Архитектура микропроцессора. Понятие архитектуры микропроцессора определяет его составные части, а также связи и взаимодействие между ними

Понятие архитектуры микропроцессора определяет его составные части, а также связи и взаимодействие между ними. Архитектура включает:

□ структурную схему МП;

□ программную модель МП (описание функций регистров);

□ информацию об организации памяти (емкость и способы адресации па­мяти);

□ описание организации процедур ввода/вывода.

Существуют два основных типа архитектуры — фоннеймановская и гар­вардская. Фоннеймаповскую архитектуру (рис. 1.6, а) предложил в 1945 году американский математик Джо фон Нейман. Особенностью этой архитекту­ры является то, что программа и данные находятся в общей памяти, доступ к которой осуществляется по одной шине данных и команд.

Гарвардская архитектура впервые была реализована в 1944 году в релейной вычислительной машине Гарвардского университета (США). Особенностью этой архитектуры является то, что память данных и память программ раз­делены и имеют отдельные шину данных и шину команд (рис. 1.6, б), что позволяет повысить быстродействие МП системы.

Структурные схемы обоих типов архитектур содержат: процессорный эле­мент, память, интерфейсы ввода/вывода (ИВВ) и УВВ.

Память и ИВВ для разных типов МП могут быть как внутренними, т. е. размещаться на том же кристалле, что и процессорный элемент, так и внеш­ними. Процессорный элемент содержит регистры, арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления и выполняет функции обработки данных и управления процессами обмена информацией. Память обеспечи­вает хранение данных и кодов команд программы. Интерфейсы вво­да/вывода предназначены для связи с УВВ, например, с клавиатурой, дис­плеем, печатающими устройствами, датчиками. Все элементы структурной схемы соединены с помощью шин.

Расширенная структурная схема с процессором фоннеймановской архитектуры показана на рис. 1.7. Схема процессора содержит устройство управления, АЛУ и регистры: адреса, данных, команд, а также состояния, аккумулятор, указатель команд и указатель стека.

Устройство управления вырабатывает управляющие сигналы для всех бло­ков структурной схемы МП в соответствии с кодами команд, внешними управляющими сигналами и сигналами синхронизации, а также управляет обменом информацией между МП, памятью и УВВ. Устройство управления реализует такие функции: начальная установка МП, синхронизация, прерыва­ния, согласование быстродействия модулей МПС.

Функция начальной установки МП. Внешний сигнал начальной установки процессора RESET формируется при включении источника питания МП или при нажатии кнопки RESET. При появлении этого сигнала устройство управления обеспечивает загрузку нулевого значения в указатель команд, кото­рый инициирует выборку из памяти байта команды с нулевым адресом. В конце выборки содержимое указателя команд увеличивается на единицу, и выбирается байт команды со следующем адресом. Таким образом выпол­няется вся записанная в памяти программа.

Функция синхронизации. В соответствии с внешними управляющими сигна­лами и сигналами синхронизации устройство управления синхронизирует работу всех блоков МП.

Функция прерываний. С поступлением сигнала прерывания устройство уп­равления инициирует выполнение подпрограммы обработки соответст­вующего прерывания. Потребность в реализации функций прерываний воз­никает тогда, когда во время выполнения основной программы надо пере­вести МП на решение другой задачи, например, обработки аварийной ситуации или работы с УВВ.

Функция согласования быстродействия модулей микропроцессорной системы. Во время обслуживания памяти и УВВ, быстродействие которых значитель­но меньше, чем у МП, согласование быстродействия реализуется генераци­ей тактов ожидания МП. Во время обслуживания устройств с большим бы­стродействием, чем у МП, используется режим прямого доступа к памяти.

Арифметико-логическое устройство представляет собой комбинационную схему на основе сумматора, которая сигналами с выходов устройства управления настраивается на выполнение определенной арифметической или логической операции: сложение, вычитание, логическое И, логическое ИЛИ, логическое НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, сдвиг, сравнение, десятич­ная коррекция. Таким образом, АЛУ выполняет арифметические или логи­ческие операции над операндами, которые пересылаются из памяти и/или регистров МП. Операнд — это объект в виде значения данных, содержимого регистров или содержимого ячейки памяти, с которым оперирует команда. На­пример, в команде сложения операндами являются слагаемые. Операнд мо­жет задаваться в команде в виде числа либо находиться в регистре или ячейке памяти. Полученный после выполнения команды в АЛУ результат пересылается в регистр или ячейку памяти.

Регистры предназначены для хранения п-разрядного двоичного числа. Они представляют собой п триггеров со схемами управления чтением/записью и выборки. Регистры создают внутреннюю память МП и используются для хранения промежуточных результатов вычислений.

Аккумулятор — это регистр, в котором хранится один из операндов. После выполнения команды в аккумуляторе вместо операнда размещается резуль­тат операции. В 8-разрядных процессорах аккумулятор принимает участие во всех операциях АЛУ. В 16-разрядных МП большинство команд выпол­няется без участия аккумулятора, однако в некоторых командах (ввод, вы­вод, умножение, деление) аккумулятор действует так же, как и в 8- разрядных МП, т. е. сохраняет один из операндов, а после выполнения ко­манды — результат операции.

Указатель команд или программный счетчик ¹ предназначен для хранения адреса ячейки памяти, которая содержит код следующей команды. Про­грамма действий МП записана в памяти в виде последовательности кодов команд. Для перехода к следующей команде содержимое счетчика увеличи­вается на единицу в момент выборки команды из памяти. Таким образом, в конце выполнения команды в счетчике команд хранится адрес следующей команды.

Указатель стека — это регистр, который хранит адрес последней занятой ячейки стека. Стеком или стековой памятью называется область памяти, которая организована по принципу "последним пришел — первым вышел".

Регистр команд хранит код команды на протяжении всего времени выпол­нения команды.

Регистр адреса и регистры данных предназначены для хранения адресов и данных, используемых во время выполнения текущей команды в МП.

Регистр состояния или регистр флагов (признаков) предназначен для хра­нения информации о результате операции в АЛУ и представляет собой не­сколько триггеров, выходы которых находятся в единичном или нулевом состоянии. Например, флаг нуля устанавливается в единицу при нулевом результате операции.

Система команд

В зависимости от числа используемых кодов операций системы команд МК можно разделить на две группы: CISC и RISC. Термин CISC означает сложную систему команд и является аббревиатурой английского определения Complex Instruction Set Computer. Аналогично термин RISC означает сокращенную систему команд и происходит от английского Reduce Instruction Set Computer. Основная идея RISC архитектуры – это тщательный подбор таких комбинаций кодов операций, которые можно было бы выполнить за один такт тактового генератора. Основной выигрыш от такого подхода – резкое упрощение аппаратной реализации ЦП и возможность значительно повысить его производительность. Очевидно, что в общем случае одной команде CISC соответствует несколько команд RISC. Однако обычно выигрыш от повышения быстродействия в рамках RISC перекрывает потери от менее эффективной системы команд, что приводит к более высокой эффективности RISC систем в целом по сравнению с CISC. Однако в настоящее время грань между CISC и RISC архитектурой стремительно стирается. Например, МК семейства AVR фирмы Atmel имеют систему команд из 120 инструкций, что соответствует типу CISC. Однако большинство из них выполняется за один такт, что является признаком RISC архитектуры. Сегодня принято считать, что признаком RISC архитектуры является выполнение команд за один такт тактового генератора. Число команд само по себе значения уже не имеет.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: