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.

Литература

1. Д. Гивоне, Р. Россер. Микропроцессоры и микрокомпьютеры. Вводный курс. Перевод с английского. – М.: Мир, 1983.

2. Д. Корфрон. Технические средства микропроцессорных систем. Практический курс. Перевод с английского. – М.: Мир, 1983.

3. С.Т. Хвощ, Н.Н. Варлинский, Е.А. Попов. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления. Справочник. – Л.: Машиностроение, 1987.

4. Р. Токхайм. Микропроцессоры: курс и упражнения. Перевод с английского, под ред. В.Н. Грасевича – М.: Энергоатомиздат, 1988.

1. ЭВМ и микроЭВМ. Общие сведенья.

Поколения ЭВМ.

В 1949г. создана первая ЭВМ на лампах. В 1951 году была создана первая промышленная ЭВМ (Univac I). В этом же году появилась и в СССР Киев у Глушкова первая ЭВМ. Это были машины первого поколения.

Второе поколение – на транзисторах и полупроводниках (Проминь, Днепр, Минск).

В 1959г. изобрели интегральные схемы.

В 1965г. был создан первый миникомпьютер. (В СССР – М6000, М40-30, БЭСМ, машины ряда ЕС). Миникомпьютеры уже не были всецело предназначены для обработки данных и решения задач; их начали включать как составные части в системы, требовавшие быстрого принятия решений, - системы реального времени .

С появлением в 1971г. микропроцессоров началась эра программируемой логики.

Микропроцессор – это программируемое логическое устройство, изготовленное по БИС-технологии. В конструкцию микропроцессора заложена большая гибкость. Сам по себе он не может решить ту или иную конкретную задачу. Чтобы решить задачу, его нужно запрограммировать и соединить с другими устройствами. В их число входят память и устройства ввода/вывода.

В общем случае, некоторая совокупность соединенных друг с другом системных устройств, включающая микропроцессор, память и устройства ввода/вывода, нацеленная на выполнение некоторой четко определенной функции, называется микропроцессорной системой или микроЭВМ.

Типовая структура ЭВМ.

Типовая ЭВМ включает пять функциональных блоков: устройство ввода, память, арифметическое устройство, устройство управления и устройство вывода.

Рис. 1.1. Принцип организации ЭВМ

Аппаратура способна выполнять только ограниченный набор элементарных операций. Все остальные функциональные возможности ЭВМ достигаются программным путем .

Программа – это определенным образом организованная совокупность элементарных машинных операций, называемых командами , с помощью которых осуществляется обработка информации и данных.

Программа и данные сначала накапливаются в памяти, куда они поступают через устройство ввода. Затем отдельные команды программы одна за другой автоматически поступают в устройство управления, которое их расшифровывает и выполняет. Для выполнения операции обычно требуется, чтобы данные поступили в арифметическое устройство, содержащее все необходимые для их обработки электронные схемы. В процессе вычислений или после их завершения полученные результаты направляются в устройство вывода. Арифметическое устройство и устройство управления вместе обычно называются центральным процессорным устройством (ЦПУ) или центральнымпроцессором (ЦП). Центральный процессор, изготовленный в виде БИС, и есть микропроцессор .

Память

Запоминание и хранение больших объемов информации происходит в памяти, точнее в запоминающем устройстве . ЗУ подразделяются на подблоки, называемые регистрами , каждый из которых способен хранить одно машинное слово. Группа двоичных цифр, обрабатываемых одновременно, называется машинным словом , а число двоичных цифр, составляющих слово, называется длиной слова . Типичные микроЭВМ имеют длину слова 4, 8, 12, 16 двоичных разрядов. В силу особой распространенности слово длиной 8 бит имеет специальное название – байт .

Каждый регистр в ЗУ, или ячейка памяти имеет свой адрес. Адрес – это просто целое число, однозначно идентифицирующее ячейку. Слово, хранящееся в ячейке, называют содержимым этой ячейки.

