Микропроцессорные комплекты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные определения: МП, МПК, микро-ЭВМ, МПС. Классификация МП. Принципы организации. Архитектурные особенности МП.

микропроцессор промышленный компьютер

Микропроцессорный комплект (МПК) - совокупность микропроцессорных и других интегральных микросхем, совместимых по конструктивно-технологическому исполнению и предназначенных для совместного применения при построении МП, микро-ЭВМ и других средств вычислительной техники.

Центральной частью МПС является микропроцессор - ? обрабатывающее устройство, выполненное с использованием технологии БИС (часто на одном кристалле) и обладающее способностью выполнять под программным управлением обработку информации (включая ввод-вывод), принятие решений, арифметические и логические операции.

Микропроцессорной системой (МПС) называется система цифровой обработки информации и управления, содержащая в своем составе, по крайней мере, один микропроцессор (МП), один или несколько модулей основной (ОЗУ и ПЗУ) и дополнительной памяти, устройства ввода и вывода, блоки сопряжения (контроллеры) с устройствами ввода и вывода, которые связаны друг с другом с помощью системной магистрали, состоящей, в общем случае, из магистралей (шин) адресов (МА, ША), магистралей (шин) данных (МД, ШД) и магистралей (шин) управления (МУ, ШУ).

Основой любой МПС является микроЭВМ вычислительная или управляющая система, выполненная на основе МП, в состав которой, как правило, входят: постоянная (программируемая) память программ (ПЗУ), память данных (ОЗУ), генератор тактовых импульсов и информационный контроллер, построенные на основе БИС или СБИС.

По способу реализации микроЭВМ подразделяются на однокристальные, одноплатные и многоплатные. По назначению микроЭВМ разделяются на универсальные и специализированные (проблемно-ориентированные).

По организации структуры различают одно- и многомагистральные микроЭВМ.

В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются данные, адреса и управляющие сигналы. В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали, что позволяет осуществить одновременную передачу по нескольким (или всем) магистралям и тем самым увеличить быстродействие системы.

Классификация МП

МП характеризуется очень большим числом параметров и качеств, поскольку он, с одной стороны, является функционально сложным программно-управлемым цифровым процессором, т.е. устройством ЭВМ, а с другой стороны - интегральной схемой с высокой степенью интеграции элементов, т.е. электронным прибором.

МП классифицируются по следующим признакам.

По числу БИС в микропроцессорном комплекте ? однокристальные и многокристальные МП. Однокристальные МП получаются при реализации всех аппаратурных средств процессора в виде одной БИС или СБИС. Для получения многокристального МП необходимо произвести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС.

По назначению различают универсальные и специализированные МП. По виду обрабатываемых входных сигналов МП делят на цифровые и аналоговые. По характеру временной организации работы ? синхронные и асинхронные.

Кроме этого МП, в зависимости от выбранного признака классификации, классифицируются: по технологии изготовления; по числу шин; по разрядности; по способу управления (схемное, микропрограммное); по числу аккумуляторов; по числу уровней прерывания и программных счетчиков; по типу и емкости стека; по числу и длине команд; по видам адресации и др.

По числу одновременно выполняемых команд за один процессорный цикл МП разделяются на: скалярные, суперскалярные и мультискалярные.

Суперскалярные и VLIW-процессоры реализуют параллельность на уровне команд (ILP), мультискалярные - обеспечивают параллельность как на уровне задач, так и на уровне команд.

Различают CISC и RISC архитектуры МП.

Принципы организации МП и МПС

Организация МП и МПС базируется на следующих основных принципах:

- принцип иерархичности;

- принцип программного управления;

- принцип микропрограммного управления;

- принцип магистральности;

- принцип модульности;

- принцип конвейерной обработки;

- принцип регулярности.

Архитектура МП - это его логическая организация, определяемая возможностями МП по аппаратной или программной реализации функций, необходимых для построения микро-ЭВМ. Понятие архитектуры МП отражает его структуру, способы обращения ко всем доступным для пользователя элементам структуры, способы представления и форматы данных, набор операций, выполняемых МП, способы адресации данных, участвующих в операциях, форматы управляющих слов, поступающих в МП извне, характеристики и назначение вырабатываемых МП управляющих сигналов, реакцию МП на внешние сигналы.

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.

Складывается в историческом плане. Несколько этапов развития:1)Регистровая архитектура 2)Стековая архитектура 3)Арх-ра, ориентированная на использование ОП 4) Многоуровневая ортогональная архитектура.

1)МП с регистровой архитектурой имеет достаточно большой блок РОН с произвольной записью и выборкой информации. Эти МП-ры в общем случае имеют высокую эф-ть научно-технических задач, максимально полно исп-ся скоростные возможности АЛУ. Эти МП плохо приспособлены для решения задач управления, происходит частое переключение программ упр-ия и возникает потребность разгружать и перезагружать регистры

2)Позволяет создать поле памяти с упорядоченной посл-тью записи и выборки информации. Данная арх-ра эф-на для организации работы с подпрогр., что особенно важно при работе с ЯВУ, также при решении задач упр-ния. Арх-ра исп-ет безадресные или ноль-адресные команды. Адреса операндов предопределяются заранее.

3)При создании микроЭВМ в одном кристалле, регистровый файл и ОЗУ имеют практически одинаковые параметры. обеспечивает высокую скорость работы и большую информационную емкость рабочих регистров и стека при их организации в ОЗУ. В МП с такой архитектурой все обрабатываемые числа после операции в микропроцессоре выводятся из микропроцессора и вновь возвращаются в память.

