Эта глава посвящена архитектурным особенностям микропроцессоров. В ней приведены общие сведения о микропроцессорах, рассматриваются принципы структурно - функциональной организации) типы данных, регистровая память, спо-собы адресации и система команд микропроцессоров. Излагаемый материал ил-люстрируется на простейших 8- и 16-разрядных процессорах.

Основные понятия

Микропроцессор — это программно-управляемое устройство в виде интегральной микросхемы (БИС или СБИС), предназначенное для обработки цифровой информации. Поскольку все современные микро-процессоры имеют интегральное исполнение, синонимом микропроцессора стал термин процессор.

Микроконтроллер — это специализированный процессор, предназначен-ный для реализации функций управления (control— управление).

{xtypo_quote}Цифровой сигнальный процессор(Digital Signal Processor — DSP) — это специа-лизированный процессор, предназначенный для обработки цифровых сигналов. {/xtypo_quote}
Микропроцессорная система представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из нескольких цифровых устройств, включая процессор. Это понятие объединяет широкий набор законченных изделий, начиная с микроконтроллеров, выполненных на интегральных микросхемах, и кон-чая компьютерными системами, представляющими собой набор отдельных конст-руктивно оформленных устройств (системный блок, клавиатура, монитор и др.). В дальнейшем рассматриваются простейшие (однокристальные) микропроцес-сорные системы, содержащие помимо процессора основную память и устройства ввода/вывода. Такие микропроцессорные системы можно отнести к классу микро-процессоров.

Под организацией процессора понимают совокупность его узлов (устройств, блоков, модулей), связи между узлами и их функциональные характе-ристики. Организация определяет аппаратную организацию процессора, т. е. состав и взаимодействие его аппаратных средств. Выделяют два уровня организации:

● физическую организацию в виде принципиальной схемы;

● логическую организацию в виде структурно-функциональной схемы.

В дальнейшем рассматривается организация микропроцессоров на логиче-ском уровне, или структурно-функциональная организация процессоров.

Под архитектурой процессора будем понимать совокупность его программно-аппаратных средств, обеспечивающих обработку цифровой инфор-мации (выполнение программы), т. е. совокупность всех средств, доступных про-грамме (или пользователю). Это более общее понятие по сравнению с понятием организация включает в себя набор программно-доступных регистров и операци-онных устройств, систему основных команд и способов адресации, объем и орга-низацию адресуемой памяти, виды и способы обработки данных (обмен, преры-вания, примой доступ к памяти и др.).

{xtypo_quote}Например, современные 32-разрядные процессоры х86 с архитектурой IA-32 (Intel Architecture — 2 bit) имеют стандарт-ный набор регистров, общую систему основных команд, одинаковые способы организации и адресации памяти, защиты памяти и обслуживания прерываний. Отметим, что понятие архитектуры в большей степени характеризует свойства системы, чем устройства. {/xtypo_quote}

Основные виды архитектур

По форматам используемых команд (инструкций) можно выделить:

● CISC-архитектуру, которая относится к процессорам (компьютерам) с полным набором команд (Complete Instruction Set Computer— CISC). Она реализова-на во многих типах микропроцессоров (например Pentium), выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации.

Система команд процессоров с CISC-архитектурой может содержать не-сколько сотен команд разного формата (от 1 до 15 байт), или степени слож-ности, и использовать более 10 различных способов адресации, что позволя-ет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач.

Развитие традиционных CISC

Архитектур микропроцессоров по пути рас-ширения функциональных возможностей и снижения затрат на программиро-вание привело к увеличению числа команд в наборе и числа микрокоманд в команде. Следствием этого явилось усложнение интегральных схем и сни-жение быстродействия выполнения программ. Один из возможных путей уст-ранения указанных недостатков состоит в использовании сокращенного набо-ра команд, организация которого подчинена увеличению скоростей их выпол-нения;

● RISC-архитектуру, которая относится к процессорам (компьютерам) с сокра-щенным набором команд (Reduced instruction Set Computer — RISC). Появле-ние RISC -архитектуры продиктовано тем, что многие CISC -команды и спо-собы адресации используются достаточно редко. Основная особенность RISC-архитектуры проявляется в том, что система команд состоит из неболь-шого количества часто используемых команд одинакового формата, которые могут быть выполнены за один командный цикл (такт) центрального процес-сора. Более сложные, редко используемые команды реализуются на про-граммном уровне. Однако за счет значительного повышения скорости испол-нения команд средняя производительность RISC-процессоров может оказать-ся выше, чем у процессоров с CISC-архитектурой.

{xtypo_quote}Большинство команд RISC -процессоров связано с операцией регистр-регистр. Для обращения к памяти оставлены наиболее простые с точки зре-ния временных затрат операции загрузки в регистры и записи в память. {/xtypo_quote}

Современные RISC -процессоры реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта, и используют небольшое число наи-более простых способов адресации (регистровую, индексную и некоторые другие).

