Основные понятия и характеристики архитектуры микропроцессоров. Типы архитектур микропроцессоров

Аннотация: Цель лекции: знакомство с архитектурой микропроцессоров, отличительными чертами микропроцессоров различных типов архитектуры, этапами развития архитектуры универсальных микропроцессоров, а также с основными чертами архитектуры IA-32.

Основные понятия и характеристики архитектуры микропроцессоров

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

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

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

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

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

Рис. 1.1.

Характеристики универсальных микропроцессоров :

разрядность: определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства ( АЛУ );
виды и форматы обрабатываемых данных;
система команд, режимы адресации операндов;
емкость прямоадресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса ;
частота внешней синхронизации. Для частоты синхронизации обычно указывается ее максимально возможное значение, при котором гарантируется работоспособность схемы. Для функционально сложных схем, к которым относятся и микропроцессоры, иногда указывают также минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. В то же время в тех применениях МП, где не требуется высокое быстродействие, снижение частоты синхронизации - одно из направлений энергосбережения. В ряде современных микропроцессоров при уменьшении частоты он переходит в < спящий режим >, при котором сохраняет свое состояние. Частота синхронизации в рамках одной архитектуры позволяет сравнить производительность микропроцессоров. Но разные архитектурные решения влияют на производительность гораздо больше, чем частота;
производительность: определяется с помощью специальных тестов, при этом совокупность тестов подбирается таким образом, чтобы они по возможности покрывали различные характеристики микроархитектуры процессоров, влияющие на производительность.

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

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

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

Отличительные особенности архитектуры однокристальных микроконтроллеров :

физическое и логическое разделение памяти команд и памяти данных (гарвардская архитектура), в то время как в классической неймановской архитектуре программы и данные находятся в общем запоминающем устройстве и имеют одинаковый механизм доступа;
упрощенная и ориентированная на задачи управления система команд: в МК, как правило, отсутствуют средства обработки данных с плавающей точкой, но в то же время в систему команд входят команды, ориентированные на эффективную работу с датчиками и исполнительными устройствами, например, команды обработки битовой информации;
простейшие режимы адресации операндов.

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

Разрядность (8 бит).
Емкость внутренней памяти команд и памяти данных, возможности и пределы их расширения:
- внутренняя память команд - 4 Кбайт (в среднем команда имеет длину 2 байта, таким образом, во внутренней памяти может быть размещена программа длиной около 2000 команд); возможность наращивания за счет подключения внешней памяти до 64 Кбайт;
- память данных на кристалле 128 байт (можно подключить внешнюю память общей емкостью до 64 Кбайт).
Тактовая частота :
- внешняя частота 12 МГц;
- частота машинного цикла 1 МГц.
Возможности взаимодействия с внешними устройствами: количество и назначение портов ввода-вывода , характеристики системы прерывания, программная поддержка взаимодействия с внешними устройствами.

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

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

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

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

разрядное секционное АЛУ ;
блок ускоренного переноса;
разрядное секционное АЛУ с аппаратной поддержкой умножения;
тип схем микропрограммного управления;
контроллер состояния и сдвига;
контроллер приоритетных прерываний .

