2 Типы микропроцессоров

• ОМП (однокристальные микропроцессоры)

• CISC архитектура (Complex Instruction Set Computing)

• RISC архитектура (Reduce Instruction Set Computing)

• ОМК (однокристальные микроконтроллеры)

Система команд и архитектура ОМК ориентированы на использование в системах управления, т.е. ориентация на выполнение не сложных научно-технических задач, а на решение задач управления.

3.7.3 Характеристики мп

Для сравнения процессоров между собой используют набор параметров:

• Разрядность обрабатываемых данных (8 ~ 64 разряда)

• В процессе работы МП взаимодействует с элементами системы. Каждому элементу присваивается свой номер (адрес). Множество адресуемых элементов, с которыми возможен обмен, носит название адресуемое (адресное) пространство (4 Gb).

• Тактовая частота (до 600 MHz)

• Микроэлектронные технологии, применяемые при изготовлении СБИС

• расстояние между проводниками на плате (0,5 - 0,35 микрон)

• уровень интеграции - количество транзисторов на кристалле (порядка 10 млн)

• рассеиваемая мощность (до 60 Вт)

• размер кристалла (около 300 кв. мм)

• число слоев металлизации платы (до 5 слоев)

Разрядностть МП обозначается m/n/k/ и включает: m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров; n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации; k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20; 3) архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.

Микроархитектура микропроцессора - это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.

Макроархитектура - это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.

В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных.

