Сообщение на тему архитектура микропроцессоров

Обновлено: 17.05.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

АРХИТЕКТУРА И ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

В современных компьютерах или устройствах микропроцессор является неотъемлемой часть. Он выполняет функции центрального процессора. В компьютере эта часть отвечает за выполнение инструкций, запрограммированных на единственную интегральную схему, которая соединяет устройства машины через электрическую инфраструктуру, необходимую для их хранения. Конструкция микропроцессора использует огромную вычислительную мощность.

Основная функция микропроцессора заключается в выполнении различных операций арифметики, а также логики, таких как сложение чисел, вычитание, перенос чисел из одной области в другую и вычисление двух чисел. Альтернативное название микропроцессора - процессор или логический чип. В компьютере он работает как мозг, объединяя функции одной интегральной схемы или центрального процессора. Это программируемое устройство, используемое для многоцелевого использования.

Обработка данных в процессоре может быть выполнена с помощью массива ALU, блока управления и регистра.

Массив регистров обрабатывает данные через ряд регистров, которые выполняются как мгновенные позиции памяти быстрого доступа. Поток данных и инструкций в системе может быть обработан через блок управления. Как правило, базовый микропроцессор нуждается в определенных элементах для выполнения некоторых операций, таких как регистры, ALU (арифметический и логический блок), блок управления, регистр команд, счетчик программ и шина.

Микропроцессор представляет собой единый пакет микросхем, в котором несколько полезных функций интегрированы и изготовлены на одном кремниевом полупроводниковом чипе. Его архитектура состоит из центрального процессора, модулей памяти, системной шины и блока ввода-вывода.

Системная шина соединяет различные блоки для облегчения обмена информацией. Кроме того, он состоит из шин данных, адресов и управления для правильного обмена данными.

Центральный процессор состоит из одного или нескольких арифметико-логических блоков (АЛУ), регистров и блока управления. На основе регистров также можно классифицировать поколения микропроцессора. Микропроцессор состоит из регистров общего назначения и специального типа для выполнения команд, и хранения адреса или данных во время выполнения программы. АЛУ вычисляет все арифметические и логические операции с данными и определяет размер микропроцессоров, таких как 16-битные или 32-битные.

Блок памяти содержит как программу, так и данные и делится на процессор, первичную и вторичную память. Блок ввода-вывода взаимодействует с периферийными устройствами ввода-вывода и микропроцессором для приема и отправки информации.

Микропроцессоры выпускаются в различных конструкциях специального назначения, которые включают в себя следующее.

DSP (digital signal processor) - это один из видов специализированного процессора, используемого для обработки сигналов.
Графические процессоры (графические процессоры) в основном предназначены для рендеринга изображений в режиме реального времени. Другие типы специализированных процессоров используются для машинного зрения, а также для обработки видео.
В встраиваемых системах микроконтроллеры включают микропроцессор с использованием периферийных устройств
SOC (Системы на кристалле) часто включают в себя одно или несколько ядер микроконтроллера/микропроцессора, использующих дополнительные компоненты, такие как радиомодемы. Эти модемы применимы в планшетах, смартфонах и т. д.

Первый микропроцессор, разработанный Intel, - Intel 4004. Через несколько лет один Электронный журнал опубликовал в 1975 году статью о Altair, в которой использовался новый процессор, а именно Intel 8080. Это процессор второго поколения. В 1980 году IBM решила использовать микропроцессор Intel, известный как 8088.

Этот процессор был первым массовым ПК, который был удачно известен как ПК.

Когда люди начали использовать персональные компьютеры для различных целей, таких как создание графики, обработка слов, количество процессоров в коробке увеличилось, однако процессор остается в центре внимания даже в наши дни.

1-е поколение: Это был период с 1971 по 1973 год истории микропроцессоров. В 1971 году INTEL создала первый микропроцессор 4004, который будет работать с тактовой частотой 740 кГц. В этот период использовались другие микропроцессоры на рынке, включая Rockwell international PPS-4, INTEL-8008 и National semiconductors IMP-16. Но все они не были TTL-совместимыми процессорами.

3-е поколение: В этот период были созданы и спроектированы 16-битные процессоры с использованием технологии HMOS. С 1979 по 1980 год были разработаны INTEL 8086/80186/80286 и Motorola 68000 и 68010. Скорость этих процессоров была в четыре раза выше, чем у процессоров 2-го поколения.

4-е поколение: С 1981 по 1995 год это поколение разрабатывало 32-битные микропроцессоры с использованием технологии HCMOS. Самыми популярными процессорами были INTEL-80386 и Motorola 68020/68030.

5-е поколение: С 1995 года и по настоящее время это поколение выпускает высокопроизводительные и высокоскоростные процессоры, использующие 64-битные процессоры. К таким процессорам относятся Pentium, Celeron, Двух-и четырехъядерные процессоры.