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

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

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

Требования к синхронизации: максимальная частота, стабильность.
Количество и номиналы источников питания, требования к их стабильности. В настоящее время существует тенденция к уменьшению напряжения питания, что сокращает тепловыделение схемы и ведет к повышению частоты ее работы. Если первые микропроцессоры работали при напряжении питания+-15В, то сейчас отдельные схемы используют источники менее 1 В.
Мощность рассеяния - это мощность потерь в выходном каскаде схемы, превращающаяся в тепло и нагревающая выходные транзисторы. Иначе говоря, она характеризует показатель тепловыделения БИС, что во многом определяет требования к конструктивному оформлению микропроцессорной системы . Эта характеристика особенно важна для встраиваемых МПС.
Уровни сигналов логического нуля и логической единицы, которые связаны с номиналами источников питания.
Тип корпуса - позволяет оценить пригодность схемы для работы в тех или иных условиях, а также возможность использования новой БИС в качестве замены существующей на плате.
Температура окружающей среды, при которой может работать схема. Здесь выделяют два диапазона:
- коммерческий (0 0 С … +70 0 С);
- расширенный (-40 0 С … +85 0 С).
Помехоустойчивость - определяет способность схемы выполнять свои функции при наличии помех. Помехоустойчивость оценивается интенсивностью помех, при которых нарушение функций устройства еще не превышает допустимых пределов. Чем сильнее помеха, при которой устройство остается работоспособным, тем выше его помехоустойчивость.
Нагрузочная способность , или коэффициент разветвления по выходу, определяется числом схем этой же серии, входы которых могут быть присоединены к выходу данной схемы без нарушения ее работоспособности. Чем выше нагрузочная способность, тем шире логические возможности схемы и тем меньше таких микросхем необходимо для построения сложного вычислительного устройства. Однако с увеличением этого коэффициента ухудшаются помехоустойчивость и быстродействие.
Надежность - это способность схемы сохранять свой уровень качества функционирования при установленных условиях за установленный период времени. Обычно характеризуется интенсивностью отказов (час-1) или средним временем наработки на отказ (час). В настоящее время этот параметр для больших инте- гральных схем обычно не указывается изготовителем. О надежности МП БИС можно судить по косвенным показателям, например, по приводимой разработчиками средств вычислительной техники надежности изделия в целом.
Характеристики технологического процесса . Основной показатель здесь - разрешающая способность процесса. В настоящее время она составляет 32 нм, то есть около 30 тыс. линий на 1 мм. Более совершенный технологический процесс позволяет создать микропроцессор, обладающий большими функциональными возможностями.

Рис. 1.2.

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

затраты на изготовление БИС (чем больше степень интеграции элементов на кристалле, тем дороже обходится производство схемы);
затраты на сборку и наладку микропроцессорной системы (с увеличением функциональных возможностей МП потребуется меньше схем для создания МПС);
общая стоимость микропроцессорной системы , которая складывается из затрат (1) и (2). Она имеет некоторое оптимальное значение для данного уровня развития технологии;
переход на новую технологию (оптимальным будет уже другое количество элементов на кристалле, а общая стоимость изделия снижается).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Базовая структура микропроцессорной системы имеем вид

Задача управления системой возлагается на центральный процессор (ЦП), который связан спамятью 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 м 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). Каждая составная часть микропроцессорной системы имеет достаточно сложную внутреннюю структуру.

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.

Архитектура микропроцессора - это его логическая организация, рассматриваемая с точки зрения пользователя; она определяет возможности микропроцессора по аппаратной и программной реализации функций, необходимых для построения микропроцессорной системы. Понятие архитектуры микропроцессора отражает:

Его структуру, т.е. совокупность компонентов, составляющих микропроцессор, и связей между ними; для пользователя достаточно ограничиться регистровой моделью микропроцессора;

Способы представления и форматы данных;

Способы обращения ко всем программно-доступным для пользователя элементам структуры (адресация к регистрам, ячейкам постоянной и оперативной памяти, внешним устройствам);

Набор операций, выполняемых микропроцессором;

Характеристики управляющих слов и сигналов, вырабатываемых микропроцессором и поступающих в него извне;

Реакцию на внешние сигналы (система обработки прерываний и т.п.).

По способу организации пространства памяти микропроцессорной системы различают два основных типа архитектур.

Организация, при которой для хранения программ и данных используется одно пространство памяти, называется фон Неймановской архитектурой (по имени математика, предложившего кодирование программ в формате, соответствующем формату данных). Программы и данные хранятся в едином пространстве, и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти. Преимуществами такой архитектуры являются более простая внутренняя структура микропроцессора и меньшее количество управляющих сигналов.

