Лекция 1. Многоуровневая организация проектирования процессорных систем.

1. Основные определения. Принстонская и гарвардская модели процессора.

Микропроцессорная система (МПС) – это комплекс взаимосвязанных цифровых устройств, который включает один или несколько микропроцессоров (МП), память (запоминающее устройство, ЗУ), устройства ввода-вывода и ряд других устройств, направленных на выполнение четко определенных функций по обработке двоичной информации.

Часто на практике МПС строятся с помощью микропроцессорных комплектов (МПК), в состав которых входят как большие интегральные схемы (БИС), так и микросхемы малой и средней степени интеграции (хотя и в сравнительно небольшом количестве).

При всем разнообразии элементов и функциональных узлов, входящих в состав МПС, базовым устройством является микропроцессор, поэтому невозможно говорить о проектировании и архитектуре МПС, не коснувшись архитектуры самого процессора.

Под архитектурой МП понимают принцип его внутренней организации: общую структуру, логическую структуру отдельных устройств, совокупность команд и принципы взаимодействия аппаратной части и программы обработки информации.

Иначе: архитектура – математическая модель МП, образованная программно-доступными элементами МП. Архитектура МП отражает возможности прикладного использования МП и содержит описание программной модели МП. Под программной моделью микропроцессора понимается совокупность программно-доступных регистров, объединенных в систему укрупненными связями и дополнительными элементами, обеспечивающими функциональную законченность модели.

Полностью понятие «архитектура МП» включает:

- структурную схему МП,

- программную модель МП,

- описание организации памяти,

- описание организации процедур ввода/вывода.

Различают два основных типа архитектуры МП – фон Неймановскую (принстонскую) и гарвардскую.

Рис 1.1 - Фон-Неймановская архитектура

Рис.1.2 - Гарвардская архитектура

Фон Неймановская (принстонская) архитектура (предложена Джоном фон Нейманом в 1945 г.) предполагает, что программа и данные находятся в общей памяти, доступ к которой производится по одной шине данных и команд. Основным преимуществом такого подхода является его гибкость, так как для изменения программы достаточно просто загрузить новый код в соответствующую область памяти. По существу, фон-неймановская архитектура, показанная на рис.1.1, состоит из центрального процессора (ЦПУ), памяти и общей шины (магистрали), по которой в обоих направлениях пересылаются данные. ЦПУ также должен взаимодействовать и с окружающим миром. При этом данные к/от соответствующих интерфейсных портов передаются по одной общей шине данных.

Огромным преимуществом фон-неймановской архитектуры является ее простота, поэтому данная концепция легла в основу большинства компьютеров общего назначения. Однако использование общей шины означает, что в любой момент времени может выполняться только одна операция. Соответственно, пересылка данных между ЦПУ и памятью данных не может осуществляться одновременно с выборкой команды. Эта особенность называется фон-неймановским узким местом.

  Гарвардская архитектура соответствует структуре с разделенными устройствами памяти команд и данных и отдельными шинами команд и данных. Такая архитектура позволяет более эффективно выполнять работу в случае ограниченных ресурсов, поэтому она часто применяется во встраиваемых системах.

В гарвардской архитектуре используются две физически разделенные шины, используемые для передачи информации между ЦПУ и неперекрывающимися областями памяти. Каждая память имеет собственную шину адреса, поэтому адрес ячейки памяти программ никоим образом не связан с адресом ячейки памяти данных. В таком случае говорят, что обе области памяти находятся в различных адресных пространствах. Память данных иногда называют файловой памятью, в этом случае n-я ячейка обозначается как файл n.

Долгие годы преобладающей была и остается принстонская архитектура (архитектура фон Неймана), хотя она порождает проблемы пропускной способности тракта «процессор-память». В последнее время в связи с широким использованием кэш-памяти разработчики ВМ все чаще обращаются к гарвардской архитектуре. С развитием больших интегральных схем и технологии гарвардская архитектура снова оказалась в центре внимания.

Таким образом, можно сделать вывод, что Фон-Неймановская архитектура более экономно расходует аппаратные ресурсы, а гарвардская позволяет реализовать большее быстродействие.