Domov › Telefon › Architektura a princip činnosti mikroprocesoru. Vývoj tradičního CISC. Moderní elektronická digitální výpočetní technika je široce používána v národním hospodářství. V současné době byly vytvořeny čtyři generace počítačů se zlepšujícími se technickými a ekonomickými aspekty

Architektura a princip činnosti mikroprocesoru. Vývoj tradičního CISC. Moderní elektronická digitální výpočetní technika je široce používána v národním hospodářství. V současné době byly vytvořeny čtyři generace počítačů se zlepšujícími se technickými a ekonomickými aspekty

1.6.1 Základní pojmy

Rozvoj technologií umožňuje vytvářet na čipu stále větší počet aktivních součástek – tranzistorů, pomocí kterých lze implementovat nová architektonická a konstrukční řešení poskytující zvýšený výkon a rozšířenou funkčnost mikroprocesorů

Mikroprocesorová technologie zahrnuje hardware a software používaný k sestavení různých mikroprocesorových systémů, zařízení a osobních mikropočítačů.

Mikroprocesor (MP) – softwarově řízené zařízení, které provádí proces digitálního zpracování a řízení informací a je postaveno zpravidla na jediném LSI.

Mikroprocesorový systém (MPS) je funkčně kompletní produkt sestávající z jednoho nebo více zařízení, převážně na bázi mikroprocesoru: mikroprocesor a/nebo mikrokontrolér.

Období "mikrokontrolér" (MK) vytlačila dříve používaný termín „jednočipový mikropočítač“ z používání. První patent na jednočipový mikropočítač byl vydán v roce 1971 M. Kochranovi a G. Booneovi. Právě oni navrhli umístit na jeden čip nejen mikroprocesor, ale i paměť a vstupně/výstupní zařízení. Nástup jednočipových mikropočítačů je spojen s počátkem éry počítačové automatizace v oblasti managementu. Tato okolnost zjevně definovala tento pojem "mikrokontrolér" (řízení- management).

Následně však rozšíření rozsahu použití mikrokontrolérů s sebou přineslo rozvoj jejich architektury díky umístění zařízení (modulů) na čip, které svou funkčností odrážejí specifika řešených úloh. Taková přídavná zařízení se začala nazývat periferie. Není proto náhodou, že nedávno byl zaveden další termín - "integrovaný procesor" (IP) , který definuje novou třídu funkčně prostorných jednočipových zařízení s odlišným složením modulů. Pokud jde o počet a složení periferních zařízení, IP jsou horší než MK a zaujímají mezilehlou pozici mezi MP a MK. Ze stejného důvodu se objevily nejen rodiny MK, které sdružují příbuzné MK (se stejným příkazovým systémem, bitovou hloubkou), ale začaly se rozlišovat i podtypy MK: komunikační, pro ovládání atp.

Mikrokontrolér (MK) – jednočipový počítač nebo řídicí mikroprocesor.

MP se v současnosti primárně používají pro výrobu osobních počítačů a MK a IP jsou základem pro tvorbu různých vestavěných systémů, telekomunikačních a přenosných zařízení atd.

Architektura procesoru je komplex jeho hardwaru a softwaru poskytovaný uživateli. Tento obecný koncept zahrnuje soubor softwarově přístupných registrů a výkonných (provozních) zařízení, systém základních příkazů a metod adresování, objem a strukturu adresovatelné paměti atp.

Architektura úzce souvisí s struktura , který zajišťuje přítomnost komponent pro implementaci funkcí procesoru.

1.6.2 Varianty architektur mikroprocesorů

V závislosti zsada příkazů, které se mají provést, a metody adresování

CISC ( Komplex Návod Soubor Počítač ) – architektura implementován v mnoha typech mikroprocesorů, které provádějí velkou sadu víceformátových instrukcí pomocí četných metod adresování.

Například mikroprocesory rodiny Pentium. Provádějí více než 200 instrukcí různé složitosti, které se pohybují ve velikosti od 1 do 15 bajtů a poskytují více než 10 různých metod adresování).

Široká škála prováděných příkazů a metod adresování umožňuje programátorovi implementovat nejúčinnější algoritmy pro řešení různých problémů. Současně se však struktura mikroprocesoru, zejména jeho řídicího zařízení, výrazně komplikuje, což vede ke zvětšení velikosti a nákladů na krystal a ke snížení výkonu. Mnoho příkazů a metod adresování se přitom používá poměrně zřídka. Od 80. let 20. století proto začal intenzivní vývoj redukovaná architektura procesoru sada příkazů ( RISC - procesory).

RISC ( Snížená Návod Soubor Počítač ) – architektura vyznačující se použitím omezeného souboru příkazů pevného formátu a sníženým počtem metod adresování.

Moderní RISC procesory typicky implementují asi 100 instrukcí, které mají pevný formát na délku 4 bajtů. Výrazně se také snižuje počet používaných metod adresování. Typicky jsou v RISC procesorech všechny instrukce pro zpracování dat prováděny pouze s registrem nebo okamžitým adresováním. Současně, aby se snížil počet přístupů do paměti, mají procesory RISC zvýšený objem vnitřního úložiště registrů - z 32 na několik stovek registrů, zatímco u procesorů CISC je počet univerzálních registrů obvykle 8-16 v RISC procesorech se používá pouze při operacích načítání dat do REU nebo přenosu výsledků z REU do paměti. V tomto případě se používá malý počet nejjednodušších metod adresování: nepřímý registr, index a některé další.

Výhody architektury RISC vedly k tomu, že mnoho moderních procesorů CISC používá pro zpracování dat jádro RISC. V tomto případě jsou příchozí složité a víceformátové příkazy předem převedeny na sekvenci jednoduchých RISC operací, které toto jádro procesoru rychle provádí.

Takto fungují například nejnovější modely mikroprocesorů Pentium a K7, které podle vnějších ukazatelů patří mezi procesory CISC. Použití architektury RISC je charakteristickým rysem mnoha moderních mikroprocesorů.

VLIW ( Velmi Velký Návod Slovo ) – rysem architektury je použití velmi dlouhých příkazů (až 128 bitů a více), jejichž jednotlivá pole obsahují kódy zajišťující provádění různých operací. Jeden příkaz tedy způsobí paralelní provádění několika operací v různých provozních zařízeních obsažených ve struktuře mikroprocesoru.

Architektura se objevil relativně nedávno - v 90. letech 20. století.

V závislosti na implementaci použité paměti a organizaci načítání příkazů a dat V moderních mikroprocesorech jsou implementovány následující možnosti architektury:

Princetonská architektura , který je často nazýván Von Neumannovou architekturou, se vyznačuje používáním sdílené paměti RAM pro ukládání programů a dat.

Pro přístup k této paměti slouží společná systémová sběrnice, přes kterou jsou do procesoru odesílány příkazy i data. Výhody

a) Přítomnost sdílené paměti umožňuje rychle přerozdělit její objem pro ukládání samostatných polí příkazů a dat v závislosti na řešených úlohách. To zajišťuje schopnost efektivně využít dostupné množství paměti RAM v každém konkrétním případě použití mikroprocesoru;

b) použití společné sběrnice pro přenos příkazů a dat výrazně zjednodušuje ladění, testování a průběžné sledování fungování systému a zvyšuje jeho spolehlivost.

Hlavní nevýhoda architektura je potřeba sekvenčního vzorkování příkazů a zpracovávaných dat po společné systémové sběrnici. V tomto případě se společná sběrnice stává „úzkým místem“, které omezuje výkon digitálního systému.

Harvardská architektura vyznačující se fyzickým oddělením paměti instrukcí (programů) a paměti dat. Každá paměť je připojena k procesoru samostatnou sběrnicí, která umožňuje současné čtení a zápis dat při provádění aktuálního příkazu pro načtení a dekódování dalšího příkazu.

Důstojnost Architektura má vyšší výkon než použití architektury Princeton, a to díky oddělení příkazových a datových toků a kombinaci jejich operací načítání.

Nedostatky architektury jsou spojeny s potřebou většího počtu sběrnic a také s pevným množstvím paměti alokované pro příkazy a data, jejichž účel nelze rychle přerozdělit v souladu s požadavky řešeného úkolu.

Proto je nutné použít větší paměť, jejíž míra využití při řešení různých problémů je nižší než u systémů s architekturou Princeton. Rozvoj mikroelektronické technologie však umožnil tyto nedostatky do značné míry překonat.

GarVardian architekturaširoce používané ve vnitřní struktuře moderních vysoce výkonných mikroprocesorů, které využívají samostatnou vyrovnávací paměť pro ukládání instrukcí a dat. Přitom zásady o Princetonská architektura.