Организация, при которой память программ CSEG (Code Segment) и память данных DSEG (Data Segment) разделены и имеют свои собственные адресные пространства и способы доступа к ним, называется Гарвардской архитектурой (по имени лаборатории Гарвардского Университета, предложившей ее). Такая архитектура является более сложной и требует дополнительных управляющих сигналов. Однако, она позволяет осуществлять более гибкие манипуляции информации, реализовывать компактно кодируемый набор машинных команд и, в ряде случаев, ускорять работу микропроцессора. Представителями такой архитектуры являются микроконтроллеры семейства MCS-51 фирмы Intel.

В настоящее время выпускаются микропроцессоры со смешанной архитектурой, в которых CSEG и DSEG имеют единое адресное пространство, однако различные механизмы доступа к ним. Конкретным примером являются микропроцессоры семейства 80х86 фирмы Intel.

На физическом уровне микропроцессор взаимодействует с памятью и системой ввода-вывода через единый набор системных шин - внутрисистемную магистраль . Она, в общем случае состоит из:

Шины данных DB (Data Bus), по которой производится обмен данными между ЦП, памятью и системой ВВ;

Шины адреса AB (Address Bus), используемой для передачи адресов ячеек памяти и портов ВВ, к которым осуществляется обращение;

Шины управления CB (Control Bus), по которой передаются управляющие сигналы, реализующие циклы обмена информацией и управляющие работой системы.

Этот же набор шин применяется для организации канала ПДП. Магистраль такого типа носит название демультиплексной или трехшинной с раздельными шинами адреса и данных .

В некоторых микропроцессорах с целью сокращения ширины физической магистрали вводят совмещенную шину адреса-данных AD (Address/Data Bus), по которой передаются как адреса так и данные. Этап передачи адресной информации отделен по времени от этапа передачи данных и стробируется специальным сигналом ALE (Address Latch Enable), который включен в состав CB. Данную магистраль обычно называют мультиплексной или двухшинной с совмещенными шинами адреса и данных .

Физический обмен данными через магистраль выполняется словами или байтами в виде следующих друг за другом обращений к каналу. За один цикл обращения к магистрали между ЦП, памятью и системой ВВ передается одно слово или байт. Существуют несколько типовых циклов обмена. Среди них чтение памяти изапись в память.

Цикл чтения памяти по демультиплексной магистрали.

Цикл записи в память по демультиплексной магистрали.

Цикл чтения из памяти по мультиплексной магистрали.

Цикл записи в память по мультиплексной магистрали.

При изолированном пространстве ВВ добавляются циклы чтения порта ВВ и записи порта ВВ.

Цикл чтения порта ВВ по демультиплексной магистрали

Цикл записи в порт ВВ по демультиплексной магистрали.

В случае архитектуры Гарвардского типа, когда память программ и память данных разделены, вводится также цикл чтения памяти программ .

Цикл чтения памяти программ по демультиплексной магистрали.

В некоторых случаях, когда на магистрали работают устройства, быстродействие которых уступает быстродействию ЦП, длительности стробов RD, WR и т.п. могут оказаться недостаточными для правильного выполнения операции обмена со стороны периферийного модуля. Тогда для организации надежного завершения магистральной операции в состав CB вводят специальный сигнал READY. В каждом цикле обращения к каналу перед окончанием строба RD или WR ЦП проверяет состояние сигнала READY. Если он к этому моменту еще не сброшен, то ЦП продлевает соответствующий строб, вставляя в него т.н. такты ожидания WS (Wait State). Максимальное количество WS может быть ограничено либо не ограничено в зависимости от конкретной модели микропроцессора и режима его работы.

Цикл чтения с циклами ожидания.

В обычном режиме работы на магистрали присутствует единственное активное устройство в лице ЦП, который инициирует все циклы обмена данных на магистрали. Однако возможны случаи, когда на одной и той же магистрали присутствуют несколько активных устройств, которые должны работать с одним и тем же блоком памяти и блоком ВВ. Для того, чтобы другое активное устройство могло передать данные по магистрали, необходимо дезактивировать на это время ЦП. Для этих целей большинство современных микропроцессоров поддерживают т.н. режим “прямого доступа к памяти” (ПДП) . Для осуществления этого режима в CB вводят дополнительные сигналы HOLD и HLDA. При поступлении активного уровня на вход HOLD микропроцессор прерывает выполнение своей программы, переводит выходы всех своих шин в высокоимпедансное состояние и выставляет активный уровень на выходе HLDA, что должно служить сигналом для другого активного устройства о том, что оно может начинать свои циклы обмена на магистрали. Когда это устройство заканчивает свои циклы обмена, оно сбрасывает сигнал HOLD, после чего ЦП переходит в свое обычное состояние и продолжает выполнять программу.

