Типы архитектур микропроцессоров

10.05.2019

Программы

Введение

1.3 Обзор существующих типов архитектур микропроцессоров

2. Устройство управления

3. Особенности программного и микропрограммного управления

4. Режимы адресации

Заключение

Список используемой литературы

Процесс взаимодействия человека с ЭВМ насчитывает уже более 40лет. До недавнего времени в этом процессе могли участвовать только специалисты - инженеры, математики - программисты, операторы. В последние годы произошли кардинальные изменения в области вычислительной техники. Благодаря разработке и внедрению микропроцессоров в структуру ЭВМ появились малогабаритные, удобные для пользователя персональные компьютеры. Ситуация изменилась, в роли пользователя может быть не только специалист по вычислительной технике, но и любой человек, будь то школьник или домохозяйка, врач или учитель, рабочий или инженер. Часто это явление называют феноменом персонального компьютера. В настоящее время мировой парк персональных компьютеров превышает 20 млн.

Почему возник этот феномен? Ответ на этот вопрос можно найти, если четко сформулировать, что такое персональный компьютер и каковы его основные признаки. Надо правильно воспринимать само определение " персональный", оно не означает принадлежность компьютера человеку на правах личной собственности. Определение "персональный" возникло потому, что человек получил возможность общаться с ЭВМ без посредничества профессионала-программиста, самостоятельно, персонально. При этом не обязательно знать специальный язык ЭВМ. Существующие в компьютере программные средства обеспечат благоприятную " дружественную" форму диалога пользователя и ЭВМ.

В настоящее время одними из самых популярных компьютеров стали модель IBM PC и ее модернизированный вариант IBM PC XT, который по архитектуре, программному обеспечению, внешнему оформлению считается базовой моделью персонального компьютера.

Основой персонального компьютера является системный блок. Он организует работу, обрабатывает информацию, производит расчеты, обеспечивает связь человека и ЭВМ. Пользователь не обязан досконально разбираться в том, как работает системный блок. Это удел специалистов. Но он должен знать, из каких функциональных блоков состоит компьютер. Мы не имеем четкого представления о принципе действия внутренних функциональных блоков окружающих нас предметов - холодильника, газовой плиты, стиральной машины, автомобиля, но должны знать, что заложено в основу работы этих устройств, каковы возможности составляющих их блоков.

1. Общая характеристика архитектуры процессора

1.1 Базовая структура микропроцессорной системы

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

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

1.2 Понятие архитектуры микропроцессора

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

Рис. 1. Архитектура типового микропроцессора.

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

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

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

1. Нажать клавишу с буквой "А" на клавиатуре.

2. Поместить букву "А" в память микроЭВМ.

3. Вывести букву "А" на экран дисплея.

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

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

1. Ввести данные из порта ввода 1.

2. Запомнить данные в ячейке памяти 200.

3. Переслать данные в порт вывода 10.

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

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

Рис. 2. Диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода

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

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

1. МП выдает адрес 100 на шину адреса. По шине управления поступает сигнал, устанавливающий память программ (конкретную микросхему) в режим считывания.

2. ЗУ программ пересылает первую команду ("Ввести данные") по шине данных, и МП получает это закодированное сообщение. Команда помещается в регистр команд. МП декодирует (интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нужен операнд.

3. МП выдает адрес 101 на ША; ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.

4. Из памяти программ на ШД пересылается операнд "Из порта 1". Этот операнд находится в программной памяти в ячейке 101. Код операнда (содержащий адрес порта 1) передается по ШД к МП и направляется в регистр команд. МП теперь декодирует полную команду ("Ввести данные из порта 1").

5. МП, используя ША и ШУ, связывающие его с устройством ввода, открывает порт 1. Цифровой код буквы "А" передается в аккумулятор внутри МП и запоминается.Важно отметить, что при обработке каждой программной команды МП действует согласно микропроцедуре выборки-декодирования-исполнения.

6. МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.

7. Код команды "Запомнить данные" подается на ШД и пересылается в МП, где помещается в регистр команд.

8. МП дешифрирует эту команду и определяет, что для нее нужен операнд. МП обращается к ячейке памяти 103 и приводит в активное состояние вход считывания микросхем памяти программ.

9. Из памяти программ на ШД пересылается код сообщения "В ячейке памяти 200". МП воспринимает этот операнд и помещает его в регистр команд. Полная команда "Запомнить данные в ячейке памяти 200" выбрана из памяти программ и декодирована.

10. Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пересылает адрес 200 на ША и активизирует вход записи, относящийся к памяти данных.

11. МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в память данных. Код буквы "А" передается по ШД и записывается в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая команда. Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем по-прежнему находится код буквы "А".

12. МП обращается к ячейке памяти 104 для выбора очередной команды и переводит память программ в режим считывания.

13. Код команды вывода данных пересылается по ШД к МП, который помещает ее в регистр команд, дешифрирует и определяет, что нужен операнд.

14. МП выдает адрес 105 на ША и устанавливает память программ в режим считывания.

15. Из памяти программ по ШД к МП поступает код операнда "В порт 10", который далее помещается в регистр команд.

Введение

1.3 Обзор существующих типов архитектур микропроцессоров

2. Устройство управления

3. Особенности программного и микропрограммного управления

4. Режимы адресации

Заключение

1. Общая характеристика архитектуры процессора

1.1 Базовая структура микропроцессорной системы

1.2 Понятие архитектуры микропроцессора

Рис. 1. Архитектура типового микропроцессора.

1. Нажать клавишу с буквой "А" на клавиатуре.

2. Поместить букву "А" в память микроЭВМ.

3. Вывести букву "А" на экран дисплея.

1. Ввести данные из порта ввода 1.

2. Запомнить данные в ячейке памяти 200.

3. Переслать данные в порт вывода 10.

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

Рис. 2. Диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода

3. МП выдает адрес 101 на ША; ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.

6. МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.

7. Код команды "Запомнить данные" подается на ШД и пересылается в МП, где помещается в регистр команд.

14. МП выдает адрес 105 на ША и устанавливает память программ в режим считывания.

15. Из памяти программ по ШД к МП поступает код операнда "В порт 10", который далее помещается в регистр команд.

