Микропроцессоры. Основные определения

Лекция 1. Микропроцессоры. Основные определения, классификация, закономерности развития, области применения, обобщенная структура.

Под микропроцессором (МП) будем понимать в дальнейшем программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс цифровой обработки информации и управле­ния им и построенное, как правило, на одной БИС.

Микропроцессорное устройство (МПУ) представляет собой функционально и кон­структивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в состав которых входит микропроцессор; оно предназначено для выполнения определенного набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление.

Термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микро-ЭВМ». Первый же патент на однокристальную мик­ро-ЭВМ был выдан в 1971 году М. Кочрену и Г. Буну. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только микропроцессор, но и память, устройства ввода-выво­да. С появлением однокристальных микроЭВМ связывают начало эры компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, это обстоятельство и определило термин «микроконтроллер» (control - управление).

Однако впоследствии расширение сферы использования МК повлекло за собой разви­тие их архитектуры за счет размещения на кристалле устройств (модулей), отражающих своими функциональными возможностями специфику решаемых задач. Такие дополнитель­ные устройства стали называться периферийными. Поэтому неслучайно в последнее время введен еще один термин - «интегрированный процессор» (ИП), который определяет новый класс функционально-емких однокристальных устройств с другим составом модулей. По количеству и составу периферийных устройств ИП уступают МК и занимают промежуточное положение между МП и МК.

Если взять за критерий комплексный показатель «количество данных - количество вычислений», то возможны следующие его значения, определяющие классы задач и ос­новные характеристики МК (табл. 1.1).

 

Таблица 1.1

Значение критерия	Функциональные особенности, применение	Разновидности, производительность
мало данных мало вычислений	Задачи логического управления несложными объектами и процессами	8-разрядные процессоры - низкая производительность
мало данных много вычислений	Локальные регуляторы, системы управления электрическими двигателями, подвижными аппаратами, различными электрическими агрегатами, роботами-манипуляторами, станками, портативное оборудование и т.д.	16-разрядные процессоры - средняя производительность
много данных мало вычислений	Многие сетевые задачи, системы управления потоками данных, коммутаторы, концентраторы, маршрутизаторы и т.п.	32-разрядные процессоры - высокая производительность
много данных много вычислений	Управления реального времени, обработка сигналов с интенсивным обменом, системы распознавания речи, изображений и т.п.	32 и более - сверхвысокая

 

Перечисленным четырем классам задач безусловно соответствуют определенные типы МК и ИП, наиболее полно учитывающих в своей архитектуре их специфику, а установлен­ное соответствие, конечно, не является строгим, Так, среди 8-разрядных УК есть модели, которые с успехом можно использовать, для ре­шения отдельных задач из второго класса. Точно так же семейства 32-разрядных микроконтроллеров в последнее время активно вытесняют 16-разрядные, поскольку разница в цене становится несущественной, при более развитой архитектуре.

Основными направлениями развития микропроцессоров является увеличение их производительности и расширение функциональных возможностей, что достигается как по­вышением уровня микроэлектронной технологии, используемой для производства мик­ропроцессоров, так и применением новых архитектурных и структурных вариантов их реализации. Развитие микроэлектронной технологии обеспечивает непрерывное умень­шение размеров полупроводниковых компонентов, размещаемых на кристалле микро­процессора. При этом уменьшаются паразитные емкости, определяющие задержку пе­реключения логических элементов, и увеличивается число элементов, размещаемых на кристалле. В настоящее время разрешающая способность промышленной технологии изготовления микросхем обеспечивает создание компонентов с минимальными разме­рами 0,13 - 0,18 мкм. При этом обеспечивается создание микропроцессоров» работаю­щих с тактовой частотой до 1 - 2 ГГц и содержащих на кристалле десятки миллионов транзисторов. В соответствии с эмпирическим правилом, которое сформулировал Гордон Мур, один из основателей компании intel, степень интеграции микросхем удваивается каждые 1,5 - 2 года. Это правило выполнялось в течение 40 лет развития микроэлектроники, и можно прогнозировать, что оно будет выполняться и в близком будущем. По­этому можно ожидать последующего быстрого прогресса технологии и связанного с ним повышения характеристик микропроцессоров.