Другим режимом работы ЦП, требующим от него изменения нормального хода выполнения программы является т.н. режим “прерывания”. Практически все современные микропроцессоры имеют один или несколько т.н. входов внешних прерываний INT0, INT1, и т.д., на которые поступают сигналы, свидетельствующие о некоторых событиях в системе, на которые ЦП должен отреагировать определенным образом. При поступлении активного уровня сигнала на один из таких входов микропроцессор прерывает нормальное выполнение программы, запоминает адрес команды, на которой он прервал работу, и переходит к выполнению т.н. “подпрограммы обработки прерывания” (ПОП), записанной в CSEG по определенному адресу. Адрес этой подпрограммы записан в специальной ячейке памяти, называемой “вектором прерывания ”. Каждый отдельный источник прерывания имеет свой собственный вектор прерывания. После выполнения ПОП, по специальной команде, которой должна заканчиваться ПОП, процессор возвращается к выполнению прерванной программы по запомненному адресу. Источники прерываний могут быть как внешними (т.е. поступать на один из входов микросхемы, которые называются “входами запроса прерывания”), так и внутренними (т.е. генерироваться внутри процессора по определенным условиям). Т.к. одновременно могут придти несколько различных запросов прерываний, то существует определенная дисциплина, задающая последовательность обслуживания отдельных прерываний. Эту дисциплину обеспечивает система “приоритетного арбитража прерываний ”, реализованная либо внутри ЦП, либо с помощью специального контроллера. В соответствии с этой системой каждый источник прерывания имеет свой заданный приоритет (постоянный или переменный), определяющий очередность его обслуживания. При одновременном приходе нескольких запросов прерываний вначале обслуживается прерывание с более высоким приоритетом, а затем с более низким. Прерывание с более высоким приоритетом может прервать уже начавшуюся подпрограмму обработки прерывания, имеющего более низкий приоритет, точно так же, как оно прерывает основную программу. При этом образуются т.н. “вложенные прерывания”.

Кроме CSEG и DSEG практически все современные микропроцессоры имеют специально выделенное пространство данных небольшого объема, называемое набором программно-доступных регистров RSEG (Register Sgment). В отличие от CSEG и DSEG регистры RSEG располагаются внутри ЦП в непосредственной близости от его АЛУ, что обеспечивает быстрый физический доступ к информации, хранящейся в них. В них, как правило, хранятся промежуточные результаты вычислений, часто используемые ЦП. Область RSEG может быть полностью изолирована от пространства данных DSEG, может частично пересекаться с ней, и может полностью являться подчастью DSEG. Внутренняя логическая организация RSEG очень разнообразна и играет важную роль при классификации архитектур микропроцессоров.

Регистры микропроцессора функционально неоднородны: одни служат для хранения данных или адресной информации, другие - для управления работой ЦП. В соответствии с этим все регистры можно разделить на регистры данных , указатели и регистры специального назначения . Регистры данных участвуют в арифметических и логических операциях в качестве источников операндов и приемников результата, адресные регистры или указатели используются для вычисления адресов данных и команд, расположенных в основной памяти. Специальные регистры служат для индикации текущего состояния ЦП и управления работой его составных частей. Возможна архитектура, при которой одни и те же регистры используются для хранения как данных, так и адресной информации. Такие регистры называются регистрами общего назначения (РОН). Способы использования того или иного вида регистров определяют конкретные особенности архитектуры микропроцессора.

