В большинстве пк используется архитектура микропроцессора. Микропроцессоры. Развитие традиционных CISC

Базовая структура микропроцессорной системы имеем вид

Задача управления системой возлагается на центральный процессор (ЦП), который связан спамятью и системой ввода-вывода через каналы памяти и ввода-вывода соответственно. ЦП считывает из памяти команды, которые образуют программу и декодирует их. В соответствии с результатом декодирования команд он осуществляет выборку данных из памяти м портов ввода, обрабатывает их и пересылает обратно в память или порты вывода. Существует также возможность ввода-вывода данных из памяти на внешние устройства и обратно, минуя ЦП. Этот механизм называется прямым доступом к памяти (ПДП). Каждая составная часть микропроцессорной системы имеет достаточно сложную внутреннюю структуру.

С точки зрения пользователя при выборе микропроцессора целесообразно располагать некоторыми обобщенными комплексными характеристиками возможностей микропроцессора. Разработчик нуждается в уяснении и понимании лишь тех компонентов микропроцессора, которые явно отражаются в программах и должны быть учтены при разработке схем и программ функционирования системы. Такие характеристики определяются понятием архитектуры микропроцессора.

Архитектура микропроцессора - это его логическая организация, рассматриваемая с точки зрения пользователя; она определяет возможности микропроцессора по аппаратной и программной реализации функций, необходимых для построения микропроцессорной системы. Понятие архитектуры микропроцессора отражает:

Его структуру, т.е. совокупность компонентов, составляющих микропроцессор, и связей между ними; для пользователя достаточно ограничиться регистровой моделью микропроцессора;

Способы представления и форматы данных;

Способы обращения ко всем программно-доступным для пользователя элементам структуры (адресация к регистрам, ячейкам постоянной и оперативной памяти, внешним устройствам);

Набор операций, выполняемых микропроцессором;

Характеристики управляющих слов и сигналов, вырабатываемых микропроцессором и поступающих в него извне;

Реакцию на внешние сигналы (система обработки прерываний и т.п.).

По способу организации пространства памяти микропроцессорной системы различают два основных типа архитектур.

Организация, при которой для хранения программ и данных используется одно пространство памяти, называется фон Неймановской архитектурой (по имени математика, предложившего кодирование программ в формате, соответствующем формату данных). Программы и данные хранятся в едином пространстве, и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти. Преимуществами такой архитектуры являются более простая внутренняя структура микропроцессора и меньшее количество управляющих сигналов.

Организация, при которой память программ CSEG (Code Segment) и память данных DSEG (Data Segment) разделены и имеют свои собственные адресные пространства и способы доступа к ним, называется Гарвардской архитектурой (по имени лаборатории Гарвардского Университета, предложившей ее). Такая архитектура является более сложной и требует дополнительных управляющих сигналов. Однако, она позволяет осуществлять более гибкие манипуляции информации, реализовывать компактно кодируемый набор машинных команд и, в ряде случаев, ускорять работу микропроцессора. Представителями такой архитектуры являются микроконтроллеры семейства MCS-51 фирмы Intel.

В настоящее время выпускаются микропроцессоры со смешанной архитектурой, в которых CSEG и DSEG имеют единое адресное пространство, однако различные механизмы доступа к ним. Конкретным примером являются микропроцессоры семейства 80х86 фирмы Intel.

На физическом уровне микропроцессор взаимодействует с памятью и системой ввода-вывода через единый набор системных шин - внутрисистемную магистраль . Она, в общем случае состоит из:

Шины данных DB (Data Bus), по которой производится обмен данными между ЦП, памятью и системой ВВ;

Шины адреса AB (Address Bus), используемой для передачи адресов ячеек памяти и портов ВВ, к которым осуществляется обращение;

Шины управления CB (Control Bus), по которой передаются управляющие сигналы, реализующие циклы обмена информацией и управляющие работой системы.

Этот же набор шин применяется для организации канала ПДП. Магистраль такого типа носит название демультиплексной или трехшинной с раздельными шинами адреса и данных .

В некоторых микропроцессорах с целью сокращения ширины физической магистрали вводят совмещенную шину адреса-данных AD (Address/Data Bus), по которой передаются как адреса так и данные. Этап передачи адресной информации отделен по времени от этапа передачи данных и стробируется специальным сигналом ALE (Address Latch Enable), который включен в состав CB. Данную магистраль обычно называют мультиплексной или двухшинной с совмещенными шинами адреса и данных .

Физический обмен данными через магистраль выполняется словами или байтами в виде следующих друг за другом обращений к каналу. За один цикл обращения к магистрали между ЦП, памятью и системой ВВ передается одно слово или байт. Существуют несколько типовых циклов обмена. Среди них чтение памяти изапись в память.

Цикл чтения памяти по демультиплексной магистрали.

Цикл записи в память по демультиплексной магистрали.

Цикл чтения из памяти по мультиплексной магистрали.

Цикл записи в память по мультиплексной магистрали.

При изолированном пространстве ВВ добавляются циклы чтения порта ВВ и записи порта ВВ.

Цикл чтения порта ВВ по демультиплексной магистрали

Цикл записи в порт ВВ по демультиплексной магистрали.

В случае архитектуры Гарвардского типа, когда память программ и память данных разделены, вводится также цикл чтения памяти программ .

Цикл чтения памяти программ по демультиплексной магистрали.

В некоторых случаях, когда на магистрали работают устройства, быстродействие которых уступает быстродействию ЦП, длительности стробов RD, WR и т.п. могут оказаться недостаточными для правильного выполнения операции обмена со стороны периферийного модуля. Тогда для организации надежного завершения магистральной операции в состав CB вводят специальный сигнал READY. В каждом цикле обращения к каналу перед окончанием строба RD или WR ЦП проверяет состояние сигнала READY. Если он к этому моменту еще не сброшен, то ЦП продлевает соответствующий строб, вставляя в него т.н. такты ожидания WS (Wait State). Максимальное количество WS может быть ограничено либо не ограничено в зависимости от конкретной модели микропроцессора и режима его работы.

Цикл чтения с циклами ожидания.

В обычном режиме работы на магистрали присутствует единственное активное устройство в лице ЦП, который инициирует все циклы обмена данных на магистрали. Однако возможны случаи, когда на одной и той же магистрали присутствуют несколько активных устройств, которые должны работать с одним и тем же блоком памяти и блоком ВВ. Для того, чтобы другое активное устройство могло передать данные по магистрали, необходимо дезактивировать на это время ЦП. Для этих целей большинство современных микропроцессоров поддерживают т.н. режим “прямого доступа к памяти” (ПДП) . Для осуществления этого режима в CB вводят дополнительные сигналы HOLD и HLDA. При поступлении активного уровня на вход HOLD микропроцессор прерывает выполнение своей программы, переводит выходы всех своих шин в высокоимпедансное состояние и выставляет активный уровень на выходе HLDA, что должно служить сигналом для другого активного устройства о том, что оно может начинать свои циклы обмена на магистрали. Когда это устройство заканчивает свои циклы обмена, оно сбрасывает сигнал HOLD, после чего ЦП переходит в свое обычное состояние и продолжает выполнять программу.

