13. Архитектура микропроцессора: архитектура со сложной системой команд (cisc-процессоры), архитектура с упрощенной системой команд (risc-процессоры). Неймановская и гарвардская архитектуры

По типу архитектуры, или принципу построения, различают МП с фон-неймановской архитектурой (а) и МП с гарвардской архитектурой (б)

Память команд

Память данных

Процессор

Интерфейс ввода-вывода

Устройства ввода-вывода

а) b)

Рисунок – Основные типы архитектуры микропроцессора

Особенностью фон-неймановской архитектуры является то, что программа и данные находятся в общей памяти, доступ к которой осуществляется по одной шине данных и команд.

Особенностью гарвардской архитектуры является то, что память данных и память программ разделены и имеют отдельные шину данных и шину команд, что позволяет повысить быстродействие микропроцессорной системы.

В Гарвардской архитектуре принципиально невозможно производить операцию записи в память программ, что исключает возможность случайного разрушения управляющей программы в случае неправильных действий над данными. Кроме того, в ряде случаев для памяти программ и памяти данных выделяются отдельные шины обмена данными. Эти особенности определили области применения этой архитектуры построения микропроцессоров. Гарвардская архитектура применяется в микроконтроллерах, где требуется обеспечить высокую надёжность работы аппаратуры и в сигнальных процессорах, где эта архитектура кроме обеспечения высокой надёжности работы устройств позволяет обеспечить высокую скорость выполнения программы, за счёт одновременного считывания управляющих команд и обрабатываемых данных, а так же записи полученных результатов в память данных.

Отличие архитектуры Фон Неймана заключается в принципиальной возможности работы над управляющими программами точно так же как над данными. Это позволяет производить загрузку и выгрузку управляющих программ в произвольное место памяти процессора, которая в этой структуре не разделяется на память программ и память данных. Любой участок памяти может служить как памятью программ, так и памятью данных. Причём в разные моменты времени одна и та же область памяти может использоваться и как память программ и как память данных. Для того чтобы программа могла работать в произвольной области памяти, её необходимо модернизировать перед загрузкой, то есть работать с нею как с обычными данными. Эта особенность архитектуры позволяет наиболее гибко управлять работой микропроцессорной системы, но создаёт принципиальную возможность искажения управляющей программы, что понижает надёжность работы аппаратуры. Эта архитектура используется в универсальных компьютерах и в некоторых видах микроконтроллеров.

По типу системы команд различают:

1. микропроцессоры с полным набором команд типа CISC (Complex Instruction Set Command),

2. микропроцессоры с сокращенным набором команд типа RISC (Reduced Instruction Set Command),

3. микропроцессоры с минимальным набором команд типа MISC (Minimum Instruction Set Command).

CISC-архитектура характеризуется большим набором разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации. Это классическая архитектура процессоров, которая начала свое развитие в 1940-х годах с появлением первых компьютеров. Основной целью ее было сокращение размера программ, что уменьшало требования к объему оперативной памяти. Расширение спектра операций, реализуемых системой команд, позволяло уменьшить размер программ, а также трудоемкость их написания и отладки. Для CISC-микропроцессоров характерно:

• большое количество команд, некоторые из которых выполняют много функций;

• большое количество форматов команд различной разрядности;

• большое количество методов адресации;

• широкое использование команд обработки типа «регистр-память»;

• сравнительно небольшое число регистров общего назначения (8 – 16).

Характерные особенности RISC-микропроцессоров:

• расширенный объем регистровой памяти: от 32 до нескольких сотен регистров общего назначения, входящих в состав МП;

• использование в командах обработки данных только регистровой адресации (обращение к памяти используется в командах загрузки и сохранения содержимого регистров, а также в командах передачи управления);

• отказ от аппаратной реализации сложных способов адресации;

• фиксированный формат команд (обычно 4 байта);

• исключение из набора команд, реализующих редко используемые операции, а также команд, не вписывающихся в принятый формат.

Большинство современных компьютеров используют микропроцессоры типа CISC. 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 RISC микропроцессорах все простые команды имеют один размер, и на выполнение каждой из них тратится один машинный такт. На выполнение даже самой короткой команды в CISC микропроцессорах обычно тратится четыре такта.