Среди регистров данных часто выделяют один регистр, называемый аккумулятором A (Accumulator), с которым связывают большинство команд арифметической и логической обработки данных. Это означает, что арифметические и логические команды используют в качестве одного из своих операндов содержимое аккумулятора и сохраняют в нем результат операции. Ссылка на него производится неявно с помощью кода операции. При этом нет необходимости в коде команды выделять специальную область для адресов операнда и результата. Такой тип архитектуры микропроцессора называется аккумуляторным . К недостаткам такой архитектуры можно отнести относительно низкое быстродействие, объясняемое тем, что аккумулятор является ”узким местом”, в которое каждый раз необходимо сначала занести операнд перед выполнением операции. Примером такой архитектуры могут служить микроконтроллеры семейства MCS-51 фирмы Intel.

Другим примером организации регистров данных являются т.н. “рабочие регистры” R0, R1, и т.д. В этом случае операнды и результаты арифметических и логических операций могут храниться не в одном, а в нескольких регистрах, что расширяет возможности по манипуляции данными. В отличие от аккумулятора рабочие регистры адресуются явно в коде команды. Такой тип архитектуры микропроцессора называется регистровым . Примером такой организации могут служить микропроцессоры семейства 80х86 фирмы Intel. В ряде микропроцессоров, предназначенных для работы в реальном масштабе времени, предусмотрены не один, а несколько наборов рабочих регистров. В каждый момент времени доступен лишь один из наборов регистров, выбор которого осуществляется записью соответствующей информации в определенный служебный регистр. Примером таких устройств могут служить микроконтроллеры семейства MCS-48 фирмы Intel.

Архитектура, при которой процессор способен использовать в качестве адресов операндов и результатов операции ячейки основной памяти, называется архитектурой типа “память - память”. При этом исключаются временные затраты на перепись содержимого рабочих регистров при переходе от одной процедуры к другой. Однако при этом теряется быстрый доступ к промежуточным данным, т.к. они хранятся не во внутренних регистрах, а в DSEG. Решением этой проблемы может служить размещение часть DSEG на одном кристалле с ЦП и использование в качестве рабочих областей этого внутреннего сегмента ОЗУ. Примером такой организации могут служить микроконтроллеры семейства MCS-96 фирмы Intel.

Практически во всех современных микропроцессорах выделяют отдельную область памяти под так называемый “стек”, используемый, в общем случае, для передачи параметров процедурам и сохранения адресов возврата из них. Стек может быть расположен внутри микропроцессора или вне его. Он может занимать часть адресного пространства DSEG или RSEG, а может быть расположен и отдельно от них. В последнем случае говорят о т.н. “аппаратном стеке”. Передача функций аккумулятора вершине стека приводит к т.н. “стековой архитектуре”. Стековая организация дает возможность использовать безадресные команды, код которых имеет наименьшую длину. Безадресные команды оперируют данными, находящимися на вершине стека и непосредственно под ней. При выполнении операции исходные операнды извлекаются из стека, а результат передается не вершину стека. Стековая архитектура обладает высокой вычислительной эффективностью. Существует специальный язык высокого уровня FORTH, построенный на основе безадресных команд. Такая архитектура используется в специализированных процессорах высокой производительности и, в частности в RISC-процессорах.

Служебные регистры, расположенные внутри микропроцессора, предназначены для различных функций управления его работой и индикации состояния его составных частей. Их состав и организация зависят от конкретной архитектуры процессора и различаются в каждом конкретном случае. Наиболее часто встречающимися регистрами специальных функций являются “программный счетчик” PC (Program Counter), “указатель стека” SP (Stack Pointer) и “слово состояния программы” PSW (Program Status Word). Программный счетчик PC в каждый конкретный момент времени содержит адрес команды, следующей в CSEG за той, которая в данный момент выполняется. Указатель стека SP хранит текущий адрес вершины стека. Слово состояния программы PSW содержит набор текущих признаков результата выполнения операции. С каждым признаком результата связывается одноразрядная переменная-флажок, соответствующая определенному биту PSW. К типовым флажкам-признакам относятся:

- CF (Carry Flag) - флажок переноса из старшего разряда АЛУ. Равен 1, если в результате выполнения арифметической операции или операции сдвига произошел перенос из старшего разряда результата;

