Основные типы и характеристики микропроцессоров

Изменение аппаратного уровня информационно-управляющей  микропроцессорной системы, включающего  в себя функциональные БИС комплекта, одновременно с конкретизацией микропрограммного и программного уровней, позволяет наилучшим образом удовлетворить требованиям, предъявляемым к системе.

Решение задач управления в конкретной системе чисто аппаратными средствами (аппаратная логика) дает выигрыш в  быстродействии, однако приводит к  сложностям при модификации системы. Микропроцессорное решение (программная логика) является более медленным, но более гибким решением, позволяющим развивать и модифицировать систему.

Изменение технических требований к информационно-управляющей микропроцессорной системе ведет лишь к необходимости перепрограммирования работы микропроцессора. Именно это качество обеспечивает высокую логическую гибкость микропроцессоров, определяет возможность их широкого использования, а значит и крупносерийного производства.

В данной главе была рассмотрена физическая и логическая структура микропроцессора. Микропроцессор состоит из следующих элементов:

• устройство управления (УУ);
• арифметико-логическое устройство;
• устройство генерации адресов;
• математический сопроцессор;
• дешифратор инструкций (команд);
• кэш-память;
• основная память;
• шины;
• регистры.

 

 

5 Характеристики микропроцессора

 

Большинство микропроцессоров имеют  следующие характеристики:

1. Разрядность - это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция. Чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может обрабатывать в единицу времени. 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.

2. Быстродействие (тактовая частота). Режим работы процессора задается микросхемой, называемой генератором тактовых импульсов. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций выполняет микропроцессор за одну секунду. Тактовая частота измеряется в МГц;
3. Объем кэш-памяти.
4. Потребляемая мощность, измеряется в Вт;
5. Технология (уровень логических сигналов);
6. Архитектурные особенности: система операций, способы адресации, наличие и организация подсистем прерываний и ПДП, объем и организация СОЗУ, конвейер операций, аппаратная поддержка системы виртуальной памяти и так далее. 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.

7. Cтруктурные особенности: количество и назначение шин (стандарт интерфейса), внутренняя структура;

8. Число источников питания, определяет сложность монтажа вычислительного устройства с МП и влияет на габаритные размеры, надежность и стоимость этого устройства. Обычно требуются два-три источника питания, но при некоторых технологиях изготовления удается обойтись одним;
9. Число БИС в комплекте. [ 3 ]
10. Количество ядер. Термин «ядро процессора» (core) имеет размытое определение и в зависимости от контекста  может означать:

• часть чипа микропроцессора, содержащую основные функциональные блоки;

• кристалл микропроцессора (CPU или GPU);
• часть чипа процессора, осуществляющая выполнение одного или небольшого количества (до 8) потоков команд.

Такие процессоры способны осуществлять параллельное выполнение нескольких потоков команд одновременно. Во всех существующих на сегодняшний день многоядерных процессорах кэш-память первого уровня у каждого ядра своя, а кэш 2-го уровня существует в нескольких вариантах:

• разделяемый - кэш расположен на одном кристалле с ядрами и доступен каждому из них в полном объёме;

• индивидуальный - отдельные кэши равного объёма, интегрированные в каждое из ядер.

Производительность данных микропроцессоров зависит от оптимизации приложения под многопоточность. В таких приложениях, наблюдается прирост производительности на двухъядерном процессоре. Однако, если приложение не оптимизировано, то оно не будет получать практически никакой выгоды от дополнительных ядер, а может даже выполняться медленнее, чем на процессоре с меньшим количеством ядер, но большей тактовой частотой. [ 6 ]

В данной главе были выделены характеристики микропроцессоров. Таким образом  любой микропроцессор можно характеризовать  по следующим трем основным признакам:

• разрядность;
• тактовая частота;
• архитектура.