16. МП дешифрирует полную команду "Вывести данные в порт 10". С помощью ША и ШУ, связывающих его с устройством вывода, МП открывает порт 10, пересылает код буквы "А" (все еще находящийся в аккумуляторе) по ШД. Буква "А" выводится через порт 10 на экран дисплея.

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

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

Таким образом, в МПС микропроцессор выполняет следующие функции:

Выборку команд программы из основной памяти;

Дешифрацию команд;

Выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах;

Управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода;

Отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств;

Управление и координацию работы основных узлов МП.

Существует несколько подходов к классификации микропроцессоров по типу архитектуры. Так, выделяют МП с CISC (Complete Instruction Set Computer) архитектурой, характеризуемой полным набором команд, и RISC (Reduce Instruction Set Computer) архитектурой, которая определяет систему с сокращенным набором команд одинакового формата, выполняемых за один такт МП.

Определяя в качестве основной характеристики МП разрядность, выделяют следующие типы МП архитектуры:

С фиксированной разрядностью и списком команд (однокристальные);

С наращиваемой разрядностью (секционные) и микропрограммным управлением.

Анализируя адресные пространства программ и данных, определяют МП с архитектурой фон Неймана (память программ и память данных находятся в едином пространстве и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти) и МП с архитектурой Гарвардской лаборатории (память программ и память данных разделены, имеют свои адресные пространства и способы доступа к ним).

Рассмотрим более подробно основные типы архитектурных решений, выделяя связь со способами адресации памяти.

1. Регистровая архитектура определяется наличием достаточно большого регистрового файла внутри МП. Команды получают возможность обратиться к операндам, расположенным в одной из двух запоминающих сред: оперативной памяти или регистрах. Размер регистра обычно фиксирован и совпадает с размером слова, физически реализованного в оперативной памяти. К любому регистру можно обратиться непосредственно, поскольку регистры представлены в виде массива запоминающих элементов - регистрового файла. Типичным является выполнение арифметических операций только в регистре, при этом команда содержит два операнда (оба операнда в регистре или один операнд в регистре, а второй в оперативной памяти).

К данному типу архитектуры относится микропроцессор фирмы Zilog. Процессор Z80 - детище фирмы Zilog помимо расширенной системы команд, одного номинала питания и способности исполнять программы, написанные для i8080, имел архитектурные "изюминки".

Рис. 3. Микропроцессор Z80 фирмы Zilog.

В дополнение к основному набору РОН, в кристалле был реализован второй комплект аналогичных регистров. Это значительно упрощало работу при вызове подпрограмм или процедур обслуживания прерываний, поскольку программист мог использовать для них альтернативный набор регистров, избегая сохранения в стеке содержимого РОНов для основной программы с помощью операций PUSH. Кроме того, в систему команд был включен ряд специальных инструкций, ориентированных на обработку отдельных битов, а для поддержки регенерации динамической памяти в схему процессора введены соответствующие аппаратные средства. Z80 применялся в машинах Sinclair ZX, Sinclair Spectrum, Tandy TRS80.

Предельный вариант - архитектура с адресацией посредством аккумуляторов (меньший набор команд).

МП фирмы Motorola имел ряд существенных преимуществ. Прежде всего, кристалл МС6800 требовал для работы одного номинала питания, а система команд оказалась весьма прозрачной для программиста. Архитектура МП также имела ряд особенностей.

Рис 4. Микропроцессор МС6800 фирмы Motorola.

Микропроцессор МС 6800 содержал два аккумулятора, и результат операции АЛУ мог быть помещен в любой из них. Но самым ценным качеством структуры МС 6800 было автоматическое сохранение в стеке содержимого всех регистров процессора при обработке прерываний (Z80 требовалось для этого несколько команд PUSH). Процедура восстановления РОН из стека тоже выполнялась аппаратно.

2. Стековая архитектура дает возможность создать поле памяти с упорядоченной последовательностью записи и выборки информации.

В общем случае команды неявно адресуются к элементу стека, расположенному на его вершине, или к двум верхним элементам стека.

3. Архитектура МП, ориентированная на оперативную память (типа "память-память"), обеспечивает высокую скорость работы и большую информационную емкость рабочих регистров и стека при их организации в оперативной памяти.

Архитектура этого типа не предполагает явного определения аккумулятора, регистров общего назначения или стека; все операнды команд адресуются к области основной памяти.

С точки зрения важности для пользователя-программиста под архитектурой в общем случае понимают совокупность следующих компонентов и характеристик:

Разрядности адресов и данных;

Состава, имен и назначения программно-доступных регистров;

Форматов и системы команд;

Режимов адресации памяти;

Способов машинного представления данных разного типа;

Структуры адресного пространства;

Способа адресации внешних устройств и средств выполнения операций ввода/вывода;

Классов прерываний, особенностей инициирования и обработки прерываний.

2. Устройство управления

Коды операции команд программы, воспринимаемые управляющей частью микропроцессора, расшифрованные и преобразованные в ней, дают информацию о том, какие операции надо выполнить, где в памяти расположены данные, куда надо направить результат и где расположена следующая за выполняемой команда.

Управляющее устройство имеет достаточно средств для того, чтобы после восприятия и интерпретации информации, получаемой в команде, обеспечить переключение (срабатывание) всех требуемых функциональных частей машины, а также для того, чтобы подвести к ним данные и воспринять полученные результаты. Именно срабатывание, т. е. изменение состояния двоичных логических элементов на противоположное, позволяет посредством коммутации вентилей выполнять элементарные логические и арифметические действия, а также передавать требуемые операнды в функциональные части микроЭВМ.

Устройство управления в строгой последовательности в рамках тактовых и цикловых временных интервалов работы микропроцессора (такт - минимальный рабочий интервал, в течение которого совершается одно элементарное действие; цикл - интервал времени, в течение которого выполняется одна машинная операция) осуществляет: выборку команды; интерпретацию ее с целью анализа формата, служебных признаков и вычисления адреса операнда (операндов); установление номенклатуры и временной последовательности всех функциональных управляющих сигналов; генерацию управляющих импульсов и передачу их на управляющие шины функциональных частей микроЭВМ и вентили между ними; анализ результата операции и изменение своего состояния так, чтобы определить месторасположение (адрес) следующей команды.

В микропроцессорах используют два метода выработки совокупности функциональных управляющих сигналов: программный и микропрограммный.