Архитектурой процессора называется комплекс его аппаратных и программных средств, предоставляемых пользователю. В это общее понятие входит набор доступных программных регистров и исполнительных (операционных) устройств, система основных команд и способов адресации, объём и структура адресуемой памяти, виды и способы обработки прерываний.

При описании архитектуры и функционирования процессора обычно используется его представление в виде совокупности программно-доступных регистров, образующих регистровую или программную модель. В этих регистрах содержатся обрабатываемые данные (операнды) и управляющая информация. Соответственно, в регистровую модель входит группа регистров общего назначения, служащих для хранения операндов, и группа служебных регистров, обеспечивающих управление выполнением программы и режи­мом работы процессора, организацию обращения к памяти (защита памяти, сегментная и страничная организация и др.).

Регистры общего назначения образуют РЗУ - внутреннюю регистровую память процессора. Состав и количество служебных регистров определяется архитектурой микро­процессора, Обычно в их состав входят:

- программный счетчик РС (program counter);

- регистр состояния SR (state register);

- регистры управления режимом работы процессора CR (control register).

Функционирование процессора представляется в виде реализации регистровых пе­ресылок - процедур изменения состояния этих регистров путем чтения - записи их содер­жимого. В результате таких пересылок обеспечивается адресация и выбор команд и опе­рандов, хранение и пересылка результатов, изменение последовательности команд и режимов функционирования процессора в соответствии с поступлением нового содер­жимого в служебные регистры, а также все другие процедуры, реализующие процесс обработки информации согласно заданным условиям.

Структура микропроцессора определяет состав и взаимодействие основных уст­ройств и блоков, размещенных на его кристалле. В эту структуру входят:

- центральный процессор (процессорное ядро), состоящее из устройства управления (УУ), одного или нескольких операционных устройств (ОУ);

- внутренняя память (РЗУ, кэш-память, блоки оперативной и постоянной памяти);

- интерфейсный блок, обеспечивающий выход на системную шину и обмен данными с внешними устройствами через параллельные или последовательные порты ввода/вывода;

- периферийные устройства (таймерные модули, аналого-цифровые преобразователи, специализированные контроллеры);

- различные вспомогательные схемы (генератор тактовых импульсов, схемы для выполнения отладки и тестирования, сторожевой таймер и ряд других).

Хотя микропроцессор является универсальным средством для цифровой обработки информации, однако отдельные области применения требуют реализации определенных специфических вариантов их структуры и архитектуры. Поэтому по функциональному при­знаку выделяются два класса: микропроцессоры общего назначения и специализирован­ные микропроцессоры (рис.1.1). Среди специализированных микропроцессоров наибо­лее широкое распространение получили микроконтроллеры, предназначенные для выполнения функций управления различными объектами, и цифровые процессоры сигналов (DSP- Digital Signal Processor), которые ориентированы на реализацию процедур, обеспе­чивающих необходимое преобразование аналоговых сигналов, представленных в цифро­вой форме (в виде последовательности числовых значений).

 

 

Рис. 1.1. Классификация современных микропроцессоров по функциональному признаку

 

 

Микропроцессоры общего назначения предназначены для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации. Их основной областью использования яв­ляются персональные компьютеры, рабочие станции, серверы и другие цифровые системы массового применения. К этому классу относятся CISC-процессоры Pentium ком­пании «Intel», K7 - компании «Advanced MicroDevices» (AMD), 880x0 - компаний «Motorola», RISC-процессоры PoverPC, выпускаемые компаниями «Motorola» и IBM, SPARC - компании «Sun Microsystems» и ряд других изделий различных производителей.

Расширение области применения таких микропроцессоров достигается главным образом путем роста производительности, благодаря чему увеличивается круг задач, который можно решать с их использованием.