Другим режимом работы ЦП, требующим от него изменения нормального хода выполнения программы является т.н. режим “прерывания”. Практически все современные микропроцессоры имеют один или несколько т.н. входов внешних прерываний INT0, INT1, и т.д., на которые поступают сигналы, свидетельствующие о некоторых событиях в системе, на которые ЦП должен отреагировать определенным образом. При поступлении активного уровня сигнала на один из таких входов микропроцессор прерывает нормальное выполнение программы, запоминает адрес команды, на которой он прервал работу, и переходит к выполнению т.н. “подпрограммы обработки прерывания” (ПОП), записанной в CSEG по определенному адресу. Адрес этой подпрограммы записан в специальной ячейке памяти, называемой “вектором прерывания ”. Каждый отдельный источник прерывания имеет свой собственный вектор прерывания. После выполнения ПОП, по специальной команде, которой должна заканчиваться ПОП, процессор возвращается к выполнению прерванной программы по запомненному адресу. Источники прерываний могут быть как внешними (т.е. поступать на один из входов микросхемы, которые называются “входами запроса прерывания”), так и внутренними (т.е. генерироваться внутри процессора по определенным условиям). Т.к. одновременно могут придти несколько различных запросов прерываний, то существует определенная дисциплина, задающая последовательность обслуживания отдельных прерываний. Эту дисциплину обеспечивает система “приоритетного арбитража прерываний ”, реализованная либо внутри ЦП, либо с помощью специального контроллера. В соответствии с этой системой каждый источник прерывания имеет свой заданный приоритет (постоянный или переменный), определяющий очередность его обслуживания. При одновременном приходе нескольких запросов прерываний вначале обслуживается прерывание с более высоким приоритетом, а затем с более низким. Прерывание с более высоким приоритетом может прервать уже начавшуюся подпрограмму обработки прерывания, имеющего более низкий приоритет, точно так же, как оно прерывает основную программу. При этом образуются т.н. “вложенные прерывания”.

Кроме CSEG и DSEG практически все современные микропроцессоры имеют специально выделенное пространство данных небольшого объема, называемое набором программно-доступных регистров RSEG (Register Sgment). В отличие от CSEG и DSEG регистры RSEG располагаются внутри ЦП в непосредственной близости от его АЛУ, что обеспечивает быстрый физический доступ к информации, хранящейся в них. В них, как правило, хранятся промежуточные результаты вычислений, часто используемые ЦП. Область RSEG может быть полностью изолирована от пространства данных DSEG, может частично пересекаться с ней, и может полностью являться подчастью DSEG. Внутренняя логическая организация RSEG очень разнообразна и играет важную роль при классификации архитектур микропроцессоров.

Регистры микропроцессора функционально неоднородны: одни служат для хранения данных или адресной информации, другие - для управления работой ЦП. В соответствии с этим все регистры можно разделить на регистры данных , указатели и регистры специального назначения . Регистры данных участвуют в арифметических и логических операциях в качестве источников операндов и приемников результата, адресные регистры или указатели используются для вычисления адресов данных и команд, расположенных в основной памяти. Специальные регистры служат для индикации текущего состояния ЦП и управления работой его составных частей. Возможна архитектура, при которой одни и те же регистры используются для хранения как данных, так и адресной информации. Такие регистры называются регистрами общего назначения (РОН). Способы использования того или иного вида регистров определяют конкретные особенности архитектуры микропроцессора.

Среди регистров данных часто выделяют один регистр, называемый аккумулятором A (Accumulator), с которым связывают большинство команд арифметической и логической обработки данных. Это означает, что арифметические и логические команды используют в качестве одного из своих операндов содержимое аккумулятора и сохраняют в нем результат операции. Ссылка на него производится неявно с помощью кода операции. При этом нет необходимости в коде команды выделять специальную область для адресов операнда и результата. Такой тип архитектуры микропроцессора называется аккумуляторным . К недостаткам такой архитектуры можно отнести относительно низкое быстродействие, объясняемое тем, что аккумулятор является ”узким местом”, в которое каждый раз необходимо сначала занести операнд перед выполнением операции. Примером такой архитектуры могут служить микроконтроллеры семейства MCS-51 фирмы Intel.

Другим примером организации регистров данных являются т.н. “рабочие регистры” R0, R1, и т.д. В этом случае операнды и результаты арифметических и логических операций могут храниться не в одном, а в нескольких регистрах, что расширяет возможности по манипуляции данными. В отличие от аккумулятора рабочие регистры адресуются явно в коде команды. Такой тип архитектуры микропроцессора называется регистровым . Примером такой организации могут служить микропроцессоры семейства 80х86 фирмы Intel. В ряде микропроцессоров, предназначенных для работы в реальном масштабе времени, предусмотрены не один, а несколько наборов рабочих регистров. В каждый момент времени доступен лишь один из наборов регистров, выбор которого осуществляется записью соответствующей информации в определенный служебный регистр. Примером таких устройств могут служить микроконтроллеры семейства MCS-48 фирмы Intel.

Архитектура, при которой процессор способен использовать в качестве адресов операндов и результатов операции ячейки основной памяти, называется архитектурой типа “память - память”. При этом исключаются временные затраты на перепись содержимого рабочих регистров при переходе от одной процедуры к другой. Однако при этом теряется быстрый доступ к промежуточным данным, т.к. они хранятся не во внутренних регистрах, а в DSEG. Решением этой проблемы может служить размещение часть DSEG на одном кристалле с ЦП и использование в качестве рабочих областей этого внутреннего сегмента ОЗУ. Примером такой организации могут служить микроконтроллеры семейства MCS-96 фирмы Intel.

Практически во всех современных микропроцессорах выделяют отдельную область памяти под так называемый “стек”, используемый, в общем случае, для передачи параметров процедурам и сохранения адресов возврата из них. Стек может быть расположен внутри микропроцессора или вне его. Он может занимать часть адресного пространства DSEG или RSEG, а может быть расположен и отдельно от них. В последнем случае говорят о т.н. “аппаратном стеке”. Передача функций аккумулятора вершине стека приводит к т.н. “стековой архитектуре”. Стековая организация дает возможность использовать безадресные команды, код которых имеет наименьшую длину. Безадресные команды оперируют данными, находящимися на вершине стека и непосредственно под ней. При выполнении операции исходные операнды извлекаются из стека, а результат передается не вершину стека. Стековая архитектура обладает высокой вычислительной эффективностью. Существует специальный язык высокого уровня FORTH, построенный на основе безадресных команд. Такая архитектура используется в специализированных процессорах высокой производительности и, в частности в RISC-процессорах.

Служебные регистры, расположенные внутри микропроцессора, предназначены для различных функций управления его работой и индикации состояния его составных частей. Их состав и организация зависят от конкретной архитектуры процессора и различаются в каждом конкретном случае. Наиболее часто встречающимися регистрами специальных функций являются “программный счетчик” PC (Program Counter), “указатель стека” SP (Stack Pointer) и “слово состояния программы” PSW (Program Status Word). Программный счетчик PC в каждый конкретный момент времени содержит адрес команды, следующей в CSEG за той, которая в данный момент выполняется. Указатель стека SP хранит текущий адрес вершины стека. Слово состояния программы PSW содержит набор текущих признаков результата выполнения операции. С каждым признаком результата связывается одноразрядная переменная-флажок, соответствующая определенному биту PSW. К типовым флажкам-признакам относятся:

- CF (Carry Flag) - флажок переноса из старшего разряда АЛУ. Равен 1, если в результате выполнения арифметической операции или операции сдвига произошел перенос из старшего разряда результата;

- ZF (Zero Flag) - флажок признака нуля. Равен 1, если результат операции равен 0;

-SF (Sign Flag) - флажок знака результата. Дублирует знаковый разряд результата операции;

- AF (Auxilinary Carry Flag) - флажок дополнительного переноса. Равен 1, если в результате выполнения арифметической операции или операции сдвига произошел перенос из младшей тетрады результата в старшую. Часто используется в двоично-десятичной арифметике;

- OF (Owerfow Flag) - флажок переполнения. Равен 1, если в результате выполнения арифметической операции произошло переполнение разрядной сетки результата;

- PF (Parity Flag) - флажок четности. Равен 1, если число 1 в результате операции нечетно и наоборот.