Выполнение операций в машине сводится к элементарным преобразованиям информации (передача информации между узлами в блоках, сдвиг информации в узлах, логические поразрядные операции, проверка условий и т.д.) в логических элементах, узлах и блоках под воздействием функциональных управляющих сигналов блоков (устройств) управления. Элементарные преобразования, неразложимые на более простые, выполняются в течение одного такта сигналов синхронизации и называются микрооперациями.

В аппаратных (схемных) устройствах управления каждой операции соответствует свой набор логических схем, вырабатывающих определенные функциональные сигналы для выполнения микроопераций в определенные моменты времени. При этом способе построения устройства управления реализация микроопераций достигается за счет однажды соединенных между собой логических схем, поэтому ЭВМ с аппаратным устройством управления называют ЭВМ с жесткой логикой управления. Это понятие относится к фиксации системы команд в структуре связей ЭВМ и означает практическую невозможность каких-либо изменений в системе команд ЭВМ после ее изготовления.

При микропрограммной реализации устройства управления в состав последнего вводится ЗУ, каждый разряд выходного кода которого определяет появление определенного функционального сигнала управления. Поэтому каждой микрооперации ставится в соответствие свой информационный код - микрокоманда. Набор микрокоманд и последовательность их реализации обеспечивают выполнение любой сложной операции. Набор микроопераций называют микропрограммами. Способ управления операциями путем последовательного считывания и интерпретации микрокоманд из ЗУ (наиболее часто в виде микропрограммного ЗУ используют быстродействующие программируемые логические матрицы), а также использования кодов микрокоманд для генерации функциональных управляющих сигналов называют микропрограммным, а микроЭВМ с таким способом управления - микропрограммными или с хранимой (гибкой) логикой управления.

К микропрограммам предъявляют требования функциональной полноты и минимальности. Первое требование необходимо для обеспечения возможности разработки микропрограмм любых машинных операций, а второе связано с желанием уменьшить объем используемого оборудования. Учет фактора быстродействия ведет к расширению микропрограмм, поскольку усложнение последних позволяет сократить время выполнения команд программы.

Преобразование информации выполняется в универсальном арифметико-логическом блоке микропроцессора. Он обычно строится на основе комбинационных логических схем.

Для ускорения выполнения определенных операций вводятся дополнительно специальные операционные узлы (например, циклические сдвигатели). Кроме того, в состав микропроцессорного комплекта (МПК) БИС вводятся специализированные оперативные блоки арифметических расширителей.

Операционные возможности микропроцессора можно расширить за счет увеличения числа регистров. Если в регистровом буфере закрепление функций регистров отсутствует, то их можно использовать как для хранения данных, так и для хранения адресов. Подобные регистры микропроцессора называются регистрами общего назначения (РОН). По мере развития технологии реально осуществлено изготовление в микропроцессоре 16, 32 и более регистров.

В целом же, принцип микропрограммного управления (ПМУ) включает следующие позиции:

1) любая операция, реализуемая устройством, является последовательностью элементарных действий - микроопераций;

2) для управления порядком следования микроопераций используются логические условия;

3) процесс выполнения операций в устройстве описывается в форме алгоритма, представляемого в терминах микроопераций и логических условий, называемого микропрограммой;

4) микропрограмма используется как форма представления функции устройства, на основе которой определяются структура и порядок функционирования устройства во времени.

ПМУ обеспечивает гибкость микропроцессорной системы и позволяет осуществлять проблемную ориентацию микро- и миниЭВМ.

4. Режимы адресации

Для взаимодействия с различными модулями в ЭВМ должны быть средства идентификации ячеек внешней памяти, ячеек внутренней памяти, регистров МП и регистров устройств ввода/вывода. Поэтому каждой из запоминающих ячеек присваивается адрес, т.е. однозначная комбинация бит. Количество бит определяет число идентифицируемых ячеек. Обычно ЭВМ имеет различные адресные пространства памяти и регистров МП, а иногда - отдельные адресные пространства регистров устройств ввода/вывода и внутренней памяти. Кроме того, память хранит как данные, так и команды. Поэтому для ЭВМ разработано множество способов обращения к памяти, называемых режимами адресации.

Режим адресации памяти - это процедура или схема преобразования адресной информации об операнде в его исполнительный адрес.

Все способы адресации памяти можно разделить на:

1) прямой, когда исполнительный адрес берется непосредственно из команды или вычисляется с использованием значения, указанного в команде, и содержимого какого-либо регистра (прямая адресация, регистровая, базовая, индексная и т.д.);

2) косвенный, который предполагает, что в команде содержится значение косвенного адреса, т.е. адреса ячейки памяти, в которой находится окончательный исполнительный адрес (косвенная адресация).

В каждой микроЭВМ реализованы только некоторые режимы адресации, использование которых, как правило, определяется архитектурой МП.

Заключение

Число персональных компьютеров как в мире, так и, в частности, в России стремительно растет; рынок ПК – самый перспективный и доходный среди остальных рынков вычислительной техники. В северной Америке и Западной Европе процент семей, имеющих ПК, приближается к 30. Без сомнения, в наши дни каждый должен изучить и понять компьютер не только теоретически, но, что наиболее важно, и практически.

Анализ новых решений построения структуры компьютера показывает, что процессор, память, устройства ввода - вывода составляют основу любого компьютера. Рассмотрим наиболее распространенную структурную схему, которая лежит в основе наиболее часто встречающихся моделей компьютеров, в частности персональных.

Современный компьютер можно представить в большинстве случаев упрощенной структурной схемой, где выделены центральная и периферийная части. К центральной части относятся процессор и внутренняя память, к периферийной части - устройства ввода-вывода и внешняя память. В основу упрощенной структурной схемы заложены принципы магистральности, модульности, микропрограммирумостью.

Не следует надеяться, что развитие вычислительной техники как-то кардинально изменит наше существование. Компьютер не более (но и не менее) чем один из мощных двигателей прогресса (как энергетика, металлургия, химия, машиностроение), который берет на свои "железные плечи" такую важную функцию, как рутину обработки информации. Эта рутина всегда и везде сопровождает самые высокие полеты человеческой мысли. Именно в этой рутине очень часто тонут дерзкие решения, недоступные компьютеру. Поэтому так важно " свалить" на компьютер рутинные операции, чтобы освободить человека для его истинного предназначения-творчества.

