Архитектура и принцип работы микропроцессора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Высшего и Среднего специального образования

Республики Узбекистан

ТГТУ имени А.Р.Беруний

Кафедра «Приборостроение»

Самостоятельная работа

По микропроцессорной технике

по теме: Архитектура и принцип работы микропроцессора

Выполнила: студентка гр. 134-10 БМ Раджабова Н.С.

Введение

Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов.

1. Архитектура микропроцессора

Основные характеристики микропроцессора

Микропроцессор характеризуется:

1) тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ;

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

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

Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рис. 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. 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.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую программу (на практике программу инициализации ЭВМ). Программы могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.

В качестве примера, иллюстрирующего работу микроЭВМ, рассмотрим процедуру, для реализации которой нужно выполнить следующую последовательность элементарных операций:

1. Нажать клавишу с буквой "А" на клавиатуре.

2. Поместить букву "А" в память микроЭВМ.

3. Вывести букву "А" на экран дисплея.

Это типичная процедура ввода-запоминания-вывода, рассмотрение которой дает возможность пояснить принципы использования некоторых устройств, входящих в микроЭВМ.

На рис. 2 приведена подробная диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода. Обратите внимание, что команды уже загружены в первые шесть ячеек памяти. Хранимая программа содержит следующую цепочку команд:

1. Ввести данные из порта ввода 1.

2. Запомнить данные в ячейке памяти 200.

3. Переслать данные в порт вывода 10.

В данной программе всего три команды, хотя на рис. 2 может показаться, что в памяти программ записано шесть команд. Это связано с тем, что команда обычно разбивается на части. Первая часть команды 1 в приведенной выше программе - команда ввода данных. Во второй части команды 1 указывается, откуда нужно ввести данные (из порта 1). Первая часть команды, предписывающая конкретное действие, называется кодом операции (КОП), а вторая часть - операндом. Код операции и операнд размещаются в отдельных ячейках памяти программ. На рис. 2 КОП хранится в ячейке 100, а код операнда - в ячейке 101 (порт 1); последний указывает, откуда нужно взять информацию.

Рис. 2. Диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода.

В МП на рис. 2 выделены еще два новых блока - регистры: аккумулятор и регистр команд.

Рассмотрим прохождение команд и данных внутри микроЭВМ с помощью занумерованных кружков на диаграмме. Напомним, что микропроцессор - это центральный узел, управляющий перемещением всех данных и выполнением операций.

Итак, при выполнении типичной процедуры ввода-запоминания-вывода в микроЭВМ происходит следующая последовательность действий:

1. МП выдает адрес 100 на шину адреса. По шине управления поступает сигнал, устанавливающий память программ (конкретную микросхему) в режим считывания.

2. ЗУ программ пересылает первую команду ("Ввести данные") по шине данных, и МП получает это закодированное сообщение. Команда помещается в регистр команд. МП декодирует (интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нужен операнд.

3. МП выдает адрес 101 на ША; ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.

4. Из памяти программ на ШД пересылается операнд "Из порта 1". Этот операнд находится в программной памяти в ячейке 101. Код операнда (содержащий адрес порта 1) передается по ШД к МП и направляется в регистр команд. МП теперь декодирует полную команду ("Ввести данные из порта 1").

5. МП, используя ША и ШУ, связывающие его с устройством ввода, открывает порт 1. Цифровой код буквы "А" передается в аккумулятор внутри МП и запоминается.

Важно отметить, что при обработке каждой программной команды МП действует согласно микропроцедуре выборки-декодирования-исполнения.

6. МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.

7. Код команды "Запомнить данные" подается на ШД и пересылается в МП, где помещается в регистр команд.

8. МП дешифрирует эту команду и определяет, что для нее нужен операнд. МП обращается к ячейке памяти 103 и приводит в активное состояние вход считывания микросхем памяти программ.

