elteh / L14

Архитектура центрального процессора и его основные параметры.

Микропроцессор сочетает в себе обрабатывающие и управляющие устройства, выполненные по полупроводниковой технологии БИС и обладающие способностью под программным управлением выполнять обработку информации, включая ввод, вывод и хранение данных, арифметические и логические операции, преобразование цифровых сигналов.

Создано и выпускается множество модификаций микропроцессоров, отличающихся совокупностью аппаратных средств и программного обеспечения. При рассмотрении общих принципов организации и работы микропроцессоров целесообразно не касаться особенностей конкретного изделия, а использовать понятие гипотетического (иллюстративного) прибора, имеющего минимальный состав оборудования и простой набор команд.

Структура типичного микропроцессора включает:

1. арифметико-логическое устройство (АЛУ), реализующее операции с двоичными числами;

2. регистры для временного хранения данных, команд и адресов;

3. управляющее устройство (УУ), вырабатывающее команды для синхронной работы отдельных устройств.

Структура микропроцессора, называемого Центральным Процессорным Элементом (Central Processor Unit), реализуется на базе узлов и блоков цифровой электроники, таких как дешифраторы, мультиплексоры, регистры, сумматоры, буферные каскады (рис. 10.2).

Шина данных (Data Bus) Б DB

CPU Pг. Aк. Pг.Б РОН Pг.K

Деш. К

Pг.Пр. АЛУ

БУ

Сч. К С

Указ.СТ УУ

Шина управления (Control Bus) Б CB

Шина Адреса

(Address Bus)

Б

ГТИ +5В GND

CLK

Рис.10.2. Типовая структура микропроцессора

Конкретный вид операции и возможности программирования определяет входной код. Например, при использовании пятиразрядного кода M,a,b,c,d можно запрограммировать N=2⁵=32 операции, тип которых задает старший разряд, т.е. при M=0 АЛУ реализует арифметические, а при M =1 логические операции. Логические операции с многоразрядными числами осуществляются поразрядно. В режиме выполнения операций суммирования образуется дополнительный вход приема сигнала переноса, что позволяет наращивать разрядность АЛУ.

АЛУ выполняет достаточно простые операции: сложение (ADD), вычитание (SUB), сдвиг (SHIFT), сравнение (COMP), логическую функцию И (LAND) и другие. В микропроцессоре с приведенным составом устройств сложные операции, такие как умножение, деление, вычисление функций, могут быть реализованы программным способом с использованием ЗУ.

В сверхоперативной регистровой памяти ЦПЭ имеются две группы регистров: общего назначения (РОН) и специальные. Основная функция РОН состоит в хранении операндов, обрабатываемых в АЛУ. Информационная емкость РОН определяет вычислительные возможности МП при выполнении операций с максимальной скоростью обмена. Большинство регистров общего назначения имеют адреса, указываемые при программировании операций. Отдельный накопительный регистр (аккумулятор) непосредственно связан с АЛУ и служит для хранения одного операнда. В него также заносится результат выполненной операции для подготовки выполнения последующих действий.

Специальные регистры, счетчик команд (Сч. К) и указатель стека (Указ. Ст.) предназначены для обеспечения выполнения команд в заданной программой последовательности. Регистр команды (Pг.K) содержит текущее командное слово, которое декодируется дешифратором команд (Деш. К). Выходной сигнал дешифратора поступает в блок управления, осуществляющий порядок выполнения операций, а также распределение во времени всех команд и потоков данных под воздействием синхронизирующих сигналов. К АЛУ подключен специальный регистр признаков (Pг.Пр.) или Flags, фиксирующий особенности результата последней выполненной операции (положительный, отрицательный, переполнение и т.д.) и, следовательно, характеризующий состояние МП в каждый момент выполнения программы. Его содержимое используют внутри программы для переходов по заданным признакам и условиям.

Обмен данными между регистрами АЛУ и передачу управляющих сигналов осуществляют по быстродействующей, внутренней магистрали, в которой выделяют шины: данных (Data Bus), адресов (Address Bus) и управления (Control Bus). Аналогичные внешние шины связаны с внутренними через буферные устройства, согласующие режимы работы и уровни сигналов.