Будущее микропроцессорной техники связано сегодня с двумя новыми направлениями - нанотехнологиями и квантовыми вычислительными системами. Эти пока еще главным образом теоретические исследования касаются использования в качестве компонентов логических схем молекул и даже субатомных частиц: основой для вычислений должны служить не электрические цепи, как сейчас, а положение отдельных атомов или направление вращения электронов. Если "микроскопические" компьютеры будут созданы, то они обойдут современные машины по многим параметрам.

Список используемой литературы

1. Балашов Е.П., Григорьев В.Л., Петров Г.А. Микро- и миниЭВМ. – СПб.: Энергоатомиздат, 2004.

2. Еремин Е.А. Популярные лекции об устройстве компьютера. – СПб.: БХВ-Петербург, 2003.

3. Ибрагим К.Ф. Устройство и настройка ПК / Пер. с англ. – М.: Бином, 2004..

4. Косарев В.П., Сурков Е.М., Бакова И.В. Технические средства систем управления. - М.: Изд-во "Финансы и статистика", 2006.

5. Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2003. – М.: ОЛМА-ПРЕСС, 2004.

6. Столлингс У. Структурная организация и архитектура компьютерных систем. – М.: Вильямс, 2002.

7. Уинн Л. Рош. Библия по модернизации персонального компьютера. – М.: Тивали-Стиль, 2005.

8. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя, 6-е издание, переработанное и дополненное. – M.: ИНФРА-М, 1996.

Особенности архитектуры современных МП

Одной из основных характеристик МП является тип его архитектуры.

К архитектуре микропроцессора относят систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы и др.

При попытке классифицировать архитектуры современных микропроцессоров, неизбежно возникает проблема, связанная со стремительным и бурным развитием технологий их производства. На каждом этапе развития микропроцессоров в силу различных возможностей элементной базы и предпочтений фирм-производителей доминирует определенная взаимосвязанная совокупность архитектурных идей. В дальнейшем эти идеи могут быть скомбинированы с другими, и представлять собой уже иную архитектуру. В силу указанных причин, предлагаемая ниже классификация не в полной мере будет отражать современный уровень развития архитектур МП.

Под архитектурой МП принято понимать совокупность представлений о составе его компонентов, организации обмена информацией внутри МП и с внешней средой, реализуемых системой команд.

Выделяют понятия:

Микроархитектура;

Макроархитектура

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

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

В целом, архитектуру микропроцессора можно классифицировать по следующим признакам.

1. По количеству обрабатываемых потоков данных

По количеству обрабатываемых потоков данных все существующие микропроцессоры условно можно разделить на три класса.

Первыми двумя являются микропроцессоры с векторно-конвейерной архитектурой и ассоциативные процессоры с SIMD-архитектурой (Single Instruction-Multiple Data). В этих МП все обрабатывающие процессорные элементы выполняют команды одного потока, выдаваемые одним общим устройством управления. По большому счету, все ниже рассматриваемые архитектуры относятся именно к SIMD-архитектуре.

К третьему классу МП, выделяемых по данному признаку классификации, можно отнести мультипроцессорные системы с архитектурой MIMD (Multiple Instruction-Multiple Data). Такая архитектура обрабатывает одновременно много потоков данных множеством потоков команд.

2. По решаемым задачам:

По решаемым задачам различают регистровую архитектуру микропроцессора,стековую архитектуру микропроцессора, архитектурумикропроцессора, ориентированную на оперативную память.

Регистровая архитектура микропроцессора (архитектура типа «регистр регистр») − определяет наличие достаточно большого регистрового файла внутри БИС микропроцессора. Этот файл образует поле памяти с произвольной записью и выборкой информации. Микропроцессоры с регистровой архитектурой имеют высокую эффективность решения научно-технических задач. Это связано с высокой скоростью работы сверхоперативного ОЗУ (СОЗУ), которое позволяет эффективно использовать скоростные возможности арифметико-логического блока. Однако при переходе к решению задач управления эффективность таких микропроцессоров падает, так как при переключениях программ необходимо разгружать и загружать регистры СОЗУ.

Стековая архитектура микропроцессора − дает возможность создать поле памяти с упорядоченной последовательностью записи и выборки информации. Эта архитектура эффективна для организации работы с подпрограммами, что необходимо для решения сложных задач управления, или при работе с языками высокого уровня. Хранение адресов возврата позволяет организовать в стеке эффективную обработку последовательностей вложенных подпрограмм. Однако стек на кристалле микропроцессора с малой информационной емкостью быстро переполняется, а стек большой емкости требует значительных ресурсов. Реализация стека в ОЗУ решает эти проблемы.

Архитектура микропроцессора, ориентированная на оперативную память (архитектура типа «память память») − обеспечивает высокую скорость работы и большую информационную емкость рабочих регистров и стека при их организации в ОЗУ. Эта архитектура отнесена к типу «память память», поскольку в МП с такой архитектурой все обрабатываемые числа после операции в микропроцессоре вновь возвращаются в память, а не хранятся в рабочих регистрах.

Наибольшее распространение получила именно последняя архитектура. Особенно это относится к системам, работающим в реальном масштабе времени и к системам обработки данных, ориентированных на использование в системах управления.

3. По типу обрабатываемых команд.

По типу обрабатываемых команд выделяют два класса - RISC (Reduce Instruction Set Computer) архитектура МП с скоращенным набором команд и CISC (Complete Instruction Set Computer) архитектура МП с расширенным набором команд . К этому признаку можно отнести и архитектуру EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) - архитектуру с вычислениями с явным параллелизмом команд.

Критерием оптимизации системы команд первых процессоров была минимизация длины программ для решения требуемых задач. При этом вводились команды, которые использовали в качестве операндов как регистры и ячейки памяти, так и сложные схемы формирования адресов с использованием индексных регистров. Набор команд ограничивался форматами «регистр регистр, регистр», «память регистр» и «регистр память». В связи со сказанным и с тем, что компиляторы не в состоянии эффективно использовать сложные команды формировалась концепция процессоров с сокращенным набором команд - RISC-процессоров. Появлению RISC-процессоров так же способствовали особенности архитектуры конвейерных процессоров: наличие отдельных наборов команд для работы с памятью и отдельных наборов команд для преобразования информации в регистрах процессора. Каждая такая команда единообразно разбивается на небольшое количество этапов с одинаковым временем исполнения (выборка команды, дешифрация команды, исполнение, запись результата). Это, в свою очередь, позволяет построить эффективный конвейер процессора, способный каждый такт выдавать результат исполнения очередной команды.

