95. Микропроцессоры: типы, функциональные характеристики,
назначение основных функциональных узлов
Микропроцессор (МП), Или Central
Processing Unit (CPU) — функционально-законченное программно управляемое
устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших
(БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.
Микропроцессор выполняет следующие функции:
• вычисление
адресов команд и операндов;
• выборку и
дешифрацию команд из основной памяти (ОП);
• выборку данных из
ОП, регистров МПП и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ);
• прием и обработку
запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;
• обработку данных
и их запись в ОП, регистры МПП и регистры адаптеров ВУ;
• выработку
управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК;
• переход к
следующей команде.
Микропроцессор — процессор
(устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических и операций
управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы
или комплекта из нескольких специализированных микросхем.
Первые микропроцессоры появились в 1970-х и применялись в
электронных калькуляторах, в них использовалась двоично-десятичная арифметика
4-х битных слов. Вскоре их стали встраивать и в другие устройства, например
терминалы, принтеры и различную автоматику.
Структура микропроцессора: устройство управления,
арифметико-логическое устройство, микропроцессорная память, интерфейсная система
микропроцессора.
Функционально МП можно разделить на две части:
• операционную,
содержащую устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) и
микропроцессорную память (МПП) (за исключением нескольких адресных регистров);
• интерфейсную,
содержащую адресные регистры МПП; блок регистров команд — регистры памяти для
хранения кодов команд, выполняемых в ближайшие такты; схемы управления шиной и
портами.
Обе части МП работают параллельно, причем интерфейсная часть
опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти (ее запись в
блок регистров команд и предварительный анализ) происходит во время выполнения
операционной частью предыдущей команды. Современные микропроцессоры имеют
несколько групп регистров в интерфейсной части, работающих с различной степенью
опережения, что позволяет выполнять операции в конвейерном режиме. Такая
организация МП позволяет существенно повысить его эффективное быстродействие
Устройство управления (УУ) является
функционально наиболее сложным устройством ПК — оно вырабатывает управляющие
сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций (КШИ) во все блоки машины.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования
информации. Функционально АЛУ состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем
управления (местного устройства управления).
Сумматор — вычислительная схема, выполняющая процедуру
сложения поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность
двойного машинного слова.
Регистры — быстродействующие ячейки памяти различной
длины.
Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций
управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для
управления работой регистров и сумматора АЛУ.
АЛУ выполняет арифметические операции «+», «-», «*» и «>»
только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего
разряда, то есть только над целыми двоичными числами. Выполнение операций над
двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными
числами осуществляется с привлечением математического сопроцессора или по
специально составленным программам.
Микропроцессорная память (МПП) - служит для
кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно
используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на
регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо
основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания
информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего
микропроцессора. Регистры - быстродействующие
ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину
1 байт и более низкое быстродействие)
Интерфейсная система микропроцессора -
реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК;
Интерфейсная часть МП предназначена для связи и согласования
МП с системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд
выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд.
Интерфейс (interface) -
совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их
эффективное взаимодействие.
Порт ввода-вывода (I/O ≈ Input/Output port) -
аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое
устройство ПК.
Схема управления шиной и портами использует для связи с
портами кодовые шины инструкций, адреса и данных системной шины.
Типы микропроцессоров: CISC,
RISC, MISC. Универсальные,
сигнальные, коммуникационные и медийные микропроцессоры.
Все микропроцессоры можно разделить на группы:
1. Микропроцессоры типа CISC с
полным набором системы команд;
2. Микропроцессоры типа RISC с
усеченным набором системы команд;
3. Микропроцессоры типа VLIW со
сверхбольшим командным словом;
4. Микропроцессоры типа MISC с
минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др.
К основным относят группы CISC и RISC.
1. СISC-процессоры:
Complex Instruction Set Computing — вычисления со
сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом
наборе команд.
2.
RISC-процессоры:
Reduced Instruction Set Computing (technology) —
вычисления с сокращённым набором команд. Архитектура
процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд. Характеризуется
наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций
типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации.
