2. RISC (Reduced Instruction
Set Computer) - МП
использует ограниченный набор
команд фиксированного формата.
Обычно набор команд содержит около 100
команд, имеющих фиксированный формат
длиной 4 байта.
5. Гарвардская архитектура характеризуется
физическим разделением памяти программ
(команд) и данных, используется отдельный
стек для хранения программного счетчика,
который обеспечивает выполнение
вложенных программ. Здесь используется
большое число шин.
Во внешней структуре современных МП -
систем применяется Принстонская
архитектура, а во внутренней -
Гарвардская архитектура.
Структура микропроцессора определяет
состав и взаимодействие основных
устройств, размещенных на его кристалле:
- центральный
процессор (процессорное ядро), состоящее
из устройства управления
(УУ), одного или нескольких операционных
устройств (ОУ);
- внутренняя
память (РЗУ, кэш-память, блоки оперативной
и постоянной памяти);
- интерфейсный
блок, обеспечивающий выход на системную
шину и обмен данными с
внешними устройствами через параллельные
и последовательные порты ввода-вывода;
- периферийные устройства (таймерные
модули, АЦП, специальные контроллеры);
- вспомогательные
схемы (генераторы тактовых импульсов,
схемы для выполнения
отладки и тестирования, сторожевой
таймер и др.).
Во внутренней структуре современных
МП реализуется конвейерный принцип
выполнения команд. При этом процесс
выполнения команды разбивается на ряд
этапов,
например:
Реализация каждого этапа занимает один
такт машинного времени и производится
блоками процессора, образующими ступени
исполнительного конвейера, на каждой
из которых выполняется соответствующая
микрооперация. При последовательной
загрузке в конвейере находится
одновременно несколько команд,
находящихся на разных этапах выполнения.
В идеальном варианте при полной загрузке
конвейера на его выход в каждом такте
будет поступать результат выполнения
очередной команды.
Большинство микропроцессорных систем
имеет магистрально-модульную структуру,
в которой отдельные устройства, входящие
в систему, обмениваются информацией
по общей системной шине-магистрали.
Основным элементом системы является
микропроцессор,
"1. Cisc (Complex Instruction Set Computer) - мп, выполняющие большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации.
3. Vliw (Very Large Instruction w ord) - используются очень длинные команды до 128 бит и более, отдельные поля которых содержат коды, обеспечивающие выполнение различных команд.
4. Принстонская архитектура характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ, данных и организации стековой памяти. Здесь используется общая системная шина.
16.3 Общая структура и принципы функционирования мп
1) Выборка очередной команды;
2) Декодирование выбранной команды;
3) Формирование адреса операнда;
4) Прием операнда из памяти;
5) Выполнение операции.
6) Размещение результата в памяти.
содержащий устройство управления (УУ),
операционное устройство (ОУ) и регистровое
запоминающее устройство (РЗУ) - внутреннюю
память, реализованную в виде набора
регистров. Оперативное запоминающее
устройство (ОЗУ) служит для хранения
выполненной программы и данных,
подлежащих обработке. В МП объем ОЗУ
составляет 10-;.-100 байт, а в ПК - Гбайты.
Обращение к ОЗУ требует много времени
и поэтому в современных МП дополнительно
существует промежуточная память
(кэш-память), которая является
быстродействующей памятью с объемом
от десятков Кбайт до сотен Кбайт.
ПЗУ служит для хранения констант и
неизменяемых программ, в него записывается
различное служебное программное
обеспечение: загрузка систем, тестовые
и диагностические программы и др.
В МП-системах, которые управляют
определенными объектами с использованием
редко изменяемых программ, для их
хранения также применяют ПЗУ(RОМ) или
перепрограммируемое ПЗУ (ППЗУ, EEPROM).