Основными чертами RISC-концепции являются:

– одинаковая длина команд;

– одинаковый формат команд;

– операндами команд могут быть только регистры;

– команды выполняют только простые действия;

– наличие большого количества регистров общего назначения (РОН) (РОН могут быть использованы любой командой);

– наличие конвейеров;

– выполнение команды не дольше, чем за один такт;

– простая адресация.

К RISC процессорам относятся процессоры архитектуры MIPS, SPARC, PowerPC, DEC Alpha, HP PA-RISC, Intel 960, AMD 29000 и др.

Очевидно, что RISC-процессоры эффективны там, где можно продуктивно использовать структурные способы уменьшения времени доступа к оперативной памяти. Если программа генерирует произвольные последовательности адресов обращения к памяти и каждая единица данных используется только для выполнения одной команды, то фактически производительность процессора определяется временем обращения к основной памяти. В этом случае использование сокращенного набора команд только ухудшает эффективность, и более оптимальными, с точки зрения производительности, являются CISC-процессоры.

В отличии от RISC-процессоров, в CISC-процессорах, как правило, команды имеют много разных форматов и требуют для своего представления различного числа ячеек памяти. Это обусловливает определение типа команды в ходе ее дешифрации при исполнении, и, в целом, усложняет устройство управления процессора и препятствует повышению тактовой частоты до уровня, достижимого в RISC-процессорах на той же элементной базе. В наборе команд CISC часто присутствуют, например, команды организации циклов, команды вызова подпрограммы и возврата из подпрограммы, сложная адресация, позволяющая реализовать одной командой доступ к сложным структурам данных. Основной недостаток CISC - большая сложность реализации процессора при малой производительности. Примеры CISC процессоров - семейство Motorola 680x0 и процессоры фирмы Intel от 8086 до Pentium 4.

Несмотря на указанные недостатки, в настоящее время на рынке МП доминируют CISC-процессоры. Это связано с тем, что развитие микропроцессоров происходит при постоянном стремлении сохранения преемственности программного обеспечения (ПО).

Однако, сохранение преемственности ПО и существующее требование повышения производительности МП противоречат друг другу. Для разрешения данного противоречия ведущими производителями МП была реализована успешная попытка решения проблемы повышения производительности в рамках CISC-архитектуры. Сохраняя преемственность по системе команд с CISC-микропроцессорами, разработчики создали новые устройства с использованием элементов RISC-архитектуры. В микропроцессор встраивается аппаратный транслятор, превращающий команды CISC-микропроцессора в команды внутреннего RISC-процессора. При этом одна команда из сложного набора может порождать до четырех команд RISC-процессора. Характерным примером таких «смешанных» МП являются последние МП фирмы AMD и фирмы Intel.

В настоящее время, по заявлениям разработчиков - фирм Intel и Hewlett-Packard, архитектурой той же значимости, что CISC и RISC является EPIC архитектура.

Особенностями EPIC архитектуры являются:

– большое количество регистров; масштабируемость архитектуры до большого количества функциональных устройств;

– явный параллелизм в машинном коде; поиск зависимостей между командами производит не процессор, а компилятор;

– предикация (Predication) - команды из разных ветвей условного ветвления снабжаются предикатными полями (полями условий) и запускаются параллельно;

К процессорам с EPIC-архитектурой относят Merced, работы над которым вела фирма Intel и McKinley, который разрабатывался в HP.

4. По виду исполняемых команд.

По виду исполняемых команд различают скалярные процессоры и векторные процессоры.

Классификация по данному признаку находит своё обоснование по типу исполняемых команд. Если входными операндами команды МП и её результат являются целочисленные операнды или операнды с плавающей точкой (скаляры) то такой МП относят к классу скалярных МП . При этом в МП предусмотрено более одного конвейера, позволяющего одновременно выполнять более одной разной инструкции (команды). Впервые реализована в МП Pentium (2 конвейера из 5 стадий каждый), у МП Pentium Prо уже 3 конвейера.

Если входные операнды обрабатываемой команды МП и, возможно, результат являются вектором (массивом) чисел, то такой МП является векторным (или векторно-конвейерным) . Появление векторных команд и, соответственно, векторных процессоров, обусловлено стремлением ускорить обработку массивов данных за счёт исключения затрат времени на выборку и дешифрацию команд обработки, одинаковых для всех компонентов входных массивов.

5. По возможности параллельной обработки данных.

По возможности параллельной обработки данных выделяют суперскалярные, с длинным словом команды (VLIW), мультитредовые микропроцессоры.

Современные микропроцессоры содержат десять и более обрабатывающих устройств, каждое из которых представляет собой конвейер. В случае эффективной загрузки параллельно функционирующих устройств возможно получение в одном такте нескольких результатов операций, представленных скалярами.

Эффективная загрузка параллельно функционирующих конвейеров обеспечивается либо аппаратурой процессора, либо компилятором, либо совместно аппаратурой и компилятором. В компиляторах используется изощренная техника извлечения параллелизма из последовательных программ. Аппаратура микропроцессоров ориентирована на выделение более простых форм параллелизма, в том числе естественного.

При отображении внутреннего параллелизма обработки данных микропроцессора на архитектурном уровне в системе команд выделяют два крайних подхода.

Первый подход состоит в том, что никакого указания на параллельную обработку внутри процессора система команд не содержит. Такие процессоры относятся к классу суперскалярных . Такое название, с одной стороны, отличает эти процессоры от векторных процессоров, а с другой стороны, подчеркивает присущий этим процессорам внутренний параллелизм, обеспечивающий получение в одном такте нескольких скалярных результатов.

В отличии от скалярных МП в данной архитектуре предусмотрен дополнительно хотя бы один конвейер, включающий на одной из стадий несколько параллельных исполнительных блоков, осуществляющих «спекулятивное» исполнение инструкции.

