор получения сегментной составляющей адреса выражения;

­ оператор получения смещения выражения.

Директивы ассемблера

Директивы ассемблера бывают:

1) Директивы сегментации. В ходе предыдущего обсуждения мы выяснили все основные правила записи команд и операндов в программе на ассемблере. Открытым остался вопрос о том, как правильно оформить последовательность команд, чтобы транслятор мог их обработать, а микропроцессор - выполнить.

При рассмотрении архитектуры микропроцессора мы узнали, что он имеет шесть сегментных регистров, посредством которых может одновременно работать:

­ с одним сегментом кода;

­ с одним сегментом стека;

­ с одним сегментом данных;

­ с тремя дополнительными сегментами данных.

Физически сегмент представляет собой область памяти, занятую командами и (или) данными, адреса которых вычисляются относительно значения в соответствующем сегментном регистре. Синтаксическое описание сегмента на ассемблере представляет собой конструкцию, изображенную на рисунке 13:

Рисунок 13 - Синтаксическое описание сегмента на ассемблере

Важно отметить, что функциональное назначение сегмента несколько шире, чем простое разбиение программы на блоки кода, данных и стека. Сегментация является частью более общего механизма, связанного с концепцией модульного программирования. Она предполагает унификацию оформления объектных модулей, создаваемых компилятором, в том числе с разных языков программирования. Это позволяет объединять программы, написанные на разных языках. Именно для реализации различных вариантов такого объединения и предназначены операнды в директиве SEGMENT.

2) Директивы управления листингом. Директивы управления листингом делятся на следующие группы:

­ общие директивы управления листингом;

­ директивы вывода в листинг включаемых файлов;

­ директивы вывода блоков условного ассемблирования;

­ директивы вывода в листинг макрокоманд;

­ директивы вывода в листинг информации о перекрестных ссылках;

­ директивы изменения формата листинга.

Система команд процессора

Система команд процессора представлена на рисунке 14.

Рассмотрим основные группы команд.

Рисунок 14 - Классификация команд ассемблера

Команды бывают:

1 Команды пересылки данных. Эти команды занимают очень важное место в системе команд любого процессора. Они выполняют следующие важнейшие функции:

­ сохранение в памяти содержимого внутренних регистров процессора;

­ копирование содержимого из одной области памяти в другую;

­ запись в устройства ввода/вывода и чтение из устройств ввода/вывода.

В некоторых процессорах все эти функции выполняются одной единственной командой MOV (для байтовых пересылок - MOVB) но с различными методами адресации операндов.

В других процессорах помимо команды MOV имеется еще несколько команд для выполнения перечисленных функций. Также к командам пересылки данных относятся команды обмена информацией (их обозначение строится на основе слова Exchange). Может быть предусмотрен обмен информацией между внутренними регистрами, между двумя половинами одного регистра (SWAP) или между регистром и ячейкой памяти.

2 Арифметические команды. Арифметические команды рассматривают коды операндов как числовые двоичные или двоично-десятичные коды. Эти команды могут быть разделены на пять основных групп:

­ команды операций с фиксированной запятой (сложение, вычитание, умножение, деление);

­ команды операций с плавающей запятой (сложение, вычитание, умножение, деление);

­ команды очистки;

­ команды инкремента и декремента;

­ команда сравнения.

3 Команды операций с фиксированной запятой работают с кодами в регистрах процессора или в памяти как с обычными двоичными кодами. Команды операций с плавающей запятой (точкой) используют формат представления чисел с порядком и мантиссой (обычно эти числа занимают две последовательные ячейки памяти). В современных мощных процессорах набор команд с плавающей запятой не ограничивается только четырьмя арифме-тическими действиями, а содержит и множество других более сложных команд, например, вычисление тригонометрических функций, логарифмических функций, а также сложных функций, необходимых при обработке звука и изображения.