9. Из памяти программ на ШД пересылается код сообщения "В ячейке памяти 200". МП воспринимает этот операнд и помещает его в регистр команд. Полная команда "Запомнить данные в ячейке памяти 200" выбрана из памяти программ и декодирована.

10. Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пересылает адрес 200 на ША и активизирует вход записи, относящийся к памяти данных.

11. МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в память данных. Код буквы "А" передается по ШД и записывается в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая команда. Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем по-прежнему находится код буквы "А".

12. МП обращается к ячейке памяти 104 для выбора очередной команды и переводит память программ в режим считывания.

13. Код команды вывода данных пересылается по ШД к МП, который помещает ее в регистр команд, дешифрирует и определяет, что нужен операнд.

14. МП выдает адрес 105 на ША и устанавливает память программ в режим считывания.

15. Из памяти программ по ШД к МП поступает код операнда "В порт 10", который далее помещается в регистр команд.

16. МП дешифрирует полную команду "Вывести данные в порт 10". С помощью ША и ШУ, связывающих его с устройством вывода, МП открывает порт 10, пересылает код буквы "А" (все еще находящийся в аккумуляторе) по ШД. Буква "А" выводится через порт 10 на экран дисплея.

В большинстве микропроцессорных систем (МПС) передача информации осуществляется способом, аналогичным рассмотренному выше. Наиболее существенные различия возможны в блоках ввода и вывода информации.

Подчеркнем еще раз, что именно микропроцессор является ядром системы и осуществляет управление всеми операциями. Его работа представляет последовательную реализацию микропроцедур выборки-дешифрации-исполнения. Однако фактическая последовательность операций в МПС определяется командами, записанными в памяти программ.

Таким образом, в МПС микропроцессор выполняет следующие функции:

- выборку команд программы из основной памяти;

- дешифрацию команд;

- выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах;

- управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода;

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

- управление и координацию работы основных узлов МП.

2. Блок обработки сигналов микропроцессора

Основным принципом работы любого цифрового устройства с памятью, в том числе и микропроцессора, является наличие цепи синхронизации. Этот сигнал, как и цепь питания, подводится к любому регистру цифрового устройства.

Блок обработки сигналов предназначен для считывания команд из системной памяти и выполнения считанных команд. Эти действия он осуществляет под управлением блока микропрограммного управления, который формирует последовательность микрокоманд, необходимую для выполнения команды. Схема одного из вариантов построения блока обработки сигналов приведена на рисунке 1.

В этой схеме явно просматривается, что отдельные биты микрокоманды (показанной внизу схемы) управляют различными блоками БОС, поэтому их можно рассматривать независимо друг от друга. Такие группы бит называются полями микрокоманды и составляют формат этой микрокоманды.

Кроме бит, управляющих блоком обработки сигналов есть биты, управляющие блоком микропрограммного управления. Формат микрокоманды рассматриваемого процессора приведен на рисунке 3. Результат выполнения микрокоманды записывается по сигналу общей синхронизации CLK.

Для хранения и декодирования выполняемой команды выделим восьмиразрядный регистр, который назовем RI.

Для реализации более простой системы команд выберем аккумуляторный процессор. Соответственно необходимо один из регистров выделить в качестве аккумулятора ACC.

Рисунок 3. Блок обработки сигналов

Так как мы выбрали для примера восьмиразрядный микропроцессор, то и все регистры в этом процессоре восьмиразрядные. Максимальное число, которое можно записать в такой регистр - 255, но для большинства программ такого объема памяти недостаточно. В приведенной на рисунке 1 схеме для того, чтобы получить 16-ти разрядный адрес используется два 8-ми разрядных регистра адреса. Теперь максимальное число, которое можно записать в этих двух регистрах будет 65535, что вполне достаточно для записи программ и обрабатываемых ими данных. Для того чтобы различать регистр старшего и младшего байта адреса обозначим их как PCH - старший байт и PCL- младший байт. Это позволяет при помощи восьмиразрядного АЛУ формировать 16-ти разрядный адрес.