Микроконтроллеры являются специализированными микропроцессорами, которые ориентированы на реализацию устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру. Ввиду огромного количества объектов, управление которыми обеспечивается с помощью микроконтроллеров, годовой объем их выпуска превышает 2 миллиарда экземпляров, на порядок превосходя объем выпуска микропроцессоров общего применения, Весьма широкой является также номенклатура выпускаемых микроконтроллеров, которая содержит несколько тысяч типов.

Характерной особенностью структуры микроконтроллеров является размещение на одном кристалле с центральным процессором внутренней памяти и большого набора периферийных устройств. В состав периферийных устройств обычно входят несколько 8-разрядных параллельных портов ввода-вывода данных (от 1 до 8), один или два последовательных порта, таймерный блок, аналого-цифровой преобразователь. Кроме того, различные типы микроконтроллеров содержат дополнительные специализированные устройства - блок формирования сигналов с широтно-имлульсной модуляцией, контроллер жидкокристаллического дисплея и ряд других, благодаря использованию внутренней памяти и периферийных устройств реализуемые на базе микроконтроллеров системы управления содержат минимальное количество дополнительных компонентов.

В связи с широким диапазоном решаемых задач управления требования, предъявляемые к производительности процессора, объему внутренней памяти команд и данных, набору необходимых периферийных устройств, оказываются весьма разнообразными. Для удовлетворения запросов потребителей выпускается большая номенклатура контроллеров, которые принято подразделять на 8-, 16- и 32-разрядные.

8-разрядные микроконтроллеры представляют наиболее многочисленную группу этого класса микропроцессоров, которые имеют относительно низкую производительность, которая, однако, вполне достаточна для решения широкого круга задач управления различными объектами. Это простые и дешевые микроконтроллеры, ориентированные на использование в относительно несложных устройствах массового выпуска. Основными областями их применения являются бытовая и измерительная техника, промышленная автоматика, автомобильная электроника, тёле-, видео- и аудиоаппаратура, средства связи. Микроконтроллеры этой группы обычно выполняют относительно небольшой набор команд (50-100), использующих наиболее простые способы адресации.

16-разрядные микроконтроллеры во многих случаях являются усовершенствованной модификацией своих 8-разрядных прототипов. Они характеризуются не только увеличенной разрядностью обрабатываемых данных, но и расширенной системой команд и способов адресации, увеличенным наборов регистров и объемом адресуемой памяти, а также рядом других дополнительных возможностей, использование которых позволяет повысить производительность и обеспечить новые области применения.

32-разрядные микроконтроллеры содержат высокопроизводительный процессор, соответствующий по своим возможностям младшим моделям микропроцессоров общего назначения.

Цифровые процессоры сигналов (ЦПС) представляют класс специализированных микропроцессоров, ориентированных на цифровую обработку поступающих аналоговых сигналов. Специфической особенностью алгоритмов обработки аналоговых сигналов является необходимость последовательного выполнения ряда команд умножения-сложения с накоплением промежуточного результата в регистре-аккумуляторе. Поэтому архитектура ЦПС ориентирована на реализацию быстрого выполнения операций такого рода. Набор команд этих процессоров содержит специальные команды MAC (multiplication with accumulation), реализующие эти операции.

Значение поступившего сигнала может быть представлено в виде числа с фиксированной или с «плавающей» точкой. В соответствии с этим ЦПС делятся на процессоры, обрабатывающие числа с фиксированной или плавающей точкой. Более простые и дешевые ЦПС с фиксированной точкой обычно обрабатывают 16-разрядные операнды, представленные в виде правильной дроби. Однако ограниченная разрядность в ряде случаев не позволяет обеспечить необходимую точность преобразования. Поэтому в ЦПС с фиксированной точкой, выпускаемых компанией «Motorola», принято 24-разрядное представление операндов, Наиболее высокая точность обработки обеспечивается в случае представления данных в формате с «плавающей» точкой. В ЦПС, обрабатывающих данные с «плавающей» точкой, обычно используется 32-разрядный формат их представления.