4 Команды очистки предназначены для записи нулевого кода в регистр или ячейку памяти. Эти команды могут быть заменены командами пересылки нулевого кода, но специальные команды очистки обычно выполняются быстрее, чем команды пересылки.

5 Команды инкремента (увеличения на единицу) и декремента

(уменьшения на единицу) также бывают очень удобны. Их можно в принципе заменить командами суммирования с единицей или вычитания единицы, но инкремент и декремент выполняются быстрее, чем суммирование и вычитание. Эти команды требуют одного входного операнда, который одновременно является и выходным операндом.

6 Команда сравнения предназначена для сравнения двух входных операндов. По сути, она вычисляет разность этих двух операндов, но выходного операнда не формирует, а всего лишь изменяет биты в регистре состояния процессора по результату этого вычитания. Следующая за командой сравнения команда (обычно это команда перехода) будет анализировать биты в регистре состояния процессора и выполнять действия в зависимости от их значений. В некоторых процессорах предусмотрены команды цепочечного сравнения двух последовательностей операндов, находящихся в памяти.

7 Логические команды. Логические команды выполняют над операндами логические (побитовые) операции, то есть они рассматривают коды операндов не как единое число, а как набор отдельных битов. Этим они отличаются от арифметических команд. Логические команды выполняют следующие основные операции:

­ логическое И, логическое ИЛИ, сложение по модулю 2 (Исключающее ИЛИ);

­ логические, арифметические и циклические сдвиги;

­ проверка битов и операндов;

­ установка и очистка битов (флагов) регистра состояния процессора (PSW).

Команды логических операций позволяют побитно вычислять основные логические функции от двух входных операндов. Кроме того, операция И используется для принудительной очистки заданных битов (в качестве одного из операндов при этом используется код маски, в котором разряды, требующие очистки, установлены в нуль). Операция ИЛИ применяется для принудительной установки заданных битов (в качестве одного из операндов при этом используется код маски, в котором разряды, требующие установки в единицу, равны единице). Операция «Исключающее ИЛИ» используется для инверсии заданных битов (в качестве одного из операндов при этом применяется код маски, в котором биты, подлежащие инверсии, установлены в единицу). Команды требуют двух входных операндов и формируют один выходной операнд.

8 Команды сдвигов позволяют побитно сдвигать код операнда вправо (в сторону младших разрядов) или влево (в сторону старших разрядов). Тип сдвига (логический, арифметический или циклический) определяет, каково будет новое значение старшего бита (при сдвиге вправо) или младшего бита (при сдвиге влево), а также определяет, будет ли где-то сохранено прежнее значение старшего бита (при сдвиге влево) или младшего бита (при сдвиге вправо). Циклические сдвиги позволяют сдвигать биты кода операнда по кругу (по часовой стрелке при сдвиге вправо или против часовой стрелки при сдвиге влево). При этом в кольцо сдвига может входить или не входить флаг переноса. В бит флага переноса (если он используется) записывается значение старшего бита при циклическом сдвиге влево и младшего бита при циклическом сдвиге вправо. Соответственно, значение бита флага переноса будет переписываться в младший разряд при циклическом сдвиге влево и в старший разряд при циклическом сдвиге вправо.

9 Команды переходов. Команды переходов предназначены для организации всевозможных циклов, ветвлений, вызовов подпрограмм и т.д., то есть они нарушают последовательный ход выполнения программы. Эти команды записывают в регистр-счетчик команд новое значение и тем самым вызывают переход процессора не к следующей по порядку команде, а к любой другой команде в памяти программ. Некоторые команды переходов предусматривают в дальнейшем возврат назад, в точку, из которой был сделан переход, другие не предусматривают этого. Если возврат предусмотрен, то текущие параметры процессора сохраняются в стеке. Если возврат не предусмотрен, то текущие параметры процессора не сохраняются.

Команды переходов без возврата делятся на две группы:

­ команды безусловных переходов;

­ команды условных переходов.

В обозначениях этих команд используются слова Branch (ветвление) и Jump (прыжок).

