Основные типы и характеристики микропроцессоров

2. Использование ячейки, в которой  находится один из операндов,  для запоминания результата (например, сумма запоминается в ячейки первого операнда).

Локализацию и обращение к операндам  обеспечивают режимы адресации. При  введении нескольких режимов адресации  необходимо отвести в команде  биты, указывающие режимы адресации  для каждого операнда. Если предусмотрено  восемь режимов адресации, то для задания каждого из них нужно три бита.

Почти во всех форматах команд первые биты отводятся для кода операции, но далее форматы команд разных ЭВМ  сильно отличаются друг от друга. Остальные  биты должны определять операнды или  их адреса, и поэтому они используются для комбинации режимов, адресов регистров, адресов памяти, относительных адресов и непосредственных операндов. Обычно длина команды варьируется от 1 до 3 и даже 6 байт.

По форматам команд можно судить о возможностях ЭВМ.

 

6.4 Режимы адресации

 

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

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

Все способы адресации памяти можно  разделить на:

1. прямой, когда исполнительный адрес берется непосредственно из команды или вычисляется с использованием значения, указанного в команде, и содержимого какого-либо регистра (прямая адресация, регистровая, базовая, индексная и т.д.);
2. косвенный, который предполагает, что в команде содержится значение косвенного адреса, т.е. адреса ячейки памяти, в которой находится окончательный исполнительный адрес (косвенная адресация).

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

 

6.5 Типы архитектур

 

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

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

• с фиксированной разрядностью и списком команд (однокристальные);
• с наращиваемой разрядностью (секционные) и микропрограммным управлением.

Анализируя адресные пространства программ и данных, определяют МП с архитектурой фон Неймана и МП с архитектурой Гарвардской лаборатории.

Все персональные компьютеры представляет собой реализацию так называемой фон-неймановской архитектуры вычислительных машин. Эта архитектура была представлена Джоном фон-Нейманом еще в 1945 году и имеет следующие основные признаки. Машина состоит из блока управления, арифметико-логического устройства (АЛУ), памяти и устройств ввода/вывода (Рисунок 5). В ней реализуется концепция хранимой программы: программы и данные хранятся в одной и той же памяти.

 

 

Рисунок 5 Архитектура фон-Неймана

 

В Гарвардской архитектуре (Рисунок 6) память программ и память данных разделены, имеют свои адресные пространства и способы доступа к ним. Даная архитектура используется в микроконтроллерах.

 

Рисунок 6 Гарвардская архитектура

 

Выделяют основные типы архитектурных  решений:

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

2. Стековая архитектура дает  возможность создать поле памяти  с упорядоченной последовательностью  записи и выборки информации.  
В общем случае команды неявно адресуются к элементу стека, расположенному на его вершине, или к двум верхним элементам стека.

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

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

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

- разрядности адресов и данных;

- состава, имен и назначения  программно-доступных регистров; 

- форматов и системы команд;

- режимов адресации памяти;

- способов машинного представления  данных разного типа;

- структуры адресного пространства;

- способа адресации внешних  устройств и средств выполнения  операций ввода/вывода;

- классов прерываний, особенностей  инициирования и обработки прерываний. [ 3 ]

 

6.6 Организация прерываний

 

Одной из разновидностей программно-управляемого обмена данными с ВУ в микроЭВМ является обмен с прерыванием  программы, отличающийся от асинхронного программно-управляемого обмена тем, что  переход к выполнению команд, физически реализующих обмен данными, осуществляется с помощью специальных аппаратных средств. Команды обмена данными в этом случае выделяют в отдельный программный модуль - подпрограмму обработки прерывания. Задачей аппаратных средств обработки прерывания в процессоре микроЭВМ как раз и является приостановка выполнения одной программы (ее еще называют основной программой) и передача управления подпрограмме обработки прерывания. Действия, выполняемые при этом процессором, как правило, те же, что и при обращении к подпрограмме. Только при обращении к подпрограмме они инициируются командой, а при обработке прерывания - управляющим сигналом от ВУ, который называют «Запрос на прерывание» или «Требование прерывания».

Эта важная особенность обмена с  прерыванием программы позволяет организовать обмен данными с ВУ в произвольные моменты времени, не зависящие от программы, выполняемой в микроЭВМ. Таким образом, появляется возможность обмена данными с ВУ в реальном масштабе времени, определяемом внешней по отношению к микроЭВМ средой. Обмен с прерыванием программы существенным образом экономит время процессора, затрачиваемое на обмен. Это происходит за счет того, что исчезает необходимость в организации программных циклов ожидания готовности ВУ, на выполнение которых тратится значительное время, особенно при обмене с медленными ВУ.

Прерывание программы по требованию ВУ не должно оказывать на прерванную программу никакого влияния кроме  увеличения времени ее выполнения за счет приостановки на время выполнения подпрограммы обработки прерывания. Поскольку для выполнения подпрограммы обработки прерывания используются различные регистры процессора (счетчик команд, регистр состояния и т.д.), то информацию, содержащуюся в них в момент прерывания, необходимо сохранить для последующего возврата в прерванную программу.

Обычно задача сохранения содержимого  счетчика команд и регистра состояния  процессора возлагается на аппаратные средства обработки прерывания. Сохранение содержимого других регистров процессора, используемых в подпрограмме обработки  прерывания, производится непосредственно в подпрограмме. Отсюда следует достаточно очевидный факт: чем больший объем информации о прерванной программе сохраняется программным путем, тем больше время реакции микроЭВМ на сигнал прерывания, и наоборот. Предпочтительными с точки зрения повышения производительности микроЭВМ (сокращения времени выполнения подпрограмм обработки, а, следовательно, и основной программы) являются уменьшение числа команд, обеспечивающих сохранение информации о прерванной программе, и реализация этих функций аппаратными средствами.

Формирование сигналов прерываний - запросов ВУ на обслуживание происходит в контроллерах соответствующих  ВУ.

Данная глава была посвящена  архитектуре микропроцессоров. Были рассмотрены типы архитектур, функции типового микропроцессора, устройство управления, система команд и режимы адресации в МП, а так же  организация прерываний в микроЭВМ.

 

Заключение

 

 

15 ноября 2011 года исполнилось 40 лет со дня появления первого  микропроцессора. За это время  быстродействие процессора увеличилось более чем в 222 000 раз (с 0,108 МГц до 24 ГГц). В настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всём, от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств до огромных мейнфреймов и суперкомпьютеров. Микропроцессорные технологии во много раз ускорили развитие человеческой цивилизации.

В данной курсовом проекте были рассмотрены  основные типы и характеристики микропроцессоров. Так же для более глубокого  раскрытия данной темы были изложены: история первых микропроцессоров, структура МП и основные виды архитектур.

Курсовой проект разбит на 6 частей, некоторые из которых так же разбиты  на пункты, и содержит 47 страниц.

Список литературы

 

1. М. А. Бедрековский, Н. С. Кручинкин, В. А. Подолян «Микропроцессоры» 1991г.
2. А.К.Нарышкин «Цифровые устройства и микропроцессоры» 2006г.
3. http://dfe3300.karelia.ru/koi/posob/microcpu/literat.html - Архитектура микропроцессоров.
4. http://komp-int.ru/index/istorija_mikroprocessorov/ - История развития первых микропроцессоров
5. http://goubmst.narod.ru/LIB/tsi/lek_1_1.htm – Процессор - Типы и отличия процессоров.
6. http://ru.wikipedia.org/wiki/многоядерные_процессоры - Архитектура многоядерных систем.