Арифметическое устройство (АУ)

Обработка данных осуществляется главным образом в АУ. Эта обработка включает в себя как арифметические, так и логические операции – они очень элементарны (сложить два числа, вычесть, сравнить, сдвинуть одно по отношению к другому, инвертировать, логический умножить, исключить ИЛИ).

Главный регистр в АУ – аккумулятор .

Имеется в АУ несколько рабочих регистров для кратковременного хранения результатов вычисления.

АУ содержит также признаковые биты – флажки . Флажки содержат информацию, характеризующую состояние процессора и результаты сравнения чисел. Состояние флажков вместе с другой важной информацией о состоянии ЭВМ хранится в специальном регистре – слове состоянии программы (PSW – program status word).

Устройство управления (УУ)

УУ управляет работой ЭВМ. Оно автоматически, последовательно по одной, получает команды из памяти, декодирует каждую из них и генерирует необходимые для ее выполнения сигналы.

В УУ находится программный счетчик для указания адреса очередной команды. При получении в УУ команды содержимое счетчика автоматически увеличивается на 1.

Поступающие в УУ команды записываются в регистре команд . Каждая команда содержит код операции, данные или адрес . Код операции – это совокупность двоичных цифр, которые однозначно определяют операцию, выполняемую в процессе интерпретации команды. Адресная часть команды (если она присутствует) указывает на ячейки (например, в памяти), к которым нужно обратиться, выполняя команду.

Необходимо адрес ячейки различать с ее содержимым и не путать эти понятия.

Следующая функция УУ – это синхронизация работы отдельных блоков ЭВМ. Она осуществляется с помощью тактового генератора . Обработка команды занимает несколько периодов тактового генератора. В общем случае, команда в ЭВМ сначала выбирается из памяти, потом декодируется, а затем выполняется. Выборка, декодирование и выполнение распадаются на несколько временных интервалов. Каждый из этих интервалов, включающий один или несколько периодов тактового генератора, представляет собой так называемый машинный цикл . Совокупное время, требуемое для выборки, декодирования и выполнения команды, образует командный цикл , или цикл выполнения команды.

Устройство ввода/вывода (УВВ)

Через устройство ввода/вывода осуществляется контакт ЭВМ с внешним миром. Они являются буферами для преобразования информации с тех языков, уровней и тех скоростей, на которых работает ЭВМ, к тем, которые воспринимает человек или другая связанная с ЭВМ система. УВВ представляет собой периферийные устройства ЭВМ. Точки контакта между УВВ и ЭВМ называются портами ввода/вывода.

Архитектура микропроцессора.

МикроЭВМ

МикроЭВМ – это система с шинной организацией, состоящая из модулей или блоков, реализованных в виде БИС. Эти модули обрабатывают информацию, управляют потоком и интерпретацией команд, управляют работой шин, хранят информацию и осуществляют взаимодействие между микроЭВМ и ее окружением. Это взаимодействие осуществляют блоки, называемые портами ввода/вывода. Каждый такой порт является интерфейсом между микропроцессором и каким-либо внешним устройством (например, терминалом, внешней памятью, измерительным прибором и др.). Взаимодействие блоков осуществляется при помощи шин трех типов: адресных шин, шин данных и управляющих шин.

Рис. 2.1. Структура микроЭВМ с шинной организацией

Структура микропроцессора

Рис. 2.2. Гипотетический МП

В приведенном гипотетическом микропроцессоре:

· программный счетчик (счетчик команд), стек и регистр команд служат для обработки команд;

· АЛУ, триггер переноса, общие регистры, регистр адреса данных служат для обработки данных;

· остальные компоненты – дешифратор команд, БУС – управляют работой микропроцессора в целом.

Взаимодействие компонентов осуществляется по внутренним каналам передачи данных. Связь МП с другими блоками (ЗУ и устройства ввода/вывода) происходит по адресной шине, шине данных и шине управления.

Микропроцессор работает со словами, состоящими из 8 битов, называемых байтами.