Typická struktura mikroprocesorového systému

Většina mikroprocesorových systémů má sběrnicovou modulární strukturu, ve které si jednotlivá zařízení (moduly) zahrnutá v systému vyměňují informace prostřednictvím společné systémové sběrnice-páteř (obrázek 1.7).

Hlavním modulem systému je mikroprocesor, jehož součástí je

uspořádat řízení (UU) ,

provozní zařízení ,

registr úložiště ust roj (RZU) – vnitřní paměť, implementovaná jako sada registrů.

Opera úložné zařízení (BERAN) slouží k uložení spustitelného programu (nebo jeho fragmentů) a dat ke zpracování. V nejjednodušších mikroprocesorových systémech je velikost paměti RAM desítky a stovky bajtů a v moderních osobních počítačích, serverech a pracovních stanicích dosahuje stovek MB nebo více. Protože přístup k paměti RAM přes systémovou sběrnici vyžaduje značné množství času, většina moderních vysoce výkonných mikroprocesorů navíc zavádí vysokorychlostní mezipaměť (mezipaměť) omezený objem (od několika KB do stovek KB).

Paměť pouze pro čtení (ROM) slouží k ukládání konstant a standardních (neměnných) programů. ROM obvykle ukládá inicializační (bootovací) programy pro systémy, testovací a diagnostické programy a další servisní software, který se během provozu systému nemění. V mikroprocesorových systémech, které řídí určité objekty pomocí pevných nebo zřídka měněných programů, se k jejich uložení obvykle používá také ROM (ROM - Read-Only Memory) nebo přeprogramovatelná ROM (EEPROM - Electrically Erased Programmable Read-Only Memory nebo flash paměť).

Mezi obličejová zařízení (FD) slouží k připojení dalších zařízení, která jsou externí k systému, na sběrnici. IU implementují určité paralelní nebo sériové komunikační protokoly. Externími zařízeními mohou být klávesnice, monitor, externí paměťová zařízení (ESD) využívající diskety nebo pevné magnetické disky, optické disky (CD-ROM), magnetické pásky a další typy paměťových médií, senzory a konvertory informací (analogově-digitální popř. digitálně-analogové), různé akční členy (indikátory, tiskárny, elektromotory, relé a další).

Pro implementaci různých provozních režimů lze k systému připojit další zařízení – řadiče přerušení, řadiče přímého přístupu do paměti a další, které implementují potřebné speciální řídicí funkce.

Tato struktura odpovídá Von Neumannově architektuře navržené tímto vědcem ve 40. letech 20. století k implementaci prvních modelů digitálních počítačů.

УУ – ovládací zařízení

OS - operační zařízení

RZU – registrační paměťové zařízení

RAM - paměť s náhodným přístupem

ROM – paměť pouze pro čtení

IU – zařízení rozhraní

Obrázek 1.7 – Typická struktura mikroprocesorového systému

Systémová sběrnice obsahuje několik desítek (ve složitých systémech více než 100) vodičů, které jsou podle svého funkčního účelu rozděleny do samostatných sběrnic:

adresní sběrnice A, slouží k přenosu adresy, která je vygenerována mikroprocesorem a umožňuje vybrat požadovanou paměťovou buňku RAM (ROM) nebo požadovaný DI při přístupu k externímu zařízení;

datová sběrniceD, se používá k získávání příkazů přicházejících z RAM nebo ROM do řídicí jednotky mikroprocesoru a k přenosu zpracovaných dat (operandů) mezi mikroprocesorem a RAM nebo zařízením (externím zařízením);

řídicí sběrnice C, slouží k přenosu různých řídicích signálů, které určují provozní režimy paměti (zápis nebo čtení), zařízení rozhraní (vstup nebo výstup informací) a mikroprocesoru (spouštění, požadavky na externí zařízení pro servis, informace o aktuálním stavu provozní režim) a další signály.

Literatura

1. D. Givone, R. Rosser. Mikroprocesory a mikropočítače. Úvodní kurz. Překlad z angličtiny. – M.: Mir, 1983.

2. D. Korfron. Technické prostředky mikroprocesorových systémů. Praktický kurz. Překlad z angličtiny. – M.: Mir, 1983.

3. S.T. Přeslička, N.N. Varlinsky, E.A. Popov. Mikroprocesory a mikropočítače v systémech automatického řízení. Adresář. – L.: Strojírenství, 1987.

4. R. Tokheim. Mikroprocesory: kurz a cvičení. Překlad z angličtiny, ed. V.N. Grasevich - M.: Energoatomizdat, 1988.

1. Počítače a mikropočítače. Obecné informace.

Generace počítačů.

V roce 1949 Byl vytvořen první počítač využívající lampy. V roce 1951 byl vytvořen první průmyslový počítač (Univac I). Ve stejném roce se v Kyjevě SSSR objevil první Glushkovův počítač. Jednalo se o vozy první generace.

Druhá generace je založena na tranzistorech a polovodičích (Promin, Dněpr, Minsk).

V roce 1959 vynalezené integrované obvody.

V roce 1965 Vznikl první minipočítač. (V SSSR - vozidla řady M6000, M40-30, BESM, EU). Minipočítače už nebyly jen o zpracování dat a řešení problémů; začaly být součástí systémů, které vyžadovaly rychlé rozhodování - systémy v reálném čase .

Se svým vzhledem v roce 1971 mikroprocesory zahájily éru programovatelné logiky.

Mikroprocesor je programovatelné logické zařízení vyrobené pomocí technologie LSI. Konstrukce mikroprocesoru poskytuje velkou flexibilitu. Sama o sobě nedokáže vyřešit ten či onen konkrétní problém. K vyřešení problému je potřeba jej naprogramovat a připojit k dalším zařízením. Mezi ně patří paměť a vstupní/výstupní zařízení.

Obecně platí, že soubor vzájemně propojených systémových zařízení, včetně mikroprocesoru, paměti a vstupních/výstupních zařízení, zaměřených na provádění nějaké dobře definované funkce, se nazývá mikroprocesorový systém nebo mikropočítač.

Typická struktura počítače.

Typický počítač obsahuje pět funkčních bloků: vstupní zařízení, paměť, aritmetické zařízení, řídicí zařízení a výstupní zařízení.

Rýže. 1.1. Princip organizace počítače

Zařízení je schopno provádět pouze omezený soubor základních operací. Všechny ostatní funkce počítače jsou dosaženy programově.

Naprogramovat je soubor elementárních strojových operací organizovaných určitým způsobem, tzv týmy , s jehož pomocí jsou zpracovávány informace a údaje.

Program a data jsou nejprve uloženy v paměti, kde jsou přijímány prostřednictvím vstupního zařízení. Poté jsou jednotlivé programové příkazy jeden po druhém automaticky odesílány do řídicího zařízení, které je dešifruje a provede. K provedení operace obvykle vyžaduje, aby data vstoupila do aritmetické jednotky obsahující všechny elektronické obvody potřebné k jejich zpracování. Během procesu výpočtu nebo po jeho dokončení jsou získané výsledky odesílány do výstupního zařízení. Obvykle se nazývá aritmetická jednotka a řídicí jednotka společně centrální procesorová jednotka (CPU) popř centrální procesor (CPU). Centrální procesor, vyráběný ve formě LSI, je mikroprocesor .

Paměť

K zapamatování a uložení velkého množství informací dochází v paměti, přesněji v úložné zařízení . Paměti jsou rozděleny do podbloků tzv registrů , z nichž každý je schopen uložit jedno strojové slovo. Je volána skupina binárních číslic zpracovaných současně ve strojových slovech , a nazývá se počet binárních číslic, které tvoří slovo délka slova . Typické mikropočítače mají délku slova 4, 8, 12, 16 binárních bitů. Slovo s délkou 8 bitů má kvůli svému zvláštnímu rozšíření zvláštní název - byte .

Každý registr v paměti nebo paměťové buňce má svou vlastní adresu. Adresa je prostě celé číslo, které jednoznačně identifikuje buňku. Slovo uložené v buňce se nazývá obsah tato buňka.

Aritmetické zařízení(AU)

Zpracování dat probíhá převážně v AU. Toto zpracování zahrnuje jak aritmetické, tak logické operace - jsou velmi základní (sečíst dvě čísla, odečíst, porovnat, posunout jedno vůči druhému, převrátit, logické násobení, odstranit NEBO).

Hlavním registrem v AU je baterie .

AC má několik pracovních registrů pro krátkodobé uložení výsledků výpočtů.