Обобщенная структура микропроцессора

Рис. 1.2. Обобщённая структура микропроцессора   Регистровое арифметико-логическое устройство (РАЛУ) – предназначено для выполнения арифметических и логических…

Лекция 2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ).

Структура, подход к проектированию, основные уравнения работы АЛУ.

- выполнение различных арифметико-логических операций (выполнение данного требования обеспечивает набор команд, которые сможет выполнять… - обеспечение межразрядного переноса при выполнении арифметических операций… - обеспечение наращивания разрядности обрабатываемых слов однотипными секциями АЛУ.

Рис. 2.1. Структура АЛУ на примере 4-разрядной секции

 

Сумматор SM применяет свою конфигурацию под воздействием управляющего слова S. Слово S как правило входит в состав микрокоманды и определяет тип операции.

Модификатор М разделяет логические и арифметические операции (при М=0-логические, при М=1-арифметические)

- бит переноса;

-разряды операндов A,B.

- разряды результата.

 

Проведем синтез одного из вариантов АЛУ, для чего сформулируем к нему конкретные требования. Предположим, что необходимо реализовать следующие действия:

· арифметическая операция сложения (плюс );

· арифметическая операция вычитания (минус );

· логическая операция ИЛИ ();

· логическая операция И ();

 

Работу одноразрядного комбинационного сумматора можно описать выражением:

используя правило представления логических функций можно записать:

(1)

Анализ данного выражения показывает, что для реализации арифметической операции сложения необходимо полностью сохранить данное выражение, а для реализации логической операции ИЛИ необходимо исключить операции и . Для этого аналитическое выражение дополняется управляющими сигналами S, которые могут принимать в зависимости от определенных условий значения 0 или 1. Таким образом выражение 1 примет вид:

 

(2)

Если в данное выражение подставить:

М=0, S3 = 0, то результат операции будет логическое ИЛИ над многоразрядными операндами А и В,

М = 1, S3 = 1, то результат операции будет арифметическая операция сложения многоразрядных операндов А и В.

Для выполнения операции вычитания в вычислительных машинах используется либо обратный либо дополнительный коды (обратный код положительного числа полностью соответствует прямому, а для получения обратного кода отрицательного числа необходимо проинвертировать все разряды числа, кроме разряда выполняющего функцию знака). В данном случае возьмем инверсию числа b. Тогда получим:

(3)

Опираясь на выражения (2) и (3) можно записать

(4)

Проверим выполнения требований, которые предъявили к АЛУ

Управляющее слово	Модификатор	Операция
S3	S2	S1	S0	М
					Вычитание
					Сложение
					Или
					И

 

Выражение (4) можно представить в виде:

(5)

где Di= , Fi=

Di, Fi – подготовительные функции нулевого порядка. Эти функции используются для реализации группового или параллельного переноса. Они не зависят от переноса из разряда.

Рассмотрим результаты операций, выполняемые АЛУ.

 

№	Управляющее слово	Результат операции
М = 0	М = 1
Р0 = 0	Р0 = 1
					А	А	А плюс 1 мл. разр.
					А или В	А или В	А или В плюс 1 мл. разр.
					А или	А или	А или плюс 1 мл. разр.
						минус 1
						А плюс А (сдвиг)	А плюс А плюс 1 мл. разр.

 

Недостающие элементы таблицы необходимо заполнить самостоятельно.

 

Фрагмент АЛУ:

 

 

Лекция 3. Организация цепей переноса в пределах секции АЛУ. Наращивание разрядности, схема ускоренного переноса.

Примеры использования АЛУ.

 

Возможно использование двух видов переносов:

· Последовательный

· Параллельный

Схема с параллельным переносом используется в тех случаях, где не требуется высокого быстродействия на обработку информации, но предъявляется требование минимума аппаратных затрат.

Для параллельного переноса:

- подготовительные функции первого порядка. Они используются при построении многоразрядных вычислительных систем для реализации межсекционного переноса.

Наращивание разрядности обрабатываемых слов однотипными секциями.

Последовательный перенос.

Максимальная задержка: от момента поступления сигнала до конца. Задержка всей цепочки 80 мкс.