Список литературы:

1. Цифровые устройства и микропроцессоры: учеб. пособие / А.В. Микушин, А.М. Сажнев, В.И. Седин. – БХВ-Петербург, 2010.

2. Сергей Пахомов. Эра трехмерных транзисторов//Компьютер пресс. – 2003.

3. Майстренко А.В. Информатика: Учебное пособие. Ч.1. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006.

5. Пахомов С. Современные процессоры для ПК, Компьютер-Пресс, №12, 2006г.

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.

Рис.15 Цикл команды процессора

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

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

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

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

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

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

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

По способу хранения программ выделяется две архитектуры:

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

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

По организации регистрового файла ФУ можно выделить следующие типы процессоров.

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

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

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

Микропроцессор ‒ это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех других блоков и выполнение арифметических и логических операций над информацией.

6.1 Функции микропроцессора

Микропроцессор (МП) выполняет такие основные функции:

чтение и дешифровка команд из основной памяти;
чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;
прием и обработка запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;
обработка данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;
формирование управляющих сигналов для всех других узлов и блоков компьютеру.

6.2 Классификация микропроцессоров

Классификация МП по назначению представлена на рис.6.1.

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

Специализированные микропроцессоры ориентированы на решение специфических задач управления разными объектами. Содержат дополнительные микросхемы (интерфейсы), что обеспечивают специализированное использование. Имеют особую конструкцию, повышенную надежность.

Микроконтроллеры являются специализированными микропроцессорами, которые ориентированы на реализацию устройств управления, встроенных в разнообразную аппаратуры.

Цифровые процессоры сигналов (ЦПС) представляют класс специализированных микропроцессоров, ориентированных на цифровую обработку входных аналоговых сигналов.

Рисунок 6.1 - Классификация микропроцессоров по функциональному назначению

10.3 Архитектура микропроцессоров

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

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

10.3.1. Типы архитектур

При описании архитектуры и функционирование процессора обычно используется его представление в виде совокупности программно-доступных регистров, которые образовывают реестровую или программную модель.

Регистры общего назначения образовывают внутреннюю реестровую память процессора.

Состав устройств и блоков, которые входят в структуру микропроцессора, и реализуются механизмы их взаимодействия определяются функциональным назначением и областью применения микропроцессора.

Архитектура и структура микропроцессора тесно взаимосвязаны. Реализация тех или других архитектурных особенностей требует введения в структуру микропроцессора необходимых аппаратных средств (устройств и блоков) и обеспечение соответствующих механизмов их общего функционирования. Ниже рассмотрим кратко основные группы МП.

CISC ( Complex Instruction Set Computer ) ‒ архитектура реализована во многих типах микропроцессоров, которые выполняют большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации. Они выполняют больше 200 команд разной степени сложности, которые имеют размер от 1 до 15 байт и обеспечивают больше 10 разных способов адресации. Это команды типа "регистр-регистр", "регистр-память".

RISC ( Reduced Instruction Set Computer ) ‒ архитектура отличается использованием ограниченного набора команд фиксированного формата. Современные RISC ‒ процессоры по обыкновению реализуют около 100 команд, которые имеют фиксированный формат длиной 4 байта.

VLIW ( Very Large Instruction Word ) - архитектура отличается использованием очень длинных команд (до 128 бит и больше), отдельные поля которых содержат коды, которые обеспечивают выполнение разных операций. Таким образом, одна команда вызывает выполнение сразу нескольких операций параллельно в разных операционных устройствах, которые входят в структуру микропроцессора.

Кроме набора выполняемых команд и способов адресации важной архитектурной особенностью микропроцессоров является вариант реализации памяти, который используется, и организация выборки команд и данных. По этим признаками различают процессоры с Принстонской и Гарвардской архитектурой (рис.10.2).

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

Гарвардская архитектура - архитектура МП, которая характеризуется физическим делением памяти команд (программ) и памяти данных. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, которая разрешает одновременно с чтением/записью данных при выполнении текущей команды делать выборку и декодирование следующей команды. Благодаря такому делению потоков команд и данных и объединению операций их выборки реализуется более высокая производительность, чем при использовании Принстонской архитектуры.

10.3.2. Структура типового микропроцессора

В состав микропроцессора входят такие устройства.

Арифметико-логическое устройство - устройство, предназначенное для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.
Устройство управления - устройство, координирующее взаимодействие разных частей компьютера. Выполняет следующие основные функции:

формирует и подает во все блоки машины в нужны моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения разных операций;
формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;
получа ет от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов.