AU také obsahuje orientační bity – zaškrtávací políčka . Příznaky obsahují informace charakterizující stav procesoru a výsledky porovnávání čísel. Stav příznaků je spolu s dalšími důležitými informacemi o stavu počítače uložen ve speciálním registru - word stav programu (PSW – programové stavové slovo).

Ovládací zařízení(UU)

Řídící jednotka řídí činnost počítače. Automaticky, jeden po druhém, přijímá příkazy z paměti, každý z nich dekóduje a generuje signály nezbytné pro jeho provedení.

UU se nachází počítadlo programů k označení adresy dalšího příkazu. Po přijetí příkazu do řídicí jednotky se obsah počítadla automaticky zvýší o 1.

Příkazy přicházející do řídicího centra se zaznamenávají příkazový registr . Každý příkaz obsahuje kód transakce, údaje nebo adresu . Operační kód je sada binárních číslic, které jednoznačně definují operaci prováděnou během interpretace příkazu. Část s adresou příkazu (pokud existuje) ukazuje na místa (například v paměti), ke kterým je třeba při provádění příkazu přistupovat.

Nezbytné adresa buňky odlišit od jeho obsah a nezaměňujte tyto pojmy.

Další funkcí řídící jednotky je synchronizace chodu jednotlivých počítačových bloků. Provádí se pomocí generátor hodin . Zpracování příkazu trvá několik hodin. Obecně platí, že instrukce v počítači je nejprve načtena z paměti, poté dekódována a poté provedena. Vzorkování, dekódování a provádění jsou rozděleny do několika časových intervalů. Každý z těchto intervalů, včetně jedné nebo více hodinových period, je tzv strojový cyklus . Celkový čas potřebný k načtení, dekódování a provedení instrukce je příkazový cyklus nebo smyčka provádění příkazů.

I/O zařízení(UVV)

Prostřednictvím vstupního/výstupního zařízení počítač kontaktuje vnější svět. Jsou to vyrovnávací paměti pro převod informací z těch jazyků, úrovní a rychlostí, při kterých počítač pracuje, na ty, které vnímá osoba nebo jiný systém spojený s počítačem. UVV jsou počítačová periferní zařízení. Kontaktní body mezi palubním zařízením a počítačem se nazývají vstupní/výstupní porty.

Architektura mikroprocesoru.

Mikropočítač

Mikropočítač je systém s organizací sběrnice, sestávající z modulů nebo bloků implementovaných ve formě LSI. Tyto moduly zpracovávají informace, řídí tok a interpretaci příkazů, řídí provoz sběrnice, ukládají informace a interagují mezi mikropočítačem a jeho okolím. Tato interakce je prováděna bloky nazývanými vstupní/výstupní porty. Každý takový port je rozhraním mezi mikroprocesorem a nějakým externím zařízením (například terminálem, externí pamětí, měřicím přístrojem atd.). Interakce bloků se provádí pomocí tří typů sběrnic: adresových sběrnic, datových sběrnic a řídicích sběrnic.

Rýže. 2.1. Struktura mikropočítače se sběrnicovou organizací

Struktura mikroprocesoru

Rýže. 2.2. Hypotetický MP

V zobrazeném hypotetickém mikroprocesoru:

· ke zpracování příkazů se používá programový čítač (programový čítač), zásobník a příkazový registr;

· Pro zpracování dat se používá ALU, spouštěč přenosu, obecné registry, registr adres dat;

· zbývající komponenty - příkazový dekodér, BUS - řídí činnost mikroprocesoru jako celku.

Interakce komponent se provádí prostřednictvím interních kanálů přenosu dat. MP komunikuje s ostatními bloky (úložiště a vstupní/výstupní zařízení) přes adresovou sběrnici, datovou sběrnici a řídicí sběrnici.

Mikroprocesor pracuje se slovy složenými z 8 bitů nazývaných bajty.

Adresová sběrnice MP je jednosměrná a datová sběrnice je obousměrná. Řídicí sběrnice se skládá z 5 linek vedoucích k řídicí a synchronizační jednotce a 8 linek z ní odcházejících. Tyto linky přenášejí řídicí a časovací signály mezi součástmi mikroprocesoru a mezi MP a dalšími mikropočítačovými bloky.

Počítadlo programů sestává z 16 bitů a obsahuje adresu dalšího příkazového bajtu načteného z paměti. Po přečtení každého bajtu se automaticky zvýší o jednu. Jednou z funkcí zásobníku je uložení návratové adresy podprogramu. Zásobník může také ukládat data z horních tří obecných registrů a přenosného klopného obvodu.

Zatímco datové slovo má vždy jeden bajt, příkaz může mít 1, 2 nebo 3 bajty. První bajt jakéhokoli příkazu přichází z paměti přes datovou sběrnici do příkazový registr . Tento první bajt je dodáván jako vstup dekodér příkazy, které určují jeho význam. Konkrétně dekodér určuje, zda je příkaz jednobajtový nebo zda se skládá z velkého počtu bajtů. V druhém případě jsou další bajty přenášeny po datové sběrnici z paměti a přijímány buď v registru datových adres nebo v jednom z obecných registrů.

Registr datových adres obsahuje adresu operandu pro instrukce, které přistupují do paměti, adresu portu pro instrukce I/O nebo adresu další instrukce pro instrukce skoku.

Patnáct 8bitů obecné registry obsahují operandy pro všechny instrukce, které pracují s daty. Tyto registry jsou specifikovány pomocí 4bitových kódů od 0000 do 1110. Registr 0000 se nazývá baterie(AK) a účastní se všech aritmetických a logických operací (AK obsahuje jeden z operandů před zahájením operace a výsledek je načten do AK po jejím provedení). Běžné registry jsou obvykle přístupné pomocí R-selektor nebo r-selektor. R-selektor umožňuje přístup k libovolnému registru, zatímco pouze první tři registry jsou přístupné přes r-selektor.

Důležitou vlastností MP je nepřímé adresování. Nastavení neexistujícího obecného registru 1111 se používá jako indikace, že by měl být přístupný bajt paměti na 16bitové adrese, která se získá kombinací obsahu dvou pevných obecných registrů. Nejvýznamnějších 8 bitů adresy je z registru 0001 a dalších 8 bitů je z registru 0010 (často se tyto registry nazývají H a L).

Všechny aritmetické a logické operace se provádějí v aritmeticko logická jednotka(ALU). Vstupy ALU jsou dvě 8bitové sběrnice. Jeden z nich pochází z akumulátoru (registr 0000) a druhý pochází z selektoru R, který vybírá buď jeden z obecných registrů od 0000 do 1110, nebo paměťovou buňku, pokud je zadáno nepřímé adresování. Do ALU přichází další vstupní linka spouštěč přenosu C, který se podílí na některých aritmetických a logických operacích. Výsledky z ALU jsou přenášeny do akumulátoru přes 8bitovou výstupní sběrnici. Z ALU vedou do řídicí a synchronizační jednotky další dvě linky; předávají informaci o přítomnosti nebo nepřítomnosti dvou zvláštních podmínek: akumulátor obsahuje nuly (řádek Z) a nejvýznamnější číslice akumulátoru je 1 (řádek N). Nosný klopný obvod a oba stavové řádky ALU Z a N se nazývají příznaky a používají se v instrukcích podmíněného skoku.

Poslední složkou MP je řídicí a synchronizační jednotka(AUTOBUS). Přijímá signály z příkazového dekodéru, který příkaz analyzuje. BUS přijímá signály z ALU a od spouštěče přenosu, které určují podmínky pro řídicí přenosy. Všechny ostatní komponenty MP přijímají ze sběrnice řídicí a synchronizační signály potřebné k provedení příkazu. Pomocí 13 externích linek se řídicí zařízení propojuje s dalšími mikropočítačovými moduly.

Zavedení

1.3 Přehled existujících typů architektur mikroprocesorů

2. Ovládací zařízení

3. Vlastnosti ovládání softwaru a firmwaru

4. Režimy adresování

Závěr

Proces lidské interakce s počítači probíhá již více než 40 let. Donedávna se tohoto procesu mohli účastnit pouze specialisté – inženýři, matematici – programátoři, operátoři. V posledních letech došlo v oblasti výpočetní techniky k dramatickým změnám. Díky vývoji a implementaci mikroprocesorů do struktury počítače se objevily malé, uživatelsky přívětivé osobní počítače. Situace se změnila, rolí uživatele může být nejen počítačový specialista, ale i jakákoliv osoba, ať už je to školák nebo žena v domácnosti, lékař nebo učitel, dělník nebo inženýr. Tento jev se často nazývá fenomén osobního počítače. V současnosti celosvětová flotila osobních počítačů přesahuje 20 milionů.