4)В МП вводится опред-ная избыточность, кот. исп-ся при переключениях программ. При переходе из одной прогр. в др. изм-ся вектор состояния проц-ра. Для сохранения информации о векторе состояния проц. исп-ся опред. ресурс. Для кажд. в-ра состояния исп-ся свои собственные рессурсы. На арх-ру МПС большое влияние оказ-ют технологии изг-ия СБИС. Созд-ся новые функциональные модули, что приводит к изменению арх-ры систем и микроЭВМ.

К преимущ. этих архитектурных решений: невысокая стоимость, экспл. над-ть, расширение функциональных возм-тей, повышение производительности, расширение класса решаемых задач и областей применения. Традиционная посл-ная обработка инф-ции предполагает посл-ую арх-ру МПС (типа ОКОД или SISD). Наряду с этой появились другие типы орг-ции выч-го процесса и соответственно типы архитектур МПС: 1) Магистральные (МКОД или MISD), 2)Ассоциативная и матричная (ОКМД или SIMD), 3)Мультимикропроцессорная (МКМД или MIMD), 4)Несколько потоков команд данных с коммутацией SMIMD.

(Архитектура микропроцессора взято из инета)

Различные типы микропроцессоров отличаются типом и размером памяти, набором команд, скоростью обработки данных, количеством входных и выходных линий, разрядностью данных. В самом общем виде структурная схема микропроцессора может иметь следующий вид (рис. 3.1):

Рис. 3.1. Структурная схема микропроцессора

Центральный процессор (CPU) является обязательным узлом любого микропроцессорного устройства, его ядром. В его состав входит: арифметико-логическое устройство (АЛУ); регистр-аккумулятор; логические устройства управления и синхронизации; внутренняя шина.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические или логические операции над данными, представленными в двоичном или двоично-десятичном коде. Результат выполнения операции сохраняется в так называемом регистре-аккумуляторе. Регистр-аккумулятор представляет собой ячейки оперативной памяти, но, в отличие от ОЗУ, обмен информацией производится более короткими командами, т.е. регистр-аккумулятор является наиболее быстродействующим устройством памяти микропроцессора.

Устройство управления и синхронизации применяется для управления другими узлами микропроцессора, обеспечивая выполнение необходимых задач в соответствии с программой, хранимой в ПЗУ. Узел синхронизации обеспечивает синхронную работу всех узлов с помощью импульсов синхронизации и других управляющих сигналов. В состав устройства управления и синхронизации входит тактовый генератор и формирователь тактовых импульсов. Для генерации импульсов синхронизации используется кварцевый генератор, имеющий внешний кварцевый резонатор. Частота тактового генератора определяет быстродействие микропроцессора.

Связь между различными элементами микропроцессора осуществляется с помощью внутренней шины. Шина -- это группа проводников, используемых в качестве линии связи для передачи цифровой информации. В микропроцессоре имеется три основных вида шин: это шина данных, адресная шина и шина управления.

Шина данных обеспечивает передачу данных между узлами процессора. Адресная шина используется для передачи адреса ячейки памяти с целью получить данные из постоянного запоминающего устройства или оперативного запоминающего устройства. Шина управления используется для передачи управляющих сигналов от микропроцессора к другим элементам системы.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) используется для хранения постоянной информации, которая вводится в него на этапе производства микропроцессора и не может быть изменена. Это значит, что записанные на заводе-изготовителе данные сохраняются неизменными при выключении питания микропроцессора. ПЗУ расположено на кристалле микропроцессора и состоит из большого количества ячеек. Каждая ячейка памяти имеет свой порядковый номер, называемый адресом. В этих ячейках хранятся коды команд -- это и есть управляющая программа, исполняемая микропроцессором во время его работы. Информация вводится в ПЗУ на этапе изготовления микропроцессора, а процедура введения этой информации называется масочным программированием.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для временного хранения промежуточных данных. Микропроцессор в процессе работы может изменять эти данные. При выключении питания информация, хранимая временно в ОЗУ, не сохраняется.

Устройство ввода/вывода (интерфейс ввода/вывода) обеспечивает связь с периферийными устройствами -- микросхемами, клавиатурой и др. Подключение к внешним устройствам производится через специальные устройства, называемые портами. Они выполнены в виде набора двунаправленных линий. На структурной схеме показан параллельный 8-разрядный порт (выводы 0...7), который можно конфигурировать различным образом. Последовательный порт можно реализовать, используя две линии параллельного порта -- одну для передачи, другую для приема необходимых данных. Количество портов может быть любое и зависит от выполняемых микропроцессором задач.

RISС и CISС микропроцессоры. Упрощенная структура М-ЭВМ

В современных МП реал-ся след. варианты арх-ры: CISC и RISC.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) - уменьшенный набор команд, которыми пользуется микропроцессор компьютера, содержащий только наиболее простые команды.

Эти процессоры обычно имеют набор однородных регистров универсального назначения, причем их число может быть большим. Система команд отличается относительной простотой, коды инструкций имеют четкую структуру, как правило, с фиксированной длиной. В результате аппаратная реализация такой архитектуры позволяет с небольшими затратами декодировать и выполнять эти инструкции за минимальное число тактов синхронизации. Определенные преимущества дает и унификация регистров.