Остальные устройства являются внешними
и подключаются к системе через
интерфейсные устройства (ИУ), реализующие
определенные протоколы параллельного
и последовательного обмена. Такими
внешними устройствами могут быть
клавиатура, монитор, внешние запоминающие
устройства (ВЗУ), использующие гибкие
или жесткие магнитные диски; оптические
диски (CD-ROM); магнитные ленты и другие
виды носителей информации; датчики и
преобразователи (АЦП, ЦАП); разнообразные
исполнительные устройства (индикаторы,
принтеры, электродвигатели, реле). Для
реализации различных режимов
работы к системе могут подключаться
дополнительные устройства - контроллеры
прерываний, прямого доступа к памяти
и др., реализующие специальные функции
управления.
Рисунок 16.1 - Структурная схема согласования датчиков и микроконтроллера
Рисунок 16.2 - Типовая структура микропроцессорного ядра
Системная шина содержит несколько
десятков (в сложных системах более 100)
проводников, которые в соответствии с
их функциональным назначением
подразделяют на отдельные шины: адреса
А, данных D и управление С. Шина А служит
для передачи адреса, который формируется
МП и позволяет выбрать необходимую
ячейку памяти ОЗУ (ПЗУ) или требуемое
ИУ при обращении к внешнему устройству.
Шина D служит для выборки команд,
поступающих из ОЗУ или ПЗУ в УУ МП, и
для пересылки данных (операндов) между
МП и ОЗУ или ИУ (внешним устройством).
По шине С передаются разнообразные
управляющие сигналы, определяющие
режимы работы памяти (запись или
считывание). Интерфейсных устройств
(ввод или вывод информации) и МП (запуск,
запросы внешних устройств на обслуживание,
информация о текущем режиме работы и
другие сигналы).
Разрядность шины данных соответствует
разрядности операндов, обрабатываемых
МП. Чаще всего шина D содержит 8, 16 или
32 линии для передачи соответствующих
разрядов. Иногда D является 64-разрядной,
чтобы передавать несколько операндов
параллельно.
Разрядность шины адреса А определяет
максимальный объем адресуемой МП
внешней памяти. 16-разрядная шина
обеспечивает адресацию памяти до 64
Кбайт; 32-х - до 4 Гбайт; 36 - разрядная
обеспечивает - до 64 Гбайт.
Разрядность шины С определяется
организацией системы, возможностями
реализации
различных режимов её функционирования.
Микропроцессорная система реализует
следующие основные режимы работы:
- выполнение основной программы;
- вызов
программы;
- обслуживание
прерываний и исключений;
- прямой
доступ в память.
Для хранения адреса очередной команды
служит специальный регистр процессора
программный
счетчик РС. Для выполнения каждой
поступившей команды требуется
определённое количество командных
циклов и тактов. Реализация такого
цикла занимает 2÷4 периода
синхросигналов шины: установка адреса,
выдача сигнала, определяющую вид цикла
- чтение или запись,
получение сигнала или команд. Частота
синхросигналов обычно составляет
25,33,50,66, 75, 100, 133 МГц.
Частота тактовых
сигналов МП достигают 1 ГГц и более.
Текущее состояние
процессора при выполнении программы
определяется содержимым
регистра состояния
SR. Этот регистр содержит биты управления,
задающие режим работы процессора, и
биты признаков (флаги), указывающие
характеристики результата
выполненной
операции.
Большинство МП выполняют обработку
следующих типов целочисленных данных:
- биты;
- байты;
- слова (16 разрядов);
- двойные слова (32 разряда).
Обрабатываемые данные могут располагаться
в регистрах или памяти (ОЗУ, ПЗУ или
кэш-памяти (быстродействующая
дополнительная память)). Выборка операнда
- байта, слова или двойного слова -
производится в соответствии с заданным
в команде номером (именем) регистра или
адресом соответствующей ячейки памяти.
МП используют следующие основные
способы адресации:
Прямая адресация. Операнд выбирается
из ячейки памяти, адрес которой содержится
в команде.
