11. Типы архитектур микропроцессора , достоинства и недостатки архитектур.
Архитектура МП определяет основные его части, а также связи и взаимодействие между ними.
Включает: структурную схему МП, программную модель МП (описание функций регистров), информацию об организации памяти (емкость и способы адресации), описание процедур ввода-вывода.
Существует два типа архитектур МП:
-
фон-неймановская
Особенностью является то, что программа и данные находятся в общей памяти, доступ к которой осуществляется по одной шине данных и команд.
-
гарвардская архитектура
Особенностью ее является то, что память данных и программ разделены и имеют отдельные шины данных и команд, что позволяет повысить быстродействие МПС.
Структурные схемы обоих типов архитектур содержат процессорный элемент, интерфейс ввода-вывода, память и устройства ввода-вывода.
Память и интерфейс ввода-вывода могут быть для разных типов МП как внутренними (размещаться на том же кристалле, что и процессорный элемент), так и внешними.
Процессорный элемент содержит регистры, АЛУ, устройство управления и выполняет функции обработки данных и управление процессами обмена информации. Память обеспечивает хранение данных и кодов команд. Интерфейсы ввода-вывода предназначены для связи с устройствами ввода вывода. Все устройства данной схемы соединены шинами.
Достоинства и недостатки архитектур.
Архитектура с общей шиной распространена больше (в ПК, и в сложных микрокомпах).
Архитектура с раздельной шиной применяется в однокристальных компах.
Архитектура с общей шиной (фон-неймановская) проще, не требует от процессора одновременного обслуживания 2х шин и контроль обмена по 2м шинам.
Наличие единой памяти команд и данных позволяет гибко распределить ее объем между кодами данных и команд. Перераспределение памяти не вызывает проблем. В системах с такой архитектурой память бывает довольно большого объема, что позволяет решать самые сложные задачи.
Архитектура с разделенными шинами данных и команд сложнее. Заставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно. Программа может размещаться только в памяти команд, данные – только в памяти данных. Память данных и команд не слишком большого объема, поэтому применение систем с данной архитектурой ограничено.
При единой шине данных и команд процессор вынужден по одной шине принимать данные из памяти или устройств ввода вывода и передавать данные в память или устройства ввода вывода.
Современные процессоры способны совместить выполнение команд и проведение циклов обмена по системной шине. Использование конвейерных технологий и быстрой кэш-памяти позволяет ускорить процесс взаимодействия со сравнительно медленной системной памятью.
Повышение тактовой частоты и совершенствование структуры МП дают возможность сократить время выполнения команд, но дальнейшее увеличение быстродействия системы возможно только при совмещении пересылки данных и чтения команд, т.е. при переходе к архитектуре с двумя шинами.
В случае двухшинной архитектуры обмен по обеим шинам параллелен и независим во времени. Соответственно структуры шин (количество разрядов кода адреса и кода данных, порядок и скорость обмена информацией) могут быть выбраны оптимально для той задачи, которая решается каждой шиной. Переход на двухшинную архитектуру ускоряет работу МП системы, но требует усложнения аппаратуры и дополнительных затрат.
Память данных в этом случае имеет свое распределение адресов, а память команд – свое. Основное применение двухшинной архитектуры в микроконтроллерах, которым не требуется решение сложных задач, но необходимо максимально быстродействие при заданной тактовой частоте.