История развития микропроцессорной техники

- отработку сигналов от устройств  ввода/вывода, в том числе реализацию  прерываний с этих устройств; 

- управление и координацию работы  основных узлов МП.

 

3.3 Логическая структура микропроцессора

 

Логическая структура микропроцессора, т. е. конфигурация составляющих микропроцессор логических схем и связей между ними, определяется функциональным назначением. Именно структура задает состав логических блоков микропроцессора и то, как эти блоки должны быть связаны между собой, чтобы полностью отвечать архитектурным требованиям. Срабатывание электронных блоков микропроцессора в определенной последовательности приводит к выполнению заданных архитектурой микропроцессора функций, т. е. к реализации вычислительных алгоритмов. Одни и те же функции можно выполнить в микропроцессорах со структурой, отличающейся набором, количеством и порядком срабатывания логических блоков. Различные структуры микропроцессоров, как правило, обеспечивают их различные возможности, в том числе и различную скорость обработки данных. Логические блоки микропроцессора с развитой архитектурой показаны на рисунке 5. 

 

Рисунок 5 - Общая логическая структура микропроцессора:

I - управляющая часть, II - операционная часть;

БУПК - блок управления последовательно-стью команд;

БУВОп - блок управления выполнением  операций;

БУФКА - блок управления формированием  кодов адресов;

БУВП - блок управления виртуальной  памятью;

БЗП - блок защиты памяти;

БУПРПр - блок управления прерыванием  работы процессора;

БУВВ - блок управления вводом/выводом;

РгСОЗУ - регистровое сверхоперативное запоминающее устройство;

АЛБ - арифметико-логический блок;

БДА - блок дополнительной арифметики;

БС - блок синхронизации.

 

При проектировании логической структуры  микропроцессоров необходимо рассмотреть: 

1) номенклатуру электронных  блоков, необходимую и достаточную  для реализации архитектурных требований; 

2) способы и средства реализации  связей между электронными блоками; 

3) методы отбора если не оптимальных,  то наиболее рациональных вариантов  логических структур из возможного числа структур с отличающимся составом блоков и конфигурацией связей между ними.

При проектировании микропроцессора  приводятся в соответствие внутренняя сложность кристалла и количество выводов корпуса. Относительный рост числа элементов по мере развития микроэлектронной технологии во много раз превышает относительное увеличение числа выводов корпуса, поэтому проектирование БИС в виде конечного автомата, а не в виде набора схем, реализующих некоторый набор логических переключательных функций и схем памяти, дает возможность получить функционально законченные блоки и устройства ЭВМ.

Использование микропроцессорных  комплектов БИС позволяет создать микроЭВМ для широких областей применения вследствие программной адаптации микропроцессора к конкретной области применения: изменяя программу работы микропроцессора, изменяют функции информационно-управляющей системы. Поэтому за счет составления программы работы микропроцессоров в конкретных условиях работы определенной системы можно получить оптимальные характеристики последней.

Если уровень только программной "настройки" микропроцессоров не позволит получить эффективную систему, доступен следующий уровень проектирования - микропрограммный. За счет изменения содержимого ПЗУ или программируемой логической матрицы (ПЛМ) можно "настроиться" на более специфичные черты системы обработки информации. В этом случае частично за счет изменения микропрограмм затрагивается аппаратный уровень системы. Технико-экономические последствия здесь связаны лишь с ограниченным вмешательством в технологию изготовления управляющих блоков микроЭВМ.

Изменение аппаратного уровня информационно-управляющей  микропроцессорной системы, включающего в себя функциональные БИС комплекта, одновременно с конкретизацией микропрограммного и программного уровней позволяет наилучшим образом удовлетворить требованиям, предъявляемым к системе.

Решение задач управления в конкретной системе чисто аппаратными средствами (аппаратная логика) дает выигрыш в быстродействии, однако приводит к сложностям при модификации системы. Микропроцессорное решение (программная логика) является более медленным, но более гибким решением, позволяющим развивать и модифицировать систему. Изменение технических требований к информационно-управляющей микропроцессорной системе ведет лишь к необходимости перепрограммирования работы микропроцессора. Именно это качество обеспечивает высокую логическую гибкость микропроцессоров, определяет возможность их широкого использования, а значит и крупносерийного производства.