Микропроцессорная память - блок, предназначенный для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, которая используется в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывание информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

Интерфейсная система микропроцессора - система, предназначенная для связи с другими устройствами компьютера. Включает в себя:

внутренний интерфейс микропроцессора;
буферные запоминающие регистры;
схемы управления портами ввода/вывода и системной шиной ( порт ввода/вывода - это аппаратуры соединения, которое разрешает подключить к микропроцессору другое устройство.)

Рисунок 10.2 - Архитектура типивого микропроцессора

К МП и системной шине рядом с типичными внешними устройствами могут быть подключены и дополнительные платы с интегральными микросхемами, которые расширяют и улучшают функциональные возможности МП. К ним относятся математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода/вывода, контроллер прерываний и др.

Математический сопроцессор - дополнительная плата, которая используется для ускорения выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над кодированными десятичными числами, для вычисления тригонометрических функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но под управлением последнего. В результате происходит ускорение выполнения операций у десятки раз. Модели МП, начиная с 80486 DX, включают математический сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти - дополнительный блок, который освобождает МП от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенным образом повышает эффективное быстродействие компьютера.

Сопроцессор ввода/вывода - компонент, который за счет параллельной работы с МП значительно ускоряет выполнение процедур ввода/вывода при обслуживании нескольких внешних устройств, освобождает микропроцессор от обработки процедур ввода/вывода, в том числе реализует режим прямого доступа к памяти.

Прерывание - это временная остановка выполнения одной программы с целью оперативного выполнения другой, в данный момент более важной. Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в микропроцессор.

10.4 Параметры процессоров

Работа процессора заключается и в последовательном выполнении команд из оперативной памяти, и в скорости выполнения команд. Чем быстрее процессор выполняет команды, тем высшая производительность компьютера в целом. Скорость работы процессора зависит от нескольких параметров.

10.4.1. Быстродействие процессора

Быстродействие процессора ‒ довольно простой параметр. Оно измеряется в мегагерцах (Мгц); 1 Мгц равняется миллиону тактов в секунду. Чем выше быстродействие, тем лучше (тем быстрее процессор). Тактовая частота определяет максимальное время выполнения переключения между элементами ЭВМ.

10.4.2. Разрядность процессора

Разрядность процессора определяет максимальное количество двоичных разрядов, которые могут быть обработаны одновременно. В процессор входит три важных устройства, основной характеристикой которых является разрядность:

шина ввода/вывода данных;
внутренние регистры;
шина адреса памяти.

Шина данных. Когда говорят о шине процессора, чаще всего имеют в виду шину данных, представленную как набор соединений (или выводов) для передачи или приема данных. Чем больше сигналов одновременно поступает на шину, тем более данных передается по ней за определенный интервал времени и тем быстрее она работает.

Шина адресная представляет собой набор проводников, по которым передается адрес ячейки памяти, в которую или из которой пересылаются данные. Как и в шине данных, по каждому проводнику передается один бит адреса, соответствующий одной цифре в адресе.

Шины данных и адреса независимые, и разработчики микросхем выбирают их разрядность на свое усмотрение, но, чем больше разрядов в шине данных, тем более их и в шине адреса. Разрядность этих шин является показателем возможностей процессора: количество разрядов в шине данных определяет способность процессора обмениваться информацией, а разрядность шины адреса - объем памяти, с которым он может работать.

Внутренние регистры

Количество бит данных, которые может обработать процессор за один прием, характеризуется разрядностью внутренних регистров. Регистр - это, в сущности, элемент памяти внутри процессора; например, процессор может составлять числа, записанные в двух разных регистрах, а результат сохранять в третьем регистре. Разрядность регистра определяет количество разрядов обрабатываемых процессором данных, а также характеристики программного обеспечения и команд, которые выполняются чипом. Если разрядность внутренних регистров больше разрядности внешней шины данных, то для их полной загрузки необходимо несколько циклов считывания.

В процессорах Pentium шина данных 64-разрядная, а регистры 32- разрядные. Такое построение на первый взгляд кажется странным, если не учитывать, что в этом процессоре для обработки информации служат 32-два разрядных параллельных конвейера. Pentium во многом подобный 32-двух разрядных процессоров, объединенных в одном корпусе, а 64-разрядная шина данных позволяет быстрее заполнить рабочие регистры. Архитектура процессора с несколькими конвейерами называется суперскалярной архитектурой .

10.4.3. Режимы работы процессора

Реальный режим

Более поздние процессоры, например 286, могли также выполнять те же самые 16- разрядные команды, которые и начальный 8088, но намного быстрее. Другими словами, процессор 286 был полностью совместный с первоначальным 8088 и мог выполнять все 16- разрядные программы точно так же, как 8088, но, конечно же, значительно быстрее. 16-разрядный режим, в котором выполнялись команды процессоров 8088 и 286, был названный реальным режимом . Все программы, которые выполняются в реальном режиме, должны использовать только 16- разрядные команды, 20-разрядные адреса и поддерживаться архитектурой памяти, рассчитанной на емкость до 1 Мбайт.