Proč k tomuto jevu došlo? Odpověď na tuto otázku lze nalézt, pokud jasně formulujeme, co je osobní počítač a jaké jsou jeho hlavní vlastnosti. Samotnou definici „osobního“ musíme správně vnímat, neznamená to, že počítač patří člověku jako osobní majetek. Definice „osobního“ vznikla proto, že člověk dostal možnost komunikovat s počítačem bez zprostředkování profesionálního programátora, samostatně, osobně. Není nutné znát speciální počítačový jazyk. Stávající software v počítači poskytne příznivou „přátelskou“ formu dialogu mezi uživatelem a počítačem.

V současnosti je jedním z nejoblíbenějších počítačů model IBM PC a jeho modernizovaná verze IBM PC XT, která je považována za základní model osobního počítače z hlediska architektury, softwaru a vnějšího designu.

Základem osobního počítače je systémová jednotka. Organizuje práci, zpracovává informace, provádí výpočty a zajišťuje komunikaci mezi člověkem a počítačem. Uživatel nemusí důkladně rozumět tomu, jak systémová jednotka funguje. To je pro specialisty. Musí ale vědět, z jakých funkčních bloků se počítač skládá. Nemáme jasnou představu o principu fungování vnitřních funkčních bloků objektů kolem nás - lednice, plynového sporáku, pračky, automobilu, ale musíme vědět, co je základem pro fungování těchto zařízení, jaké jsou schopnosti jejich bloků.

1. Obecná charakteristika architektury procesoru

1.1 Základní struktura mikroprocesorového systému

Úkolem správy systému je centrální procesorová jednotka (CPU), která je připojena k paměti a vstupně/výstupnímu systému prostřednictvím paměti a vstupně/výstupních kanálů. CPU čte instrukce z paměti, které tvoří program, a dekóduje je. Podle výsledku dekódovacích instrukcí načte data z paměti vstupních portů, zpracuje je a odešle zpět do paměti nebo výstupních portů. K dispozici je také schopnost I/O dat z paměti do externích zařízení a naopak, obcházení CPU. Tento mechanismus se nazývá přímý přístup do paměti (DMA).

Z uživatelského hlediska je při výběru mikroprocesoru vhodné mít nějakou zobecněnou ucelenou charakteristiku schopností mikroprocesoru. Vývojář potřebuje rozumět a rozumět pouze těm součástem mikroprocesoru, které se jasně odrážejí v programech a musí být brány v úvahu při vývoji obvodů a programů pro fungování systému. Tyto vlastnosti jsou definovány konceptem architektury mikroprocesoru.

1.2 Koncepce architektury mikroprocesoru

Architektura typického výpočetního systému na bázi malých mikropočítačů je znázorněna na Obr. 1. Takový mikropočítač obsahuje všech 5 hlavních bloků digitálního stroje: zařízení pro vstup informací, řídicí jednotku (CU), aritmeticko-logickou jednotku (ALU) (je součástí mikroprocesoru), paměťová zařízení (SRAM) a informační výstupní zařízení.

Rýže. 1. Architektura typického mikroprocesoru.

Mikroprocesor koordinuje činnost všech zařízení digitálního systému pomocí řídicí sběrnice (CB). Kromě SHU je zde 16bitová adresová sběrnice (ABA), která slouží k výběru konkrétní paměťové buňky, vstupního portu nebo výstupního portu. 8bitová informační sběrnice nebo datová sběrnice (SD) provádí obousměrný přenos dat do az mikroprocesoru. Je důležité poznamenat, že MP může odesílat informace do paměti mikropočítače nebo do jednoho z výstupních portů, stejně jako přijímat informace z paměti nebo z jednoho ze vstupních portů.

Paměť pouze pro čtení (ROM) v mikropočítači obsahuje určitý program (v praxi program pro inicializaci počítače). Programy lze načíst do paměti RAM (Random Access Memory) a z externího paměťového zařízení (ERM). Jedná se o uživatelské programy.

Jako příklad ilustrující činnost mikropočítače zvažte postup, pro jehož implementaci musíte provést následující posloupnost základních operací:

1. Stiskněte klávesu s písmenem "A" na klávesnici.

2. Vložte písmeno „A“ do paměti mikropočítače.

3. Zobrazte na displeji písmeno „A“.

Jedná se o typickou proceduru vstup-úložiště-výstup, jejíž zvážení umožňuje vysvětlit principy použití některých zařízení obsažených v mikropočítači.

Na Obr. Obrázek 2 ukazuje podrobné schéma provádění procedury vstup-úložiště-výstup. Všimněte si, že instrukce jsou již načteny do prvních šesti paměťových míst. Uložený program obsahuje následující řetězec příkazů:

1. Zadejte data ze vstupního portu 1.

2. Uložte data do paměťového místa 200.

3. Odešlete data na výstupní port 10.

V tomto programu jsou pouze tři příkazy, i když na Obr. 2 se může zdát, že v paměti programu je uloženo šest instrukcí. Je to proto, že tým je obvykle rozdělen na části. První částí příkazu 1 ve výše uvedeném programu je příkaz pro zadávání dat. Druhá část příkazu 1 určuje, odkud mají být data zadávána (z portu 1). První část příkazu, která specifikuje konkrétní akci, se nazývá operační kód (OPC) a druhá část se nazývá operand. Operační kód a operand jsou umístěny v oddělených místech paměti programu. Na Obr. 2 COP je uložen v buňce 100 a kód operandu je uložen v buňce 101 (port 1); druhý uvádí, odkud by měly být informace převzaty.

V MP na Obr. 2 jsou zvýrazněny další dva nové bloky - registry: akumulátor a příkazový registr.

Rýže. 2. Schéma provádění procedury input-storage-output

Uvažujme průchod příkazů a dat uvnitř mikropočítače pomocí očíslovaných kroužků na diagramu. Připomeňme, že mikroprocesor je centrálním uzlem, který řídí pohyb všech dat a provádění operací.

Takže při provádění typické procedury vstup-úložiště-výstup v mikropočítači nastane následující sekvence akcí:

1. MP vydává adresu 100 na adresovou sběrnici. Přes řídicí sběrnici je odeslán signál, který nastaví paměť programu (konkrétní mikroobvod) do režimu čtení.

2. Paměť programu odešle první příkaz („Zadejte data“) po datové sběrnici a MP přijme tuto zakódovanou zprávu. Příkaz je umístěn v registru příkazů. MP dekóduje (interpretuje) přijatý příkaz a určí, že příkaz vyžaduje operand.

3. MP otázky adresu 101 až ShA; Velín slouží k převodu programové paměti do režimu čtení.

4. Operand „Z portu 1“ je odeslán z paměti programu na SD. Tento operand je umístěn v programové paměti v buňce 101. Kód operandu (obsahující adresu portu 1) je přenesen přes SD do MP a odeslán do příkazového registru. MP nyní dekóduje celý příkaz ("Zadejte data z portu 1").

5. MP pomocí SHA a SHU připojením ke vstupnímu zařízení otevře port 1. Digitální kód písmene „A“ se přenese do baterie uvnitř MP a uchová se každý programový příkaz se MP chová podle mikroprocedury vzorkování-dekódování-provádění.

6. MP přistupuje k buňce 102 přes ShA. Velín slouží k převodu programové paměti do režimu čtení.

7. Příkazový kód „Zapamatovat si data“ je odeslán do SD a odeslán do MP, kde je umístěn do příkazového registru.

8. MP dekóduje tuto instrukci a určí, že vyžaduje operand. MP přistupuje k paměťové buňce 103 a aktivuje vstup pro čtení programových paměťových čipů.

9. Kód zprávy „V paměťové buňce 200“ je odeslán z paměti programu na SD. MP vezme tento operand a umístí jej do registru instrukcí. Úplný příkaz "Uložit data do paměťového místa 200" je vybrán z paměti programu a dekódován.

10. Nyní začíná proces provádění příkazu. MP předá adresu 200 SHA a aktivuje vstup zápisu související s datovou pamětí.

11. MP předává informace uložené v baterii do datové paměti. Kód písmene "A" je přenášen přes SD a zapsán do buňky 200 této paměti. Druhý příkaz byl proveden. Proces ukládání do paměti nezničí obsah baterie. Stále obsahuje kód pro písmeno "A".

12. MP přistoupí k paměťové buňce 104, aby vybral další příkaz a přepne paměť programu do režimu čtení.

13. Kód příkazu výstupu dat je odeslán přes SD do MP, který jej umístí do příkazového registru, dešifruje jej a určí, že je potřeba operand.