Во всех RISC процессорах отделяются команды обработки от команд работы с памятью, и делается упор на эффективную конвейерную обработку. Система команд разрабатывается таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт). Сама логика выполнения команд с целью повышения производительности ориентировалась на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию. Чтобы упростить логику декодирования команд, используются команды фиксированной длины и фиксированного формата.

Наличие достаточно большого регистрового файла (в типовых RISC-процессорах реализуются 32 или большее число регистров по сравнению с 8-16 регистрами в CISC архитектурах), что позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле более длительное время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные. Для обработки данных процессора с RISC архитектурой, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.

CISC (Complete Instruction Set Computer) - полный набор команд микропроцессора.

Состав и назначение их регистров существенно неоднородны, широкий набор команд усложняет декодирование инструкций, на что расходуются аппаратные ресурсы. Возрастает число тактов, необходимое для выполнения инструкций. К процессорам с полным набором инструкций относится семейство х86.

Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.

МикроЭВМ - это ЭВМ, центральная часть которой в составе процессора, ОЗУ, ПЗУ, информационного контроллера построена на основе БИС.

Упрощенная структура микропроцессора, а также упрощенная структура ЭВМ.

Первый микропроцессор был выпущен в 1971 году фирмой Intel(США) - МП I4004. В настоящее время разными фирмами выпускаются разные процессоры и их разбивают на 4 группы:

МП типа CISC (Complex Instruction Set Command) - с полным набором системы команд. Большинство персональных компьютеров использует CISC микропроцессоры. Большое разнообразие команд упрощает программирование, но с другой стороны усложняет структуру самого микропроцессора и ограничивает быстродействие.

МП типа RISC (Reduced Instruction Set Command) - с усеченным набором системы команд. Процессор содержит только набор простых наиболее часто исполняемых команд. Сложные команды реализуются группами простых инструкций. Такая организация помогает упростить структуру ПМ и тем самым повысить быстродействие. Используются в машинах серверах.

МП типа VLIW (Very Length Instruction Word) - со сверхбольшим командным словом. Большое машинное слово позволяет выполнять инструкции с одновременно, что увеличивает производительность. Сложность и высокая стоимость позволяет использовать такие архитектуры в больших и супер ЭВМ.

МП типа MISC (Minimum Instruction Set Command) - с минимальным набором системы команд. Идея заключается в создании сверхбыстродействующих простых МП параллельная организация работы которых позволяет получить ЭВМ с высоким быстродействием. Применяется при создании супер ЭВМ.

Упрощенная структура микропроцессора:

Рис.

Устройство управления (УУ) - является функционально наиболее сложным устройством микропроцессора. Оно вырабатывает управляющие сигналы во все блоки МП и компьютера с целом для исполнения заданной команды.

Арфметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.

Микропроцессорная память (МПП) - сверхбыстродействующая память, выполненная на регистрах и используемая микропроцессорам при непосредственном выполнении команд. Количество регистров МПП составляет несколько десятков.

Узел формирования адреса - блок, отвечающий за формирования адресов для выбора следующих команд или данных.

Интерфейсная система - выводы и схемы сопряжения, предназначенные для эффективной передачи адресов, данных, команд и управляющих сигналов.

Внутренняя шина МП - обеспечивает связь составляющих частей микропроцессора. При включении микропроцессора интерфейсная система вводит команду по системной шине в устройство управления. В устройстве управления код команды дешифрируется и создается последовательность микрокоманд. Устройство управления согласно микрокомандам переключает (управляет) блоками процессора и компьютера заставляя им выполнять необходимые действия для исполнения заданной команды. Одновременно с этим формируется адрес для загрузки следующей команды или данных, если это необходимо.

Такая организация выполнения команд по одной цепочке имеется в скалярных микропроцессорах. Начиная с процессоров Pentium, и им совместимые относятся к суперскалярным МП и способны выполнять несколько команд параллельно. В действительности структура процессора довольна сложна. В помощь процессору может использоваться кэш-память, математический сопроцессор, графический сопроцессор, сопроцессоры ввода-вывода, разгружающие центральный процессор от несложных операций взаимодействия с устройствами. В современных процессорах может находиться несколько ядер работающих параллельно на уровне оперативной памяти. Процессоры персональных компьютеров за время развития прошли несколько этапов эволюционирования от 16 разрядных до 32 и 64 битных структур. Для обеспечения их совместимости МП обеспечивают различные режимы работы: реальный, виртуальный, защищенный, 64 битный режим, режим совместимости. Так же в самых последних процессорах имеются инструкции всех предыдущих поколений. Для уменьшения выделяемого тепла и потребляемой мощности, в последних моделях микропроцессоров введены блоки управления производительностью в зависимости от загруженности.

Упрощенная структура ЭВМ представлена на рис. 1.1 ЭВМ содержит следующие основные устройства: арифметико-логическое устройство, память, управляющее устройство, устройство ввода данных в машину, устройство вывода из нее результатов расчета и пульт ручного управления.

Рис.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) производит арифметические и логические преобразования над поступающими в него машинными словами, т. е. кодами определенной длины, представляющими собой числа или другой вид информации.