Структура современного высокопроизводительного микропроцессора гораздо сложнее рассмотренной и, как правило, строится с использованием «суперскалярной» архитектуры, которая содержит более одного вычислительного блока. Микропроцессорный чип включает высокопроизводительный блок вычислений с плавающей запятой, аппаратную поддержку многопроцессорного режима работы, сверхоперативные ЗУ (КЕШ – память), программируемые таймеры, устройства управления производительностью, средства обнаружения ошибок и функциональной избыточности, систему интеллектуального управления потреблением электроэнергии и другие устройства.

Микропроцессор любой сложности представляет собой программно - управляемую интегральную микросхему для обработки цифровых данных. Организация управления выполнением функций осуществляется с помощью последовательности команд (программы). Для обработки данных микропроцессорная система наряду с МП содержит запоминающие устройствами для хранения данных и команд, а также блоки ввода и вывода информации от внешних устройств.

Вычислительные мощности и производительность системы на базе МП во многом зависит от объёма памяти, количества адресуемых устройств, подключаемых к внешним выводам МП, и скорости обмена данными между МП и внешними устройствами. На оба параметра влияет структура и свойства МП, а также организация внешнего интерфейса.

Проблема обеспечения взаимодействия МП с большим количеством внешних устройств при наличии ограничений на число выводов корпуса является одной из основных трудностей при проектировании любых систем на основе МП. В качестве простого примера проанализируем распределение ресурса внешних связей восьмиразрядного микропроцессора в DIP корпусе (dial – in – line package) с 40 выводами.

Данные и команды передаются по шине данных (D₀…D₇). Адресная шина содержит 16 линий (выводов), обеспечивающих выбор 2¹⁶=65536 внешних устройств (ячеек ЗУ, портов ввода - вывода). Примерно шесть выводов отведено для подключения линий электропитания, выхода синхронизирующих импульсов (С₁, С₂), начальной установки и сброса (Reset). В результате для целей управления (запись/чтение, запрос прерывания, состояние МП и т.д.) можно использовать примерно десять выводов.

Ограниченность линий внешнего интерфейса МП оказывает влияние на параметры микропроцессорных систем. Например, при необходимости передачи 16 - разрядного слова по 8 - разрядной шине данных требуется организовать два цикла, что приводит к аппаратным затратам (наличие мультиплексора и устройства управления им) и снижению производительности (увеличение времени передачи).

Постоянно растущие требования к повышению разрядности, росту количества подключаемых устройств и повышению быстродействия микропроцессоров привели к увеличению числа внешних выводов изменению конструкций их корпусов. Например, широко используемый корпус типа PGA (Pin Grid Array) с матричным расположением выводов выпускают с 296 контактами и более.

Микропроцессор одновременно следует рассматривать как полупроводниковую микросхему и вычислительное устройство, что нашло отражение в характеристиках и системе параметров. Для удобства пользователя большое число паспортных параметров, характеризующих структуру микропроцессора, конструктивное исполнение и основные свойства делят на группы.

К параметрам МП как вычислительного устройства относят:

• разрядность, т.е. длина обрабатываемого информационного слова;

• емкость адресуемой памяти;

• быстродействие, характеризуемое временем выполнения простых команд (набора типовых команд, микрокоманд) или тактовой частотой;

• архитектуру, т.е. состав входных устройств, принципы адресации, число команд;

• способ управления;

• тип и числом шин;

• наличие и вид программного обеспечения;

• тип и размер корпуса, число и назначение выводов.

Как БИС микропроцессоры характеризуют:

• степень интеграции (число транзисторов на чипе, разрешающая способность);

• технология, дающая представление о среднем быстродействии, потреблении и других параметрах (уровни единичных и нулевых значений напряжений и токов, нагрузочная способность и т.п.)

Имеется также большая группа эксплуатационных параметров:

• питающее напряжение (номиналы, допуски);

• потребляемая мощность (или ток);

• условия эксплуатации (интервал рабочих температур, вибраций, влажности и т.п.);

• надежность (время безотказной работы);

• стоимость.

Полная техническая документация содержит также схемы различных систем, использующих МП, состав команд, временные диаграммы работы.