14. MP vydá adresu 105 SHA a nastaví paměť programu do režimu čtení.

15. Z programové paměti přes SD dorazí kód operandu „Na port 10“ do MP, který je pak umístěn do příkazového registru.

16. MP dešifruje celý příkaz „Output data to port 10“. Pomocí připojení ShA a ShU k výstupnímu zařízení MP otevře port 10 a odešle kód písmene „A“ (stále v baterii) přes ShD. Písmeno "A" se zobrazuje přes port 10 na obrazovce displeje.

Ve většině mikroprocesorových systémů (MPS) jsou informace přenášeny způsobem podobným tomu, který byl popsán výše. Nejvýraznější rozdíly jsou možné ve vstupních a výstupních blocích.

Ještě jednou zdůrazněme, že mikroprocesor je jádrem systému a řídí všechny operace. Jeho práce představuje sekvenční implementaci vzorkování-dešifrování-provádění mikroprocedur. Skutečný sled operací v MPS je však určen příkazy zaznamenanými v paměti programu.

V MPS tedy mikroprocesor vykonává následující funkce:

Načítání příkazů programu z hlavní paměti;

Dešifrování příkazů;

Provádění aritmetických, logických a jiných operací kódovaných v příkazech;

Řízení přenosu informací mezi registry a hlavní pamětí, mezi vstupními/výstupními zařízeními;

Zpracování signálů ze vstupních/výstupních zařízení, včetně implementace přerušení z těchto zařízení;

Řízení a koordinace práce hlavních složek MP.

Existuje několik přístupů ke klasifikaci mikroprocesorů podle typu architektury. Existují tedy MP s architekturou CISC (Complete Instruction Set Computer), která se vyznačuje úplnou sadou instrukcí, a architekturou RISC (Reduce Instruction Set Computer), která definuje systém s redukovanou sadou příkazů stejného formátu, prováděných v jeden MP hodinový cyklus.

Definováním bitové hloubky jako hlavní charakteristiky MP se rozlišují následující typy architektury MP:

S pevnou bitovou hloubkou a seznamem příkazů (jednočipové);

S rozšiřitelnou kapacitou (sekční) a mikroprogramovým ovládáním.

Analýzou adresových prostorů programů a dat je určen MP s von Neumannovou architekturou (programová paměť a datová paměť jsou ve stejném prostoru a neexistují žádné znaky označující typ informace v paměťové buňce) a MP s Architektura Harvardské laboratoře (paměť programu a datová paměť jsou oddělené, mají své vlastní adresní prostory a způsoby, jak k nim přistupovat).

Podívejme se podrobněji na hlavní typy architektonických řešení se zdůrazněním spojení s metodami adresování paměti.

1. Architektura registru je určena přítomností dostatečně velkého souboru registru uvnitř MP. Instrukce mohou přistupovat k operandům umístěným na jednom ze dvou paměťových médií: RAM nebo registry. Velikost registru je obvykle pevná a odpovídá velikosti slova fyzicky implementovaného v RAM. K jakémukoli registru lze přistupovat přímo, protože registry jsou reprezentovány jako pole úložných prvků - soubor registru. Typické je provádět aritmetické operace pouze v registru, přičemž instrukce obsahuje dva operandy (oba operandy v registru nebo jeden operand v registru a druhý v RAM).

K tomuto typu architektury patří mikroprocesor Zilog. Procesor Z80, duchovní dítě společnosti Zilog, měl kromě rozšířeného systému instrukcí, jednoho jmenovitého výkonu a schopnosti spouštět programy napsané pro i8080 architektonické přednosti.

Rýže. 3. Mikroprocesor Z80 od firmy Zilog.

Kromě hlavní sady RON byla v krystalu implementována druhá sada podobných registrů. To značně zjednodušilo práci při volání podprogramů nebo obslužných rutin přerušení, protože programátor pro ně mohl použít alternativní sadu registrů a vyhnout se ukládání obsahu RON hlavního programu na zásobník pomocí operací PUSH. Do instrukčního systému byla navíc zařazena řada speciálních instrukcí zaměřených na zpracování jednotlivých bitů a pro podporu dynamické regenerace paměti byl do obvodu procesoru zaveden příslušný hardware. Z80 byl použit ve strojích Sinclair ZX, Sinclair Spectrum, Tandy TRS80.

Poslední možností je architektura s adresováním přes akumulátory (menší sada příkazů).

Motorola MP měl řadu významných výhod. Za prvé, krystal MC6800 vyžadoval k provozu jeden jmenovitý výkon a systém příkazů se ukázal být pro programátora velmi transparentní. Architektura MP měla také řadu funkcí.

Obrázek 4. Mikroprocesor MC6800 od společnosti Motorola.

Mikroprocesor MC 6800 obsahoval dvě baterie a výsledek operace ALU bylo možné umístit do kterékoli z nich. Ale nejcennější vlastností struktury MC 6800 bylo automatické ukládání obsahu všech procesorových registrů na zásobníku při zpracování přerušení (Z80 k tomu vyžadoval několik PUSH příkazů). Procedura pro obnovu RON ze zásobníku byla provedena i hardwarově.

2. Architektura zásobníku umožňuje vytvořit paměťové pole s uspořádanou sekvencí záznamu a získávání informací.

Obecně platí, že příkazy jsou implicitně adresovány prvku zásobníku v horní části zásobníku nebo dvěma horním prvkům zásobníku.

3. Architektura MP orientovaná na RAM (typ z paměti do paměti) zajišťuje vysokou provozní rychlost a velkou informační kapacitu pracovních registrů a zásobníku, když jsou organizovány v RAM.

Tento typ architektury explicitně nedefinuje akumulátor, obecné registry nebo zásobník; Všechny instrukční operandy jsou adresovány do oblasti hlavní paměti.

Z hlediska důležitosti pro uživatele-programátora je architektura obecně chápána jako soubor následujících komponent a vlastností:

Bitová velikost adres a dat;

Skládání, názvy a účel registrů přístupných k softwaru;

Formáty a příkazové systémy;

Režimy adresování paměti;

Metody strojové reprezentace různých typů dat;

Struktury adresního prostoru;

Způsob adresování vnějších zařízení a prostředky pro provádění vstupně/výstupních operací;

Třídy přerušení, vlastnosti iniciace a zpracování přerušení.

2. Ovládací zařízení

Operační kódy programových příkazů, vnímané řídící částí mikroprocesoru, v ní dešifrované a převedené, poskytují informace o tom, jaké operace je třeba provést, kde se data nacházejí v paměti, kam má být výsledek odeslán a kam další je umístěn příkaz, který má být proveden.

Řídicí zařízení má dostatečné prostředky k tomu, aby po vnímání a interpretaci informací přijatých v příkazu zajistilo sepnutí (aktivaci) všech požadovaných funkčních částí stroje a také jim dodávalo data a vnímalo získané výsledky. Právě ovládání, tedy změna stavu binárních logických prvků na opačný, umožňuje prostřednictvím spínacích hradel provádět elementární logické a aritmetické operace a také přenášet požadované operandy do funkčních částí mikropočítače.

Řídicí zařízení v přísném sledu v rámci hodinových a cyklických časových intervalů činnosti mikroprocesoru (cyklus je minimální pracovní interval, během kterého se provádí jedna elementární akce; cyklus je časový interval, během kterého se provádí jedna operace stroje) provádí: příkaz výběr; jeho interpretace za účelem analýzy formátu, charakteristik služby a výpočtu adresy operandu (operandů); stanovení nomenklatury a časové posloupnosti všech funkčních řídicích signálů; generování řídicích impulsů a jejich přenos na řídicí sběrnice funkčních částí mikropočítače a ventilů mezi nimi; analýza výsledku operace a změna jejího stavu tak, aby se určilo umístění (adresa) dalšího příkazu.

Mikroprocesory používají dvě metody pro generování sady funkčních řídicích signálů: software a mikroprogram.

Provádění operací ve stroji spočívá v elementárních transformacích informací (přenos informací mezi uzly v blocích, posouvání informací v uzlech, logické bitové operace, kontrolní podmínky atd.) v logických prvcích, uzlech a blocích pod vlivem funkčních řídicích signálů. správy bloků (zařízení). Elementární transformace, které nelze rozložit na jednodušší, se provádějí během jednoho hodinového cyklu synchronizačních signálů a nazývají se mikrooperace.