- ZF (Zero Flag) - флажок признака нуля. Равен 1, если результат операции равен 0;

-SF (Sign Flag) - флажок знака результата. Дублирует знаковый разряд результата операции;

- AF (Auxilinary Carry Flag) - флажок дополнительного переноса. Равен 1, если в результате выполнения арифметической операции или операции сдвига произошел перенос из младшей тетрады результата в старшую. Часто используется в двоично-десятичной арифметике;

- OF (Owerfow Flag) - флажок переполнения. Равен 1, если в результате выполнения арифметической операции произошло переполнение разрядной сетки результата;

- PF (Parity Flag) - флажок четности. Равен 1, если число 1 в результате операции нечетно и наоборот.

- IF (Interrupt Flag) - флажок разрешения прерывания. Индицирует, разрешены ли прерывания в системе.

Конкретные флаги используются программой для анализа результата предшествующей команды и принятия решения о дальнейшем ходе выполнения программы. Специальные регистры могут занимать часть адресного пространства DSEG или RSEG, а могут быть расположены и отдельно от них.

Адресные регистры или указатели используются для реализации тех или иных методов адресации операндов, используемых в конкретных командах микропроцессора. Их конкретный набор и функции зависят от того, какие методы адресации реализованы в данной модели микропроцессора.

Под методом адресации понимается метод кодирования адреса операнда или результата операции в коде команды.

В общем случае код команды микропроцессора можно представить в следующем виде

КОП

АОП1

АОП2

...

АР

КОП - код операции;

АОП1 - поле адреса первого операнда;

АОП2 - поле адреса второго операнда;

АР - поле адреса результата.

Наличие отдельных полей, кроме КОП, определяется конкретной командой и типом микропроцессора. Информация в полях АОП и АР определяется конкретным методом адресации, используемым в данной команде.

Наиболее распространенными методами адресации, используемыми в современных моделях микропроцессоров являются:

- Регистровая адресация . Операнд находится в регистре. Адрес регистра включен в код операции. Поле адреса в команде отсутствует;

- Прямая адресация . Физический адрес операнда расположен в соответствующем поле адреса.

- Непосредственная адресация . Непосредственное значение операнда расположено в соответствующем поле адреса.

- Косвенная регистровая адресация . Физический адрес операнда расположен в регистре косвенного адреса DP (Data Pointer). Адрес регистра включен в код операции. Поле адреса в команде отсутствует. В качестве DP может выступать РОН или специальный адресный регистр;

- Косвенная автоинкрементная/автодекрементная адресация . Физический адрес операнда расположен в регистре косвенного адреса DP. Адрес регистра включен в код операции. Поле адреса в команде отсутствует. После (либо до) выполнения операции содержимое DP автоматически инкрементируется/декрементируется, чтобы указывать на следующий элемент таблицы.

- Адресация по базе со смещением . Базовый адрес операнда расположен в регистре базы BP (Base Pointer). Адрес регистра включен в код операции. Смещение адреса операнда относительно базового адреса расположено в соответствующем поле адреса. В качестве BP может выступать РОН или специальный адресный регистр;

- Индексная адресация . Базовый адрес операнда расположен в соответствующем поле адреса. Смещение адреса операнда относительно базового адреса расположено в индексном регистре X (Index). В качестве X может выступать РОН или специальный адресный регистр;

- Адресация по базе с индексированием . Базовый адрес операнда расположен в регистре базы BP , смещение адреса операнда относительно базового адреса расположено в индексном регистре X . Адреса регистров включены в код операции. Поле адреса в команде отсутствует; В качестве X и BP могут выступать РОН или специальные адресные регистры;

- Сегментная адресация . Вся память разбита на сегменты определенного объема. Адрес сегмента хранится в сегментном регистре SR (Segment Register), смещение адреса относительно начала сегмента расположено в соответствующем поле адреса либо в индексном регистре X. В качестве X может выступать РОН или специальный адресный регистр;

В зависимости от того, какие методы адресации реализованы в конкретном процессоре, в нем имеются те или иные адресные регистры. Более сложные методы адресации требуют большего времени для вычисления адреса операнда. Одно из современных направлений развития архитектуры микропроцессоров основано на том, чтобы путем сокращения числа возможных команд и методов адресации добиться того, чтобы любая команда выполнялась за один машинный цикл. Такие процессоры называются RISC-процессорами (Reduced Instruction Set Computer). Конкретным примером такого устройства может служить микропроцессор PowerPC фирмы Motorola.