Регистровая адресация. Операнд
выбирается из регистра РЗУ, имя которого
указано в команде.
Косвенно-регистровая адресация.
Операнд выбирается из ячейки памяти,
адрес которой содержится в регистре
РЗУ, указанном в команде.
Косвенно-регистровая адресация со
смещением. Операнд выбирается из
ячейки памяти, адрес которой является
L содержимого, указанного в команде
регистра РЗУ и заданного в команде
смещения, которое может быть положительным
или отрицательным числом.
Непосредственная адресация. Операнд непосредственно содержится в
поступившей команде, размещаясь после
кода операции (КОП).
Наиболее распространенными являются
различные варианты косвенно-регистровой
адресации. При этом в команде указывается
только номер регистра, используемого
в качестве адресного, поэтому размер
команды оказывается небольшим как при
регистровой адресации. Однако снижается
производительность системы.
МП выполняют набор команд, которые
реализуют следующие основные группы
операций:
- операции
пересылки;
- арифметические операции;
- логические
операции;
- операции сдвига;
1.
2.
3.
4.
5.
16.4 Система команд и способы
адресации операндов
- операции сравнения
и тестирования;
-
битовые
операции;
-операции управления
программой;
-операции
управления процессором.
Микропроцессорные системы содержат
ряд основных устройств, разделяемых
на четыре группы: процессоры, память,
периферийные устройства (дисплеи,
принтеры, сканеры, клавиатура, «мышь»
и т.п.) и интерфейсы. Интерфейсы объединяют
различные устройства в систему.
Под интерфейсом (ИФ) понимают
логическую или физическую структуру,
объединяющую устройства с разными
логическими протоколами или конструкциями
и служащие для передачи информации
между устройствами.
Физический ИФ
- термин, определяющий совокупность
механических и электрических средств,
а также физических сред. Такая совокупность
является основой для создания логического
интерфейса.
Логический ИФ - термин, охватывающий
все логические протоколы.
Логический протокол - правила
передачи кодированной информации между
элементами микропроцессорных систем.
Канал связи совокупность
передатчика, линии связи и приёмника,
обеспечивающие
передачу информации в одном направлении.
Линия связи - техническое
устройство (провода, кабель, оптоволокно
или поток
энергии в физической среде), используемое
для передачи сигналов.
Группа линий:
Магистраль -
множество групп линий, объединяющая
все станции в крейт.
Параллельная магистраль -
магистраль, в которой передача
информации происходит параллельно
во времени по всем линиям, а обслуживаемые
устройства соединены параллельно.
Последовательная
магистраль состоит
из одной линии с последовательной
передачей информации. Обслуживаемые
устройства могут присоединяться
параллельно.
Передатчик -
устройство, начинающее передачу запросом
магистрали или посылкой
запроса в канал.
Приёмник -
устройство, принимающее задание
от передатчика и отвечающее ему.
Крейт -
каркас для установки модулей,
неотделяемой частью которого является
магистраль или
каналы с проводниками питания.
Модуль -
сменный блок, использующий линии
магистрали или канала в соответствии
со
стандартом и
занимающий в крейте одну или более
станций.
Станция - позиция в крейте для
разъема, служащая для соединения модуля
с
магистралью или
каналом.
В настоящее время
наиболее популярным открытым стандартом
для встраиваемых МП -
систем реального времени и
автоматизации рабочих мест является
магистраль УМЕ (1981г).
В области
измерительных и управляющих систем
реального времени наибольшее
распространение получил стандарт
VMEbus и его расширение для
контрольноизмерительных задач
повышенной метрологической обеспеченности
УХI
(1987 г).
PSI - локальная
магистраль персональных компьютеров
(около 1990 г).
Недостаток гибкости в реконфигурировании
РС - одна из основных проблем развития
компьютерных систем. Он был устранён
шиной USB (Universal Serial Bus), являющейся