Параллельный перенос.

 

Эти функции имеют аналитические соотношения аналогичные подготовительным функциям первого порядка.

Задержка СУП (схем ускоренного переноса) составляет 20нск. Следовательно, данная структура имеет задержку 40 м, т.е. в 2 раза меньше, чем у последовательного переноса.

Примеры использования АЛУ.

 

· Преобразователь прямого кода в обратный.

 

Данный преобразователь должен инвертировать все разряды кроме знакового ,если число отрицательное, или оставить данное число без изменений ,если оно положительное.

Пусть на наше устройство поступает число:

Выражение для АЛУ:

При S3=S2=0

 

N5	Результат	S3	S2	S1	S0	M	P0
							X
							X

 

Структурная схема будет иметь вид:

 

· Преобразователь прямого кода в дополнительный.

Данный преобразователь должен инвертировать все разряды, кроме знакового . и прибавить единицу младшего разряда ,если число отрицательное, оставить без изменения , если оно положительное.

При S3=S2=0

При А=0

	Результат	S3		S1	S0	M	P0
							X

 

· Преобразовать из дополнительного кода в обратный .

ПриS3=S2=0

 

N5	Результат	S3	S2	S1	S0	M	P0	B
							X	X

 

Структурная схема будет иметь вид:

Использование АЛУ в качестве решающего устройства целесообразно в тех случаях, когда количество реконфигураций не превышает 8. В иных случаях лучше использовать микропроцессор (т.к. резко возрастают аппаратурные затраты).

 

Лекция 4. Регистровое арефметикологическое устройство. Базовая структура микропроцессора.

- любая операция  

Лекция 5. Однокристальный РАЛУ.

Поясним на примере: сложим 2-х разрядные числа с помощью 4-х разрядного РАЛУ:

Регистровый АЛУ разрядномодульного типа.

  Наращивание разрядности производится только аппаратным путем.  

Лекция 10. Минимализация потерь на выполнение команд перехода.

Конфликты по уровню могут вызывать даже большие потери, чем конфликты по данным. Команды условного перехода может изменить значение счетчика… Простейший способ борьбы с такими конфликтами заключается в приостановке…

Классификация систем памяти.

СОЗУ представляет собой совокупность регистров общего назначения (За счет того что мы не обращаемся к общей шине и работаем на частоте процессора мы имеем макс скорость обращения к АЛУ и СОЗУ)

Внутренняя кеш память – представляет собой статическое ОЗУ относительно небольшого объема, но на порядок большего чем СОЗУ. Работает, как правило, на частоте процессора. Бывает общий кеш данных и команд и бывает раздельный

Внешняя кеш память – так же как и внутренняя явлется статической ОЗУ, но куда большего объем чем внутренняя кеш память и работает на частоте шины (больше объем и меньше скорость)

ОЗУ бывает динамическая и статическая. Имеет большой объем. И работает, как правило, на частоте шины.

ПЗУ используется для хранения констант и программ загрузки.

ВЗУ реализуется внешними накопителями. Со сменными или постоянными носителями памяти.

Принцип построения кеш-памяти.

Принцип временной локальности заключается в том, что при считывании данных из памяти существует высокая вероятность того что программа снова… Принцип пространнственой локальности основывается на том, что есть высокая… Исходя из принципа временной локальности информация в кеш храниться на протяжении небольших интервалов времени, а…

Типовые структуры микросистем

  Все элименты объеденены одной общей магистралью.

Обработка прерываний.

Прерывание-это автоматическое изменение хода программы, вызванное условием или совокупностью условий , возникающие в системе.

Прерывания принято делить на прерывания и исключения. В первом случае прерывание вызвано запросом внешнего устройства – это аппаратные прерывания. Во 2-м случае прерывание вызвано блоком, отслеживающим ошибочные ситуации при работе с процессором (например, деление на ноль).

Прерывания

- Аппаратные - это запросы от внешних устройств. · Маскируемые – можно запретить или разрешить с помощью соответствующих битов… · Немаскированные прерывания обслуживаются в первую очередь и не могут быть запрещены. Как правило процессор имеет…

Обмен МП с внешним устройством.