Программный счетчик хранит текущее значение ячейки памяти из которой считывается команда, но процессор может обращаться и к данным, поэтому для формирования адреса выделим еще пару регистров RAH - старший байт и RAL - младший байт. Выходы этих регистров выведем за пределы микросхемы и будем использовать в качестве шестнадцатиразрядной шины адреса.

Еще один регистр используется для формирования сигналов управления системной шины микропроцессора. В простейшем случае это сигналы записи (WR) и чтения (RD). Для формирования необходимых сигналов достаточно записывать в определенный бит регистра логический 0 или 1. Определим формат регистра управления. Пусть нулевой бит этого регистра будет сигналом записи, а первый бит этого регистра будет сигналом чтения. Остальные биты этого регистра пока не важны. Полученный формат приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Формат регистра управления (CR).

3. Блок микропрограммного управления

Блок микропрограммного управления предназначен для формирования последовательности микрокоманд блока обработки сигналов. В простейшем случае его можно построить на счетчике с возможностью предзаписи и ПЗУ. Схема такого блока приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Блок микропрограммного управления.

В этой схеме адрес очередной микрокоманды формирует двоичный счетчик. Если требуется осуществить безусловный или условный переход, то новый адрес записывается из ПЗУ в этот счетчик как в обычный параллельный регистр по сигналу параллельной записи V. Переход к следующему адресу микрокоманды производится по сигналу общей синхронизации CLK.

Рисунок 4. Формат микрокоманды процессора.

4. Принципы работы микропроцессора

В настоящее время наметилось два направления развития микропроцессоров:

CISC процессоры (процессоры с полным набором команд)

RISC процессоры (процессоры с сокращенным набором команд)

CISC (англ. Complex instruction set computing, или англ. complex instruction set computer -- компьютер с полным набором команд-- концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:

нефиксированное значение длины команды;

арифметические действия кодируются в одной команде;

небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определённую функцию.

Типичными представителями являются процессоры на основе команд x86 (исключая современные Intel Pentium 4, Pentium D, Core, AMD Athlon, Phenom, которые являются гибридными) и процессоры Motorola MC680x0.

Наиболее распространённая архитектура современных настольных, серверных и мобильных процессоров построена по архитектуре Intel x86 (или х86-64 в случае 64-разрядных процессоров). Формально, все х86-процессоры являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры, начиная с Intel Pentium Pro, являются CISC-процессорами с RISC-ядром.[источник не указан 533 дня] Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции процессоров x86 в более простой набор внутренних инструкций RISC.

В микропроцессор встраивается аппаратный транслятор, превращающий команды x86 в команды внутреннего RISC-процессора. При этом одна команда x86 может порождать несколько RISC-команд (в случае процессоров типа P6 -- до четырёх RISC-команд в большинстве случаев). Исполнение команд происходит на суперскалярном конвейере одновременно по несколько штук.

Это потребовалось для увеличения скорости обработки CISC-команд, так как известно, что любой CISC-процессор уступает RISC-процессорам по количеству выполняемых операций в секунду. В итоге, такой подход и позволил поднять производительность CPU.

Недостатки CISC архитектуры

· высокая стоимость аппаратной части;

· сложности с распараллеливанием вычислений.

Методика построения системы команд CISC противоположна другой методике - RISC. Различие этих концепций состоит в методах программирования, а не в реальной архитектуре процессора. Практически все современные процессоры эмулируют наборы команд как RISC так и CISC типа.

В рабочих станциях, серверах среднего звена и персональных компьютерах используются процессоры с CISC. Наиболее распространенная архитектура команд процессоров мобильных уcтройств - SOC и мэйнфреймов - RISC. В микроконтроллерах различных устройств RISC используется в подавляющем большинстве случаев.