В составе системы ВВ также можно выделить ряд функционально законченных устройств, которые оформляются в виде модулей подключаемых непосредственно к единой магистрали системы. В простейшем случае это адресуемые ЦП буферные регистры -порты ВВ . Более сложные программно-управляемые подсистемы ВВ, содержащие блоки портов, получили название периферийных адаптеров . В случае, когда средства ВВ предназначаются для управления специальным внешним оборудованием и реализации специальных функций ВВ, их называют периферийными контроллерами . Наиболее сложными из современных средств обмена с внешними устройствами ВВ считают сопроцессоры ВВ , которые работают по собственным программам, хранящимся в собственной памяти, и по сути дела представляют собой отдельные микропроцессорные системы. Примером такой системы может служить векторный сопроцессор ADMC-200 фирмы Analog Devices, предназначенный для сопряжения микропроцессорной системы с вентильным преобразователем, управляющим приводом переменного тока. Он включает в себя несколько каналов АЦП, многоканальный ШИМ и вычислительный блок, реализующий векторные преобразования Парка-Кларка, необходимые для осуществления алгоритма векторного управления синхронным и асинхронным двигателем переменного тока. Однако, независимо от сложности конкретной подсистемы ВВ, со стороны ЦП все они представляются тем или иным набором адресуемых регистров, который, как правило, является частью DSEG.

Разрядностью микропроцессорной системы принято считать количество бит информации, которое ее ЦП может обработать с помощью одной команды. Разрядность микропроцессора определяется разрядностью его АЛУ, внутренних регистров данных и внешней шины данных. На сегодняшний день существуют 8-, 16-, 32- и 64-разрядные микропроцессоры. Для того, чтобы обрабатывать информацию с разрядностью большей, чем разрядность микропроцессора необходимо реализовывать специальные алгоритмы вычислений с повышенной разрядностью. Эти алгоритмы требуют дополнительного времени для своего выполнения. Поэтому повышение разрядности микропроцессора при заданной разрядности вычислений, напрямую связано с увеличением быстродействия системы.

В зависимости от того, в каком формате процессор способен воспринимать и обрабатывать данные, различают микропроцессоры с фиксированной точкой и микропроцессоры с плавающей точкой. При заданной точности вычислений и разрядности, диапазон чисел, представимых в формате с плавающей точкой значительно превышает диапазон чисел в формате с фиксированной точкой. Поэтому вычисления с плавающей точкой используются для обеспечения повышенной точности результата. Реализация подобных алгоритмов на процессорах с фиксированной точкой влечет за собой большое время вычислений и, следовательно, снижение быстродействия системы. Процессоры с плавающей точкой способны выполнять арифметические операции над числами с плавающей точкой с помощью одной команды. Поэтому они выполняют подобные вычисления значительно быстрее, чем процессоры с фиксированной точкой.