Вариант

обмен МП с внешним устройством по инициативе микропроцессора

Такой способ обмена применяется там, где нет высоких требований к динамике и малый обмен данных, подлежащих обмену. По мере необходимости процесс посылает запрос к внешнему устройству и ждет появления сигнала, подтверждающего готовность внешнего устройства к обмену, после чего происходит обмен.

Вариант.

Обмен МП с внешним устройством по инициативе внешнего устройства.

По мере готовности данных внешнее устройство выставляет запрос на прерывание. Процессор сохраняет свое текущее состояние и переходит к выполнению программы обмена. Выставляется сигнал подтверждения и производится обмен.

 

Вариант

обмен информации между внешними устройствами по инициативе внешних устройств.

 

В этом случае активное внешнее устройство выставляет запрос на захват магистрали. Процессор дает подтверждение захвата, после чего активное внешне устройство разворачивает всю временную диаграмму обмена.

 

 

Вариант.

Обмен информации МП с группой внешних устройств.

Прямой доступ к памяти.

 

Арбитр магистрали (AM).

Временная диаграмма:

Лекция 16. Синхронный и асинхронный обмен микропроцессора с внешним устройством

Устройства делем на три группы 1) Доступные по чтению 2) Доступные по записи

Лекция 19-20.Структура современных 8-разрядных микроконтроллеров.

Существует большое разнообразие моделей МК. Это возможно благодаря модульной организации. МК состоит из базового функционального модуля, на… В состав базового модуля входят центральный процессор ,шины адреса и даны,… Вспомогательный функциональный блок включает в себя:

Классификация архитектур параллельных вычислительных систем.

Под параллельным компьютером будем понимать совокупность процессорных элементов и модулей памяти, которые объединяются для решения важных и ресурсоёмких задач.

Под это определение подходит как суперкомпьютеры, состоящие из множества процессоров, так и совокупность рабочих станций, объединенных в сеть.

1. Одиночный поток команд;одиночный поток данных;SISD(single instruction single data).

Пример использования: обычный ПК.

2. OKMD(SIMD).

 

Пример использования: в обработке изображения.

 

3. MKOD(MISD).

 

Пример использования: конвейер.

 

4. MKMD(MIMD).

 

 

Пример использования: сетевой коммутатор.

 

Архитектура с разделяемой общей памятью.

Взаимодействие процессоров осуществляется в виде простой инструкции обращения к памяти. В этом случае используется временное разделение доступа.

Существует несколько способов реализации коммутаторов:

1. С помощью общей шины.

2. Перекрестное соединение.

 

 

3. Иерархическое соединение.

Иногда каждый процессор имеет локальную память, как правило, процессоры обрабатывают локальные данные.

Системы с разделяемой памятью.

Систему с разделяемой памятью используют законченные компьютеры, включая МП память, УВВ и другие узлы. Эти компьютеры объединены коммутационной средой.

Отличие таких систем от систем с общей памятью, где процессоры имеют локальную память состоит в том , что память коммуникационно интегрирована в УВВ, а не в систему доступа к памяти. Системы имеют сходство с рабочими станциями компьютеров , объединенных в сеть. Отличие в том , что не имеют УВВ средств ввода и управления операциями.

 

 

Систолические системы

Разработчики систолических структур поставили задачу комбинировать достоинства матричных и конвейерных систем. Основной принцип заключается в том,…

Кластерные системы

Под кластерной системой понимается набор компьютеров, используемый в качестве единого вычислительного ресурса. Эти системы являются логическим… MPI- программа представляет из себя набор независимых процессов, каждый из… Достоинства системы: стоимость системы при производительности сопоставимой с производительностью суперкомпьютера,…

Архитектуры машин, управляемых потоком данных

В машинах, управляемых потоком данных, не используются подходы, характерные…

Структура машины Дэнниса

Структура состоит из трёх частей: 1. память с ячейками команд;