В суперскалярных процессорах в рамках модели последовательных программ реализуется параллельное исполнение команд этих программ. После извлечения последовательного потока команд между командами устанавливаются только действительно необходимые зависимости по данным. При этом, чтобы сохранить порядок при наступлении прерывания, сохраняется достаточно информации о очередности следования команд в исходной программе.

Типичный суперскалярный процессор выбирает команды и исследует их по мере выполнения. Это действие проводится с целью выявления и обработки команд перехода, идентификации типа команды для ее дальнейшего направления на соответствующий исполнительный блок или в буфер памяти. Эффективность использования суперскалярных архитектур, как правило, ограничивается наличием в программах условных переходов. Это приводит к резкому возрастанию требований к ресурсам и ограничивает количество исполняемых команд. Считается, что пределом распараллеливания при суперскалярной обработке является запуск одновременно на исполнение в каждом такте 7- 8 команд.

Рис. 12.1 Структура суперскалярного микропроцессора

На рисунке 12.1 показаны основные компоненты суперскалярного микропроцессора. Функциональными модулями такого МП являются модули выполнения операций с плавающей точкой (FPU) и фиксированной точкой (ALU), устройство загрузки/сохранения, файлы регистров, раздельная кэш-память команд и данных, а так же вспомогательные модули, обеспечивающие динамическое планирование вычислительного процесса, устройство связи с кэш-памятью второго уровня, блок переупорядочивания команд и блок предварительной дешифрации.

Второй подход к отображению присущего микропроцессору внутреннего параллелизма обработки данных на архитектурном уровне в системе команд полностью открывает пользователю все возможности параллельной обработки. В специально отведенных полях команды каждому из параллельно работающих обрабатывающих устройств предписывается действие, которое устройство должно совершить. Такие процессоры называются процессорами с длинным командным словом (VLIW) .

Достоинства VLIW заключаются в следующем. Во-первых, компилятор может более эффективно исследовать зависимости между командами и выбирать параллельно исполняемые команды, чем это делает аппаратура суперскалярного процессора, ограниченная размером окна исполнения.

Во-вторых, VLIW-процессор имеет более простое устройство управления и потенциально может иметь более высокую тактовую частоту.

Однако у VLIW-процессоров есть серьезный фактор, снижающий их производительность. Это команды ветвления, зависящие от данных, значения которых становятся известны только в динамике вычислений.

Очередь команд VLIW-процессора не может быть очень большой ввиду отсутствия у компилятора информации о зависимостях, формируемых динамически, в процессе выполнения. Этот недостаток препятствует возможности переупорядочивания операций в VLIW-процессоре. Кроме того, такой процессор требует большого размера памяти имен, многовходовых регистровых файлов, большого числа перекрестных связей. Возможен также останов, когда во время выполнения возникла ситуация, отличающаяся от состояния в момент генерации плана выполнения (например, во время выполнения произошло неудачное обращение в кэш).

Суперскалярные микропроцессоры и микропроцессоры с длинным командным словом имеют один счетчик команд и, в силу этого, могут быть названы однотредовыми. Такой подход ограничивает производительность вычислительной структуры.

Дальнейшее повышение производительности МП в настоящее время связывается со статическим и динамическим анализом кода с целью выявления параллелизма уровня программных сегментов. При этом, для параллельного исполнения команды одной или нескольких программ, в микропроцессор вводится несколько счетчиков команд и другое дополнительное оборудование. Такие микропроцессоры с несколькими счетчиками команд получили название мультитредовые.

Мультитредовая архитектура решает проблему борьбы с простоями функциональных устройств процессора, возникающими из-за невозможности выполнения следующей команды. Это достигается путем переключения на другой регистровый файл. В результате процессор получает другие данные для продолжения вычислений, переходя к выполнению другого треда (процесса).

Мультитредовый процессор может исполнять процессы, принадлежащие одной или нескольким программам. Если процессор исполняет одну программу, то говорят о его производительности, если несколько программ - о пропускной способности.

В результате применения таких процессоров производительность МП, при прочих равных условиях, может возрасти в десятки раз.

6. По виду используемой памяти (по количеству используемых шин).

По виду используемой памяти различают Принстонскую архитектуру, (архитектуру фон Неймана или одношинную архитектуру), гарвардскую архитектуру(двухшинную архитектуру), SHARC архитектуру (супергарвардскую архитектуру , с использованием специального шинного коммутатора).

Одношинная или Принстонская архитектура – архитектура с общей, единой шиной для данных и команд, а значит и одна общая память как для данных, так и для команд (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Архитектура с общей шиной данных и команд.

Двухшинная или Гарвардская архитектура отличается наличием отдельной памяти данных и отдельной памяти команд со своими шинами (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Архитектура с раздельными шинами данных и команд.

Архитектура с раздельными шинами данных и команд достаточно сложная, она заставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно. Программа может размещаться только в памяти команд, данные - только в памяти данных. Такая узкая специализация ограничивает круг задач, решаемых системой, так как не дает возможности гибкого перераспределения памяти. Память данных и память команд в этом случае имеют не слишком большой объем, поэтому применение систем с данной архитектурой ограничивается обычно не слишком сложными задачами.

Супергарвардская архитектура (SHARC) (рис. 12.4) является примером гармоничного сочетания принципов построения распределенных и связанных систем, объединяя в себе простоту и эффективность масштабирования распределенных систем с удобством программирования систем с разделяемой памятью.

В SHARC-микропроцессоре объединены высокоэффективное процессорное ядро, выполняющее обработку данных в формате с плавающей точкой, интерфейс с хост-процессором, контроллер ПДП, последовательные порты, коммуникационные линки (связи) и разделяемая шина.

Шинный коммутатор соединяет ядро процессора с независимым процессором ввода/вывода, двухвходовой памятью и портом шины мультипроцессорной системы.

Рис. 12.4. Супергарвардская архитектура (SHARC).

