Архитектура микропроцессоровАрхитектура микропроцессоров.

Эта глава посвящена архитектурным особенностям микропроцессоров. В ней приведены общие сведения о микропроцессорах, рассматриваются принципы структурно – функциональной организации) типы данных, регистровая память, спо­собы адресации и система команд микропроцессоров. Излагаемый материал ил­люстрируется 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 микро­процессоры имеют интегральное исполнение, синонимом микропроцессора стал термин процессор.

Микроконтроллер


— это специализированный процессор, предназначен­ный для реализации функций управления (

control

— управление).

Цифровой сигнальный процессор


(

Digital



Signal



Processor



DSP

) — это специа­лизированный процессор, предназначенный для обработки цифровых сигналов.

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 кон­чая компьютерными системами, представляющими собой набор отдельных конст­руктивно оформленных устройств (системный блок, клавиатура, монитор и др.). В дальнейшем рассматриваются простейшие (однокристальные) микропроцес­сорные системы, содержащие помимо процессора основную память и устройства ввода/вывода. Такие микропроцессорные системы можно отнести к классу микро­процессоров.

Под организацией процессора понимают совокупность его узлов (устройств, блоков, модулей), связи между узлами и их функциональные характе­ристики. 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 логиче­ском уровне, или структурно–функциональная организация процессоров.

Под архитектурой процессора будем понимать совокупность его программно–аппаратных средств, обеспечивающих обработку цифровой инфор­мации (выполнение программы), т. е. совокупность всех средств, доступных про­грамме (или пользователю). Это более общее понятие по сравнению с понятием организация включает в себя набор программно–доступных регистров и операци­онных устройств, систему основных команд и способов адресации, объем и орга­низацию адресуемой памяти, виды и способы обработки данных (обмен, преры­вания, примой доступ к памяти и др.). Например, современные 32–разрядные процессоры х86 с архитектурой

IA

–32 (

Intel



Architecture

— 32

bit

) имеют стандарт­ный 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.

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 реализова­на во многих типах микропроцессоров (например

Pentium

), выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации.

Система команд процессоров с

CISC

–архитектурой может содержать не­сколько сотен команд разного формата (от 1 до 15 байт), или степени слож­ности, и использовать более 10 различных способов адресации, что позволя­ет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач.

Развитие традиционных

CISC

–архитектур микропроцессоров по пути рас­ширения функциональных возможностей и снижения затрат на программиро­вание привело к увеличению числа команд в наборе и числа микрокоманд в команде. Следствием этого явилось усложнение интегральных схем и сни­жение быстродействия выполнения программ. Один из возможных путей уст­ранения указанных недостатков состоит в использовании сокращенного набо­ра команд, организация которого подчинена увеличению скоростей их выпол­нения;



RISC

–архитектуру

, которая относится к процессорам (компьютерам) с сокра­щенным набором команд (

Reduced



instruction



Set



Computer



RISC

). Появле­ние

RISC

–архитектуры продиктовано тем, что многие

CISC

–команды и спо­собы адресации используются достаточно редко. Основная особенность

RISC

–архитектуры проявляется в том, что система команд состоит из неболь­шого количества часто используемых команд одинакового формата, которые могут быть выполнены за один командный цикл (такт) центрального процес­сора. Более сложные, редко используемые команды реализуются на про­граммном уровне. Однако за счет значительного повышения скорости испол­нения команд средняя производительность

RISC

–процессоров может оказать­ся выше, чем у процессоров с

CISC

–архитектурой.

Большинство команд

RISC

–процессоров связано с операцией регистр–регистр. Для обращения к памяти оставлены наиболее простые с точки зре­ния временных затрат операции загрузки в регистры и записи в память.

Современные

RISC

–процессоры реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта, и используют небольшое число наи­более 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 за­грузки данных в РОН или пересылки результатов из РОН в память. За счет со­кращения аппаратных средств, необходимых для декодирования и выполне­ния 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) ис­пользуется

RISC

–ядро. При этом сложные

CI

SC

–команды предварительно преобразуются в последовательность простых

RISC

–операций и быстро вы­полняются

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 одновремен­но в различных узлах микропроцессора. Формирование «длинных»

VLIW



ko

­манд производит соответствующий компилятор при трансляции программ, написанных на языке высокого уровня.

VLIW


–архитектура реализована в неко­торых типах современных микропроцессоров и является весьма перспектив­ной для создания нового поколения сверхвысокопроизводительных процес­соров.

По способу организации выборки команд и данных различа­ют 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 за­висимости от решаемых задач в каждом конкретном случае применении микропроцессора;

• общей шины, по которой в процессор поступают команды и данные, а в опе­ративную 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 дан­ные — в блок регистров (рис. 2.1.1). Из–за ограниченного числа внешних выводов общая шина обычно работает в режиме временного мультиплек­сирования, т. е. противоположные направления обмена данными между микропроцессором, памятью или другими внешними устройствами разде­лены во времени. рис. 2.1.1

Недостаток принстонской архитектуры


— использование общей шины для пе­редачи 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 требова­ниями 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 вы­борки (и записи результатов обработки) обеспечивается более высокая про­изводительность, чем при использовании принстонской архитектуры. рис. 2.1.2

Недостатки гарвардской архитектуры


: усложнение конструкции из–за ис­пользования отдельных шин для команд и данных; фиксированный объем па­мяти для команд и данных; увеличение общего объема памяти из–за невоз­можности ее оптимального перераспределения между командами и данными. Гарвардская архитектура получила широкое применение в микроконтрол­лерах — специализированных микропроцессорах для управления различными объектами, а также во внутренней структуре современных высокопроизводи­тельных микропроцессоров в кэш–памяти с раздельным хранением команд и данных. В то же время во внешней структуре большинства микропроцессор­ных систем реализуются принципы принстонской архитектуры.

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



Рекомендуйте эту статью другим!