Основні архітектури 8-бітних мікропроцесорних пристроїв.
Обобщенная структура микропроцессорного устройства (МПУ) показана на рис. 1.1 Для выполнения основной функции процессорного ядра – производить вычисления в любом МПУ есть блок АЛУ (арифметико-логическое устройство), для хранения обрабатываемых данный служат регистры общего назначения (R0, R1…Rn) которые могут быть объединены в регистровый файл. Их разрядность обычно совпадает с разрядностью шины данных, а количество зависит от конкретной реализации. Старшие регистры могут образовывать пары и в некоторых операциях использоваться как регистры удвоенной разрядности. Так же имеются регистры специального назначения: указатель стека (SP), регистр признаков (PS) и регистр счетчика команд. PC. Разрядность этих регистров зависит от сложности ядра МПУ. Так же в ядро входят мультиплексоры, буферы, триггеры и другие служебные узлы. Работа всех узлов синхронизируется общим внешним тактовым сигналом процессора. Для формирования управляющих сигналов для выполнения операций согласно коду поступившей инструкции служит декодер инструкций (декодер на рис. 1.1). Эти блоки - необходимый минимум для реализации ядра МПУ, а их набор и выполняемые функции могут широко варьироваться в зависимости от конкретной архитектуры.
Для обмена информацией с внешним миром и получением инструкций ядро МПУ использует внешние шины.
Для решения задач автоматизации микропроцессоры используются с большим количеством вспомогательных - периферийных устройств. Разработчики и производители МПУ при появлении технической/технологической возможности интегрируют в одно устройство максимальное количество таких блоков. Это привело к появлению не только высоко интегрированных микроконтроллеров, но и целых систем на кристалле (СнК, SoC). Эти микропроцессорные устройства содержат в одном корпусе всю систему, необходимую для решения ряда разнородных задач.
Набор периферийных блоков может варьироваться в зависимости от специализации МПУ. Для микроконтроллеров общего назначения наличие таймеров является обязательным, так как практически любой алгоритм управления требует отсчета временных интервалов. Для обмена информацией с другими устройствами в составе сложной системы МПУ имеют набор устройств ввода/вывода. Они могут поддерживать разнообразные протоколы связи, а сложность их организации часто соизмерима с процессорным ядром. С развитием технологий изготовления интегральных схем стало возможным на одном кристалле с цифровым устройством расположить и аналоговые – работающие с непрерывными сигналами. Многие МПУ стали поддерживать работу со смешанными сигналами, то есть как с дискретными, так и с непрерывными. Разработчики и производители МПУ ведут постоянную работу по интеграции в одной микросхеме максимального количества периферийных устройств.
В настоящее время существует две основные архитектуры микропроцессорных ядер: гарвардская и фон Неймановская (принстонская). На заре развития компьютерной техники популярной была фон Неймановская архитектура, особенностью которой являлось наличие общей памяти для хранения программ и данных.
Рисунок 2.1
В этой архитектуре выборка команд, чтение и запись данных осуществляются через одну общую шину. Это теоретически снижает скорость выполнения команд, если не использовать выборку следующей команды во время выполнения предыдущей. Основным преимуществом архитектуры Фон Неймана является то, что она упрощает устройство микропроцессора, так как реализует обращение только к одной общей памяти. Для микропроцессоров самым важным является то, что содержимое оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) может быть использовано хранения данных и программ. Это предоставляет большую гибкость для разработчиков программного обеспечения.
В архитектуре гарвардского университета для хранения программ, данных и стека, использовались отдельные блоки памяти (рис. 2.2)
Гарвардская архитектура выполняет команды за меньшее количество тактов и имеет больше возможностей для реализации параллельных операций. Однозначно определить какая из архитектур совершеннее сложно, так как в зависимости от приложений микропроцессорного устройства выигрыш в производительности может показать как одна, так и другая архитектуры. Кроме того, зачастую реализуются смешанные архитектуры, когда ядро с быстрой кэш-памятью имеют гарвардскую архитектуру, а микропроцессорное устройство имеет общую память для хранения данных и программ.