Память хранит информацию, передаваемую из других устройств, в том числе поступающую в машину извне через устройство ввода, и выдает во все другие устройства информацию, необходимую для протекания вычислительного процесса. Память машины в большинстве случаев состоит из двух существенно отличающихся по своим характеристикам частей: быстродействующей основной или оперативной (внутренней) памяти (ОП) и сравнительно медленно действующей, но способной хранить значительно больший объем информации внешней памяти (ВнП).

Управляющее устройство (УУ) автоматически без участия человека управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие им те или иные действия, в частности включает АЛУ на выполнение нужной операции.

Перед решением задачи на ЭВМ программа и исходные данные должны быть помещены в ее память. Предварительно эта информация обычно заносится во внешнюю память. Затем при помощи устройства ввода программа и исходные данные считываются в ОП.

Устройство вывода служит для выдачи из машины результатов расчета, например, путем печатания их на печатных устройствах или отображения на экране дисплея. При помощи пульта управления оператор пускает и останавливает машину, а при необходимости может вмешиваться в процесс решения задачи.

Суперскалярные и VLIW-процессоры. Статическая и динамическая структура программы. Окно исполнения. Зависимости по данным и управлению. Основные блоки суперскалярного процессора

Суперскалярные и VLIW-процессоры реализуют параллельность на уровне команд (ILP)

Суперскалярные процессоры используются как в современных RISC-, так и в х86-архитектурах. Суть их заключается в следующем: несколько функциональных устройств, параллельно работающих в процессоре, исполняют по мере возможности инструкции, находящиеся в специальном буфере, куда они поступили после декодирования. Распараллеливание происходит на уровне команд, совмещая выполнение двух или более арифметических операций, благодаря чему исчезает необходимость применять специальные алгоритмы, использующиеся при разработке программ для машин с несколькими процессорами. Чтобы эффективно применять такую архитектуру, кэш первого уровня должен обладать высокими пропускной способностью и емкостью.

VLIW-- архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами. Характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно. Фактически это «видимое программисту» микропрограммное управление, когда машинный код представляет собой лишь немного свёрнутый микрокод для непосредственного управления аппаратурой.

В суперскалярных процессорах также есть несколько вычислительных модулей, но задача распределения между ними работы решается аппаратно. Это сильно усложняет дизайн процессора, и может быть чревато ошибками. В процессорах VLIW задача распределения решается во время компиляции и в инструкциях явно указано, какое вычислительное устройство должно выполнять какую команду.

VLIW можно считать логическим продолжением идеологии RISC, расширяющей её на архитектуры с несколькими вычислительными модулями. Так же, как в RISC, в инструкции явно указывается, что именно должен делать каждый модуль процессора. Из-за этого длина инструкции может достигать 128 или даже 256 бит.

Статические структуры относятся к разряду непримитивных структур, которые, фактически, представляют собой структурированное множество примитивных, базовых, структур. Например, вектор может быть представлен упорядоченным множеством чисел. Поскольку по определению статические структуры отличаются отсутствием изменчивости, память для них выделяется один раз и ее объем остается неизменным до уничтожения структуры. Слово "статический" относится скорее к реализации структуры, нежели к АТД.

Простейшая статическая структура данных - массив, где обращение к элементу происходит через его номер.

Слово "массив" употребляется в различных контекстах: как множество с операциями: Получить элемент с номером N, Записать элемент с номером N. И как физическая структура, реализованая в виде непрерывной области памяти.

В случае реализации массива через такую структуру номер соответствует смещению от начала области. Плюсов у статической структуры всего два, но зато больших: доступ за константное время к любому элементу, память тратится только на данные.

Минус - один, но тоже большой: статичность, неизменность структуры. Одномерный массив иногда называют вектором.

Динамические структуры по определению характеризуются отсутствием физической смежности элементов структуры в памяти непостоянством и непредсказуемостью размера (числа элементов) структуры в процессе ее обработки.

Поскольку элементы динамической структуры располагаются по непредсказуемым адресам памяти, адрес элемента такой структуры не может быть вычислен из адреса начального или предыдущего элемента. Для установления связи между элементами динамической структуры используются указатели, через которые устанавливаются явные связи между элементами. Такое представление данных в памяти называется связным. Элемент динамической структуры состоит из двух полей:

информационного поля или поля данных, в котором содержатся те данные, ради которых и создается структура; в общем случае информационное поле само является интегрированной структурой - вектором, массивом, другой динамической структурой и т.п.;

поле связок, в котором содержатся один или несколько указателей, связывающий данный элемент с другими элементами структуры;

Когда связное представление данных используется для решения прикладной задачи, для конечного пользователя "видимым" делается только содержимое информационного поля, а поле связок используется только программистом-разработчиком.

Достоинства связного представления данных - в возможности обеспечения значительной изменчивости структур; размер структуры ограничивается только доступным объемом машинной памяти; при изменении логической последовательности элементов структуры требуется не перемещение данных в памяти, а только коррекция указателей; большая гибкость структуры.

Вместе с тем связное представление не лишено и недостатков, основные из которых: на поля связок расходуется дополнительная память; доступ к элементам связной структуры может быть менее эффективным по времени. Последний недостаток является наиболее серьезным и именно им ограничивается применимость связного представления данных. Если в смежном представлении данных для вычисления адреса любого элемента нам во всех случаях достаточно было номера элемента и информации, содержащейся в дескрипторе структуры, то для связного представления адрес элемента не может быть вычислен из исходных данных. Дескриптор связной структуры содержит один или несколько указателей, позволяющих войти в структуру, далее поиск требуемого элемента выполняется следованием по цепочке указателей от элемента к элементу. Поэтому связное представление практически никогда не применяется в задачах, где логическая структура данных имеет вид вектора или массива - с доступом по номеру элемента, но часто применяется в задачах, где логическая структура требует другой исходной информации доступа (таблицы, списки, деревья и т.д.).