- IF (Interrupt Flag) - флажок разрешения прерывания. Индицирует, разрешены ли прерывания в системе.

Конкретные флаги используются программой для анализа результата предшествующей команды и принятия решения о дальнейшем ходе выполнения программы. Специальные регистры могут занимать часть адресного пространства DSEG или RSEG, а могут быть расположены и отдельно от них.

Адресные регистры или указатели используются для реализации тех или иных методов адресации операндов, используемых в конкретных командах микропроцессора. Их конкретный набор и функции зависят от того, какие методы адресации реализованы в данной модели микропроцессора.

Под методом адресации понимается метод кодирования адреса операнда или результата операции в коде команды.

В общем случае код команды микропроцессора можно представить в следующем виде

КОП

АОП1

АОП2

...

АР

КОП - код операции;

АОП1 - поле адреса первого операнда;

АОП2 - поле адреса второго операнда;

АР - поле адреса результата.

Наличие отдельных полей, кроме КОП, определяется конкретной командой и типом микропроцессора. Информация в полях АОП и АР определяется конкретным методом адресации, используемым в данной команде.

Наиболее распространенными методами адресации, используемыми в современных моделях микропроцессоров являются:

- Регистровая адресация . Операнд находится в регистре. Адрес регистра включен в код операции. Поле адреса в команде отсутствует;

- Прямая адресация . Физический адрес операнда расположен в соответствующем поле адреса.

- Непосредственная адресация . Непосредственное значение операнда расположено в соответствующем поле адреса.

- Косвенная регистровая адресация . Физический адрес операнда расположен в регистре косвенного адреса DP (Data Pointer). Адрес регистра включен в код операции. Поле адреса в команде отсутствует. В качестве DP может выступать РОН или специальный адресный регистр;

- Косвенная автоинкрементная/автодекрементная адресация . Физический адрес операнда расположен в регистре косвенного адреса DP. Адрес регистра включен в код операции. Поле адреса в команде отсутствует. После (либо до) выполнения операции содержимое DP автоматически инкрементируется/декрементируется, чтобы указывать на следующий элемент таблицы.

- Адресация по базе со смещением . Базовый адрес операнда расположен в регистре базы BP (Base Pointer). Адрес регистра включен в код операции. Смещение адреса операнда относительно базового адреса расположено в соответствующем поле адреса. В качестве BP может выступать РОН или специальный адресный регистр;

- Индексная адресация . Базовый адрес операнда расположен в соответствующем поле адреса. Смещение адреса операнда относительно базового адреса расположено в индексном регистре X (Index). В качестве X может выступать РОН или специальный адресный регистр;

- Адресация по базе с индексированием . Базовый адрес операнда расположен в регистре базы BP , смещение адреса операнда относительно базового адреса расположено в индексном регистре X . Адреса регистров включены в код операции. Поле адреса в команде отсутствует; В качестве X и BP могут выступать РОН или специальные адресные регистры;

- Сегментная адресация . Вся память разбита на сегменты определенного объема. Адрес сегмента хранится в сегментном регистре SR (Segment Register), смещение адреса относительно начала сегмента расположено в соответствующем поле адреса либо в индексном регистре X. В качестве X может выступать РОН или специальный адресный регистр;

В зависимости от того, какие методы адресации реализованы в конкретном процессоре, в нем имеются те или иные адресные регистры. Более сложные методы адресации требуют большего времени для вычисления адреса операнда. Одно из современных направлений развития архитектуры микропроцессоров основано на том, чтобы путем сокращения числа возможных команд и методов адресации добиться того, чтобы любая команда выполнялась за один машинный цикл. Такие процессоры называются RISC-процессорами (Reduced Instruction Set Computer). Конкретным примером такого устройства может служить микропроцессор PowerPC фирмы Motorola.

В составе системы ВВ также можно выделить ряд функционально законченных устройств, которые оформляются в виде модулей подключаемых непосредственно к единой магистрали системы. В простейшем случае это адресуемые ЦП буферные регистры -порты ВВ . Более сложные программно-управляемые подсистемы ВВ, содержащие блоки портов, получили название периферийных адаптеров . В случае, когда средства ВВ предназначаются для управления специальным внешним оборудованием и реализации специальных функций ВВ, их называют периферийными контроллерами . Наиболее сложными из современных средств обмена с внешними устройствами ВВ считают сопроцессоры ВВ , которые работают по собственным программам, хранящимся в собственной памяти, и по сути дела представляют собой отдельные микропроцессорные системы. Примером такой системы может служить векторный сопроцессор ADMC-200 фирмы Analog Devices, предназначенный для сопряжения микропроцессорной системы с вентильным преобразователем, управляющим приводом переменного тока. Он включает в себя несколько каналов АЦП, многоканальный ШИМ и вычислительный блок, реализующий векторные преобразования Парка-Кларка, необходимые для осуществления алгоритма векторного управления синхронным и асинхронным двигателем переменного тока. Однако, независимо от сложности конкретной подсистемы ВВ, со стороны ЦП все они представляются тем или иным набором адресуемых регистров, который, как правило, является частью DSEG.

Разрядностью микропроцессорной системы принято считать количество бит информации, которое ее ЦП может обработать с помощью одной команды. Разрядность микропроцессора определяется разрядностью его АЛУ, внутренних регистров данных и внешней шины данных. На сегодняшний день существуют 8-, 16-, 32- и 64-разрядные микропроцессоры. Для того, чтобы обрабатывать информацию с разрядностью большей, чем разрядность микропроцессора необходимо реализовывать специальные алгоритмы вычислений с повышенной разрядностью. Эти алгоритмы требуют дополнительного времени для своего выполнения. Поэтому повышение разрядности микропроцессора при заданной разрядности вычислений, напрямую связано с увеличением быстродействия системы.

В зависимости от того, в каком формате процессор способен воспринимать и обрабатывать данные, различают микропроцессоры с фиксированной точкой и микропроцессоры с плавающей точкой. При заданной точности вычислений и разрядности, диапазон чисел, представимых в формате с плавающей точкой значительно превышает диапазон чисел в формате с фиксированной точкой. Поэтому вычисления с плавающей точкой используются для обеспечения повышенной точности результата. Реализация подобных алгоритмов на процессорах с фиксированной точкой влечет за собой большое время вычислений и, следовательно, снижение быстродействия системы. Процессоры с плавающей точкой способны выполнять арифметические операции над числами с плавающей точкой с помощью одной команды. Поэтому они выполняют подобные вычисления значительно быстрее, чем процессоры с фиксированной точкой.

