Основные компоненты микропроцессора 2

По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.

Синхронные микропроцессоры – микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.

В зависимости от набора и порядка выполнения команд процессоры делятся на четыре класса.

CISC (complex instruction set command) есть традиционная архитектура, в которой центральный процессор использует микропрограммы для выполнения исчерпывающего набора команд. Они могут иметь различную длину, методы адресации и требуют сложных электронных цепей для декодирования и исполнения. В течение долгих лет производители компьютеров разрабатывали и воплощали в изделиях все более сложные и полные системы команд. Однако анализ работы процессоров показал, что в течение примерно 80% времени выполняется лишь 20% большого набора команд. Поэтому была поставлена задача оптимизации выполнения небольшого по числу, но часто используемых команд.

В 1974 г. John Cocke (IBM Research) решил испробовать подход, который мог бы существенно уменьшить количество машинных команд в центральном процессоре. В середине 70-х это привело многих производителей компьютеров к пересмотру своих позиций и к разработке центрального процессора с весьма ограниченным набором команд.

RISC (redused instruction set command) – процессор, функционирующий с сокращенным набором команд. Так, в процессоре CISC для выполнения одной команды необходимо в большинстве случаев 10 и более тактов. Что же касается процессоров RISC, то они близки к тому, чтобы выполнять по одной команде в каждом такте. Следует также иметь в виду, что благодаря своей простоте процессоры RISC не патентуются. Это также способствует их быстрой разработке и широкому производству. Между тем, в сокращенный набор RISC вошли только наиболее часто используемые команды.

Первый процессор RISC был создан корпорацией IBM в 1979 г. И имел шифр IBM 801. В настоящее время процессоры RISC получили широкое распространение. Современные процессоры RISC характеризуются следующим:

упрощенный набор команд, имеющих одинаковую длину;

Рекомендуемые материалы

большинство команд выполняются за один такт процессора;

отсутствуют макрокоманды, усложняющие структуру процессора и уменьшающие скорость его работы;

взаимодействие с оперативной памятью ограничивается операциями пересылки данных;

резко уменьшено число способов адресации памяти (не используется косвенная адресация);

используется конвейер команд, позволяющий обрабатывать несколько из них одновременно;

применяется высокоскоростная память.

Новый подход к архитектуре процессора значительно сократил площадь, требуемую для него на кристалле интегральной схемы. Это позволило резко увеличить число регистров. В современном процессоре RISC уже используется более 100 регистров. В результате процессор на 20 – 30% реже обращается к оперативной памяти, что также повысило скорость обработки данных. Упростилась топология процессора, выполняемого в виде одной интегральной схемы, сократились сроки ее разработки, она стала дешевле.

Начиная с процессора Pentium, корпорация Intel начала внедрять элементы RISC-технологий в свои изделия.

MISC (minimum instruction set command) – процессор, работающий с минимальным набором длинных команд.

Увеличение разрядности процессоров привело к идее укладки нескольких команд в одно слово (связку, bound) размером 128 бит. Оперируя с одним словом, процессор получил возможность обрабатывать сразу несколько команд. Это позволило использовать возросшую производительность компьютера и его возможность обрабатывать одновременно несколько потоков данных.

Процессор MISC, как и процессор RISC? Характеризуется небольшим набором чаще всего встречающихся команд. Вместе с этим принцип команд VLIM обеспечивает выполнение группы команд за один цикл работы процессора. Порядок выполнения команд распределяется таким образом, чтобы в максимальной степени загрузить маршруты, по которым проходят потоки данных. Таким образом, архитектура MISC объединила вместе суперскалярную (многопоточную) и VLIM концепции. Компоненты процессора просты и работают с высокими скоростями.

VLIM (very length instruction word) – процессор, работающий с системой команд сверхбольшой разрядности.

Идея технологии VLIM заключается в том, что создается специальный компилятор планирования, который перед выполнением прикладной программы проводит ее анализ, и по множеству ветвей последовательности операций определяет группу команд, которые могут выполняться параллельно. Каждая такая группа образует одну сверхдлинную команду. Это позволяет решать две важные задачи. Во-первых, в течение одного такта выполнять группу коротких («обычных») команд. Во-вторых, упростить структуру процессора. Этим технология VLIM отличается от суперскалярности. В последнем случае отбор групп одновременно выполняемых команд происходит непосредственно в ходе выполнения прикладной программы (а не заранее). Из-за чего усложняется структура процессора и замедляется скорость его работы.

Характеристики микропроцессоров

Микропроцессор характеризуется:

1) тактовой частотой: указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в 1 секунду. Тактовая частота измеряется в Мгц. Следует заметить, что разные модели МП выполняют одни и теже операции (например, сложение и умножение) за разное число тактов. Чем выше модель, тем, как правило, меньше тактов требуется для выполнения одних и  тех же операций;

2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

Разрядность 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) объемом кэш-памяти, которая имеет два уровня: L1 – память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы микропроцессора и работающая всегда на полной частоте микропроцессора; L2 – память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате микропроцессора и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной, может работать на полной или половинной частоте микропроцессора.

4) 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.

Структура базового микропроцессора

Функционально микропроцессор можно разделить на две части (смотри рисунок):

- операционную (устройство управления и устройство обработки данных), содержащую арифметико-логическое устройство, микропроцессорную память (за исключением сегментных регистров), блок микропрограммного управления, объединенных в устройство обработки данных, и устройство управления;

- интерфейсную (или устройство связи с магистралью), содержащую блок сегментных регистров микропроцессорной памяти, блок регистров команд (регистры памяти для хранения кодов команд, выполняемых в ближайшие такты работы) и сумматор адреса.

Устройство обработки данных предназначено для выполнения команд. Устройство управления обеспечивает синхронизацию работы устройств микропроцессора, выработку управляющих сигналов и сигналов состояния для обмена с другими устройствами, анализ и соответствующую реакцию на сигналы других устройств ЭВМ.

Устройство связи с магистралью обеспечивает формирование физического адреса памяти и адреса внешнего устройства, выбор команд из памяти, обмен данными с запоминающими устройствами, внешними устройствами, другими процессорами по магистрали.

Обе части микропроцессора работают параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный анализ) выполняется во время выполнения операционной частью предыдущей команды. Современные микропроцессоры имеют несколько групп регистров в интерфейсной части, работающих с различной степенью опережения, что позволяет выполнить операции в конвейерном режиме. Такая организация микропроцессора позволяет существенно повысить его эффективное быстродействие.

Рисунок Упрощенная структурная схема микропроцессора
(на примере i8086)

На внешних выводах микропроцессора широко используется принцип мультиплексирования сигналов – передача разных сигналов по общим линиям с разделением времени. Кроме того, одни и те же выводы могут использоваться для передачи разных сигналов в зависимости от режима (минимальный или максимальный).

В таблице ниже приведено описание внешних выводов МП i8086. При описании выводов косой чертой разделены сигналы, появляющиеся на выводе в разные моменты машинного цикла. В круглых скобках указаны сигналы, характерные только для максимального режима.

Вопросы для самопроверки:

Лекция "Цицерон (кратко)" также может быть Вам полезна.

1. Дайте краткую характеристику микропроцессора.

2. Назовите основные функции микропроцессора.

3. Назовите основные особенности микропроцессоров CISC, RISC и VLIW.

4. В чем заключаются особенности реализации и применения однокристальных и секционных микропроцессоров?

5. Назовите признаки классификации процессоров.

6. Дайте краткую характеристику операционной и интерфейсной части микропроцессора.