Модель окна исполнения. Зависимости по данным и по управлению

При описании структуры суперскалярных процессоров используется модель окна исполнения, которое перемещается по статической структуре программы. Команды, попавшие в окно, могут исполняться параллельно, если между ними нет зависимости. Для устранения лишних зависимостей, вызванных командами перехода используется метод предсказания, позволяющий извлекать и условно исполнять команды после предсказанного перехода. Если предсказание было сделано верно, то рез-ты условно выполняемых команд принимаются иначе состояние процессора восстанавливается на момент принятия решения о переходе.

Для правильного исполнения программы команды выполняются в соответствии со статической структурой. При обращении к одному и тому же ресурсу для команд, находящихся в окне, возникают следующие виды зависимостей по чтению (R) и записи (W): RAR, WAR, RAW, WAW.

RAR соответствует отсутствию зависимостей, т.к. в данном случае порядок выполнения к-нд не имеет значения. Действ. зависимостью является RAW, т.к. необх-мо прочитать предварительно записанные новые данные а не старые. Зависимости типа WAW - лишние, кот. появляются в результате неоптимального программного кода. После удаления лишних зависимостей по данным и по управлению, команды могут использоваться параллельно. Лишние зависимости по данным могут устраняться путем оптимизации программного кода и использования расширенного числа ресурсов, поскольку запись можно производить не только в ресурс, определенный программой, но и в свободный, поэтому суперскалярный процессор имеет специальный механизм переименования ресурсов, который передает имена ресурсов, используемых в командах с зависимостями, свободным ресурсам. Таким образом, аппаратные средства процессора удаляют лишние зависимости из программы и распределяют команды окна исполнения по параллельно работающим устройствам. Здесь активно используется принцип конвейеризации, когда за один такт выдается один результат команды, а при наличии нескольких параллельных конвейеров - несколько результатов.

Основные блоки суперскалярного процессора

В число основных блоков суперскалярного процессора входят: блок выборки команд и предсказания переходов, блоки декодирования команд анализа зависимостей, переименования и диспетчеризации, блоки регистров и обрабатывающих устройств с плавающей и фиксированной точкой, блок управления памятью и блок упорядочения выполненных команд.

Рис.

МПС 4. Мультискалярные процессоры. Архитектура. Граф управляющие зависимости. Преимущества мультискалярной архитекруры

Мультискалярные процессоры в настоящее время находятся только в стадии становления. В них предполагается использовать идею параллелизма на уровне команд, который извлекается из последовательной программы на языке высокого уровня. Программа разбивается на совокупность задач с помощью программных и аппаратных средств.

Задачей в этом случае называется часть программы, соответствующая непрерывной области динамической последовательности команд. Расщепление программы отображается в виде графа управляющих зависимостей и составляется последовательность обхода графа управляющих зависимостей.

Далее на каждом шаге обхода графа специальная программа-планировщик в мультискалярном процессоре назначает каждую задачу на один из процессорных элементов (ПЭ) для исполнения, без учета фактического содержания задач, и продолжает обход от рассматриваемой вершины графа. Задача назначается процессорному элементу передачей ему начального значения программного счетчика и далее процессорный элемент выполняет следующую за ним последовательность команд. Значения разделенных регистров копируются в каждый элемент и результат их модификации параллельных процессорных элементов.

Доступ к памяти осуществляется спекулятивно без учета предшествующих команд загрузки или сохранения. Обращения к данным многими процессорными элементами и приостановка вычислений производится только в случае истинной зависимости данных.

Мультискалярная архитектура

Принцип: Программа разбивается на совокупность задач (блоков) с помощью программных средств, каждой из которых назначается свой процессорный элемент для исполнения.

Отсюда видно, что программу можно структурировать. В вершинах этого ориентированного графа располагаются базисные блоки, где под базисным блоком понимается последовательность команд, исполняемая на одном процессорном элементе. Рассмотрим схему процессора, имеющего мультискалярную архитектуру.

1) Каждый процессорный элемент выполняет команды своего базисного блока, находящегося в кэш-памяти команд.

2) Значение разделяемых процессорными элементами регистров копируется в каждый процессорный элемент. В этом случае может оказаться, что не все процессорные элементы разделяют один и тот же регистр. Результат модификации регистра динамически направляется через однонаправленное кольцо множеству процессорных элементов, но модификация регистров осуществляется только в том процессорном элементе, который не замаскирован для этой операции. По однонаправленному кольцу проходят команды, имеющие следующий формат:

Маски генерируются статически компилятором, а динамически во время исполнения -планировщиком, - это оперативная связь между процессорными элементам.

3) Обращение к данным каждым процессорным элементом осуществляется параллельно через коммутационную среду, обеспечивающую его связь с требуемым банком данных. Банк данных, помимо ЗУ, содержит кэш-данных и буфер адресов (очередь запросов). Планировщик выполняет назначение базисных блоков процессорным элементам и синхронизацию их исполнения. Использование мультискалярной архитектуры возможно только при наличие распараллеливающего компилятора с языков высокого уровня.