Команды безусловных переходов вызывают переход в новый адрес независимо ни от чего. Они могут вызывать переход на указанную величину смещения (вперед или назад) или же на указанный адрес памяти. Величина смещения или новое значение адреса указываются в качестве входного операнда.

Команды условных переходов вызывают переход не всегда, а только при выполнении заданных условий. В качестве таких условий обычно выступают значения флагов в регистре состояния процессора (PSW). То есть условием перехода является результат предыдущей операции, меняющей значения флагов. Всего таких условий перехода может быть от 4 до 16. Несколько примеров команд условных переходов:

­ 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.

1.6.1 Основные понятия

Развитие технологии обеспечивает возможность создания на кристалле все больше­го количества активных компонентов - транзисторов, которые могут быть использованы для реализации новых архитектурных и структурных решений, обеспечивающих повы­шение производительности и расширение функциональных возможностей микропроцес­соров

Микропроцессорная техника включает технические и программные средства, используемые для построения различных микропроцессорных систем, устройств и пер­сональных микроЭВМ.

Микропроцессор (МП) – программно-управляе­мое устройство, осуществляющее процесс цифровой обработки информации и управле­ния им и построенное, как правило, на одной БИС.

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально закончен­ное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом, микро­процессорных: микропроцессора и/или микроконтроллера.

Термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавший­ся термин «однокристальная микроЭВМ». Первый же патент на однокристальную мик­ро-ЭВМ был выдан в 1971 году М. Кочрену и Г. Буну. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только микропроцессор, но и память, устройства ввода-выво­да. С появлением однокристальных микроЭВМ связывают начало эры компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, это обстоятельство и определило термин «микроконтроллер» (control - управление).

Однако впоследствии расширение сферы использования МК повлекло за собой разви­тие их архитектуры за счет размещения на кристалле устройств (модулей), отражающих своими функциональными возможностями специфику решаемых задач. Такие дополнитель­ные устройства стали называться периферийными. Поэтому неслучайно в последнее время введен еще один термин - «интегрированный процессор» (ИП) , который определяет новый класс функционально-емких однокристальных устройств с другим составом модулей. По количеству и составу периферийных устройств ИП уступают МК и занимают промежуточное положение между МП и МК. По этой же причине появились не только семейства МК, которые объединяют родственные МК (с одинаковой системой команд, разрядностью), но и стали выделяться подвиды МК: коммуникационные, для управления и т. д.

Микроконтроллер (МК) – однокристальная ЭВМ или управляющий микропроцессор.

МП в настоящее время преимущественно используются для производства персональ­ных ЭВМ, а МК и ИП являются основой создания различных встраиваемых систем, теле­коммуникационного и портативного оборудования и т. д.

Архитектурой процессора называется комплекс его аппаратных и программныхсредств, предоставляемых пользователю. В это общее понятие входит набор программ­но-доступных регистров и исполнительных (операционных) устройств, система основ­ных команд и способов адресации, объем и структура адресуемой памяти и т.д.

Архитектура тесно связана соструктурой , которая предусматривает наличие компонентов для реализации функций процессора.

1.6.2 Варианты архитектур микропроцессоров

В зависимости от набора выполняемых команд и способов адресации

CISC ( Complex Instruction Set Computer ) – архитектура реализована во многих типах микропроцессоров, выполняющих большой набор разноформатных команд с исполь­зованием многочисленных способов адресации.

Например, микропроцессоры семейства Pentium. Они выполняют более 200 команд разной степени сложности, которые имеют размер от 1 до 15 байт и обеспечивают более 10 различных способов адресации).

Большое многообразие выполняемых команд и способов адресации позволяет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач. Однако при этом существенноусложняется структура микропроцессора, особенно его устройства управления, что приводит к увеличению размеров и стоимости кристалла, снижению производительности. В то же время многие команды и способы адресации используются достаточно редко. Поэтому, начиная с 1980-х годов, интенсивное развитие получила архитектура процессоров с сокращенным набором команд ( RISC -процессоры).