Существуют микропроцессоры, архитектура которых адаптирована для выполнения вычислений определенного рода. К числу таких процессоров относятся т.н. “процессоры цифровой обработки сигналов ” DSP (Digital Signal Procesor). Их архитектура имеет особенности, позволяющие им с наибольшей производительностью осуществлять алгоритмы рекуррентной обработки данных, которые используются во многих задачах, требующих их выполнения в масштабе “реального времени”, таких как аудио- и видео-кодирование, регулирование, цифровая фильтрация, цифровая связь и т.п. Все эти процессоры построены, как правило по Гарвардской архитектуре. Современные DSP имеют отдельные шины адреса/данных для CSEG и DSEG, что позволяет им с помощью одной команды осуществить доступ к различным видам памяти и произвести несколько операций над данными. Основной особенностью DSP является то, что кроме обыкновенного АЛУ, которое присутствует во всех процессорах, они имеют еще несколько вычислительных устройств. К числу таких устройств в первую очередь относится т.н. “умножитель-аккумулятор” MAU (Multiple-Accumulator Unit), способный с помощью одной команды умножить два многоразрядных числа и сложить результат удвоенной разрядности с результатом предыдущей команды. Подобная операция “умножения-сложения” используется во всех рекуррентных алгоритмах. Наличие MAU в сочетании с вышеуказанными особенностями организации шин процессора позволяет DSP за одну команду полностью выполнить один шаг рекуррентного алгоритма и подготовить исходные данные для следующего шага. Другим дополнительным вычислительным устройством является “многоразрядный регистр сдвига” S (Shifter), способный выполнять операции сдвига над числами, разрядность которых превышает разрядность АЛУ. Совместная работа этих вычислительных устройств позволяет достичь на выполнении рекуррентных алгоритмов вычислительной производительности, несравнимой с любыми другими процессорами. Примерами современных DSP могут служить:

Семейство ADSP-21XX фирмы Analog Devices - 16-разрядные DSP с фиксированной точкой, производительность до 30 MIPS;

Семейство TMS320C3X фирмы Texas Instruments - 32-разрядные DSP с плавающей точкой, производительность до 30 MIPS, 60 MFLOPS.

• TMS320C240 фирмы Texas Instruments - 16-разрядный DSP с фиксированной точкой, адаптированный для задач управления приводом, производительность до 20 MIPS, 12-канальный встроенный ШИМ, два 8-канальных 10-разрядных АЦП.

Введение

Введение

Микропроцессоры и микроконтроллеры являются одной из наиболее динамично развивающихся областей современной электронной техники. Впервые появившись в 1971 году, эти электронные приборы быстро прошли путь от простейших устройств, выполняющих несложные вычисления, до современных высокопроизводительных процессоров, реализующих сотни миллионов операций в секунду. Еще более впечатляющим является лавинообразное расширение их областей применения. В настоящее время на производстве и в быту нас окружают десятки микропроцессоров и микроконтроллеров, встроенных в аппаратуру различного назначения. Это не только персональные компьютеры, которые стали обязательным атрибутом, как домашнего интерьера, так и рабочего места специалистов во многих сферах производства и обслуживания. Это и современная бытовая техника, средства проведения досуга, автомобильная электроника и медицинская аппаратура, средства связи, разноообразные приборы и системы, используемые в производственном оборудовании, и многое другое.

Знание основ микропроцессорной техники является необходимым для многих специалистов, как разрабатывающих новые виды устройств на базе современных микропроцессоров и микроконтроллеров, так и использующих в своей профессиональной деятельности аппаратуру, реализованную на их основе. Данное учебное пособие имеет целью помочь освоению этой техники широкому кругу специалистов, выпускаемых учебными заведениями для различных отраслей народного хозяйства.

Современная электронная цифровая вычислительная техника широко применяется в народном хозяйстве. В настоящее время создано четыре поколения ЭВМ с улучшающимися технико-экономическими показателями, что способствует дальнейшему расширению сферы применения ЭВМ и их эффективности.

Микроконтроллеры являются наиболее массовым представителем микропроцессорной техники. Интегрируя на одном кристалле высоко производительный процессор, память и набор периферийных устройств, микроконтроллеры позволяют с минимальными затратами реализовать широкую номенклатуру систем управления различными объектами и процессами. Использование микроконтроллеров в системах управления и обработки информации обеспечивает исключительно высокие показатели эффективности при достаточно низкой стоимости. Микроконтроллерам практически нет альтернативы, когда нужно создать качественные и дешевые системы. Иногда система может состоять только из одного микроконтроллера. Исключение составляет применение программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) в области обработки сигналов в том случае, когда требуется параллельная обработка большого потока входных данных.

микропроцессор микроконтроллер архитектура вычислительный

1. Микропроцессоры, функциональные возможности и архитектурные решения

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. Кратко рассмотрим основные из этих решений.

Архитектурой процессора называется комплекс его аппаратных и программных средств, 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, виды и способы обработки прерываний. Например, все модификации процессоров Pentium, Celeron, i486 и i386 имеют архитектуру IA-32 (Intel Architecture - 32 bit), которая характеризуется стандартным набором регистров, предоставляемых пользователю, общей системой основных команд и способов организации и адресации памяти, одинаковой реализацией защиты памяти и обслуживания прерываний.

При описании архитектуры и функционирования процессора обычно используется его представление в виде совокупности программно-доступных регистров, образующих регистровую или программную модель. В этих регистрах содержатся обрабатываемые данные (операнды) и управляющая информация. Соответственно, в регистровую модель входит группа регистров общего назначения, служащих для хранения операндов, и группа служебных регистров, обеспечивающих управление выполнением программы и режимом работы процессора, организацию обращения к памяти (защита памяти, сегментная и страничная организация и др.).

Регистры общего назначения образуют РЗУ - внутреннюю регистровую память процессора (см. раздел 1.3). Состав и количество служебных регистров определяется архитектурой микропроцессора. Обычно в их состав входят:

программный счетчик PC (или CS + IP в архитектуре микропроцессоров Intel),

регистр состояния SR (или EFLAGS),

регистры управления режимом работы процессора CR (Control Register),

регистры, реализующие сегментную и страничную организацию памяти,

регистры, обеспечивающие отладку программ и тестирование процессора.

Кроме того, различные модели микропроцессоров содержат ряд других специализированных регистров.

Функционирование процессора представляется в виде реализации регистровых пересылок - процедур проверки и изменения состояния этих регистров путем чтения-записи их содержимого. В результате таких пересылок обеспечивается адресация и выбор команд и операндов, хранение и пересылка результатов, изменение последовательности команд и режимов функционирования процессора в соответствии с поступлением нового содержимого в служебные регистры, а также все другие процедуры, реализующие процесс обработки информации согласно заданным условиям.

В ряде процессоров выделяются регистры, которые используются при выполнении прикладных программ и доступны каждому пользователю, и регистры, которые управляют режимом работы всей системы и доступны только для привилегированных программ, входящих в состав операционной системы (супервизора). Соответственно, такие процессоры представляются в виде регистровой модели пользователя, в которую входят регистры, используемые при выполнении прикладных программ, или регистровой модели супервизора, которая содержит весь набор программно-доступных регистров процессора, используемых операционной системой.

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),

внутренняя память (РЗУ, кэш-память, в микроконтроллерах - 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).

Состав устройств и блоков, входящих в структуру микропроцессора, и реализуемые механизмы их взаимодействия определяются функциональным назначением и областью применения микропроцессора.

Архитектура и структура микропроцессора тесно взаимосвязаны. Реализация тех или иных архитектурных особенностей требует введения в структуру микропроцессора необходимых аппаратных средств (устройств и блоков) и обеспечения соответствующих механизмов их совместного функционирования.

В современных микропроцессорах реализуются следующие варианты архитектур.(Complex Instruction Set Computer) - архитектура реализована во многих типах микропроцессоров, выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации. Эта классическая архитектура процессоров, которая начала свое развитие в 40-х годах прошлого века с появлением первых компьютеров. Типичным примером CISC-процессоров являются микропроцессоры семейства Pentium. Они выполняют более 300 команд разной степени сложности, которые имеют размер от 1 до 15 байт и обеспечивают более 10 различных способов адресации. Такое большое многообразие выполняемых команд и способов адресации позволяет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач. Однако при этом существенно усложняется 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 80-х годов прошлого века, интенсивное развитие получила архитектура процессоров с сокращенным набором команд (RISC-процессоры).(Reduced Instruction Set Computer) - архитектура отличается использованием ограниченного набора команд фиксированного формата. Современные RISC-процессоры обычно реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 2 или 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 РЗУ - 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 РЗУ или пересылки результатов из РЗУ в память. При этом используется небольшое число наиболее простых способов адресации: косвенно-регистровая, индексная и некоторые другие. В результате существенно упрощается структура микропроцессора, сокращаются его размеры и стоимость, значительно повышается производительность.