Микропроцессор CISC использует набор машинных
инструкций, полностью соответствующий набору команд языка ассемблера. Вычисления
разного типа в нем могут выполняться различными командами, даже если они
приводят к одному результату (например, умножение на два и сдвиг на один разряд
влево). Такая архитектура обеспечивает разнообразные и мощные способы выполнения
вычислительных операций на уровне машинных команд, но для выполнения каждой
команды обычно требуется большое число тактов процессора.
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.
Микропроцессоры с архитектурой RISC ( Reduced
Instruction Set Computers ) используют сравнительно небольшой (сокращённый )
набор наиболее употребимых команд, определённый в результате статистического
анализа большого числа программ для основных областей применения CISC (Complex
Instruction Set Computer )- процессоров исходной архитектуры. Все команды
работают с операндами и имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняется
с помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и
небольшой набор команд позволяет реализовать полностью их аппаратное выполнение
и эффективный конвейер при небольшом объеме оборудования. Арифметику RISC
- процессоров отличает высокая степень дробления конвейера. Этот прием позволяет
увеличить тактовую частоту (значит, и производительность) компьютера; чем более
элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера, тем выше
частота его работы. RISC - процессоры с самого начала
ориентированны на реализацию всех возможностей ускорения арифметических
операций, поэтому их конвейеры обладают значительно более высоким
быстродействием, чем в CISC - процессорах. Поэтому RISC -
процессоры в 2 - 4 раза быстрее имеющих ту же тактовую частоту CISC -
процессоров с обычной системой команд и высокопроизводительней, несмотря на
больший объем программ, на ( 30 % ). Дейв Паттерсон и Карло Секуин
сформулировали 4 основных принципа RISC:
1. Любая операция должна выполняться за один такт, вне
зависимости от ее типа.
2. Система команд должна содержать минимальное количество
наиболее часто используемых простейших инструкций одинаковой длины.
3. Операции обработки данных реализуются только в формате
“регистр - регистр“ (операнды выбираются из оперативных регистров процессора, и
результат операции записывается также в регистр; а обмен между оперативными
регистрами и памятью выполняется только с помощью команд загрузки\записи ).
4. Состав системы команд должен быть «удобен» для компиляции
операторов языков высокого уровня
Микропроцессоры типа RISC содержат только набор простых, чаще
всего встречающихся в программах команд. При необходимости выполнения более
сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из
простых. В этих МП все простые команды имеют одинаковый размер и на выполнение
каждой из них тратится один машинный такт (на выполнение даже самой короткой
команды из системы CISC обычно тратится четыре такта). Один из первых МП типа
RISC -- ARM (на его основе был создан ПК IBM PC RT): 32-разряд-ный МП, имеющий
118 различных команд. Современные 64-разрядные RISC-микропроцессоры выпускаются
многими фирмами: Apple (PowerPC), IBM (PPC), DEC (Alpha), HP (PA), Sun (Ultra
SPARC) ит.д. '
Микропроцессоры типа RISC характеризуются очень высоким
быстродействием, но они программно не совместимы с CISC-процессорами:
при выполнении программ, разработанных для ПК типа IBM PC, они могут лишь
эмулировать (моделировать, имитировать) МП типа CISC на программном уровне, что
приводит к резкому уменьшению их эффективной производительности.
В настоящее время наиболее распространены микропроцессоры
RISC и CISC архитектурами, менее распространены микропроцессоры
с MISC архитектурой
MISC (Minimum Instruction Set Computer) - Компьютер с
минимальной системой команд. Последовательность простых инструкций объединяется
в пакет, таким образом, программа преобразуется в небольшое количество длинных
команд.
В попытке достижения компромисса между CISC и RISC были
созданы микропроцессоры типа VLIW.
Основные функциональные характеристики: разрядность шин
данных и адреса, тактовая частота, адресное пространство, число команд.
Разрядность шины данных микропроцессора определяет
количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции;
разрядность шины адреса МП определяет его адресное пространство.
Адресное пространство — это максимальное количество
ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано
микропроцессором.
Рабочая тактовая частота МП во многом определяет его
внутреннее быстродействие, поскольку каждая команда выполняется за определенное
количество тактов. Быстродействие (производительность) ПК зависит также и от
тактовой частоты шины системной платы, с которой работает (может работать) МП.