Структура типового микропроцессора

Микропроцессор - это программно-управляемое электронное устройство, предназначенное для цифровой обработки информации и управления процессом этой обработки, и реализованное в виде одной или нескольких интегральных микросхем (ИМС). Его можно представить в виде совокупности операционного и управляющего блоков (ОБ и УБ). Процесс функционирования ОБ состоит из последовательности элементарных действий в его узлах : установка регистров в некоторое состояние, передача информации из регистра в регистр, и т.д. Эти действия производятся под воздействием сигналов из УБ. Такие элементарные такты преобразования информации, выполняемые в течении одного такта сигналов синхронизации, называются микрооперациями (МО). В течении одного такта могут выполнятся несколько микроопераций. Такая совокупность микроопераций называется микрокомандой (МК), а набор различных микрокоманд - микропрограммой. УБ называют также микропрограммным автоматом поскольку он определяет микропрограмму как последовательность выполнения микроопераций. Формирование сигналов управления для выполнения некоторых микрокоманд может потребовать учета состояния узлов ОБ или внешних сигналов. Для построения УБ используются принципы схемной и программируемой логики. В первом случае каждой операции соответствует свой набор логических схем, вырабатывающих определенные управляющие сигналы для выполнения микроопераций в определенные моменты времени. Микрооперации реализуются за счет однажды соединенных между собой логических схем, поэтому такие УБ называются УБ с жесткой логикой управления. Для таких УБ фиксируется набор команд по числу операций и структура связей между узлами, обеспечивающих заданную последовательность выполнения каждой операции. В УБ предусматривается ряд узлов для выполнения различных операций на одном и том же оборудовании ОБ. Каждой выполняющейся в микропроцессоре (МП) операции соответствует команда, поступающая из ЗУ. С помощью дешифратора команд (ДК) в УБ ее код преобразуется в сигналы, включающие узлы управления (УУ) процессом выполнения операции. Изменения в системе команд в микропроцессоре с таким УБ практически невозможны, однако такие УБ обладают большим быстродействием по сравнению с УБ с программируемой логикой. При реализации УБ с программируемой логикой управляющие сигналы представляются в виде кодов микрокоманд, которые хранятся в управляющей памяти (УП). При выполнении некоторой операции из УП выбирается микрокоманда и выдается совокупность управляющих сигналов в ОБ. В УП для каждой операции хранится своя микропрограмма. Из ЗУ выбирается код команды и с его помощью определяется соответствующая команде микропрограмма в УП. Микрокоманды найденной микропрограммы последовательно считываются и подаются на ОБ. В результате реализуется операция, определяемая данной командой. Это микропрограммный способ реализации операций. Микропроцессоры с УБ на этом принципе называются микропроцессорами с программируемой логикой. Структура микрокоманды приведена на рисунке. По содержимому поля адреса (ПА) определяется адрес следующей микрокоманды. Для реализации условных переходов имеется поле, в котором указывается возможное наличие условных или безусловных переходов в микропрограмме. Адрес первой микрокоманды определяется кодом команды. Адрес следующей может указываться в микропроцессоре явным образом (принудительная адресация) или формироваться путем приращения адреса предыдущей в счетчики микрокоманд (естественная адресация). В последнем случае поле адреса в микрокоманде отсутствует, но для выполнения переходов вводится второй тип микрокоманды (управляющая). На рисунке приведены форматы операционной и управляющей микрокоманд. После выполнения выбранной микрокоманды цикл повторяется. Различают следующие способы выборки и выполнения микрокоманд. При последовательном выборка следующей микрокоманды не инициируется до момента завершения предыдущей. При параллельном способе совмещаются этапы выборки и выполнения микрокоманд. В этом случае для накопления выбираемой следующей микрокоманды между УП и ОБ ставится конвейерный регистр (Лебедев С.А., 1956). Если времена выборки и выполнения одинаковы то время цикла можно сократить в два раза. Одна при выполнении микрокоманд условных переходов, адрес следующей микрокоманды зависит от результата выполнения предыдущей и в этом случае применяется последовательно-параллельный способ. В нем выборка микрокоманды условного перехода начинается только после завершения предыдущей, а операционные микрокоманды выбираются как в параллельном способе. Иногда для сокращения времени направление перехода выбирается вероятностно. Если это подтверждается, то время экономится, в противном случае цикл выборки повторяется. Микрокоманды могут кодироваться различными способами. Обычно кодируется поле управляющих сигналов (УС). При горизонтальном кодировании каждый разряд поля УС однозначно определяет один УС для выполнения микрооперации. При вертикальном кодировании микрооперация определяется двоичным кодом поля УС, который расшифровывается дешифратором в собственно управляющий сигнал. Отдельный код задает отсутствие микрооперации. При смешанном кодировании различают вертикально-горизонтальный и горизонтально-вертикальный способы. При вертикально-горизонтальном все множество микроопераций делится на несколько равномощных подмножеств наиболее часто встречающихся в одном такте вместе микроопераций. Поле УС делится на две части. Первая длиной равная величине подмножества, кодируется горизонтально, а вторая, указывающая на принадлежность к определенному подмножеству, - вертикально. При горизонтально-вертикальном способе каждому подмножеству выделяется отдельное поле в поле УС (горизонтальность). Внутри подмножества используется вертикальное кодирование. Это микрокоманды с полевой структурой. Для них желательно чтоб каждая микрооперация встречалась только в одном поле. При прямом кодировании каждое поле микрокоманды несет фиксированные функции. Косвенное кодирование характеризуется наличием дополнительных полей, содержимое которых позволяет по разному интерпретировать поля формирующие управляющие сигналы. (Это используется в вертикально -горизонтальном кодировании).Иногда используется двухуровневое кодирование. На первом уровне с вертикальным кодированием выбирается микрокоманда поле управляющих сигналов которой является адресом горизонтальной микрокоманды второго уровня (нанокоманды). Это позволяет гибко осуществить относительно нечасто встречающийся параллелизм в выполнении микроопераций и экономить емкость основной памяти. Различают одно и многотактные микрокоманды. В первом случае все микрооперации указанные в микрокоманде выполняются одновременно в течении одного такта, во втором такт разбивается на микротакты и микрооперации, указанные в микрокоманде могут выполняться в различные из них. Это делается с учетом временных зависимостей между отдельными микрооперациями и делает возможным включение в микрокоманду взаимно исключающих микроопераций с разведением их по разным микротактам. ОБ выполняет микрооперации, обеспечивающие прием из других узлов, (например, памяти) операндов, их преобразование и выдачу результатов преобразования в другие узлы. В большинстве микропроцессоров регистры в ОБ отсутствуют, т.е. их ОБ - арифметико- логические устройства (АЛУ) являются комбинационными схемами, выполняющими арифметические и логические операции над операндами, находящимися в регистрах микропроцессора. Результат операции засылается в некоторый регистр микропроцессора. В процессе выполнения операций АЛУ взаимодействует с регистрами микропроцессора, являющимися источниками и приемниками операндов. При этом, как правило, один и тот же регистр может рассматриваться и как источник и как приемник информации. Для реализации этого необходимо временное запоминание промежуточных результатов на отдельных регистрах. Для этого используются специальные регистры для кратковременного хранения либо операндов, либо результатов, включенные соответственно на входах или выходе АЛУ. Сигналами микроопераций АЛУ настраивается на различные преобразования. Оно содержит обычно многоразрядные арифметический сумматор и узлы выполнения логических операций. В микропрограммах различных операций в микрокомандах задаются микрооперации, определяющие выбор источников операндов для АЛУ, настраивающие АЛУ на выполнение различных преобразований и указывающие место занесения результатов.

Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рис. 2.1 Такая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации.

Рис. 2.1. Архитектура типового микропроцессора.

Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется 16-разрядная адресная шина (ША), которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-разрядной информационной шине или шине данных (ШД) осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что МП может посылать информацию в память микроЭВМ или к одному из портов вывода, а также получать информацию из памяти или от одного из портов ввода.