V hardwarových (obvodových) řídicích zařízeních má každá operace svou vlastní sadu logických obvodů, které produkují určité funkční signály pro provádění mikrooperací v určitých okamžicích. Při tomto způsobu konstrukce řídicího zařízení je provádění mikrooperací dosaženo prostřednictvím vzájemně propojených logických obvodů, proto se počítač s hardwarovým řídicím zařízením nazývá počítač s rigidní řídicí logikou. Tento pojem označuje zafixování řídicího systému ve struktuře počítačových spojů a znamená praktickou nemožnost jakýchkoli změn v řídicím systému počítače po jeho výrobě.

Když je řídicí zařízení implementováno mikroprogramově, je do něj zavedena paměť, jejíž každý bit výstupního kódu určuje vzhled specifického funkčního řídicího signálu. Proto je každé mikrooperaci přiřazen vlastní informační kód – mikropříkaz. Sada mikropříkazů a sekvence jejich implementace zajistí provedení jakékoli složité operace. Soubor mikrooperací se nazývá mikroprogramy. Metoda řízení operací sekvenčním čtením a interpretací mikropříkazů z paměti (nejčastěji se používají vysokorychlostní programovatelné logické matice ve formě paměti mikroprogramu), stejně jako používání kódů mikropříkazů pro generování funkčních řídicích signálů, se nazývá mikroprogram, a mikropočítač s tímto způsobem řízení má mikroprogramovanou nebo uloženou (flexibilní) řídicí logiku.

Na mikroprogramy jsou kladeny požadavky na funkční úplnost a minimalismus. První požadavek je nezbytný pro zajištění schopnosti vyvíjet mikroprogramy pro jakékoli strojní operace a druhý souvisí s přáním snížit množství používaného vybavení. Zohlednění výkonnostního faktoru vede k rozšíření mikroprogramů, protože jejich komplikace umožňuje zkrátit dobu provádění programových příkazů.

Konverze informací se provádí v univerzální aritmeticko-logické jednotce mikroprocesoru. Obvykle je postaven na bázi kombinačních logických obvodů.

Pro urychlení provádění určitých operací jsou zavedeny další speciální ovládací jednotky (například cyklické řazení). Kromě toho jsou do mikroprocesorové sady (MPC) LSI zavedeny specializované operační jednotky aritmetických expandérů.

Operační možnosti mikroprocesoru lze rozšířit zvýšením počtu registrů. Pokud ve vyrovnávací paměti registrů není přiřazení funkcí registru, lze je použít jak pro ukládání dat, tak pro ukládání adres. Takové mikroprocesorové registry se nazývají obecné registry (GPR). Jak se technologie vyvíjí, výroba 16, 32 nebo více registrů v mikroprocesoru byla skutečně provedena.

Princip mikroprogramového řízení (PMC) obecně zahrnuje následující pozice:

1) jakákoli operace realizovaná zařízením je sledem elementárních akcí - mikrooperací;

2) pro řízení pořadí mikrooperací se používají logické podmínky;

3) proces provádění operací v zařízení je popsán ve formě algoritmu, prezentovaného z hlediska mikrooperací a logických podmínek, nazývaného mikroprogram;

4) firmware se používá jako forma znázornění funkce zařízení, na základě které se určuje struktura a pořadí činnosti zařízení v čase.

PMU poskytuje flexibilitu mikroprocesorového systému a umožňuje orientaci mikro- a minipočítačů orientovanou na problém.

4. Režimy adresování

Aby mohl počítač komunikovat s různými moduly, musí mít prostředky pro identifikaci externích paměťových buněk, vnitřních paměťových buněk, registrů MP a registrů vstupních/výstupních zařízení. Každá z paměťových buněk má tedy přiřazenu adresu, tzn. jednoznačná kombinace bitů. Počet bitů určuje počet buněk, které mají být identifikovány. Počítač má obvykle různé adresní prostory pro paměť a registry MP a někdy - samostatné adresní prostory pro registry vstupních/výstupních zařízení a vnitřní paměť. Paměť navíc ukládá jak data, tak instrukce. Proto bylo pro počítače vyvinuto mnoho způsobů přístupu k paměti, nazývaných adresovací režimy.

Režim adresování paměti je procedura nebo schéma pro převod adresových informací operandu na jeho prováděcí adresu.

Všechny metody adresování paměti lze rozdělit na:

1) přímá, když je výkonná adresa převzata přímo z příkazu nebo vypočtena pomocí hodnoty uvedené v příkazu a obsahu libovolného registru (přímé adresování, registr, báze, index atd.);

2) nepřímé, které předpokládá, že příkaz obsahuje hodnotu nepřímé adresy, tzn. adresy paměťové buňky, ve které se nachází konečná prováděcí adresa (nepřímé adresování).

Každý mikropočítač implementuje pouze některé režimy adresování, jejichž použití je zpravidla dáno architekturou mikropočítače.

Závěr

Počet osobních počítačů jak ve světě, tak zejména v Rusku rychle roste; Trh s PC je nejslibnější a nejziskovější mezi ostatními výpočetními trhy. V Severní Americe a západní Evropě se procento domácností, které vlastní PC, blíží 30. Bezpochyby by se v dnešní době měl každý naučit a rozumět počítači nejen teoreticky, ale hlavně prakticky.

Analýza nových řešení pro konstrukci počítačové struktury ukazuje, že procesor, paměť, vstupní a výstupní zařízení tvoří základ každého počítače. Podívejme se na nejběžnější strukturální schéma, které je základem nejběžnějších modelů počítačů, zejména osobních.

Moderní počítač lze ve většině případů znázornit zjednodušeným blokovým schématem, kde jsou rozlišeny centrální a periferní části. Centrální část obsahuje procesor a vnitřní paměť, periferní část obsahuje vstupně/výstupní zařízení a externí paměť. Zjednodušený strukturní diagram je založen na principech konektivity, modularity a mikroprogramovatelnosti.

Člověk by neměl doufat, že rozvoj výpočetní techniky nějak radikálně změní naši existenci. Počítač není víc (ale ne méně) než jeden z mocných motorů pokroku (jako je energetika, metalurgie, chemie, strojírenství), který na svá „železná ramena“ přebírá tak důležitou funkci, jako je rutina zpracování informací. Tato rutina vždy a všude doprovází nejvyšší úlety lidského myšlení. Právě v této rutině se velmi často utápí odvážná rozhodnutí, která jsou pro počítač nedostupná. Proto je tak důležité „přenést“ rutinní operace do počítače, aby se člověk osvobodil pro jeho skutečný účel – kreativitu.

Budoucnost mikroprocesorové techniky je dnes spojena se dvěma novými směry – nanotechnologií a kvantovými výpočetními systémy. Tyto studie, dosud převážně teoretické, se týkají využití molekul a dokonce i subatomárních částic jako součástí logických obvodů: základem pro výpočty by neměly být elektrické obvody jako nyní, ale poloha jednotlivých atomů nebo směr rotace elektronů. Pokud vzniknou „mikroskopické“ počítače, v mnoha ohledech předčí moderní stroje.

Seznam použité literatury

1. Balashov E.P., Grigoriev V.L., Petrov G.A. Mikro- a minipočítače. – Petrohrad: Energoatomizdat, 2004.

2. Eremin E.A. Populární přednášky o počítačovém designu. – Petrohrad: BHV-Petersburg, 2003.

3. Ibrahim K.F. PC zařízení a nastavení / Per. z angličtiny – M.: Binom, 2004..

4. Kosarev V.P., Surkov E.M., Bakova I.V. Technické prostředky řídicích systémů. - M.: Nakladatelství "Finance a statistika", 2006.

5. Leontyev V.P. Nejnovější encyklopedie osobního počítače 2003. – M.: OLMA-PRESS, 2004.

6. Stallings W. Strukturální organizace a architektura počítačových systémů. – M.: Williams, 2002.

7. Wynn L. Roche. Bible pro upgrade vašeho osobního počítače. – M.: Tivali-Style, 2005.

8. Figurnov V.E. IBM PC pro uživatele, 6. vydání, revidováno a rozšířeno. – M.: INFRA-M, 1996.

Anotace: Účel přednášky: seznámení s architekturou mikroprocesorů, charakteristickými rysy mikroprocesorů různých typů architektur, fázemi vývoje architektury univerzálních mikroprocesorů, jakož i hlavními rysy architektury IA-32.

Základní pojmy a charakteristiky architektury mikroprocesorů

Mikroprocesor(MP) je softwarově řízené zařízení, které je určeno ke zpracování digitální informace a řízení procesu tohoto zpracování a je proveden ve formě jednoho nebo několika velkých integrované obvody(BIS).