Для сокращения количества обращений к внешней оперативной памяти RISC -процессоры содержат десятки-сотни регистров общего назначения (РОН), тогда как в CISC -процессорах всего 8-16 регистров. Обращение к внешней памяти в RISC-процессорах используется только в операциях за-грузки данных в РОН или пересылки результатов из РОН в память. За счет со-кращения аппаратных средств, необходимых для декодирования и выполне-ния сложных команд, достигается существенное упрощение интегральных схем RISC-процессоров и снижение их стоимости. Кроме того, значительно повышается производительность. Благодаря указанным достоинствам во многих современных
CI SC -процессорах (последние модели Pentium и К7) ис-пользуется RISC-ядро. При этом сложные CI SC-команды предварительно преобразуются в последовательность простых RISC-операций и быстро вы-полняются RISC-ядром;

● VLIW-архитектуру, которая относится к микропроцессорам с использованием очень длинных команд (Very Large Instruction Word— VLIW). Отдельные поля команды содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций. Одна VLIW -команда может выполнить сразу несколько операций одновремен-но в различных узлах микропроцессора. Формирование «длинных» VLIW - koманд производит соответствующий компилятор при трансляции программ, написанных на языке высокого уровня.

{xtypo_quote}VLIW -архитектура реализована в неко-торых типах современных микропроцессоров и является весьма перспектив-ной для создания нового поколения сверхвысокопроизводительных процес-соров. {/xtypo_quote}

По способу организации выборки команд и данных различа-ют два вида архитектур:

● принстонская архитектура, или архитектура фон-Неймана, особенностью которой является (рис. 2.1.1) использование:

Общей основной (оперативной) памяти для хранения программ и данных, что позволяет оперативно и эффективно перераспределять ее объем в за-висимости от решаемых задач в каждом конкретном случае применении микропроцессора;

Общей шины, по которой в процессор поступают команды и данные, а в опе-ративную память записываются результаты, что значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность. Чтобы отделить команду от данных, первым из памяти всегда поступает код выполняемой операции, а затем следуют данные. По умолчанию код операции загружается в регистр команд, а дан-ные — в блок регистров (рис. 2.1.1). Из-за ограниченного числа внешних выводов общая шина обычно работает в режиме временного мультиплек-сирования, т. е. противоположные направления обмена данными между микропроцессором, памятью или другими внешними устройствами разде-лены во времени.

Недостаток принстонской архитектуры

Использование общей шины для пе-редачи команд и данных ограничивает производительность цифровой системы;

● гарвардская архитектура (создатель Говард Айкен), особенностью которой является физическое разделение памяти команд (программ) и памяти данных (рис. 2.1.2). Это обстоятельство вызвано постоянно возрастающими требова-ниями к производительности микропроцессорных систем. Память команд и память данных соединяются с процессором отдельными шинами. Благодаря разделению потоков команд и данных, а также совмещению операций их вы-борки (и записи результатов обработки) обеспечивается более высокая про-изводительность, чем при использовании принстонской архитектуры.

Недостатки гарвардской архитектуры

Усложнение конструкции из-за ис-пользования отдельных шин для команд и данных; фиксированный объем па-мяти для команд и данных; увеличение общего объема памяти из-за невоз-можности ее оптимального перераспределения между командами и данными. Гарвардская архитектура получила широкое применение в микроконтрол-лерах — специализированных микропроцессорах для управления различными объектами, а также во внутренней структуре современных высокопроизводи-тельных микропроцессоров в кэш-памяти с раздельным хранением команд и данных.

В то же время во внешней структуре большинства микропроцессор-ных систем реализуются принципы принстонской архитектуры.

Отметим, что архитектура микропроцессора тесно связана с его структурой. Реализация тех или иных архитектурных особенностей требует введении в струк-туру микропроцессора соответствующих устройств и обеспечения механизмов их совместного функционирования.

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

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

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

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

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

Рис. 1.1. Классификация микропроцессоров

Характеристики универсальных микропроцессоров:

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

виды и форматы обрабатываемых данных;

система команд, режимы адресации операндов;

емкость прямоадресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса;

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

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

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

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

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

Отличительные особенности архитектуры однокристальных микроконтроллеров:

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

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

простейшие режимы адресации операндов.

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

Разрядность (8 бит).

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

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

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

Тактовая частота:

• внешняя частота 12 МГц;

  частота машинного цикла 1 МГц.

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

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

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

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

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

• разрядное секционное АЛУ;

  блок ускоренного переноса;

  разрядное секционное АЛУ с аппаратной поддержкой умножения;

  типа схем микропрограммного управления;

  контроллер состояния и сдвига;

  контроллер приоритетных прерываний.

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

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

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

Требования к синхронизации: максимальная частота, стабильность.

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

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

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

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

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

коммерческий (0 0 С … +70 0 С);

расширенный (-40 0 С … +85 0 С).

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

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

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

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

Рис. 1.2. Затраты на производство микропроцессорной системы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Структура и особенности архитектуры микропроцессора Pentium 4

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

новая микроархитектура процессора NetBurst (пакетно-сетевая);

новая системная шина FSB.

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

Применена гарвардская структура с разделением потоков команд и данных.