RISC ( Reduced Instruction Set Computer ) – архитектура отличается использованием ог­раниченного набора команд фиксированного формата и сокращенного числа способов адресации. В результате существенно упрощается структура микропроцессора, сокращают­ся его размеры и стоимость, значительно повышается производительность.

Современные RISC-процессоры обычно реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта. Также значительно сокращается число используемых способов адресации. Обычно в RISC-процессорах все команды обработки данных выполняются только с регистровой или не­посредственной адресацией. При этом для сокращения количества обращений к памяти RISC-процессоры имеют увеличенный объем внутреннего регистрового запоминающего устройства – от 32 до нескольких сотен регистров, тогда как в CISC-процессорах число регистров общего назначения обычно со­ставляет 8-16.Обращение к памяти в RISC-процессорах используется только в операциях загрузки дан­ных в РЭУ или пересылки результатов из РЭУ в память. При этом используется небольшое число наиболее простых способов адресации: косвенно-регистровая, индексная и некото­рые другие.

Достоинства RISC-архитектуры привели к тому, что во многих современ­ных CISC-процессорах используется RISC-ядро, выполняющее обработку данных. При этом поступающие сложные и разноформатные команды предварительно преобразуют­ся в последовательность простых RISC-операций, быстро выполняемых этим процес­сорным ядром.

Таким образом работают, например, последние модели микропроцессо­ров Pentium и К7, которые по внешним показателям относятся к CISC-процессорам. Ис­пользование RISC-архитектуры является характерной чертой многих современных мик­ропроцессоров.

VLIW ( Very Large Instruction Word ) – особенностью архитектуры является использование очень длинных команд(до 128 бит и более), отдельные поля которых содержат коды, обеспечивающие выполне­ние различных операций. Таким образом, одна команда вызывает выполнение сразу не­скольких операций параллельно в различных операционных устройствах, входящих в струк­туру микропроцессора.

Архитектура появилась относительно недавно - в 1990-х годах.

В зависимостиот используемого варианта реализации памяти и организации выборки команд и данных в современных микропроцессорах реализуются следующие варианты архитектур:

Принстонская архитектура , которая часто называется архитектурой Фон-Неймана, характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ и данных. Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по которой в процессор поступают и команды, и данные.

Достоинства архитектуры:

а) Наличие общей памяти позволяет оперативно перераспре­делять ее объем для хранения отдельных массивов команд, данных в зависимости от решаемых задач. Этим обеспечивается возможность эф­фективного использования имеющегося объема оперативной памяти в каждом конкрет­ном случае применения микропроцессора;

б) использование общей шины для передачи ко­манд и данных значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функци­онирования системы, повышает ее надежность.

Основным недостатком архитектуры является необходи­мость последовательной выборки команд и обрабатываемых данных по общей системной шине. При этом общая шина становится «узким местом» (bottleneck - «бутылочное гор­ло»), которое ограничивает производительность цифровой системы.

Гарвардская архитектура характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. Каждая память соединяется с процессором отдель­ной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении теку­щей команды производить выборку и декодирование следующей команды.

Достоинством архитектуры является более высокая производительность, чем при использовании Принстонской архитектуры, благодаря разделению потоков команд и данных и совмещению операций их выборки.

Недостатки архитектуры связаны с необходимостью проведения большего числа шин, а также с фиксированным объемом памяти, выделенной для команд и данных, назначение которой не может оперативно перераспределяться в соответствии с требовани­ями решаемой задачи.

Поэтому приходится использовать память большего объема, коэф­фициент использования которой при решении разнообразных задач оказывается более низ­ким, чем в системах с Принстонской архитектурой. Однако развитие микроэлектронной тех­нологии позволило в значительной степени преодолеть указанные недостатки.