Pojem velký integrovaný obvod v současné době není jasně definován. Dříve se věřilo, že tato třída by měla zahrnovat mikroobvody obsahující více než 1000 prvků na čipu. První mikroprocesory skutečně do těchto parametrů zapadají. Například 4bitová procesorová část mikroprocesorové sady K584, vyrobené na konci 70. let, obsahovala asi 1500 prvků. Nyní, kdy mikroprocesory obsahují desítky milionů tranzistorů a jejich počet neustále roste, pod LSI rozumíme funkčně komplexní integrovaný obvod.

Mikroprocesorový systém(MPS) je funkčně kompletní produkt skládající se z jednoho nebo více zařízení, jehož základem je mikroprocesor.

Mikroprocesor se vyznačuje velkým množstvím parametrů a vlastností, protože je to na jedné straně funkčně složité výpočetní zařízení a na druhé straně elektronické zařízení, produkt elektronického průmyslu. Jako prostředek výpočetní techniky se vyznačuje především svým architektura, tedy soubor vlastností softwaru a hardwaru poskytovaných uživateli. Patří sem instrukční systém, typy a formáty zpracovávaných dat, režimy adresování, počet a rozložení registrů, principy interakce s RAM a externími zařízeními (charakteristiky systému přerušení, přímý přístup do paměti atd.). Podle architektury se mikroprocesory dělí na několik typů (obr. 1.1).

Univerzální mikroprocesory jsou určeny k řešení problémů digitálního zpracování různých typů informací od inženýrských výpočtů až po práci s databázemi, nejsou vázány přísnými omezeními na dobu dokončení úkolu. Tato třída mikroprocesorů je nejznámější. Zahrnuje tak známé mikroprocesory, jako je řada Pentium MP od Intelu a MP rodiny Athlon od AMD.

Rýže. 1.1.

Charakteristika univerzálních mikroprocesorů:

bitová hloubka: je určena maximální bitovou kapacitou celočíselných dat zpracovaných za 1 hodinový cyklus, to je ve skutečnosti bitová kapacita aritmeticko logická jednotka(ALU);
typy a formáty zpracovávaných dat;
příkazový systém, režimy adresování operandů;
kapacita přímo adresovatelné RAM: určena bitovou šířkou adresové sběrnice;
externí hodinová frekvence. U synchronizačního kmitočtu se obvykle uvádí jeho maximální možná hodnota, při které je zaručen provoz obvodu. U funkčně složitých obvodů, které obsahují mikroprocesory, se někdy uvádí i minimální možná synchronizační frekvence. Snížení frekvence pod tento limit může vést k poruše obvodu. Zároveň v těch MP aplikacích, kde není vyžadován vysoký výkon, je snížení synchronizační frekvence jednou z oblastí úspory energie. V řadě moderních mikroprocesorů se s klesající frekvencí mění v< спящий режим >, ve kterém si zachovává svůj stav. Taktovací frekvence v rámci stejné architektury umožňuje porovnat výkon mikroprocesorů. Ale různá architektonická rozhodnutí ovlivňují výkon mnohem více než frekvenci;
výkon: určuje se pomocí speciálních testů a sada testů je vybrána tak, aby pokud možno pokrývala různé charakteristiky mikroarchitektury procesoru, které ovlivňují výkon.

Univerzální mikroprocesory se obvykle dělí na CISC- A RISC mikroprocesory. mikroprocesory CISC(Completed Instruction Set Computing - výpočty s kompletním systémem instrukcí) zahrnují celou klasickou sadu instrukcí s široce vyvinutými režimy adresování operandů. Právě do této třídy patří například mikroprocesory typu Pentium. Ve stejnou dobu RISC mikroprocesory(redukovaný instrukční set computing - výpočty s redukovaným instrukčním systémem) využívají, jak vyplývá z definice, redukovaný počet příkazů a režimů adresování. Zde bychom měli především vyzdvihnout mikroprocesory jako Alpha 21x64, Power PC. Počet instrukcí v instrukční sadě je nejzřetelnější, ale dnes to není ten nejdůležitější rozdíl v těchto směrech vývoje univerzálních mikroprocesorů. Při studiu vlastností jejich architektury zvážíme další rozdíly.

Jednočipové mikrokontroléry(OMK nebo jednoduše MK) jsou určeny pro použití v průmyslových a domácích automatizačních systémech. Jsou to velké integrované obvody, které obsahují všechna zařízení nezbytná pro implementaci minimálně konfigurovaného digitálního řídicího systému: procesor (obvykle celočíselný), paměť příkazů, datovou paměť, generátor hodin, programovatelná zařízení pro komunikaci s vnějším prostředím ( řadič přerušení, časovače-čítače, různé vstupní/výstupní porty), někdy analogově-digitální a digitálně-analogové převodníky atd. V některých zdrojích se tato třída mikroprocesorů nazývá jednočipové mikropočítače (SMC).

V současné době jsou dvě třetiny všech mikroprocesorových LSI vyrobených na světě MP této třídy a téměř dvě třetiny z nich mají bitovou kapacitu nepřesahující 16 bitů. Do třídy jednočipových mikrokontroléry V prvé řadě se jedná o mikroprocesory řady MCS-51 od Intelu a podobné mikroprocesory jiných výrobců, jejichž architektura se stala de facto standardem.

Charakteristické rysy architektury jednočipových mikrokontrolérů:

fyzické a logické oddělení paměti instrukcí a paměti dat (architektura Harvard), zatímco v klasické architektuře Neumann jsou programy a data sdíleny úložné zařízení a mají stejný přístupový mechanismus;
zjednodušený a úkolově orientovaný příkazový systém: MK zpravidla nemá nástroje pro zpracování dat s pohyblivou řádovou čárkou, ale zároveň příkazový systém obsahuje příkazy zaměřené na efektivní práci se senzory a akčními členy, např. příkazy pro zpracování bitové informace;
nejjednodušší režimy adresování operandů.

Hlavní charakteristiky mikrokontrolérů(jako příklad jsou uvedeny číselné hodnoty pro MK-51):

Bitová velikost (8 bitů).
Kapacita vnitřní paměti příkazů a paměti dat, možnosti a limity jejich rozšíření:
- vnitřní paměť příkazů - 4 KB (průměrně je příkaz dlouhý 2 byty, takže do vnitřní paměti lze uložit program o délce cca 2000 příkazů); rozšiřitelné připojením externí paměti až na 64 KB;
- datová paměť na čipu 128 bajtů (lze připojit externí paměť s celkovou kapacitou až 64 KB).
Frekvence hodin:
- externí frekvence 12 MHz;
- frekvence strojního cyklu 1 MHz.
Možnosti interakce s externími zařízeními: množství a účel I/O porty, charakteristika systému přerušení, softwarová podpora interakce s externími zařízeními.

Dostupnost a vlastnosti vestavby analogově-digitální převodníky(ADC) a digitálně-analogové převodníky (DAC) pro zjednodušení koordinace se senzory a akčními členy řídicího systému.

Dělené mikroprocesory(jiné názvy: mikroprogramovatelné a bitově modulární) jsou mikroprocesory určené pro stavbu specializovaných procesorů. Jsou to mikroprocesorové sekce o relativně malé kapacitě (od 2 do 16) s uživatelským přístupem do úrovně řízení mikroprogramu a prostředky pro kombinování několika sekcí.

Tato organizace umožňuje navrhnout procesor požadované kapacity a se specializovaným instrukčním systémem. Vzhledem k jejich nízké bitové kapacitě mohou být sekce mikroprocesorů sestaveny pomocí vysokorychlostních technologií. Kombinace všech těchto faktorů umožňuje vytvořit procesor, který je nejlépe orientován na danou třídu algoritmů, a to jak z hlediska instrukčního systému a režimů adresování, tak i datových formátů.

Jednou z prvních sad dělených mikroprocesorů byly MP LSI rodiny Intel 3000 U nás se vyráběly v rámci řad K589 a 585. Zpracovací prvky Tato řada byla dvoubitový mikroprocesor. Nejběžnější sadou dělených mikroprocesorů je Am2900, který je založen na 4bitových sekcích. U nás byla obdoba této stavebnice vyrobena v rámci řady K1804. Sada obsahovala následující BIS:

bit sekční ALU;
zrychlený přenosový blok;
bitová sekční ALU s hardwarovou podporou násobení;
typ mikroprogramových řídicích obvodů;
regulátor stavu a řazení;
prioritní řadič přerušení.