6 Архитектура микропроцессора

6.1 Функции типового микропроцессора

 

Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рисунке 3. Такая микроЭВМ содержит все пять основных блоков цифровой машины:

1. устройство ввода информации;
2. устройство управления (УУ);
3. арифметико-логическое устройство (АЛУ);
4. запоминающие устройства (ЗУ);
5. устройство вывода информации.

 

Рисунок 3. Архитектура типового микропроцессора.

 

Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления. Помимо ШУ имеется адресная шина, которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По информационной шине или шине данных 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.

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.

 

6.2 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, то есть изменение состояния двоичных логических элементов на противоположные, 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.

 

 

 

 

6.3 Система команд

 

Проектирование системы команд оказывает влияние на структуру  ЭВМ. Оптимальную систему команд иногда определяют как совокупность команд, которая удовлетворяет требованиям проблемно-ориентированных применений таким образом, что избыточность аппаратных и аппаратно-программных средств на реализацию редко используемых команд оказывается минимальной. В различных программах ЭВМ частота появления команд различна; например, по данным фирмы DEC в программах для ЭВМ семейства PDP-11 наиболее часто встречается команда передачи MOV(B), на ее долю приходится приблизительно 32% всех команд в типичных программах. Систему команд следует выбирать таким образом, чтобы затраты на редко используемые команды были минимальными.

При наличии статистических данных можно разработать (выбрать) ЭВМ  с эффективной системой команд. Одним  из подходов к достижению данной цели является разработка команд длиной в одно слово и кодирование их таким образом, чтобы разряды таких коротких команд использовать оптимально, что позволит сократить время реализации программы и ее длину.

Другим подходом к оптимизации  системы команд является использование  микроинструкций. В этом случае отдельные биты или группы бит команды используются для кодирования нескольких элементарных операций, которые выполняются в одном командном цикле. Эти элементарные операции не требуют обращения к памяти, а последовательность их реализации определяется аппаратной логикой.

Сокращение времени выполнения программ и емкости памяти достигается  за счет увеличения сложности логики управления.

Важной характеристикой команды  является ее формат, определяющий структурные  элементы команды, каждый из которых интерпретируется определенные образом при ее выполнении. Среди таких элементов (полей) команды выделяют следующие:

• код операции, определяющий выполняемое действие;
• адрес ячейки памяти, регистра процессора, внешнего устройства;
• режим адресации;
• операнд при использовании непосредственной адресации;
• код анализируемых признаков для команд условного перехода.

Классификация команд по основным признакам представлена на  
рисунке 4. Важнейшим структурным элементом формата любой команды является код операции (КОП), определяющей действие, которое должно быть выполнено. Большое число КОП в процессоре очень важно, так как аппаратная реализация команд экономит память и время. Но при выборе ЭВМ необходимо концентрировать внимание на полноте операций с конкретными типами данных, а не только на числе команд, на доступных режимах адресации. Число бит, отводимое под КОП, является функцией полного набора реализуемых команд.

 

Рисунок 4. Классификация команд

 

При использовании фиксированного числа бит под КОП для кодирования всех m команд необходимо в поле КОП выделить двоичных разрядов. Однако, учитывая ограниченную длину слова мини- и микроЭВМ, различное функциональное назначение команд, источники и приемники результатов операций, а также то, что не все команды содержат адресную часть для обращения к памяти и периферийным устройствам, в малых ЭВМ для кодирования команд широко используется принцип кодирования с переменным числом бит под поле КОП для различных групп команд.

В некоторых командах необходим  только один операнд и они называются однооперандными (или одноадресными) командами в отличие от двухоперандных (или двухадресных), в которых требуются два операнда. При наличии двух операндов командой обычно изменяется только один из них. Так как информация берется только из одной ячейки, эту ячейку называются источником; ячейка, содержимое которой изменяется, называется приемником.

В большинстве микроЭВМ любой команде  требуется не более двух операндов. Это достигается следующими приемами:

1. Адрес следующей команды указывается только в командах переходов; в остальных случаях очередная команда выбирается из ячеек памяти, следующих за выполненной командой.