Гар вардская архитектура широко применяется во внутренней структуре современных высоко­производительных микропроцессоров, где используется отдельная кэш-память для хране­ния команд и данных. В то же время во внешней структуре большинства микропроцессор­ных систем реализуются принципыПринстонской архитектуры .

Типовая структура микропроцессорной системы

Большинство микропроцессорных систем имеет магистрально-модульную структуру, в которой отдельные устройства (модули), входящие в состав системы, обмениваются информацией по общей системной шине–магистрали (рисунок 1.7).

Основным модулем системы является микропроцессор, в состав которого входят

устрой­ ство управления (УУ) ,

операционное устройство ,

регистровое запоминающее уст­ ройство (РЗУ) –внутренняя память, реализованная в виде набора регистров.

Опера тивное запоминающее устройство (ОЗУ) служит для хранения выполняемой программы (или ее фрагментов) и данных, подлежащих обработке. В простейших микропроцессор­ных системах объем ОЗУ составляет десятки и сотни байт, а современных персональ­ных компьютерах, серверах и рабочих станциях он достигает сотен Мбайт и более. Так как обращение к ОЗУ по системной шине требует значительных затрат времени,в большинстве современных высокопроизводительных микропроцессоров дополнитель­но вводитсябыстродействующая промежуточная память (кэш-память) ограниченного объема (от нескольких Кбайт до сотен Кбайт).

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) служит для хранения констант и стан­дартных (неизменяемых) программ. В ПЗУ обычно записываются программы начальной инициализации (загрузки) систем, тестовые и диагностические программы и другое слу­жебное программное обеспечение, которое не меняется в процессе эксплуатации сис­тем. В микропроцессорных системах, управляющих определенными объектами с использованием фиксированных или редко изменяемых программ, для их хранения также обыч­но используется ПЗУ (память ROM – Read-Only Memory) или репрограммируемое ПЗУ (па­мять EEPROM – Electrically Erased Programmable Read-Only Memory или флэш-память).

Интер фейсные устройства (ИУ) служат для подключения к шине остальных устройств, которые являются внешними по отношению к системе. ИУ реализуют определенные протоколы параллельного или после­довательного обмена. Внешними устройствами могут быть клавиатура, монитор, вне­шние запоминающие устройства (ВЗУ), использующие гибкие или жесткие магнитные диски, оптические диски (CD-ROM), магнитные ленты и другие виды носителей информации, дат­чики и преобразователи информации (аналого-цифровые или цифроаналоговые), разнооб­разные исполнительные устройства (индикаторы, принтеры, электродвигатели, реле и дру­гие).

Для реализации различных режимов работы к системе могут подключаться дополни­тельные устройства – контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти и другие, реали­зующие необходимые специальные функции управления.

Данная структура соответствует архитектуре Фон-Неймана, предложенной этим ученым в 1940-х годах для реализации первых моделей цифровых ЭВМ.

УУ – устройство управления

ОУ – операционное устройство

РЗУ– регистровое запоминающее устройство

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство

ИУ – интерфейсное устройство

Рисунок 1.7 – Типовая структура микропроцессорной системы

Системная шина содержит несколько десятков (в сложных системах более 100) про­водников, которые в соответствии с их функциональным назначением подразделяются на отдельные шины:

шина адреса А , служит для передачи адреса, который формируется микропроцессором и позволяет выбрать необходимую ячейку памяти ОЗУ (ПЗУ) или требуемое ИУ при обращении к внешнему устройству;

шина данных D , слу­жит для выборки команд, поступающих из ОЗУ или ПЗУ в УУ микропроцессора, и для пересылки обрабатываемых данных (операндов) между микропроцессором и ОЗУ или ИУ (внешним устройством);

шина управления С , служит для передачи разнообразных управляющих сигналов, определяющих режимы работы памяти (запись или считывание), интерфейсных устройств (ввод или вывод информации) и микропроцессора (запуск, запросы внешних устройств на обслуживание, информация о текущем режиме работы) и другие сигналы.