Указанные 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 K7, которые по внешним показателям относятся к CISC-процессорам. Использование RISC-архитектуры является характерной чертой многих современных микропроцессоров.(Very Large Instruction Word) - архитектура появилась относительно недавно - в 90-х годах. Ее особенностью является использование очень длинных команд (до 128 бит), отдельные поля которых содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций. Таким образом, одна команда вызывает выполнение сразу нескольких операций, которые могут производиться параллельно в различных операционных устройствах, входящих в структуру микропроцессора. При трансляции программ, написанных на языке высокого уровня, соответствующий компилятор производит формирование "длинных" VLIW-команд, каждая из которых обеспечивает реализацию процессором целой процедуры или группы операций. Данная архитектура реализована в некоторых типах современных микропроцессоров (PA8500 компании Hewlett-Packard, Itanium - совместная разработка Intel и Hewlett-Packard, некоторые типы DSP - цифровых процессоров сигналов) и является весьма перспективной для создания нового поколения сверхвысокопроизводительных процессоров.

Кроме набора выполняемых команд и способов адресации важной архитектурной особенностью микропроцессоров является используемый вариант реализации памяти и организация выборки команд и данных. По этим признакам различаются процессоры с Принстонской и Гарвардской архитектурой. Эти архитектурные варианты были предложены в конце 40-х годов специалистами, соответственно, Принстонского и Гарвардского университетов США для разрабатываемых ими моделей компьютеров.

Принстонская архитектура, которая часто называется архитектурой Фон-Неймана, характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ, данных, а также для организации стека. Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по которой в процессор поступают и команды, и данные. Структура и функционирование цифровой системы с Принстонской архитектурой описаны в разделе 1. Эта архитектура имеет ряд важных достоинств. Наличие общей памяти позволяет оперативно перераспределять ее объем для хранения отдельных массивов команд, данных и реализации стека в зависимости от решаемых задач. Таким образом, обеспечивается возможность более эффективного использования имеющегося объема оперативной памяти в каждом конкретном случае применения микропроцессора. Использование общей шины для передачи команд и данных значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность. Поэтому Принстонская архитектура в течение долгого времени доминировала в вычислительной технике.

Однако ей присущи и существенные недостатки. Основным из них является необходимость последовательной выборки команд и обрабатываемых данных по общей системной шине. При этом общая шина становится "узким местом" (bottle-neck - "бутылочное горло"), которое ограничивает производительность цифровой системы. Постоянно возрастающие требования к производительности микропроцессорных систем вызвали в последние годы все более широкое применение Гарвардской архитектуры при создании многих типов современных микропроцессоров.

Гарвардская архитектура характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. В ее оригинальном варианте использовался также отдельный стек для хранения содержимого программного счетчика, который обеспечивал возможности выполнения вложенных подпрограмм. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды. Благодаря такому разделению потоков команд и данных и совмещению операций их выборки реализуется более высокая производительность, чем при использовании Принстонской архитектуры.

Недостатки Гарвардской 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 приходиться 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, поэтому Гарвардская 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 принципы Принстонской архитектуры.

Гарвардская архитектура получила также широкое применение в микроконтроллерах - специализированных микропроцессорах для управления различными объектами, рабочая программа которых обычно хранится в отдельном ПЗУ.

В современных микропроцессорах используются разнообразные способы предсказания ветвлений. Наиболее простой способ состоит в том, что процессор фиксирует результат выполнения предыдущих команд ветвления по данному адресу, и считает, что следующая команда с обращением по этому адресу даст аналогичный результат. Данный способ предсказания предполагает более высокую вероятность повторного обращения к определенной команде, задаваемой данным условием ветвления. Для реализации этого способа предсказания ветвления используется специальная память BTB (Branch Target Buffer), где хранятся адреса ранее выполненных условных переходов. При поступлении аналогичной команды ветвления предсказывается переход к ветви, которая была выбрана в предыдущем случае, и производится загрузка в конвейер команд из соответствующей ветви. При правильном предсказании не требуется перезагрузка конвейера, и эффективность его использования не снижается. Эффективность такого способа предсказания зависит от емкости BTB и оказывается достаточно высокой: вероятность правильного предсказания составляет 80% и более. Повышение точности предсказания достигается при использовании более сложных способов, когда хранится и анализируется предистория переходов - результаты нескольких предыдущих команд ветвления по данному адресу. В этом случае возможно определение чаще всего реализуемого направления ветвления, а также выявление чередующихся переходов. Реализация таких алгоритмов требует использования более сложных блоков предсказания, но при этом вероятность правильного предсказания повышается до 90-95 %.

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. Обычно в процессорах имеется несколько устройств для выполнения целочисленных операций, одно или несколько устройств для обработки чисел с плавающей точкой, отдельные устройства для обработки специальных форматов видео - и аудиоданных. Параллельно работают также устройства формирования адресов и выборки операндов для загружаемых команд. При этом обычно реализуется предварительная (спекулятивная) выборка операндов, чтобы для поступающих на исполнение команд уже были готовы операнды, которые записываются в специальные регистры. Чтобы обеспечить наиболее полную загрузку исполнительных конвейеров, в процессе анализа и группировки декодированных команд возможно изменение порядка их следования. В результате команды выполняются не в порядке их выборки из памяти, а по мере готовности необходимых операндов и исполнительных устройств. Таким образом, позже поступившие команды могут быть выполнены до ранее выбранных. Чтобы запись в память результатов происходила в соответствии с исходной последовательностью поступления команд программы, на выходе данных включается специальная буферная память, восстанавливающая порядок выдачи результатов согласно выполняемой программе.

Одновременное параллельное выполнение команд может оказаться невозможным, если они обращаются к одному регистру. При ограниченной емкости РЗУ процессора такие случаи могут возникать достаточно часто, что снижает эффективность работы исполнительных конвейеров. Поэтому в ряде процессоров вводятся специальные регистровые блоки, дублирующие РЗУ. При поступлении команд, которые обращаются к одинаковым регистрам РЗУ, производится их переадресация к дублирующим регистровым блокам - "переименование" регистров. В результате обеспечивается возможность одновременного выполнения таких команд, что позволяет реализовать более эффективную параллельную работу исполнительных конвейеров.

Рис. 1. Классификация современных микропроцессоров по функциональному признаку.

Хотя микропроцессор является универсальным средством для цифровой обработки информации, однако отдельные области применения требуют реализации определенных специфических вариантов их структуры и архитектуры. Поэтому по функциональному признаку выделяются два класса: микропроцессоры общего назначения и специализированные микропроцессоры (рисунок 1). Среди специализированных микропроцессоров наиболее широкое распространение получили микроконтроллеры, предназначенные для выполнения функций управления различными объектами, и цифровые процессоры сигналов (DSP - Digital Signal Processor), которые ориентированы на реализацию процедур, обеспечивающих необходимое преобразование аналоговых сигналов, представленных в цифровой форме.

Микропроцессоры общего назначения предназначены для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации. Их основной областью использования являются персональные компьютеры, рабочие станции, серверы и другие цифровые системы массового применения. К этому классу относятся CISC-процессоры Pentium компании Intel, K7 компании Advanced MicroDevices (AMD), 680x0 компании Motorola, RISC-процессоры PowerPC, выпускаемые компаниями Motorola и IBM, SPARC компании Sun Microsystems и ряд других изделий различных производителей.