7. По производителю

По производителю можно выделить следующие основные классы МП:

· Микропроцессоры с архитектурой х86:

- МП компании Intel : i8086, i80286, i80386, i80486, линия Pentium (Р5), Pentium Pro (Р6) и процессоры на его основе Pentium II, Pentium III, Pentium 4 (и их упрощённый вариант Celeron), Pentium М и другие разновидности этих МП, Merced (P7) и усовершенствованные модели IA-64;

- МП компании NexGen: модели линейки Nx586, Nx686 и другие модели, выпущенные совместно с компанией AMD;

- МП компании AMD: К5, К6 (K6-II), K7 (линия Athlon (Duron)), семейство Hammer;

- МП компании Cyrix : 5х86, 6х86, 6х86МХ, и модели WinChip, WinChip2, VIA Cyrix III после слияния с компанией VIA; ;

- МП компании Transmeta: семейство Crusoe – ТМ3120, ТМ 5400, ТМ 8000 и др.;

· Микропроцессоры с архитектурой Power PC:

- МП компании Motorola и IBM : Power PC 603, 604, 620, 750/740 (G3), G4, G5, Power PC 970, Power 3, Power 4;

· Микропроцессоры с архитектурой Alpha:

- МП компании DEC: линия Alpha (21064, 21164, 21264, 21364 (компании HP)).

· Микропроцессоры с архитектурой SPARC:

- МП компании Sun Microsystems: линия SPARC (Micro SPARC, Super SPARC, Hiper SPARC и 64-разрядный МП Ultra SPARC).

· Микропроцессоры с архитектурой MAJC:

- МП компании Sun: линия MAJC (MAJC5200, MAJC5200+)

· Микропроцессоры с архитектурой PA:

- МП компании HP: PA-8000, PA-8500, PA-8700, PA-8800 (Mako), PA-8900.

· Микропроцессоры с архитектурой MIPS

- МП компании Silicon Graphics: линия MIPS R-x(R10000, R12000, R14000, R16000, R18000, R20000).

Таким образом, в настоящее время существует множество типов архитектур. Исторически архитектуры процессоров возникли исходя из предполагаемого набора задач, которые должны были исполняться на этих процессорах, и преемственности решаемых программ. Сегодня, имеющиеся аппаратные ресурсы, позволяют собрать в одном процессоре все известные архитектурные приемы повышения производительности, сообразуясь только с взаимной совместимостью. Поэтому, как считают некоторые современные ученые, скорее всего, до появления единой архитектуры процессора ещё достаточно далеко.

2. Тенденции развития современных МП

Анализ конкретных семейств микропроцессоров разных производителей подтверждает общие тенденции их развития: повышение тактовой частоты, увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти, увеличение количества параллельно функционирующих исполнительных устройств. Совокупная реализация в одном микропроцессоре рекордных значений по всем этим тенденциям невозможна из-за фундаментальных физических ограничений, а также из-за ограничений технологического процесса изготовления и экономических ограничений на стоимость одного микропроцессора и микроэлектронного производства в целом. Поэтому каждый конкретный тип микропроцессора есть результат многих компромиссов, принятых его создателями. Рассмотрим более подробно суть этих компромиссов на примерах сопоставительного анализа развития семейств микропроцессоров.

Упрощенная внутренняя архитектура типового 8-разрядного микропроцессора показана на рисунке 3. В структуре микропроцессора можно выделить три основных части:

1) Регистры для временного хранения команд, данных и адресов;

2) Арифметико-логическое устройство (АЛУ) , которое реализует арифметические и ло-гические операции;

3) Схема управления и синхронизации - обеспечивает выборку команд, организует функционирование АЛУ, обеспечивает доступ ко всем регистрам микропроцессора, воспринимает и генерирует внешние управляющие сигналы.

Рисунок 3 - Упрощенная внутренняя архитектура 8-разрядного микропроцессора

Как видно из схемы, основу процессора составляют регистры, которые делятся на специальные (имеющие определенное назначение) и регистры общего назначения.

Программный счетчик (PC) - регистр, содержащий адрес следующего командного байта. Процессор должен знать, какая команда будет выполняться следующей.

Аккумулятор – регистр, используемый в подавляющем большинстве команд логической и арифметической отработки; он одновременно является и источником одного из байт данных, которые требуются для операции АЛУ, и местом, куда помещается результат операции АЛУ.

Регистр признаков (или регистр флагов) содержит информацию о внутреннем состоянии микропроцессора, в частности о результате последней операции АЛУ. Регистр флагов не является регистром в обычном смысле, а представляет собой просто набор триггер-защелок (флаг поднят или опущен. Обычно имеются флажки нуля, переполнения, отрицательного результата и переноса.

Указатель стека (SP) - следит за положением стека, т. е. содержит адрес последней его использованной ячейки. Стек – способ организации хранения данных.

Регистр команды содержит текущий командный байт, который декодируется дешифратором команды.

Линии внешних шин изолированы от линий внутренней шины с помощью буферов, а основные внутренние элементы связаны быстродействующей внутренней шиной данных.

Для повышения производительности многопроцессорной системы функции центрального процессора могут распределяться между несколькими процессорами. В помощь центральному процессору в компьютер часто вводят сопроцессоры , ориентированные на эффективное исполнение каких-либо специфических функций. Широко распространены математические и графические , сопроцессоры ввода-вывода , разгружающие центральный процессор от несложных, но многочисленных операций взаимодействия с внешними устройствами.

На современном этапе основным направлением повышения производительности является разработка многоядерных процессоров , т.е. объединение в одном корпусе двух и более процессоров, с целью выполнения нескольких операций параллельно (одновременно).

Лидирующими компаниями по разработке и изготовлению процессоров являются Intel и AMD.

18. Перспективы развития микропроцессорных систем.

Микропроцессор - центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ (или вычислительной системы), которое выполняет арифметические и логические операции, заданные программой преобразования информации, управляет вычислительным процессом и координирует работу устройств системы (запоминающих, сортировальных, ввода - вывода, подготовки данных и др.).

Современный уровень развития микропроцессорной техники достиг такого уровня что, в течение 5 лет происходит смена двух-трех поколений микропроцессоров. По прогнозам аналитиков к 2012 году число транзисторов в микропроцессоре достигнет 1 млрд., тактовая частота возрастет до 10 ГГц, а производительность достигнет 100 млрд. оп/с.

Поэтому при выборе аппаратно-программной платформы необходимо учитывать тенденции развития, позволяющие минимизировать затраты на модернизацию и поддержку актуального программного обеспечения.

