Файл: Микропроцессорные устройства систем управления.doc

Указатель стека также как счетчик команд представляет собой регистр, содержащий адрес, по которому осуществляется обращение к области памяти ОЗУ, называемой стеком (о работе со стеком будет сказано ниже). Содержимое указателя стека автоматически уменьшается на 1, 2, 4 в зависимости от разрядности МП (декрементируется) при записи слова данных в стек и увеличивается на 1, 2, 4 (инкрементируется) при выдаче слова данных из стека. Указатель стека имеет такую же разрядность, как и счетчик команд.

Схема инкремента-декремента служит для обеспечения вышеописанной функции добавления 1, 2, 4 к содержимому счетчика команд или добавления-вычитания 1, 2, 4 к содержимому указателя стека. Данный узел может использоваться в некоторых МП и для реализации функции инкремента-декремента над содержимым других адресных регистров.

Сумматор адреса позволяет разгрузить арифметико-логическое устройство и взять под свою ответственность вычисления адресов при сложных видах адресации.

Адресные регистры используются для хранения адресов обрабатываемых операндов или адресов пересылки результатов операций. В микропроцессорах, не использующих особых, комбинированных способов адресации (такие способы адресации необходимы, когда разрядность счетчика команд и указателя стека ниже разрядности шины адреса и в ряде других случаев) в качестве адресных регистров могут использоваться регистры общего назначения.

Регистр адреса служит для хранения адреса на время цикла обращения к памяти ОЗУ. Нельзя путать регистр адреса с адресными регистрами. Последние служат для указания адресов при комбинированных способах адресации, иначе говоря, они служат для формирования адресов ячеек памяти. Регистр адреса необходим для фиксации адреса ячейки памяти, к которой осуществляется обращение в данный момент времени.

Устройство управления служит для формирования управляющих сигналов для всех цепей управления. Это достаточно сложная задача, объясняемая сложностью самой структуры МП и большим количеством входящих в него узлов. Каждая команда реализуется за 5-10, а иногда и более тактовых сигналов. Система команд МП может содержать до 250, а иногда и более команд. Каждый такт характеризуется своим вектором управляющих сигналов. Нетрудно представить себе, кокой огромный объем управляющих сигналов должно проанализировать и сгенерировать устройство управления МП. Для построения устройства управления используются два подхода: на основе аппаратной реализации или «жесткой» логики управления и на основе микропрограммной реализации или «гибкой» логики управления. Оба этих подхода будут рассмотрены далее. В любом случае, при любой логике управления, в устройстве управления можно выделить следующие узлы: регистр команд, дешифратор команд, очередь команд.

---

Выполнение любой команды начинается со считывания первого слова команды, которое содержит код операции, из памяти в регистр команд, где оно хранится в течение всего времени выполнения команды. Разрядность регистра команд соответствует разрядности шины данных МП. Дешифрация кода операции производится в дешифраторе команд. По результатам работы дешифратора и под воздействием тактовых сигналов вырабатывается нужная последовательность сигналов управления. Это приводит к считыванию из памяти остальных слов команды, если они имеются, а также к собственно выполнению операции, предписанной командой. Очередь команд представляет собой запоминающее устройство небольшого объема (порядка нескольких слов), расположенного на кристалле МП, и предназначенное для хранения очередных подлежащих выполнению команд. Заполнение этой памяти происходит в промежутки времени, когда шина данных МП свободна от обмена с внешней памятью или внешними устройствами. Это позволяет повысить быстродействие МП за счет снижения временных затрат на выборку последующей команды из внешней памяти после выполнения очередной команды.

Современный этап развития электронной техники характеризуется повсеместным внедрением МП в аппаратуру самого различного назначения. МП является новой элементной базой для информационно-измерительных систем, систем вычислительной техники, средств автоматизации и управления.

---

1.2. Классификация современных микропроцессоров и их характеристики.

По числу БИС в микропроцессорном комплекте все МП принято делить на три больших класса: однокристальные, многокристальные и секционированные. Вся структура однокристальных МП реализована на одном кристалле микросхемы и конструктивно выполнена в одном корпусе. Такие МП имеют фиксированную разрядность и, как правило, фиксированный набор команд. Аппаратура, построенная на однокристальных МП, имеет более высокую надежность по сравнению с аппаратурой, использующей иную элементную базу в следствии малого числа внешних соединений. Многокристальные МП представляют собой набор из нескольких микросхем, причем функционально каждый тип устройства структуры МП или их набор реализованы в отдельном корпусе БИС. Многокристальные МП в понимании разбиения их структуры на ряд микросхем имеют также фиксированную разрядность и, как правило, фиксированную систему команд. Секционированные МП конструктивно также реализованы в виде набора микросхем. Но отличие от многокристальных МП в данном случае состоит в том, что у первых разбиение происходит на структурном уровне, а у секционированных - по группам разрядов. Секционированные МП имеют наращиваемую разрядность и, как правило, изменяемую систему команд.