 

3.4 Устройство микропроцессора

 

Основные узлы микропроцессора:

- Устройство управления, выполняющее роль арбитра над  прочими узлами: анализ и декодирование  потока инструкций, передача их в функциональные устройства, синхронизация узлов.

- Одно или несколько исполнительных устройств, производящих обработку данных: арифметические, логические, сдвиговые операции, пересылки, операции над числами с плавающей запятой и пр.

- Регистровый файл, выполняющий роль хранилища входных, промежуточных и выходных данных для обработки, а также хранилища управляющей информации.

- Устройство ввода-вывода, обеспечивающее выборку инструкций из памяти, обмен данными с памятью и внешними устройствами.

Устройство управления — узел микропроцессора, выполняющий управление прочими компонентами. В задачи устройства управления входит выборка и декодирование потокаинструкций, выдача кодов функций в исполнительные устройства, принятие решений по признакам результатов вычислений, синхронизация узлов микропроцессора.

В состав устройства управления входят следующие блоки:

• Блок генерации адресов инструкций. Он содержит в себе регистр программного счётчика (program counter или instruction pointer), хранящий адрес считываемой из памяти инструкции, и модифицирующийся после выборки каждой инструкции.
• Блок выборки инструкции, обеспечивающий считывание программ из памяти через устройство ввода-вывода. Он получает на вход адрес с блока генерации адреса инструкции, передаёт его на УВВ, получает с него данные по переданному адресу, и выдаёт на блок декодирования интсрукций.
• Блок декодирования инструкций, производящий преобразование кодов инструкций в последовательность кодов функций, передаваемые на исполнительные устройства.
• Блок переходов. Получает функциональные коды переходов и ветвлений, признаки результатов операций с функциональных устройств, проверяет истинность условия перехода, и передаёт сигнал на изменение программного счётчика.
• Блок обработки исключений. Принимает извне сигналы исключительных ситуаций (прерывания, ошибки узлов микропроцессора, нарушение привилегий, команды-ловушки и пр.) и передаёт сигнал на переход по вектору исключения в случае обнаружения.
• Блок отладки — необязательный. Служит для упрощения отладки программ. В его функциональность входит установка аппаратных точек останова (breakpoints), доступ к внутренним узлам процессора через специальный интерфейс. Доступ к блоку может быть как программный (через специальные инструкции), так и аппартный (через физический отладочный интерфейс).
• и другие

Исполнительное устройство (англ. execution unit) - узел микропроцессора, выполняющий операции над данными. Исполнительные устройства непосредственно связаны срегистровым файлом, а конкретно с регистрами общего назначения (=РОН), так-как активно обмениваются с ним данными.

Выделяют следующие типы исполнительных устройств:

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ, англ. ALU — arithmetic-logic unit) — выполняет арифметические и логические операции над целочисленными величинами и величинами с фиксированной запятой.
• Устройство обработки чисел с плавающей запятой (англ. FPU — floating point unit)— выполняет операции на величинами с плавающей запятой.
• Векторное устройство — выполняет операции над векторами и матрицами.

Также бывают более узкоспециальные устройства:

• Умножитель-накопитель — выполняет только умножение, сложение и вычитание (возможно и сдвиг). Используется как правило в ПЦОС.
• Сдвигатель — выполняет только операции сдвига.
• Делитель — независимо выполняет длительные операции деления.
• Устройство адресной арифметики — выполняет операции над адресами. Часто его функции выполняет АЛУ.

И вспомогательные устройства:

• Устройство перемещения данных — выполняет операции копирования типа регистр-регистр.
• Устройство чтения-записи (англ. LSU — load-store unit) — выполняет обмен данными с памятью и внешними устройствами через устройство ввода-вывода.