Расширение области применения таких микропроцессоров достигается, главным образом, путем роста производительности, благодаря чему увеличивается круг задач, который можно решать с их использованием. Поэтому повышение производительности является магистральным направлением развития этого класса микропроцессоров. Обычно это 32-разрядные микропроцессоры (некоторые микропроцессоры этого класса имеют 64-разрядную или 128-разрядную структуру), которые изготавливаются по самой современной промышленной технологии, обеспечивающей максимальную частоту функционирования.

Ряд наиболее популярных микропроцессоров этого класса (Pentium, AMD K7 и некоторые другие) следует отнести к CISC-процессорам, так как они выполняют большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации. Однако в их внутренней структуре содержится RISC-процессор, который выполняет поступившие команды после их преобразования в последовательность простых RISC-операций. Ряд других микропроцессоров этого класса непосредственно реализует RISC-архитектуру. Поэтому можно считать, что использование RISC-архитектуры характерно для большинства этих микропроцессоров.

В ряде последних разработок (Itanium, PA8500) некоторых ведущих производителей успешно применяются принципы VLIW-архитектуры, которая может составить конкуренцию RISC-архитектуре в соревновании за достижение наивысшей производительности.

Практически все современные микропроцессоры этого класса используют Гарвардскую внутреннюю архитектуру, где разделение потоков команд и данных реализуется с помощью отдельных блоков кэш-памяти (рис.1). В большинстве случаев они имеют суперскалярную структуру с несколькими исполнительными конвейерами (до 10 в современных моделях), которые содержат до 20 ступеней.

Благодаря своей универсальности микропроцессоры общего назначения используются также в специализированых системах, где требуется высокая производительность. На их основе реализуются одноплатные компьютеры и промышленные компьютеры, которые применяются в системах управления различными объектами. Одноплатные (встраиваемые) компьютеры содержат на плате необходимые дополнительные микросхемы, обеспечивающие их специализированное применение, и предназначены для встраивания в аппаратуру различного назначения. Промышленные компьютеры размещаются в корпусах специальной конструкции, обеспечивающих их надежную работу в жестких производственных условиях. Обычно такие компьютеры работают без стандартных периферийных устройств (монитор, клавиатура, "мышь) или используют специальные варианты этих устройств, модифицированные с учетом специфических условий применения.

2. Микроконтроллеры, функциональные возможности и архитектурные решения

Микроконтроллеры являются наиболее массовым представителем микропроцессорной техники. Интегрируя на одном кристалле высокопроизводительный процессор, память и набор периферийных устройств, микроконтроллеры позволяют с минимальными затратами реализовать широкую номенклатуру систем управления различными объектами и процессами. Использование микроконтроллеров в системах управления и обработки информации обеспечивает исключительно высокие показатели эффективности при достаточно низкой стоимости. Микроконтроллерам практически нет альтернативы, когда нужно создать качественные и дешевые системы. Иногда система может состоять только из одного микроконтроллера. Исключение составляет применение программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) в области обработки сигналов в том случае, когда требуется параллельная обработка большого потока входных данных. Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность микропроцессора. Имеются 4-, 8-, 16-, 32-разрядные микроконтроллеры. Разрядность микроконтроллера определяется точностью данных, необходимых для управления объектом. Наиболее массовыми и постоянно расширяющими свои области применения являются 8-разрядные микроконтроллеры, которые дешевле 16 - и 32-разрядных и имеют большую функциональность.

Промышленностью выпускаются очень широкая номенклатура встраиваемых МК. В них все необходимые ресурсы (память, устройства ввода-вывода и т.д.) располагаются на одном кристалле с процессорным ядром. Если подать питание и тактовые импульсы на соответствующие входы МК, то можно сказать, что он как бы "оживет" и с ним можно будет работать. Обычно МК содержат значительное число вспомогательных устройств, благодаря чему обеспечивается их включение в реальную систему с использованием минимального количества дополнительных компонентов. В состав этих МК входят:

Схема начального запуска процессора (Reset);

Генератор тактовых импульсов;

Центральный процессор;

Память программ (E (E) PROM) и программный интерфейс;

Средства ввода/вывода данных;

Таймеры, фиксирующие число командных циклов.

Общая структура МК показана на рисунке 4. Эта структура дает представление о том, как МК связывается с внешним миром.

Рисунок 2 - структура микроконтроллера

Более сложные встраиваемые МК могут дополнительно реализовывать следующие возможности:

Встроенный монитор/отладчик программ;

Внутренние средства программирования памяти программ (ROM);

Обработка прерываний от различных источников;

Аналоговый ввод/вывод;

Последовательный ввод/вывод (синхронный и асинхронный);

Параллельный ввод/вывод (включая интерфейс с компьютером);

Подключение внешней памяти (микропроцессорный режим).

Все эти возможности значительно увеличивают гибкость применения МК и делают более простым процесс разработки систем на и основе.

Некоторые МК (особенно 16 - и 32-разрядные) используют только внешнюю память, которая включает в себя как память программ (ROM), так и некоторый объем памяти данных (RAM), требуемый для данного применения. Они применяются в системах, где требуется большой объем памяти и относительное не большое количество устройств (портов) ввода/вывода. Типичным примером применения такого МК с внешней памятью является котроллер жесткого диска (HDD) с буферной кэш-памятью, который обеспечивает промежуточное хранение и распределение больших объемов данных (порядка нескольких мегабайт). Внешняя память дает возможность такому микроконтроллеру работать с более высокой скоростью, чем встраиваемый МК.

Цифровые сигнальные процессоры (DSP) - относительно новая категория процессоров. Назначение DSP состоит в том, чтобы получать текущие данные от аналоговой системы, обрабатывать данные и формировать соответствующий отклик в реальном масштабе времени. Они обычно входят в состав систем, используясь в качестве устройств управления внешним оборудованием, и не предназначены для автономного применения.

Микроконтроллеры являются специализированными микропроцессорами, которые ориентированы на реализацию устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру. Ввиду огромного количества объектов, управление которыми обеспечивается с помощью микроконтроллеров, годовой объем их выпуска превышает 2 миллиарда экземпляров, на порядок превосходя объем выпуска микропроцессоров общего применения. Весьма широкой является также номенклатура выпускаемых микроконтроллеров, которая содержит несколько тысяч типов.

Характерной особенностью структуры микроконтроллеров является размещение на одном кристалле с центральным процессором внутренней памяти и большого набора периферийных устройств. В состав периферийных устройств обычно входят несколько 8-разрядных параллельных портов ввода-вывода данных (от 1 до 8), один или два последовательных порта, таймерный блок, аналого-цифровой преобразователь. Кроме того, различные типы микроконтроллеров содержат дополнительные специализированные устройства - блок формирования сигналов с широтно-импульсной модуляцией, контроллер жидко-кристаллического дисплея и ряд других. Благодаря использованию внутренней памяти и периферийных устройств реализуемые на базе микроконтроллеров системы управления содержат минимальное количество дополнительных компонентов.

В связи с широким диапазоном решаемых задач управления требования, предъявляемые к производительности процессора, объему внутренней памяти команд и данных, набору необходимых периферийных устройств, оказываются весьма разнообразными. Для удовлетворения запросов потребителей выпускается большая номенклатура микроконтроллеров, которые принято подразделять на 8-, 16 - и 32-разрядные.

Разрядные микроконтроллеры представляют наиболее многочисленную группу этого класса микропроцессоров. Они имеют относительно низкую производительность, которая, однако, вполне достаточна для решения широкого круга задач управления различными объектами. Это простые и дешевые микроконтроллеры, ориентированные на использование в относительно несложных устройствах массового выпуска. Основными областями их применения являются бытовая и измерительная техника, промышленная автоматика, автомобильная электроника, теле-, видео - и аудиоаппаратура, средства связи, медицинские приборы.