Для программного обеспечения этого типа обычно используется однозадачный режим, т.е. одновременно может выполняться только одна программа. Нет никакой встроенной защиты для предотвращения перезаписи элементов памяти одной программы или даже операционной системы другой программой; это означает, что при выполнении нескольких программ целиком могут быть испорчены данные или код одной из них, а это может привести всю систему к краху (или остановки).

Защищенный режим

Первым 32-разрядным процессором, предназначенным для PC, был 386. Этот чип мог выполнять абсолютно новую 32- разрядную систему команд. Чтобы полностью использовать преимущество 32- разрядной системы команд, были необходимые 32- разрядная операционная система и 32-разрядные приложения. Этот новый режим назывался защищенным , так как работающие в нем программы защищены от перезаписи своих областей памяти другими программами. Защищенный режим имеет много преимуществ:

В защищенном режиме доступная вся системная память ( не существует границы 1 Мбайт).
В защищенном режиме операционная система может организовать одновременное выполнение нескольких задач (многозадачность) .
В защищенном режиме поддерживается виртуальная память - операционная система при необходимости может использовать жесткий диск в качестве расширения оперативной памяти.
В защищенном режиме осуществляется быстрый ( 32/ 64-разрядных ) доступ к памяти и поддерживается работа 32 -х разрядных операций введения-вывода

Виртуальный реальный режим

Для обратной совместимости 32- р азрядная система Windows 9x использует третий режим в процессоре - виртуальный реальный режим. Виртуальный реальный , в сущности, является режимом выполнение 16- разрядной среды (реальный режим), которая реализована внутри 32- разрядного защищенного режима (т.е. виртуально, а не реально). Выполняя команды в окне подсказки DOS внутри Windows, вы создаете виртуальный сеанс реального режима. Поскольку защищенный режим является в самом деле многозадачным, фактически можно выполнять несколько сеансов реального режима, причем в каждом сеансе собственное программное обеспечение работает на виртуальном компьютере. И все эти приложения могут выполняться одновременно, даже во время работы других 32- разрядных программ.

Важно отметить, что все процессоры Intel (а также Intel-совместные AMD и Cyrix) при включении питания начинают работать в реальном режиме. При загрузке 32- разрядная операционная система автоматически переключает процессор в 32-разрядный режим и управляет им в этом режиме.

Найди готовую курсовую работу выполненное домашнее задание решённую задачу готовую лабораторную работу написанный реферат подготовленный доклад готовую ВКР готовую диссертацию готовую НИР готовый отчёт по практике готовые ответы полные лекции полные семинары заполненную рабочую тетрадь подготовленную презентацию переведённый текст написанное изложение написанное сочинение готовую статью

Раздел 1 Архитектура микропроцессорного вычисления

Тема 1.1 Архитектура микропроцессора

1 Архитектура микропроцессора. Классификация

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

Рекомендуемые материалы

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

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

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

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

На рисунке 1 приведена классификация современных микропроцессоров по функциональному признаку.

$Описание: \edis6shareСутягинаДистанционкаМикропроцессоры и микропроцессорные системы2 Лекции1 Архитектура микропроцессорного вычислителяРисунок 1.1.1.JPG$

Рисунок 1 - Классификация современных микропроцессоров по функциональному признаку

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

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

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

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

Архитектурой процессора называется комплекс его аппаратных и программных средств, предоставляемых пользователю. В это общее понятие входит набор программно-доступных регистров и исполнительных (операционных) устройств, система основных команд и способов адресации, объем и структура адресуемой памяти, виды и способы обработки прерываний.

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

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

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

- регистр состояния SR (или EFLAGS);

- регистры управления режимом работы процессора CR (Control Register);

- регистры, реализующие сегментную и страничную организацию памяти;

- регистры, обеспечивающие отладку программ и тестирование процессора.

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

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

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

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

RISC (Reduced Instruction Set Computer) - архитектура отличается использованием ограниченного набора команд фиксированного формата. Современные RISC-процессоры обычно реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта. Также значительно сокращается число используемых способов адресации. Обычно в RISC-процессорах все команды обработки данных выполняются только с регистровой или непосредственной адресацией.

VLIW (Very Large Instruction Word) - архитектура появилась относительно недавно - в 1990-х годах. Ее особенностью является использование очень длинных команд (до 128 бит и более), отдельные поля которых содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций. Таким образом, одна команда вызывает выполнение сразу нескольких операций параллельно в различных операционных устройствах, входящих в структуру микропроцессора.

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

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

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

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

Контрольные вопросы:

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 13 - Гемодинамика.

1 Что такое микропроцессор?

2 Как классифицируются современные микропроцессоры по функции-ональному признаку?

Читайте также: