4. Архитектура микропроцессорных систем;

В современных ОМК применяются следующие архитектуры процессоров:

RISC– (ReduceInstructionSetCommands) архитектура с сокращенным набором команд.

CISC– (ComplexInstructionSetCommands) традиционная архитектура с расширенным набором команд.

ARM – (Advanced RISC - machine) усовершенствованная RISC архитектура.

Главная задача RISC архитектуры обеспечение наивысшей производительности процессора. Её отличительными чертами является:

- малое число команд процессора (несколько десятков);

- каждая команда выполняется за минимальное время (1-2 машинных цикла, такта).

- максимально возможное число регистров общего назначения процессора (несколько тысяч);

- увеличенная разрядность процессора (12,14,16 бит).

Современная RISC архитектура включает, как правило, только последние 3 пункта, т.к. за счет повешенной плотности компоновки БИС стало возможным реализовать большое количество команд.

В современных 32–разрядных ОМК используют ARM архитектуру (расширенная RISC архитектура с суперсокращением команд ТНUМВ).

При создании МП используются три наиболее широко применяемых вида архитектур, созданных за время их развития: регистровая, стековая и ориентированная на оперативную память.

Регистровая архитектура(архитектура типа «регистр - регистр») микропроцессора определяет наличие достаточно большого набора регистров внутри больших интегральных схем (БИС) микропроцессора. Этот набор регистров образует поле сверхбыстрой оперативной памяти (СОЗУ) и с произвольной записью и выборкой информации. В микропроцессорах с регистровой архитектурой рабочие области регистров размещаются в логических частях процессоров. Однако малая плотность логических схем по сравнению с плотностью схем памяти ограничивает возможность регистровой архитектуры. МП с архитектурой, ориентированной на память, обеспечивают быстрое подключение к рабочим областям, когда необходимо заменять контексты. Смена контекстов осуществляется изменением векторов трех регистров - счетчика команд, регистров состояния и указателя рабочей области. Достоинство этой архитектуры в отношении смены контекстов связано с выполнением только одной команды для передачи полного вектора контекста. Микропроцессоры с регистровой архитектурой имеют высокую эффективность решения научно - технических задач, поскольку высокая скорость работы СОЗУ позволяет эффективно использовать скоростные возможности арифметик - логического блока. Однако при переходе к решению задач управления эффективность таких микропроцессоров падает, так как при переключениях программ необходимо разгружать и загружать регистры СОЗУ.

Стековая архитектурамикропроцессора дает возможность создать поле памяти с упорядоченной последовательностью записи и выборки информации. Эта архитектура эффективна для организации работы с подпрограммами, когда возникает постоянная необходимость перехода от текущей программы к подпрограмме, обслуживающей какое - либо ВУ, и возврат в текущую программу. Хранение адресов возврата позволяет организовать в стеке эффективную обработку последовательностей вложенных подпрограмм. Основным недостатком МП этого типа является то, что стек, реализованный на кристалле микропроцессора, как правило имеет малую информационную емкость. При работе он быстро переполняется, приводя к возможности нарушения работы системы. Построение же стека большой емкости требует значительных ресурсов кристалла. Поэтому наилучшими характеристиками обладают МП, в которых стек реализуется вне микропроцессора - в

оперативной памяти (оперативном запоминающем устройстве – ОЗУ).

Архитектура микропроцессора, ориентированная на оперативную память, обеспечивает высокую скорость работы и большую информационную емкость рабочих регистров и стека при их организации в ОЗУ. В МП с такой архитектурой все обрабатываемые числа после операции в микропроцессоре выводятся из микропроцессора и вновь возвращаются в память, что и дало ей такое название.

При оценке быстродействия МП типа «память - память» необходимо учитывать физическую реализацию как элементов, так и связей между ними. Высокая скорость срабатывания логических

элементов интегральных схем не всегда может обеспечить высокую скорость работы МП, поскольку большие значения индуктивно - емкостных параметров связей на печатных платах не позволяют передавать сигналы без искажения. Высокий уровень технологии современных МП до долей микрон существенно уменьшило размеры БИС, снизило паразитные параметры связей. Поэтому стало возможным физически отделить блок регистров и стек от арифметико-логического блока и обеспечить при этом их высоко-скоростную совместную работу. При создании однокристальных МП регистровые СОЗУ и ОЗУ МПС имеют практически одни и те же параметры. Повышение скорости работы ОЗУ позволяет удалить набор регистров и стек из кристалла микропроцессора и использовать освободившиеся ресурсы для развития системы команд, средств прерывания, многоразрядной обработки. Организация рабочих регистров и стека в ОЗУ ведет к уменьшению скорости передачи информации, однако при этом повышается общая эффективность такого решения за счет большой информационной емкости полей регистровой и стековой памяти, а также возможности развития системы команд и прерываний. Архитектура микропроцессора, ориентированная на оперативную память, обеспечивает экономию площади кристалла МП. В этом случае на кристалле размещается только регистр - указатель начального файла набора регистров. Адресация остальных регистров осуществляется указанием в команде специальным указателем - кодом смещения. Доступ к рабочим регистрам в этом случае замедляется, поскольку приходится совершать сопряженное с затратами времени кольцевое «путешествие» из процессора во внекристальную память, где размещаются рабочие регистры. Однако контекстное переключение в микропроцессоре с такой архитектурой происходит быстро, поскольку при прерывании необходимо только изменить значение содержимого регистра - указателя рабочей области памяти.

5. Организация подсистемы обработки информации;

Арифме́тико-логи́ческое устро́йство (АЛУ) (англ. arithmetic and logic unit, ALU) — блок процессора, который под управлением устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными, представляемыми в виде машинных слов, называемыми в этом случае операндами.

Арифметико-логическое устройство в зависимости от выполнения функций можно разделить на две части:

микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд);

операционное устройство (АЛУ), в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд).

Операции в АЛУ

Все выполняемые в АЛУ операции являются логическими операциями (функциями), которые можно разделить на следующие группы:

-операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;

-операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой;

-операции десятичной арифметики;

-операции индексной арифметики (при модификации адресов команд);

-операции специальной арифметики;

-операции над логическими кодами (логические операции);

-операции над алфавитно-цифровыми полями.

Современные ЭВМобщего назначения обычно реализуют операции всех приведённых выше групп, а малые имикроЭВМ,микропроцессорыи специализированныеЭВМчасто не имеют аппаратуры арифметики чисел с плавающей точкой, десятичной арифметики и операций над алфавитно-цифровыми полями. В этом случае эти операции выполняются специальными подпрограммами. К арифметическим операциям относятсясложение,вычитание, вычитание модулей («короткие операции») иумножениеиделение(«длинные операции»). Группу логических операций составляют операциидизъюнкция(логическое ИЛИ) иконъюнкция(логическое И) над многоразрядными двоичными словами, сравнение кодов на равенство. Специальные арифметические операции включают в себя нормализацию,арифметический сдвиг(сдвигаются только цифровые разряды, знаковый разряд остаётся на месте),логический сдвиг(знаковый разряд сдвигается вместе с цифровыми разрядами). Обширна группа операций редактирования алфавитно-цифровой информации. Каждая операция в АЛУ являетсялогической функциейили последовательностью логических функций описываемыхдвоичной логикойдля двоичных ЭВМ,троичной логикойдля троичных ЭВМ, четверичной логикой для четверичных ЭВМ, …, десятичной логикой для десятичных ЭВМ и т. д..

Классификация АЛУ

По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные.

В последовательныхАЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами.

В параллельныхАЛУ операнды представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов.

По способу представления чисел различают АЛУ:

-для чисел с фиксированной точкой;

-для чисел с плавающей точкой;

-для десятичных чисел.

По характеру использования элементов и узловАЛУ делятся на блочные и многофункциональные.

В блочномАЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными числами и алфавитно-цифровыми полями выполняются в отдельных блоках, при этом повышается скорость работы, так как блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции, но значительно возрастают затраты оборудования.

В многофункциональныхАЛУ операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.

По своим функциям АЛУ является операционным блоком, выполняющим микрооперации, обеспечивающие приём из других устройств (например, памяти) операндов, их преобразование и выдачу результатов преобразования в другие устройства. Арифметико-логическое устройство управляется управляющим блоком, генерирующим управляющие сигналы, инициирующие выполнение в АЛУ определённых микроопераций. Генерируемая управляющим блоком последовательность сигналов определяется кодом операции команды и оповещающими сигналами.

2. Структура простейшей обрабатывающей части МП и порядок её функционирования (на примере выполнения команды пересылки);