Для этих микроконтроллеров характерна реализация Гарвардской архитектуры, где используется отдельная память для хранения программ и данных. Для хранения программ в различных типах микроконтроллеров применяется либо масочно-программируемое ПЗУ (ROM), либо однократно-программируемое ПЗУ (PROM), либо электрически репрограммируемое ПЗУ (EPROM, EEPROM или Flash). Внутренняя память программ обычно имеет объем от нескольких единиц до десятков Кбайт. Для хранения данных используется регистровый блок, организованный в виде нескольких регистровых банков, или внутреннего ОЗУ. Объем внутренней памяти данных составляет от нескольких десятков байт до нескольких Кбайт. Ряд микроконтроллеров этой группы позволяет, в случае необходимости, дополнительно подключать внешнюю память команд и данных, объемом до 64 - 256 Кбайт.

Микроконтроллеры этой группы обычно выполняют относительно небольшой набор команд (50-100), использующих наиболее простые способы адресации. В ряде последних моделей этих микроконтроллеров реализованы принципы RISC-архитектуры, что позволяет существенно повысить их производительность. В результате, такие RISC-микроконтроллеры обеспечивают выполнение большинства команд за один такт машинного времени.

Разрядные микроконтроллеры во многих случаях являются усовершенствованной модификацией своих 8-разрядных прототипов. Они характеризуются не только увеличенной разрядностью обрабатываемых данных, но и расширенной системой команд и способов адресации, увеличенным набором регистров и объемом адресуемой памяти, а также рядом других дополнительных возможностей, использование которых позволяет повысить производительность и обеспечить новые области применения. Обычно эти микроконтроллеры позволяют расширить объем памяти программ и данных до нескольких Мбайт путем подключения внешних микросхем памяти. Во многих случаях реализуется их программная совместимость с младшими 8-разрядными моделями. Основная сфера применения таких микроконтроллеров - сложная промышленная автоматика, телекоммуникационная аппаратура, медицинская и измерительная техника.

Разрядные микроконтроллеры содержат высокопроизводительный процессор, соответствующий по своим возможностям младшим моделям микропроцессоров общего назначения. В ряде случаев процессор, используемый в этих микроконтроллерах, аналогичен CISC - или RISC-процессорам, которые выпускаются или выпускались ранее в качестве микропроцессоров общего назначения. Например, в 32-разрядных микроконтроллерах компании Intel используется процессор i386, в микроконтроллерах компании Motorola широко применяется процессор 68020, в ряде других микроконтроллеров в качестве процессорного ядра служат RISC-процессоры типа PowerPC. На базе данных процессоров были реализованы различные модели персональных компьютеров. Введение этих процессоров в состав микроконтроллеров позволяет использовать в соответствующих системах управления огромный объем прикладного и системного программного обеспечения, созданный ранее для соответствующих персональных компьютеров.

Кроме 32-разрядного процессора на кристалле микроконтроллера размещается внутренняя память команд емкостью до десятков Кбайт, память данных емкостью до нескольких Кбайт, а также сложно-функциональные периферийные устройства - таймерный процессор, коммуникационный процессор, модуль последовательного обмена и ряд других. Микроконтроллеры работают с внешней памятью объемом до 64 Мбайт и выше. Они находят широкое применение в системах управления сложными объектами промышленной автоматики (двигатели, робототехнические устройства, средства комплексной автоматизации производства), в контрольно-измерительной аппаратуре и телекоммуникационном оборудовании.

Во внутренней структуре этих микроконтроллеров реализуется Принстонская или Гарвардская архитектура. Входящие в их состав процессоры могут иметь CISC - или RISC-архитектуру, а некоторые из них содержат несколько исполнительных конвейеров, образующих суперскалярную структуру.

3. Электронно-вычислительные машины. Классификация ЭВМ

Архитектура ЭВМ - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов.

Под архитектурой ЭВМ принято понимать совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и основных их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих типов задач. Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно - математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.

Классическая архитектура ЭВМ. Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом <#"229" src="doc_zip5.jpg" />

Рисунок 3 - Структура ЭВМ

Классификации ЭВМ. Классификация Флинна. <#"justify">·ОКОД (SISD) (single instruction stream / single data stream) - одиночный поток команд и одиночный поток данных. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных.

·ОКМД (SIMD) (single instruction stream / multiple data stream) - одиночный поток команд и множественный поток данных. В архитектурах подобного рода сохраняется один поток команд, включающий, в отличие от предыдущего класса, векторные команды. Это позволяет выполнять одну арифметическую операцию сразу над многими данными - элементами вектора.

·МКОД (MISD) (multiple instruction stream / single data stream) - множественный поток команд и одиночный поток данных. Определение подразумевает наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных. Однако ни Флинн, ни другие специалисты в области архитектуры компьютеров до сих пор не смогли представить убедительный пример реально существующей вычислительной системы, построенной на данном принципе.

·МКМД (MIMD) (multiple instruction stream / multiple data stream) - множественный поток команд и множественный поток данных. Этот класс предполагает, что в вычислительной системе есть несколько устройств обработки команд, объединенных в единый комплекс и работающих каждое со своим потоком команд и данных.

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, т.е. с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств ввода-вывода информации и процессора. Закономерности организации вычислительного процесса в этих структурах достаточно хорошо изучены.

Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, т.е. процессорные элементы, входящие в систему, идентичны, и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними.

По данной схеме строились системы: первая суперЭВМ - ILLIAC-IV, отечественные параллельные системы - ПС-2000, ПС-3000. Идея векторной обработки широко использовалась в таких известных суперЭВМ, как Cyber-205 и Gray-I, II, III. Узким местом подобных систем является необходимость изменения коммутации между процессорами, когда связь между ними отличается от матричной. Кроме того, задачи, допускающие широкий матричный параллелизм, составляют достаточно узкий класс задач. Структуры ВС этого типа, по существу, являются структурами специализированных суперЭВМ.

Третий тип архитектуры МКОД предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Выгоды такого вида обработки понятны. Прототипом таких вычислений может служить схема любого производственного конвейера. В современных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения операций, в которой параллельно работают различные функциональные блоки, и каждый из них делает свою часть в общем цикле обработки команды.

В ВС этого типа конвейер должны образовывать группы процессоров. Однако при переходе на системный уровень очень трудно выявить подобный регулярный характер в универсальных вычислениях. Кроме того, на практике нельзя обеспечить и "большую длину" такого конвейера, при которой достигается наивысший эффект. Вместе с тем конвейерная схема нашла применение в так называемых скалярных процессорах суперЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки.

Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра. Большой интерес представляет возможность согласованной работы ЭВМ (процессоров), когда каждый элемент делает часть общей задачи. Общая теоретическая база такого вида работ практически отсутствует. Но можно привести примеры большой эффективности этой модели вычислений. Подобные системы могут быть многомашинными и многопроцессорными. Например, отечественный проект машины динамической архитектуры (МДА) - ЕС-2704, ЕС-2727 позволял одновременно использовать сотни процессоров.

Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно - математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ.

Архитектура микропроцессора

Понятие микропроцессора

Появление технологии интегральных микросхем - новый этап в развитии вычислительной техники. В результате разработки процессоров на основе микросхем - размеры и форма цифровых ЭВМ значительно уменьшились.

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.

Степень интеграции схем (в ГОСТе):

Интегральная схема с низкой степенью интеграции <10 транзисторов;

Схема со средней степенью интеграции < 100 транзисторов;

Большая интегральная схема (БИС) > 100 транзисторов (~ 1000 транзисторов)

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 .

Типы архитектур микропроцессоров

Как средство вычислительной техники микропроцессор 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. 3).