По назначению различают МП универсальные и специализированные. Универсальные МП применяются для построения систем решения широкого круга задач. Производительность решения задачи в этом случае слабо зависит от специфики самой задачи. Для повышения производительности системы, обусловленной именно спецификой задачи стараются применять специализированные МП, ориентированные на решение конкретной задачи. К таким МП можно отнести математические МП, использующие в системе команд набор специализированных команд, реализующих различные математические функции; различные микроконтроллеры, сигнальные МП, реализующие оптимальные методы цифровой обработки сигналов, медийные процессоры, использующиеся для обработки в реальном времени аудио и видео потоков и пр.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают МП цифровые и аналоговые. Цифровые МП оперируют с информацией, представленной в дискретной двоичной форме в виде комбинации двух цифр - нуля и единицы.

---

Аналоговые МП оперируют с информацией в аналоговой форме, т.е. в форме непрерывных функций времени. Однако по сути аналоговые МП все равно остаются цифровыми устройствами, т.к. вся обработка осуществляется в цифровой форме цифровыми методами. Аналоговые же сигналы вводятся в МП через аналого-цифровые преобразователи и выводятся через цифро-аналоговые преобразователи, включенные в структуру самого МП.

По числу команд в системе команд МП делятся на МП с CISC-архитектурой и МП с RISC-архитектурой. CISC-процессоры – это процессоры с полным набором команд. Как правило, CISC-процессорами являются универсальные МП. Объясняется это тем, что универсальные МП используются для решения широкого круга задач. А значит необходимо, чтобы как можно большее количество операций поддерживались на аппаратном уровне соответствующими командами системами команд. RISC-процессоры – это процессоры с сокращенным набором команд. Большинство программ-трансляторов в процессе трансляции исходной программы в объектную (исполняемую) используют весьма ограниченный набор команд. Кроме того, для многих специализированных МП нет необходимости разрабатывать полную систему команд. Достаточно иметь только те команды, которые нужны для решения данной задачи. Характерно это, например, для МП сетевых серверов, в задачу которых не входит обработка графики или выполнение каких-либо сложных математических расчетов. Между тем, для них важна скорость обработки запросов от пользователей сети и скорость пересылки больших потоков данных, т.е. выполнение достаточно простых команд пересылки с максимальным быстродействием. Поэтому было предложено создать класс МП, имеющих ограниченный набор простых команд, но выполняемых в течение одного периода сигнала тактового генератора. Для CISC-процессоров, таким образом, характерно наличие большого количества команд. Причем, для выполнения различных команд требуется различное время. Для RISC-процессоров характерно наличие небольшого количества простых команд, но для их выполнения требуется одинаковое время, сведенное до минимума (по возможности до одного такта).

По способу организации памяти МП-системы различают МП с Фон-Неймановской архитектурой и МП с Гарвардской архитектурой. В МП первого типа область памяти является общей и для программ и для данных. Это значительно снижает производительность системы с позиции организации потоков данных и команд, поскольку обеспечивает только последовательное обращение к командам и данным по одной общей шине данных. В МП второго типа для хранения программы используется область памяти, называемая памятью программ, а для хранения данных – область памяти, называемая памятью данных. Причем для памяти программ используется своя независимая шина команд. К памяти же данных обращение осуществляется по шине данных. Такая организация позволяет реализовывать параллельные во времени потоки данных и команд. Также для Гарвардской организации памяти характерно, что адресное пространство обеих видов памяти начинается с нулевых адресов. Гарвардская организация позволяет в значительной степени упростить реализацию конвеерной обработки информации. Но она

---

достаточно сложна в аппаратной реализации, требует большого количества выводов микропроцессора. Поэтому для микропроцессоров обычно характерна Фон-Неймановская организация, а для микроконтроллеров, где вся структура МП-системы реализована в едином кристалле и, следовательно, вопрос об количестве выводов процессорного ядра не встает, характерная Гарвардская организация памяти.

По характеру временной организации работы МП делятся на синхронные и асинхронные. В синхронных МП начало и конец выполнения операции задаются устройством управления. Время выполнения команды в данных МП фиксировано и не зависит ни от типа команды ни от типа обрабатываемых данных. В асинхронных МП конец выполнения операции определяется по фактическому сигналу окончания операции. Время выполнения команды в данных МП индивидуально для каждой команды и начало выполнения очередной команды следует сразу же после окончания предыдущей не дожидаясь специальных сигналов синхронизации устройства управления.

Следует отметить, что в первые годы развития МП в литературе различали их поколения. Однако в настоящее время такая классификация не имеет смысла, поскольку понятие "поколения МП" носит более условный характер, чем для ЭМВ, где каждое следующее поколение имело более высокие технико-экономические характеристики по сравнению с предыдущим и поэтому вытесняло его. МП всех поколений сосуществуют длительное время и взаимно дополняют, а не вытесняют друг друга. Есть примеры, когда в одном устройстве работают МП, принадлежащие к разным поколениям.

---