Из-за спекулятивного характера обращения к памяти мультискалярное выполнение должно предусматривать как средства подтверждения правильности выполнения, так и средства исправления в случае некорректного исполнения. Мультискалярная программа должна обеспечить быстрый обход графа управляющих зависимостей, в результате которого множество задач распределяется по процессорным элементам. Мультискалярный процессор имеет большую глубину предсказания, чем суперскалярный при обеспечении высокой вероятности правильного направления. Так как планировщик должен предсказывать только крупные ветви, отделяющие задачи, то он может распределять по процессорным элементам разные варианты обхода графа управляющих зависимостей. При этом сложность логики согласования результатов имеет только порядок n в отличие от логики согласования суперскалярного процессора, имеющего порядок n². Мультискалярный процессор похож на многопроцессорную систему с общей памятью и низким уровнем затрат на планирование. В отличие от многопроцессорной системы он не требует априорного распределения задач по процессорным элементам. Мультискалярная архитектура обеспечивает уровни низкого и высокого распараллеливания, методы статической и динамической структуры программы, благодаря чему ресурсы используются более эффективно, чем в других типах архитектур.

МПС 5. Стандарт PC/104, РС/104+. Промышленные компьютеры и контроллеры

Стандарт PC/104 (IEEE-996.1) предлагает полную совместимость по PC-архитектуре, аппаратной и программной частям, но в исключительно компактном (90х96 мм) варианте стыкуемых модулей. Главная особенность стандарта - это то, что он дает возможность различной компоновки PC компьютера. Например, стековая архитектура обеспечивает минимальные габариты компьютера, а использование базовой платы обеспечивает его минимальную высоту. Применение новых разъемов для PC-шины обеспечивает надежную работу компьютеров в жестких условиях эксплуатации (повышенная вибрация, солевой туман, широкий диапазон температур и т.д.). Новейшие технологии производства электронных компонентов (субмикронная технология), применение поверхностного монтажа высокой плотности позволили резко сократить габариты и потребление энергии модулей PC/104, что позволяет использовать их в закрытых объемах без дополнительного охлаждения. Например, типовой PC/104 компьютер i486 серии потребляет 2,5 Вт. Малые габариты позволяют легко термостатировать компьютеры PC/104 при использовании в условиях сверхнизких температур (-60°С и ниже).

Стандарт PC/104, идеально удовлетворяет требованиям для встроенных систем, что сделало его чрезвычайно популярным не только в США, но и в странах Европы и Азии, где технология производства обеспечивает требования стандарта PC/104.

В настоящее время росту популярности стандарта PC/104 дополнительно способствует мировая тенденция перехода к распределенным системам управления, которые обладают большой гибкостью, легкостью обслуживания и высокими показателями надежности. При построении систем широко используются сетевые интерфейсы: Ethernet, Arcnet, InterBus-S и т.д., а аппаратная и программная поддержка для операционных систем AMX, MS-DOS и т.д. широко представлена фирмами, работающими в стандарте PC/104. Удачная конструкция модулей PC/104 позволяет использовать как готовые конструктивы DIN-rail и Евростандарта, которые наиболее широко используются в промышленности, так и специальные, которые предназначены для жестких условий эксплуатации.

Бурное развитие стандарта в 94-95-х годах привлекло повышенное внимание компаний, выпускающих оборудование для военных применений. Сегодня в стандарте PC/104 выпускаются основные интерфейсы MIL-STD, конструктивы с требованиями MIL-STD, интерфейсы для авиационной промышленности.

Расширение стандарта IEEE-P996. Модули PC/104 изготавливались начиная с 1987г., хотя их спецификация не публиковалась до 1992г. С 1992г. интерес к PC/104 резко возрос, и более трех десятков производителей представили около ста типов различных модулей PC/104. Стандарт PC/104 появился как модификация стандарта IEEE-P996 для промышленных приложений. В 1992 г. Международный Институт Инженеров по Электронным Разработкам (IEEE) начал проект по стандартизации уменьшенного конструктива стандарта для PC- и PC/AT-машины для встроенных применений. Спецификация PC/104 была принята как базовый документ для нового стандарта IEEE, названного Р996.1 Standard for Compact Embedded - PC Modules (Стандарт для компактных встраиваемых PC модулей). Появившись в США, стандарт PC/104 стал быстро распространяться. Изделия в стандарте PC/104 производят не только в США, но и в Европе и Азии.

Два вида использования модулей PC/104. Различная компоновка модулей PC/104 практически не ограничивает разработчика в использовании их во встроенных системах. Например, стековая архитектура обеспечивает минимальные габариты компьютера, а использование базовой платы обеспечивает его минимальную высоту.

В зависимости от условий эксплуатации фирмы выпускают различные типы конструктивов и различные варианты исполнений модулей PC/104.

Испытания на механические воздействия узлов и блоков обычно производятся в собранном виде с подключенными кабелями, поскольку в зависимости от типов примененных конструктивов используются различные варианты подключения и крепления кабелей.

Малые габариты изделий PC/104 и низкое энергопотребление позволяют осуществлять заливку модулей и отдельных плат компаундами и пластиками, что обеспечивает надежную эксплуатацию электроники в условиях повышенной вибрации и агрессивных сред.