Рис. 3. Классификация микропроцессоров

Универсальные микропроцессоры

Универсальные микропроцессоры предназначены для решения задач цифровой обработки различного типа информации от инженерных расчетов до работы с базами данных, не связанных жесткими ограничениями на время 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.

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- и RISC-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, микропроцессоры типа Pentium. В то же время RISC-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.

Аннотация: Цель лекции: знакомство с архитектурой микропроцессоров, отличительными чертами микропроцессоров различных типов архитектуры, этапами развития архитектуры универсальных микропроцессоров, а также с основными чертами архитектуры IA-32.

Основные понятия и характеристики архитектуры микропроцессоров

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 на время 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.

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 - и RISC-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 время RISC-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 преобразователи и т. д. В некоторых источниках этот класс микропроцессоров называется 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):

1. Разрядность (8 бит).
2. 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).
3. Тактовая частота :
   • внешняя частота 12 МГц;
   • частота машинного цикла 1 МГц.
4. 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;
• тип 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 , или цифровые 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:

1. Требования к синхронизации: максимальная частота, стабильность.
2. 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.
3. 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.
4. Уровни сигналов логического нуля и логической единицы, которые связаны с номиналами источников питания.
5. 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.
6. 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).
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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 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);
2. затраты на сборку и наладку микропроцессорной системы (с увеличением функциональных возможностей МП потребуется меньше схем для создания МПС);
3. общая стоимость микропроцессорной системы , которая складывается из затрат (1) и (2). Она имеет некоторое оптимальное значение для данного уровня развития технологии;
4. 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.

Раздел 1 Архитектура микропроцессорного вычисления

Тема 1.1 Архитектура микропроцессора

План:

1 Архитектура микропроцессора. Классификация

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

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

Микропроцессорное устройство (МПУ) представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в состав которых входит микропроцессор; оно предназначено для выполнения определенного набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление.

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

Разные МП или МК объединяют в семейства как технология «микроядра», в качестве которого выступает процессорное ядро, взаимодействующее с периферийными устройствами различной номенклатуры, так и принципы, свойственные открытым системам: совместимость ( compatibility ), масштабируемость ( scalability ), переносимость ( portability ) и взаимодействие приложений ( introperability ).

Выпускаемые микропроцессоры делятся на отдельные классы в соответствии с их архитектурой, структурой и функциональным назначением. Основными направлениями развития микропроцессоров является увеличение их производительности и расширение функциональных возможностей, что достигается как повышением уровня микроэлектронной технологии, используемой для производства микропроцессоров, так и применением новых архитектурных и структурных вариантов их реализации.

На рисунке 1 приведена классификация современных микропроцессоров по функциональному признаку.

Рисунок 1 - Классификация современных микропроцессоров по функциональному признаку

Микропроцессоры общего назначения предназначены для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации. Их основной областью использования являются персональные компьютеры, рабочие станции, серверы и другие цифровые системы массового применения.

Специализированные микропроцессоры ориентированы на решение специфичных задач управления различными объектами. Содержат дополнительные микросхемы (интерфейсы), обеспечивающие специализи-рованное применение. Имеют особую конструкцию, повышенную надежность.

Микроконтроллеры являются специализированными микропро-цессорами, которые ориентированы на реализацию устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру. Характерной особенностью структуры микроконтроллеров является размещение на одном кристалле с центральным процессором внутренней памяти и большого набора периферийных устройств.

Цифровые процессоры сигналов (ЦПС) представляют класс специализированных микропроцессоров, ориентированных на цифровую обработку поступающих аналоговых сигналов. Специфической особенностью алгоритмов обработки аналоговых сигналов является необходимость последовательного выполнения ряда команд умножения-сложения с накоплением промежуточного результата в регистре-аккумуляторе. Поэтому архитектура ЦПС ориентирована на реализацию быстрого выполнения операций такого рода. Набор команд этих процессоров содержит специальные команды MAC (Multiplication with Accumlation ), реализующие эти операции.

Архитектурой процессора называется комплекс его аппаратных и программных средств, 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, виды и способы обработки прерываний.

При описании архитектуры и функционирования процессора обычно используется его представление в виде совокупности программно-доступных регистров, образующих регистровую или программную модель . В этих регистрах содержатся обрабатываемые данные (операнды) и управляющая информация. Соответственно, в регистровую модель входит группа регистров общего назначения , служащих для хранения операндов, и группа служебных регистров, обеспечивающих управление выполнением программы и режимом работы процессора, организацию обращения к памяти (защита памяти, сегментная и страничная организация и др.).

Регистры общего назначения образуют РЗУ - внутреннюю регистровую память процессора. Состав и количество служебных регистров определяется архитектурой микропроцессора. Обычно в их состав входят:

Программный счетчик PC (или CS + IP в архитектуре микропроцессоров Intel );

Регистр состояния SR (или EFLAGS );

Регистры управления режимом работы процессора CR (Control Register );

Регистры, реализующие сегментную и страничную организацию памяти;

Регистры, обеспечивающие отладку программ и тестирование процессора.

Кроме того, различные модели микропроцессоров содержат ряд других специализированных регистров.

Состав устройств и блоков, входящих в структуру микропроцессора, и реализуемые механизмы их взаимодействия определяются функциональным назначением и областью применения микропроцессора.

Архитектура и структура микропроцессора тесно взаимосвязаны. Реализация тех или иных архитектурных особенностей требует введения в структуру микропроцессора необходимых аппаратных средств (устройств и блоков) и обеспечения соответствующих механизмов их совместного функционирования. В современных микропроцессорах реализуются следующие варианты архитектур.

CISC ( Complex Instruction Set Computer ) - архитектура реализована во многих типах микропроцессоров, выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации. Они выполняют более 200 команд разной степени сложности, которые имеют размер от 1 до 15 байт и обеспечивают более 10 различных способов адресации. Такое большое многообразие выполняемых команд и способов адресации позволяет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач.

RISC ( Reduced Instruction Set Computer ) - архитектура отличается использованием ограниченного набора команд фиксированного формата. 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.

VLIW ( Very Large Instruction Word ) - архитектура появилась относительно недавно - в 1990-х годах. Ее особенностью 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.

Кроме набора выполняемых команд и способов адресации важной архитектурной особенностью микропроцессоров является используемый вариант реализации памяти и организация выборки команд и данных. По этим признакам различаются процессоры с Принстонской и Гарвардской архитектурой.

Принстонская архитектура , которая часто называется архитектурой Фон-Неймана, характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ, данных, а также для организации стека. Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по которой в процессор поступают и команды, и данные. Эта архитектура имеет ряд важных достоинств. Наличие общей памяти позволяет оперативно перераспределять ее объем для хранения отдельных массивов команд, данных и реализации стека в зависимости от решаемых задач.

Гарвардская архитектура характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. В ее оригинальном варианте использовался также отдельный стек для хранения содержимого программного счетчика, который обеспечивал возможности выполнения вложенных подпрограмм. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды. Благодаря такому разделению потоков команд и данных и совмещению операций их выборки реализуется более высокая производительность, чем при использовании Принстонской архитектуры.

Вывод:

Таким образом, можно сделать вывод, что микропроцессоры классифицируются по функциональному признаку, организацией архитектур, организацией памяти данных и программ, набора выполняемых команд и способов адресации, а также разрядностью данных, адресации и управления.

­ Контрольные вопросы:

1 Что такое микропроцессор?

2 Как классифицируются современные микропроцессоры по функции-ональному признаку?

3 Перечислите варианты архитектур процессоров.

4 Поясните особенности CISC архитектуры процессоров.

5 Поясните особенности RISC архитектуры процессоров.