Лекция №3 обзор микропроцессоров с микропрограммным управлением и микропроцессоров с сокращенным набором команд.

План лекции

1. МП с микропрограммным управлением.

2. МП с сокращенным набором команд.

3. RISC-процессоры: предпосылки создания. Принципы построения.

4. Основные представители группы RISC-процессоров.

3.1. Мп с микропрограммным управлением.

Главными отличительными признаками МПС с микропрограммным управлением являются:

- секционированность микропроцессорных комплектов БИС, позволяющая из малоразрядных (2-4-разрядных) секций создавать путем объединения многоразрядные МПС;

- наличие встроенных трехстабильных буферных выходных усилителей с большим коэффициентом разветвления;

- микропрограммируемость.

Микропрограммируемость заключается в том, что каждой команде в этом случае соответствует не электрическая схема, а микропрограмма, которая хранится в памяти, расположенной на отдельном кристалле. Достоинство МП с микропрограммным управлением - возможность изменения набора команд путем изменения содержимого памяти. Недостаток - более низкое быстродействие из-за необходимости обращения к внешней памяти.

Первые секционированные комплекты БИС, выполненные по ТТЛШ технологии, были освоены в 1974 году. К ним относятся серии 3000 фирмы Intel (США) и 2900 фирмы Advanced Micro Divices (США). На их основе был спроектирован 16-разрядный центральный процессор, содержащий около 20 БИС. Отечественными представителями данного класса являются микропроцессорные комплекты К585, К589, К1802 и др.

Необходимо помнить, что затраты, требуемые на проектирование МПС на основе секционированных МП-комплектов, значительно выше чем на основе однокристальных МП. Это объясняется тем, что в отличие от однокристальных МП, в данном случае необходимо, во-первых, из отдельных секций сконструировать МП, и, во-вторых, разработать систему команд на уровне микропрограмм под полученную конфигурацию МП.

Однако возможность разработки систем команд для МП на основе секционированных БИС позволяет создавать уникальное программное обеспечение, максимально адаптированное к решению конкретной задачи.

3.2. Мп с сокращенным набором команд.

Новое направление развития МП-техники сложилось в середине 80-х годов. К указанному направлению относятся МПС третьего класса, которые известны как системы с сокращенным набором команд - RISC-процессоры.

3.2.1. Risc-процессоры: предпосылки создания.

Аббревиатура RISC расшифровывается как Reduced Instruction Set Computer — компьютер с сокращенным набором команд, т. е. речь идет о процессорах, система команд которых существенно сокращена в сравнении с системой команд х86. Для того чтобы понять принципы, лежащие в основе RISC-процессоров, нужно вспомнить некоторые особенности развития микропроцессорных архитектур, проявившиеся в 80-е годы.

Общей тенденцией было стремление разработчиков ввести в состав МП как можно большее число различных арифметических и логических устройств, сопроцессоров и т.д., поскольку очевидно, что аппаратная реализация какой-либо функции обеспечивала более быстрое ее выполнение, чем программная. Да и длина кода для реализуемых аппаратным путем функций существенно меньше. Поэтому в 80-х годах процессоры "росли вширь", оснащались новыми узлами, совершенствуя уже имеющиеся.

Кроме того, разработчикам процессоров приходилось постоянно подстраиваться под стремление программистов иметь возможно более мощную и гибкую систему команд. Такие системы команд с разнообразными способами адресации и наборами условных переходов и вызовов подпрограмм, строковыми операциями и префиксациями обеспечивали создание коротких программ, гарантировали меньшее число ошибок в них.

В результате появились системы команд, подобные системе семейства х86, включающие в себя тысячи различных инструкций. Так сформировались СISC-процессоры (СISC — Complex Instruction Set Computer — компьютер с комплексным набором инструкций). Фактически в этой структуре шел перенос "центра тяжести" обработки с программного уровня системы на аппаратный.

Однако, начиная с некоторого момента, СISC-технология стала не ускорителем, а тормозом роста производительности систем. Дело в том, что большое разнообразие команд и различная их длина существенно усложняют аппаратуру управления внутри процессора. Большое число действий, которое должен совершить микропроцессор при выполнении команды, заставляло отводить под устройство управления большую часть кристалла микросхемы (до 70 % в процессорах х86). В результате для арифметико-логических устройств (АЛУ), сопроцессоров и других устройств, повышающих производительность процессора, оставалось всего 30...40% площади кристалла.

В то же время размеры кристаллов ограничиваются рядом причин. В первую очередь, это причины экономического характера: чем крупнее кристалл, тем вероятнее возможность появления дефектов, т. е. ниже процент выхода годных изделий, да и цена такого кристалла выше. Кроме того, есть и физические ограничения — с ростом размеров кристалла увеличивается тепловыделение и снижается максимально допустимая тактовая частота. Добавим к этому, что все возрастающее число логических элементов в устройстве управления увеличивает время выполнения им своих функций, так как прохождение сигнала через каждый логический элемент характеризуется некоторой задержкой по времени, и рост числа элементов, естественно, сопровождается увеличением суммарной задержки.

Все вышеизложенное убедительно подтверждает тот факт, что повышение производительности CISC-процессоров превращается во все более и более сложную задачу.