PC/104+ - дальнейшее развитие стандарта IEEE-P996.1 (PC/104)

Развитие стандарта IEEE-P996.1 (PC/104) в 95-96 годах привлекло внимание крупных электронных компаний, производящих электронную продукцию для специальных применений. Сегодня почти все основные производители встраиваемых компьютеров выпускают изделия в этом формате, трудно найти приложения, которые не были бы реализованы в стандарте PC/104.

В конце 1996 г. фирмы AMPRO и MOTOROLA анонсировали дополнение шины PC/104 шиной PCI, при полной совместимости со старыми изделиями в IEEE-P996.1 (PC/104). Новая спецификация была одобрена подавляющим большинством членов консорциума PC/104 в феврале 1997 г. и предложена к публикации на конференции по встраиваемым системам в Бостоне в марте 1997г.

Промышленные компьютеры и контроллеры

Промышленные ARM компьютеры-контроллеры в стандарте PC/104 имеют малые габариты, возможность непосредственного запуска программ из ПЗУ, низкое потребление энергии, отсутствие принудительного охлаждения. Эта особенность позволяет использовать их в качестве универсальных программируемых контроллеров работающих в жестких условиях эксплуатации. Основной особенностью ARM компьютеров является очень низкое потребление энергии (единицы Ватт) при достаточно высокой производительности и возможность непосредственного исполнения программ, находящихся в ПЗУ. Непосредственное исполнение программы, находящейся в ПЗУ обеспечивает быстрый старт и перезагрузку системы, поскольку не требуется загрузка в ОЗУ исполняемой программы, находящейся в ПЗУ. ARM компьютеры могут поставляться с операционной системой или с интегрированной интерактивной системой разработки и отладки программного обеспечения. Новое поколение высокопроизводительных ARM процессоров Cortex-A8 содержит в своем составе высокопроизводительный математический векторный сопроцессор с плавающей точкой позволяющий существенно ускорить выполнение сложных математических задач.

Промышленные PC компьютеры в стандарте PC/104 обладают возможностью запуска программ в ОЗУ, с помощью их перезагрузки из ПЗУ, что также позволяет использовать PC компьютеры в качестве универсальных программируемых контроллеров. Основным достоинством при использовании подобных устройств является использование хорошо известного программного обеспечения, т.е. фактически во время разработки пользователь может использовать типовую операционную систему обычного PC-компьютера, а также языки высокого уровня (СИ++, СИ,Форт, Паскаль, Бейсик и т.д.). После завершения процесса разработки и отладки готовая программа прожигается во флеш ПЗУ, которое установлено на плате компьютера, с помощью средств, находящихся на этой же плате. После прожига программы в ПЗУ, во время включения питания, стартовый загрузчик процессора перекачивает ядро операционной системы и разработанную программу из ПЗУ в ОЗУ и передает на нее управление. Процесс разработки и отладки системы при использовании готовых модулей ввода-вывода и языков высокого уровня может составить всего несколько часов.

Наибольший выигрыш от применения компьютерных модулей разработчик получает в системах, использующих накопители большой емкости (винчестеры, карты PCMCIA, CD-ROM накопители и т.д.) и мониторы высокого разрешения (SVGA). В этом случае в распоряжении пользователя - высокоуровневая поддержка операционной системы и большое количество готовых драйверов для работы с накопителями различного типа и видеоконтроллерами. Относительно дорогая электроника встраиваемого компьютера используется в этом случае максимально эффективно.

Основным недостатком РС-компьютеров, при использовании их во встраиваемых системах, является медленный старт, поскольку при включении питания происходит тестирование периферии процессорного модуля, инициализация и перекачка ядра операционной системы, пользовательской программы из ПЗУ в ОЗУ, и только затем система передает управление пользовательской программе. Типовое время старта системы - от десятков секунд до нескольких минут в зависимости от типа процессорного модуля и типа операционной системы. То же время необходимо в случае перезапуска компьютера с помощью сторожевого таймера (Watchdog timer) , т.е. система зависает в ожидании рестарта. Отключение блока инициализации операционной системы приводит к потере основного преимущества - возможности использования операционной системы и, как следствие этого, возможности использования готового программного обеспечения.

Другими серьезными недостатками использования PC-компьютеров в системах управления являются:

· медленная реакция 8088-совместимых процессоров на прерывания;

· отсутствие в системе команд инструкций для работы с битами;

· медленное выполнение арифметических операций;

· отсутствие хороших компиляторов с языков высокого уровня для 8088 cовместимых процессоров, позволяющих строить код, исполняемый из ПЗУ;

· медленная работа типовой PC-периферии;

· высокая стоимость при использовании в простых и дешевых системах.

МПС 6. Понятие об интегрированной и распределенной системе. CAN (Control Area Network) - интерфейс

Резкое уменьшение габаритов современных электронных устройств и повышение их функциональной насыщенности во многом изменило идеологию проектирования крупных систем. В настоящее время наблюдается переход от интегрированных систем, в которых один мощный процессор управляет большим количеством пассивных периферийных устройств, к распределенным - когда каждый элемент системы является активным устройством.

В первом случае в системе используется мощный процессор с большим количеством пассивных устройств, а передача информации осуществляется по параллельной шине (например VME, PCI, ISA, PC/104 и т.д.).

Распределенные системы обладают следующими преимуществами:

· Легкая расширяемость. Cтандартные протоколы верхнего и нижнего уровней позволяют строить системы с автоконфигурацией, а также обеспечивают совместимость с оборудованием, производимым другими фирмами.