Все устройства, кроме вспомогательных, также называют функциональными устройствами (=ФУ). Именно ФУ определяют вычислительную мощность процессора.

Регистровый файл — запоминающее устройство процессора со сверхбыстрым доступом для хранения данных, участвующих в обработке, а также управляющей информации процессора. Все регистры процессора делятся на:

• Регистры общего назначения (РОН, англ. GPR — general purpose register) — для хранения обрабатываемых данных и адресов. Эти регистры доступны из всех режимов работы процессора. Исключение может составлять «замороженное» состояние некоторых регистров, доступ к которым вызывает прерывание, предназначенное для сохранения этих регистров; режим используется в многозадачности для ускорения переключения контекстов.
• Регистры специального назначения (РСН, англ. SPR — special purpose register) — для хранения управляющей информации, состояния процессора, и некоторых дополнительных данных. Часто эти регистры недоступны из режима приложения, а только из системного режима.

Регистры общего назначения могут разделяться (хотя и необязательно) на:

• регистры целочисленных данных,
• регистры данных с плавающей запятой,
• векторные регистры,
• адресные регистры.

В конкретной процессорной архитектуре  регистры могут совмещать различные  функции, могут быть все регистры одинаковые (полностью ортогональный регистровый файл).

Устройство ввода-вывода (=УВВ) — устройство, служащее для обмена некоторого устройства с периферийными устройствами. В микропроцессоре служит для обмена данными между устройством управления и исполнительными устройствами и памятью. В современных высокопроизводительных процессорах УВВ содержит также кэш первого уровня. В микропроцессорах с гарвардской архитектурой таких устройства два (для программ и данных). ПЦОС с несколькими пространствами памяти содержат соответствующее количество УВВ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Система команд

 

Проектирование системы команд оказывает влияние на структуру  ЭВМ. Оптимальную систему команд иногда определяют как совокупность команд, которая удовлетворяет требованиям проблемно-ориентированных применений таким образом, что избыточность аппаратных и аппаратно-программных средств на реализацию редко используемых команд оказывается минимальной. В различных программах ЭВМ частота появления команд различна; например, по данным фирмы DEC в программах для ЭВМ семейства PDP-11 наиболее часто встречается команда передачи MOV(B), на ее долю приходится приблизительно 32% всех команд в типичных программах. Систему команд следует выбирать таким образом, чтобы затраты на редко используемые команды были минимальными.

При наличии статистических данных можно разработать (выбрать) ЭВМ  с эффективной системой команд. Одним  из подходов к достижению данной цели является разработка команд длиной в  одно слово и кодирование их таким образом, чтобы разряды таких коротких команд использовать оптимально, что позволит сократить время реализации программы и ее длину.

Другим подходом к оптимизации  системы команд является использование  микроинструкций. В этом случае отдельные  биты или группы бит команды используются для кодирования нескольких элементарных операций, которые выполняются в одном командном цикле. Эти элементарные операции не требуют обращения к памяти, а последовательность их реализации определяется аппаратной логикой.

Сокращение времени выполнения программ и емкости памяти достигается за счет увеличения сложности логики управления.

Важной характеристикой команды  является ее формат, определяющий структурные  элементы команды, каждый из которых  интерпретируется определенные образом при ее выполнении. Среди таких элементов (полей) команды выделяют следующие: код операции, определяющий выполняемое действие; адрес ячейки памяти, регистра процессора, внешнего устройства; режим адресации; операнд при использовании непосредственной адресации; код анализируемых признаков для команд условного перехода.

Классификация команд по основным признакам  представлена на рисунке 6. Важнейшим структурным элементом формата любой команды является код операции (КОП), определяющей действие, которое должно быть выполнено. Большое число КОП в процессоре очень важно, так как аппаратная реализация команд экономит память и время. Но при выборе ЭВМ необходимо концентрировать внимание на полноте операций с конкретными типами данных, а не только на числе команд, на доступных режимах адресации. Число бит, отводимое под КОП, является функцией полного набора реализуемых команд.