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

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

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

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

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

Рассмотрим эти особенности более подробно. предСтруктура МП Pentium 4

Команды и данные поступают в микропроцессор через блок системного интерфейса.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

короткие циклы с высокими коэффициентами повторяемости;

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

применение алгоритмов, требующих интенсивных вычислений;

широкое использование операций с высоким уровнем параллелизма.

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

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

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

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

Архитектура микропроцессора

Основные характеристики микропроцессора

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

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

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

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

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

Структура типового микропроцессора

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

Рис. 2.1. Архитектура типового микропроцессора.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Введение

Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов.

Архитектура микропроцессора

Основные характеристики микропроцессора

Микропроцессор характеризуется:

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

Разрядностть МП обозначается m/n/k/ и включает:

m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;

3) архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.

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

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

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

Структура типового микропроцессора

Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рис. 1. Такая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации.

Рис. 1.

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

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

В качестве примера, иллюстрирующего работу микроЭВМ, рассмотрим процедуру, для реализации которой нужно выполнить следующую последовательность элементарных операций:

• 1. Нажать клавишу с буквой "А" на клавиатуре.
• 2. Поместить букву "А" в память микроЭВМ.
• 3. Вывести букву "А" на экран дисплея.

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

На рис. 2 приведена подробная диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода. Обратите внимание, что команды уже загружены в первые шесть ячеек памяти. Хранимая программа содержит следующую цепочку команд:

• 1. Ввести данные из порта ввода 1.
• 2. Запомнить данные в ячейке памяти 200.
• 3. Переслать данные в порт вывода 10.

В данной программе всего три команды, хотя на рис. 2 может показаться, что в памяти программ записано шесть команд. Это связано с тем, что команда обычно разбивается на части. Первая часть команды 1 в приведенной выше программе - команда ввода данных. Во второй части команды 1 указывается, откуда нужно ввести данные (из порта 1). Первая часть команды, предписывающая конкретное действие, называется кодом операции (КОП), а вторая часть - операндом. Код операции и операнд размещаются в отдельных ячейках памяти программ. На рис. 2 КОП хранится в ячейке 100, а код операнда - в ячейке 101 (порт 1); последний указывает, откуда нужно взять информацию.

Рис. 2.

В МП на рис. 2 выделены еще два новых блока - регистры: аккумулятор и регистр команд.

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

Итак, при выполнении типичной процедуры ввода-запоминания-вывода в микроЭВМ происходит следующая последовательность действий:

• 1. МП выдает адрес 100 на шину адреса. По шине управления поступает сигнал, устанавливающий память программ (конкретную микросхему) в режим считывания.
• 2. ЗУ программ пересылает первую команду ("Ввести данные") по шине данных, и МП получает это закодированное сообщение. Команда помещается в регистр команд. МП декодирует (интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нужен операнд.
• 3. МП выдает адрес 101 на ША; ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.
• 4. Из памяти программ на ШД пересылается операнд "Из порта 1". Этот операнд находится в программной памяти в ячейке 101. Код операнда (содержащий адрес порта 1) передается по ШД к МП и направляется в регистр команд. МП теперь декодирует полную команду ("Ввести данные из порта 1").
• 5. МП, используя ША и ШУ, связывающие его с устройством ввода, открывает порт 1. Цифровой код буквы "А" передается в аккумулятор внутри МП и запоминается.

Важно отметить, что при обработке каждой программной команды МП действует согласно микропроцедуре выборки-декодирования-исполнения.

• 6. МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.
• 7. Код команды "Запомнить данные" подается на ШД и пересылается в МП, где помещается в регистр команд.
• 8. МП дешифрирует эту команду и определяет, что для нее нужен операнд. МП обращается к ячейке памяти 103 и приводит в активное состояние вход считывания микросхем памяти программ.
• 9. Из памяти программ на ШД пересылается код сообщения "В ячейке памяти 200". МП воспринимает этот операнд и помещает его в регистр команд. Полная команда "Запомнить данные в ячейке памяти 200" выбрана из памяти программ и декодирована.
• 10. Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пересылает адрес 200 на ША и активизирует вход записи, относящийся к памяти данных.
• 11. МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в память данных. Код буквы "А" передается по ШД и записывается в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая команда. Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем по-прежнему находится код буквы "А".
• 12. МП обращается к ячейке памяти 104 для выбора очередной команды и переводит память программ в режим считывания.
• 13. Код команды вывода данных пересылается по ШД к МП, который помещает ее в регистр команд, дешифрирует и определяет, что нужен операнд.
• 14. МП выдает адрес 105 на ША и устанавливает память программ в режим считывания.
• 15. Из памяти программ по ШД к МП поступает код операнда "В порт 10", который далее помещается в регистр команд.
• 16. МП дешифрирует полную команду "Вывести данные в порт 10". С помощью ША и ШУ, связывающих его с устройством вывода, МП открывает порт 10, пересылает код буквы "А" (все еще находящийся в аккумуляторе) по ШД. Буква "А" выводится через порт 10 на экран дисплея.

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

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

Таким образом, в МПС микропроцессор выполняет следующие функции:

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

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.

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.