Существуют микропроцессоры, архитектура которых адаптирована для выполнения вычислений определенного рода. К числу таких процессоров относятся т.н. “процессоры цифровой обработки сигналов ” DSP (Digital Signal Procesor). Их архитектура имеет особенности, позволяющие им с наибольшей производительностью осуществлять алгоритмы рекуррентной обработки данных, которые используются во многих задачах, требующих их выполнения в масштабе “реального времени”, таких как аудио- и видео-кодирование, регулирование, цифровая фильтрация, цифровая связь и т.п. Все эти процессоры построены, как правило по Гарвардской архитектуре. Современные DSP имеют отдельные шины адреса/данных для CSEG и DSEG, что позволяет им с помощью одной команды осуществить доступ к различным видам памяти и произвести несколько операций над данными. Основной особенностью DSP является то, что кроме обыкновенного АЛУ, которое присутствует во всех процессорах, они имеют еще несколько вычислительных устройств. К числу таких устройств в первую очередь относится т.н. “умножитель-аккумулятор” MAU (Multiple-Accumulator Unit), способный с помощью одной команды умножить два многоразрядных числа и сложить результат удвоенной разрядности с результатом предыдущей команды. Подобная операция “умножения-сложения” используется во всех рекуррентных алгоритмах. Наличие MAU в сочетании с вышеуказанными особенностями организации шин процессора позволяет DSP за одну команду полностью выполнить один шаг рекуррентного алгоритма и подготовить исходные данные для следующего шага. Другим дополнительным вычислительным устройством является “многоразрядный регистр сдвига” S (Shifter), способный выполнять операции сдвига над числами, разрядность которых превышает разрядность АЛУ. Совместная работа этих вычислительных устройств позволяет достичь на выполнении рекуррентных алгоритмов вычислительной производительности, несравнимой с любыми другими процессорами. Примерами современных DSP могут служить:

Семейство ADSP-21XX фирмы Analog Devices - 16-разрядные DSP с фиксированной точкой, производительность до 30 MIPS;

Семейство TMS320C3X фирмы Texas Instruments - 32-разрядные DSP с плавающей точкой, производительность до 30 MIPS, 60 MFLOPS.

TMS320C240 фирмы Texas Instruments - 16-разрядный DSP с фиксированной точкой, адаптированный для задач управления приводом, производительность до 20 MIPS, 12-канальный встроенный ШИМ, два 8-канальных 10-разрядных АЦП.

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

Рис. 2.1. Архитектура типового микропроцессора.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 1.1. Классификация микропроцессоров

Характеристики универсальных микропроцессоров:

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

виды и форматы обрабатываемых данных;

система команд, режимы адресации операндов;

емкость прямоадресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса;

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

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

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

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

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

Отличительные особенности архитектуры однокристальных микроконтроллеров:

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

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

простейшие режимы адресации операндов.

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

Разрядность (8 бит).

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

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

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

Тактовая частота:

внешняя частота 12 МГц;
частота машинного цикла 1 МГц.

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

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

разрядное секционное АЛУ;
блок ускоренного переноса;
разрядное секционное АЛУ с аппаратной поддержкой умножения;
типа схем микропрограммного управления;
контроллер состояния и сдвига;
контроллер приоритетных прерываний.

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

Требования к синхронизации: максимальная частота, стабильность.

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

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

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

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

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

коммерческий (0 0 С … +70 0 С);

расширенный (-40 0 С … +85 0 С).

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

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

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

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

Рис. 1.2. Затраты на производство микропроцессорной системы

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

затраты на изготовление БИС (чем больше степень интеграции элементов на кристалле, тем дороже обходится производство схемы);
затраты на сборку и наладку микропроцессорной системы (с увеличением функциональных возможностей МП потребуется меньше схем для создания МПС);
общая стоимость микропроцессорной системы, которая складывается из затрат (1) и (2). Она имеет некоторое оптимальное значение для данного уровня развития технологии;
переход на новую технологию (оптимальным будет уже другое количество элементов на кристалле, а общая стоимость изделия снижается).

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

Структура и особенности архитектуры микропроцессора Pentium 4

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

новая микроархитектура процессора NetBurst (пакетно-сетевая);

новая системная шина FSB.

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

Применена гарвардская структура с разделением потоков команд и данных.

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

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

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

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

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

Рассмотрим эти особенности более подробно. предСтруктура МП Pentium 4

Команды и данные поступают в микропроцессор через блок системного интерфейса.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

короткие циклы с высокими коэффициентами повторяемости;

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

применение алгоритмов, требующих интенсивных вычислений;

широкое использование операций с высоким уровнем параллелизма.

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

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

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

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

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.

Структура типового микропроцессора

Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рис. 2.1 Такая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав 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.

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

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.