В архитектуре современных микропроцессоров разных компаний-производителей имеется много общего. В предыдущих поколениях микропроцессоров при ограниченном объеме аппаратных ресурсов каждый разработчик микропроцессора выбирал ряд архитектурно-структурных приемов повышения производительности, за счет преимущественного развития которых этот микропроцессор должен был превосходить другие. В современных условиях большое число транзисторов на кристалле делает возможным применить в одном микропроцессоре все известные приемы повышения производительности, сообразуясь только с их совместимостью.

Рассмотрение конкретных семейств микропроцессоров разных производителей подтверждает общие тенденции их развития: повышение тактовой частоты, увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти, увеличение количества параллельно функционирующих исполнительных устройств.

Микропроцессоры

Введение

ЭВМ получили широкое распространение, начиная с 50-х годов. Прежде это были очень большие и дорогие устройства, используемые лишь в государственных учреждениях и крупных фирмах. Размеры и форма цифровых ЭВМ неузнаваемо изменились в результате разработки новых устройств, называемых микропроцессорами.

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

В 1970 году Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ - первый микропроцессор Intel-4004, который уже в 1971 году был выпущен в продажу.

Это был настоящий прорыв, ибо МП Intel-4004 размером менее 3 см был производительнее гигантской машины ENIAC. Правда работал он гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил первый МП в десятки тысяч раз дешевле.

Кристалл представлял собой 4-разрядный процессор с классической архитектурой ЭВМ гарвардского типа и изготавливался по передовой p-канальной МОП технологии с проектными нормами 10 мкм. Электрическая схема прибора насчитывала 2300 транзисторов. МП работал на тактовой частоте 750 кГц при длительности цикла команд 10,8 мкс. Чип i4004 имел адресный стек (счетчик команд и три регистра стека типа LIFO), блок РОНов (регистры сверхоперативной памяти или регистровый файл - РФ), 4-разрядное параллельное АЛУ, аккумулятор, регистр команд с дешифратором команд и схемой управления, а также схему связи с внешними устройствами. Все эти функциональные узлы объединялись между собой 4-разрядной ШД. Память команд достигала 4 Кбайт (для сравнения: объем ЗУ миниЭВМ в начале 70-х годов редко превышал 16 Кбайт), а РФ ЦП насчитывал 16 4-разрядных регистров, которые можно было использовать и как 8 8-разрядных. Такая организация РОНов сохранена и в последующих МП фирмы Intel . Три регистра стека обеспечивали три уровня вложения подпрограмм. МП i4004 монтировался в пластмассовый или металлокерамический корпус типа DIP (Dual In-line Package ) всего с 16 выводами.

В систему его команд входило всего 46 инструкций.

Вместе с тем кристалл располагал весьма ограниченными средствами ввода/вывода, а в системе команд отсутствовали операции логической обработки данных (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ), в связи с чем их приходилось реализовывать с помощью специальных подпрограмм. Модуль i4004 не имел возможности останова (команды HALT) и обработки прерываний.

Цикл команды процессора состоял из 8 тактов задающего генератора. Была мультиплексированная ША (шина адреса)/ШД (шина данных), адрес 12-разрядный передавался по 4-разряда.

1 апреля 1972 г. фирма Intel начала поставки первого в отрасли 8-разрядного прибора i8008. Кристалл изготавливался по р-канальной МОП-технологии с проектными нормами 10 мкм и содержал 3500 транзисторов. Процессор работал на частоте 500 кГц при длительности машинного цикла 20 мкс (10 периодов задающего генератора).

В отличие от своих предшественников МП имел архитектуру ЭВМ принстонского типа, а в качестве памяти допускал применение комбинации ПЗУ и ОЗУ.

По сравнению с i4004 число РОН уменьшилось с 16 до 8, причем два регистра использовались для хранения адреса при косвенной адресации памяти (ограничение технологии - блок РОН аналогично кристаллам 4004 и 4040 в МП 8008 был реализован в виде динамической памяти). Почти вдвое сократилась длительность машинного цикла (с 8 до 5 состояний). Для синхронизации работы с медленными устройствами был введен сигнал готовности READY.

Система команд насчитывала 65 инструкций. МП мог адресовать память объемом 16 Кбайт. Его производительность по сравнению с четырехразрядными МП возрасла в 2,3 раза. В среднем для сопряжения процессора с памятью и устройствами ввода/вывода требовалось около 20 схем средней степени интеграции.

Возможности р-канальной технологии для создания сложных высокопроизводительных МП были почти исчерпаны, поэтому "направление главного удара" перенесли на n-канальную МОП технологию.

1 апреля 1974 МП Intel 8080 был представлен вниманию всех заинтересованных лиц. Благодаря использованию технологии п-МОП с проектными нормами 6 мкм, на кристалле удалось разместить 6 тыс. транзисторов. Тактовая частота процессора была доведена до 2 Мгц , а длительность цикла команд составила уже 2 мкс. Объем памяти, адресуемой процессором, был увеличен до 64 Кбайт. За счет использования 40-выводного корпуса удалось разделить ША и ШД, общее число микросхем, требовавшихся для построения системы в минимальной конфигурации сократилось до 6 (рис. 1).

Рис. 1. Микропроцессор Intel 8080.

В РФ были введены указатель стека, активно используемый при обработке прерываний, а также два программнонедоступных регистра для внутренних пересылок. Блок РОНов был реализован на микросхемах статической памяти. Исключение аккумулятора из РФ и введение его в состав АЛУ упростило схему управления внутренней шиной.

Новое в архитектуре МП - использование многоуровневой системы прерываний по вектору. Такое техническое решение позволило довести общее число источников прерываний до 256 (до появления БИС контроллеров прерываний схема формирования векторов прерываний требовала применения до 10 дополнительных чипов средней интеграции). В i8080 появился механизм прямого доступа в память (ПДП) (как ранее в универсальных ЭВМ IBM System 360 и др.).

ПДП открыл зеленую улицу для применения в микроЭВМ таких сложных устройств, как накопители на магнитных дисках и лентах дисплеи на ЭЛТ, которые и превратили микроЭВМ в полноценную вычислительную систему.

Традицией компании, начиная с первого кристалла, стал выпуск не отдельного чипа ЦП, а семейства БИС, рассчитанных на совместное использование.

Архитектура микропроцессора

Основные характеристики микропроцессора

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

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

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

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

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

Структура типового микропроцессора

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

Рис. 2.1. Архитектура типового микропроцессора.

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

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

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

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

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

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

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