· Высокая надежность. Для подключения к сетевому интерфейсу требуется небольшое количество проводов и используются разъемы с небольшим количеством контактов. Например для подключения к CAN или Profibus необходимо 3 провода - два сигнальных и один общий, если использовать дополнительный канал для резервирования, то требуется 6 проводов и соответствующее количество контактов разъема. При таком количестве сигналов легко обеспечивается гальваническая развязка элементов системы. Ряд сетевых интерфейсов осуществляет коррекцию ошибок на аппаратном уровне, для передачи и приема используются дифференциальные приемопередатчики, которые подавляют синфазные помехи. Поскольку в такой системе все элементы активны, то легко обеспечивается дублирование функций другими элементами системы.

· Малые сроки разработки. Наибольший выигрыш достигается при разработке крупных систем, поскольку большая часть аппаратных средств и программного обеспечения не требует модификации.

· Легкость тестирования и отладки. Поскольку все элементы системы активны, легко обеспечить самодиагностику и поиск неисправности.

· Возможность распределения системы по объекту. Система может находиться в одном конструктиве, а также может быть распределена по объекту, что позволяет уменьшить затраты на монтаж и на использование медного провода.

· Использование компьютеров и контроллеров меньшей мощности. Задача распределяется по активным элементам системы - метод декомпозиции, активно используется программистами для разработки эффективных программ. Поскольку при решении задачи используется несколько процессоров, каждый из них может иметь небольшую производительность.

Локальная шина выбирается исходя из требований необходимой производительности и совместимости с соответствующими периферийными устройствами. Однако необходимо помнить, что многоразрядные производительные шины обладают низкой помехоустойчивостью и высокой стоимостью, а их многоконтактные выходные разъёмы уменьшают надёжность. Подобные шинные интерфейсы должны применяться там, где они необходимы - при передаче информации от быстродействующих цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей, при обмене между DSP процессорами, видеопроцессорами, дополнительными модулями памяти и т.д.

Системы управления могут разрабатываться на базе компьютеров или контроллеров.

Достоинством применения компьютеров в распределённых системах управления являются: универсальность, мощная поддержка хорошо известного программного обеспечения и, как следствие этого, высокая скорость разработки системы. Главными недостатками - относительно высокая стоимость аппаратных средств, медленное восстановление после рестарта системы ("медленный" старт PC компьютеров), что ограничивает применение подобных изделий в системах реального времени.

Использование микропроцессорных контроллеров дает наибольший выигрыш в стоимости системы при ее серийном выпуске, обеспечивает реальное время работы с внешними устройствами, быстрое время рестарта и увеличивает степень интеграции системы (меньшие габариты), поскольку современный промышленный контроллер позволяет заменить до 5 компьютерных плат (процессор с устройствами ввода-вывода).

Основными трудностями при проектировании систем c использованием интегрированных микроконтроллеров являются трудности, связанные с разработкой программного обеспечения, т.к. необходимо применение специальных средств для тестирования и отладки программ, отсутствие стандартных интерфейсов для мониторов высокого разрешения и накопителей большой емкости.

Комбинированное использование встраиваемых компьютеров и контроллеров при построении крупных систем позволяет максимально использовать преимущества и тех и других, и обеспечивает высокие показатели универсальности, надежности, стоимости и т.д.

CAN (Control Area Network) - интерфейс

CAN - последовательная магистраль, обеспечивающая увязку в сеть "интеллектуальных" устройств ввода/вывода, датчиков и исполнительных устройств некоторого механизма или даже предприятия. Характеризуется протоколом, обеспечивающим возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств, обеспечивающим передачу данных в реальном масштабе времени и коррекцию ошибок, высокой помехоустойчивостью. Система CAN обеспечена большим количеством микросхем, обеспечивающих работу подключенных к магистрали устройств.CAN - протокол первоначально был предназначен для использования в шинах последовательных данных в автомобилях. Такие шины должны были обладать следующими характеристиками:

1. должна быть возможность обработки данных в реальном масштабе времени;

2. должна быть надежная передача при электромагнитных помехах;

3. должна обладать экономической эффективностью;

4. должна обладать необходимой ширенной полосы частот.

CAN- интерфейс обеспечивает возможность построения мультипроцессорных систем с использованием минимального количества соединительных цепей. В отличие от типовых сетевых интерфейсов(Ethernet, ArcNet и др.) CAN- интерфейс обеспечивает возможность задания приоритетов на шине и является наиболее распространенным вариантом микропроцессорного шинного интерфейса с дифференциальным приемником и передатчиком.

СAN - протокол - это протокол связи с высокой надежностью передачи информации по последовательному каналу в широковещательном режиме. Это значит, что все CAN - узлы могут слышать все сообщения, находящиеся на шине. Поэтому нельзя послать сообщение только одному CAN - узлу. CAN - контроллеры обеспечивают локальную фильтрацию сообщений так, чтобы каждый узел мог реагировать только на нужные ему сообщения. При передаче данных CAN - протокол аппаратно обеспечивает формирование сообщения, выполняет передачу данных, осуществляет побитную синхронизацию, выполняет идентификацию сообщения, проводит битстаффинг (вставка бита после некоторой последовательности бит), подтверждает правильность приема данных, а так же обнаруживает и исправляет ошибки.

Каждый CAN- узел содержит CAN- контроллер, который обеспечивает взаимодействие с сетью и реализует протокол, и микропроцессор(CPU).