В процессорах с полным набором команд (CISC) используется уровень микропрограммирования для того, чтобы декодировать и выполнить команду микропроцессора. В этих процессорах формат команды не зависит от аппаратуры процессора. На одной и той же аппаратуре при смене микропрограммы могут быть реализованы различные микропроцессоры. С другой стороны смена аппаратуры никак не влияет на программное обеспечение микропроцессора. С точки зрения пользователя у микропроцессора только увеличивается производительность, снижается потребление энергии, уменьшаются габариты устройств. Неявным недостатком таких процессоров является то, что производители микросхем стараются увеличить количество команд, которые может выполнять микропроцессор, тем самым увеличивая сложность микропрограммы и замедляя выполнение каждой команды в целом.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) - архитектура процессора с сокращённым набором инструкций. Начало исследований данной области положено компанией IBM (в исследовательском центре IBM, имени Томаса Джона Уотсона) в 1975 году.

В процессорах с сокращенным набором команд (RISC) декодирование и исполнение команды производится аппаратурно, поэтому количество команд ограниченно минимальным набором. В этих процессорах команда и микрокоманда совпадают. Преимуществом этого типа процессоров является то, что команда может быть в принципе выполнена за один такт (не требуется выполнение микропрограммы), однако для выполнения тех же действий, которые выполняет команда CISC процессора, требуется выполнение целой программы.

В большинстве случаев быстродействие RISC процессоров выше чем CISC процессоров, однако, при выборе процессора нужно учитывать все параметры в целом, т.к. тактовая частота может оказаться значительно ниже по сравнению с CISC процессором (особенно если в нем применяются специальные меры по повышению производительности), разрядность команды может оказаться выше чем у CISC процессора (что чаще всего и бывает). В результате общий объем исполняемой программы для RISC процессора превысит объем подобной программы для CISC процессора.

В качестве примера рассмотрим устройство процессора с полным набором команд. Здесь будет рассматриваться упрощенная модель процессора для облегчения понимания работы. CISC микропроцессор состоит из двух частей:

Блок обработки сигналов;

Блок микропрограммного управления.

Появление полноценной RISC архитектуры на процессорах, позволило упростить конструкцию вычислительных ядер; уменьшить стоимость, площадь и при этом увеличить количество регистров общего назначения; унифицировать команды для вычислительных ядер и сравнять время выполнения всех команд, что также позволило воплотить в жизнь конвейерную обработку инструкций (реализация сложных инструкций из множества результатов более простых).

Вычислительным ядрам больше не нужно было обращаться к более медленной оперативной памяти для занесения и считывания результатов. Эти цели теперь выполняют регистры общего назначения, а к оперативной памяти обращение идёт только в процессе чтения начальных данных и вывода результатов вычислений. Поддерживается маршрут «регистр-регистр».

*в сравнении с CISC - архитектурой RISC архитектура сейчас.

Основной проблемой по реализации RISC архитектуры являлась недостаточная поддержка со стороны софта и программного обеспечения. Но с появлением поддержки UNIX\Linux подобных систем, эта проблема практически решилась.

Самыми известными и успешными представителями архитектуры RISC являются ARM от разработанная ARM Holdings. Процессоры с данной архитектурой, применяемые в абсолютном большинстве мобильных устройств и даже серверных системах, благодаря очень низкому энергопотреблению и тепловыделению.

Из наиболее известных RISC архитектур можно также выделить разработки компании IBM (PowerPC, Power), компанией Sun Microsystems (SPARC- архитектура) и компанией Atmel (AVR - архитектура).

На данный момент, RISC - архитектура является одной самых распространённых в мире, имея более 40% мирового рынка. Данный результат в основном благодаря ARM архитектуре и то, что в современных мобильных устройствах используются именно процессоры ARM (в абсолютном большинстве).

микропроцессор сигнал управление

Литература

1. Крис Касперски. RISC. CISCэ

Размещено на Allbest.ru