Адресная шина МП однонаправленная, а шина данных двунаправленная. Управляющая шина состоит из 5 линий, ведущих к блоку управления и синхронизации и 8 выходящих из него линий. По этим линиям передаются управляющие и тактирующие сигналы между компонентами микропроцессора и между МП и другими блоками микроЭВМ.

Счетчик команд состоит из 16 битов и содержит адрес очередного байта команды, считываемого из памяти. Он автоматически увеличивается на единицу после чтения каждого байта. Одна из функций стека – сохранение адреса возврата из подпрограммы. В стеке могут также сохраняться данные из верхних трех общих регистров и триггера переноса.

В то время как слово данных всегда состоит из одного байта, команда может состоять из 1, 2 или 3 байтов. Первый байт любой команды поступает из памяти по шине данных на регистр команд . Этот первый байт подается на вход дешифратора команд, который определяет ее смысл. В частности, дешифратор определяет, является ли команда однобайтной или она состоит из большого числа байтов. В последнем случае дополнительные байты передаются по шине данных из памяти и принимаются или на регистр адреса данных, или на один из общих регистров.

Регистр адреса данных содержит адрес операнда для команд, обращающихся к памяти, адрес порта для команд ввода/вывода или адрес следующей команды для команд перехода.

Пятнадцать 8-битовых общих регистров содержат операнды для всех команд, работающих с данными. Для указания этих регистров используются 4-битовые коды от 0000 до 1110. Регистр 0000 называется аккумулятором (АК) и участвует во всех арифметических и логических операциях (в АК содержится один из операндов перед началом выполнения операции и в АК загружается результат после ее выполнения). Обычно обращение к общим регистрам осуществляется при помощи R-селектора или r-селектора . R-селектор позволяет обращаться к любому регистру, тогда как через r-селектор доступны только три первые регистры.

Важной возможностью МП является косвенная адресация. Задание несуществующего регистра общего назначения 1111используется как указание на то, что нужно обратиться к байту памяти по 16-разрядному адресу, который получается комбинированием содержимого двух фиксированных общих регистров. Старшие 8 разрядов адреса – из регистра 0001, а следующие 8 разрядов – из регистра 0010 (часто эти регистры называют H и L соответственно).

Все арифметические и логические операции выполняются в арифметико-логическом устройстве (АЛУ) . Входами АЛУ служат две 8-битовые шины. Одна из них идет от аккумулятора (регистр 0000), а другая – от R-селектора, который выбирает либо один из регистров общего назначения от 0000 до 1110, либо ячейку памяти, если задана косвенная адресация. Еще одна входная линия поступает в АЛУ от триггера переноса С, который участвует в некоторых арифметических и логических операциях. Результаты из АЛУ передаются в аккумулятор по выходной 8-битовой шине. Существуют еще две линии, идущие от АЛУ к блоку управления и синхронизации; они передают информацию о наличии или отсутствии двух особых условий: аккумулятор содержит нули (линия Z) и старший разряд аккумулятора равен 1 (линия N). Триггер переноса и обе линии состояния АЛУ Z и N называются флажками и используются в командах условного перехода.

Последний компонент МП – блок управления и синхронизации (БУС) . Он получает сигналы от дешифратора команд, который анализирует команду. В БУС из АЛУ и от триггера переноса поступают сигналы, по которым определяются условия для передач управления. Все остальные компоненты МП получают от БУС управляющие и синхронизирующие сигналы, необходимые для выполнения команды. С помощью 13 внешних линий реализуется интерфейс устройства управления с другими модулями микроЭВМ.

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

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

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

Рис.14 Типовая структурная схема МП

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

В течение каждого цикла команды ЦП выполняет много управляющих функций:

1) помещает адрес команды в адресную шину памяти;

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

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

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

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

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

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

Рис.15 Цикл команды процессора

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

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

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

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

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

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

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

По способу хранения программ выделяется две архитектуры:

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

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

По организации регистрового файла ФУ можно выделить следующие типы процессоров.

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

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

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

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.

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.