Hlavní nevýhodou mikroprocesorových systémů založených na dělených mikroprocesorových LSI je složitost navrhování, ladění a programování systémů na nich založených. Použití specializovaného příkazového systému vedlo k nekompatibilitě vyvíjeného softwaru pro různé mikroprocesory. Schopnost vytvořit specializovaný procesor, který je v mnoha ohledech optimální, vyžadovala práci kvalifikovaných vývojářů po dlouhou dobu. Rychlý rozvoj elektronických technologií však vedl k tomu, že při návrhu specializovaného procesoru byl vyvinut univerzální mikroprocesor, jehož možnosti pokryly hypotetický zisk z návrhu specializovaného zařízení. To vedlo k tomu, že v současnosti se tato třída mikroprocesorových LSI prakticky nepoužívá.

Digitální signálové procesory nebo digitální signálové procesory, jsou rychle se rozvíjející třídou mikroprocesorů určených k řešení digitálních problémů. zpracování signálu- zpracování zvukových signálů, obrázků, rozpoznávání vzorů atd. Zahrnují mnoho funkcí jednočipových mikrokontrolérů: Harvardská architektura, vestavěná příkazová a datová paměť, pokročilé možnosti pro práci s externími zařízeními. Zároveň obsahují vlastnosti univerzálních MP, zejména s architekturou RISC: pipeline organizace práce, software a hardware pro provádění operací s s plovoucí desetinnou čárkou,hardwarová podpora pro složité specializované výpočty, zejména násobení.

Jako elektronický produkt Mikroprocesor se vyznačuje řadou parametrů, z nichž nejdůležitější jsou následující:

Požadavky na synchronizaci: maximální frekvence, stabilita.
Počet a jmenovité hodnoty napájecích zdrojů, požadavky na jejich stabilitu. V současné době je tendence snižovat napájecí napětí, což snižuje odvod tepla obvodu a vede ke zvýšení frekvence jeho provozu. Jestliže první mikroprocesory pracovaly s napájecím napětím +-15V, nyní jednotlivé obvody využívají zdroje menší než 1V.
Ztráta výkonu- jedná se o ztrátový výkon v koncovém stupni obvodu, který se mění v teplo a ohřívá výstupní tranzistory. Jinými slovy, charakterizuje rychlost uvolňování tepla LSI, která do značné míry určuje požadavky na design mikroprocesorový systém. Tato vlastnost je zvláště důležitá pro embedded MPS.
Úrovně signálu logické nuly a logické jedničky, které jsou spojeny s jmenovitými hodnotami napájecích zdrojů.
Typ pouzdra - umožňuje vyhodnotit vhodnost obvodu pro provoz v určitých podmínkách a také možnost použití nového LSI jako náhrady za stávající na desce.
Okolní teplota, při které může obvod fungovat. Jsou zde dva rozsahy:
- komerční (0 0 C ... +70 0 C);
- prodloužená (-40 0 C ... +85 0 C).
Imunita proti hluku- určuje schopnost obvodu plnit své funkce za přítomnosti rušení. Odolnost proti hluku se posuzuje podle intenzity rušení, při které narušení funkcí zařízení ještě nepřekračuje povolené limity. Čím silnější je rušení, při kterém zařízení zůstává v provozu, tím vyšší je jeho odolnost vůči rušení.
Nosnost, neboli faktor výstupního větvení, je určen počtem obvodů stejné řady, jejichž vstupy lze připojit k výstupu daného obvodu, aniž by byla narušena jeho činnost. Čím vyšší je zatížitelnost, tím širší jsou logické možnosti obvodu a tím méně takových mikroobvodů je potřeba k sestavení složitého výpočetního zařízení. Jak se však tento koeficient zvyšuje, odolnost proti hluku a výkon se zhoršují.
Spolehlivost je schopnost obvodu udržet si úroveň kvality výkonu za specifikovaných podmínek po stanovenou dobu. Obvykle charakterizováno poruchovost(hodina-1) nebo střední doba mezi poruchami (hodina). V současné době tento parametr pro velké integrované obvody většinou výrobce neuvádí. Spolehlivost MP LSI může být posuzována podle nepřímých ukazatelů, například podle spolehlivosti produktu jako celku uváděného vývojáři počítačových technologií.
Charakteristiky procesu. Hlavním ukazatelem je zde rozlišení procesu. Aktuálně je to 32 nm, tedy asi 30 tisíc čar na 1 mm. Pokročilejší technologický proces umožňuje vytvořit mikroprocesor s větší funkčností.

Rýže. 1.2.

Náklady na výrobu zařízení využívajících mikroprocesorové LSI jsou uvedeny na Obr. 1.2. Zde:

náklady na výrobu LSI (čím větší stupeň integrace prvků na čipu, tím dražší je výroba obvodu);
náklady na montáž a nastavení mikroprocesorový systém(se zvýšením funkčnosti MP bude k vytvoření MPS zapotřebí méně obvodů);
celkové náklady mikroprocesorový systém, který se skládá z nákladů (1) a (2). Má určitou optimální hodnotu pro danou úroveň technologického rozvoje;
přechod na novou technologii (optimální bude jiný počet prvků na čipu a sníží se celkové náklady na produkt).

V roce 1965 Gordon Moore formuloval hypotézu nyní známou jako<закон Мура>, podle kterého každých 1,5-2 let počet tranzistorů na jeden integrovaný obvod se zdvojnásobí. To je zajištěno neustálým zlepšováním technologických postupů výroby mikroobvodů.

Technologicky nejvyspělejší společnost Intel rozlišuje šest fází životního cyklu polovodičových technologií vytvořených a používaných v korporaci.

Nejranější fáze se odehrává mimo Intel – v univerzitních laboratořích a nezávislých výzkumných centrech, kde se hledají nové fyzikální principy a metody, které se mohou stát základem vědeckých a technologických základů pro nadcházející roky. Společnost financuje tento výzkum.

Ve druhé fázi výzkumní pracovníci společnosti Intel vybírají nejslibnější oblasti pro vývoj nových technologií. V tomto případě se obvykle zvažují 2-3 možnosti řešení.

Hlavním úkolem třetí etapy je kompletní hrubý vývoj nové technologie a demonstrace její proveditelnosti.

Poté začíná čtvrtá etapa, jejímž hlavním cílem je zajistit dosažení stanovených hodnot takových klíčových technických a ekonomických ukazatelů, jako je výtěžnost vhodných produktů, spolehlivost, cena a některé další. Dokončení etapy je potvrzeno uvedením první průmyslové šarže nových produktů.

Pátou etapou je průmyslový vývoj nových technologií. Tento problém není o nic méně složitý než vývoj samotné technologie, protože je extrémně obtížné přesně reprodukovat v reálných výrobních podmínkách to, co bylo získáno v laboratoři. Obvykle zde dochází ke zpožděním s načasováním uvedení nových produktů na trh, s dosažením plánovaných objemů dodávek a výrobních nákladů.

Poslední, šestou fází životního cyklu technologie (před opuštěním jejího používání) je vyspělost. Vyspělá technologie, která prochází určitými vylepšeními za účelem zvýšení produktivity zařízení a snížení výrobních nákladů, zajišťuje hlavní objemy výroby. Jak jsou zaváděny nové, pokročilejší technologie<старые>výrobní zařízení jsou likvidována.

Ale ne hned: nejprve jsou převedeny na výrobu mikroobvodů s nižší rychlostí nebo s menším počtem tranzistorů, například periferních LSI.

Zavedení

1. Obecná charakteristika architektury procesoru

1.1 Základní struktura mikroprocesorového systému

1.3 Přehled existujících typů architektur mikroprocesorů

2. Ovládací zařízení

3. Vlastnosti ovládání softwaru a firmwaru

4. Režimy adresování

Závěr

Seznam použité literatury

Zavedení

1. Obecná charakteristika architektury procesoru 1.1 Základní struktura mikroprocesorového systému

1.2 Koncepce architektury mikroprocesoru

Rýže. 1. Architektura typického mikroprocesoru.

Jako příklad ilustrující činnost mikropočítače zvažte postup, pro jehož implementaci musíte provést následující posloupnost základních operací:

1. Stiskněte klávesu s písmenem "A" na klávesnici.

2. Vložte písmeno „A“ do paměti mikropočítače.

3. Zobrazte na displeji písmeno „A“.

Jedná se o typickou proceduru vstup-úložiště-výstup, jejíž zvážení umožňuje vysvětlit principy použití některých zařízení obsažených v mikropočítači.

1. Zadejte data ze vstupního portu 1.

2. Uložte data do paměťového místa 200.

3. Odešlete data na výstupní port 10.

V MP na Obr. 2 jsou zvýrazněny další dva nové bloky - registry: akumulátor a příkazový registr.