Контрольные вопросы:
1 Что такое микропроцессор?
2 Как классифицируются современные микропроцессоры по функции-ональному признаку?
3 Перечислите варианты архитектур процессоров.
4 Поясните особенности CISC архитектуры процессоров.
5 Поясните особенности RISC архитектуры процессоров.
Тема 1.2 Организация управления процессом обработки информации
План:
1 Структура микропроцессора
2 Аппаратный принцип управления выполнением операций
3 Микропрограммный принцип управления выполнением операций
1 Структура микропроцессора
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), структурная схема приведена на рисунке 2;
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).
Рисунок 2 – Структурная схема процессора
Операционное устройство (ОУ) - устройство, в котором выполняются операции. Оно включает в качестве узлов регистры, сумматоры, арифметико–логическое устройство (АЛУ), каналы передачи информации, мультиплексоры для коммутации каналов, шифраторы, дешифраторы и т.д.
Арифметико–логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций.
Управляющее устройство (УУ) координирует действия узлов операционного устройства; оно вырабатывает в некоторой временной последовательности управляющие сигналы, под действием которых в узлах операционного устройства выполняются требуемые действия.
Процесс функционирования операционного устройства распадается на последовательность элементарных действий в его узлах:
установка регистра в некоторое состояние (например, запись в регистр R1 числа 0, обозначаемая R1 <− 0);
инвертирование содержимого разрядов регистра (например, если регистр R2 содержал двоичное число 101101, то после инвертирования его содержимое будет равно 010010; такое действие обозначают R2 <− (
));
3) пересылка содержимого одного узла в другой (например, пересылка содержимого регистра R2 в регистр R1, обозначаемая R1 <− (R2));
4) сдвиг содержимого узла влево, вправо (например, сдвиг на один разряд влево содержимого регистра R1, обозначаемый R1 <− СдвЛ (R1);
счет, при котором число в счетчике (регистре) возрастает или убывает на единицу (Сч<− (Сч ± 1));
сложение (например, R2 <− (R2) + (R1));
сравнение содержимого регистра на равенство с некоторым числом; результат сравнения: лог. 1 (при выполнении равенства) либо лог.0 (при невыполнении равенства);
некоторые логические действия (поразрядно выполняемые операции конъюнкции, дизъюнкции и др.). Каждое такое элементарное действие, выполняемое в одном из узлов ОУ в течение одного тактового периода, называется микрооперацией.
В определенные тактовые периоды одновременно могут выполняться несколько микроопераций, например R2 <− 0, Сч <− (Сч) - 1. Такая совокупность одновременно выполняемых микроопераций называется микрокомандой, а весь набор микрокоманд, предназначенный для решения определенной задачи, - микропрограммой.
Таким образом, если в операционном устройстве предусматривается возможность исполнения п различных микроопераций, то из управляющего устройства выходят п управляющих цепей, каждая из которых соответствует определенной микрооперации. И если необходимо в операционном устройстве выполнить некоторую микрооперацию, достаточно из управляющего устройства по определенной управляющей цепи, соответствующей этой микрооперации, подать сигнал (например, напряжение уровня лог. 1). В силу того, что управляющее устройство определяет микропрограмму, т.е. какие и в какой временной последовательности должны выполняться микрооперации, оно получило название микропрограммного автомата.
Формирование управляющих сигналов y1, ... ,yп для выполнения микрокоманд может происходить в зависимости от состояния узлов операционного устройства, определяемого сигналами х1,... xs, которые подаются с соответствующих выходов операционного устройства на входы управляющего устройства. Управляющие сигналы y1, ..., yп могут также зависеть от внешних сигналов xs+1,..., xL.
Для сокращения числа управляющих цепей, выходящих из управляющего устройства (в тех случаях, когда оно конструктивно выполняется отдельно от операционного), микрокоманды могут кодироваться.
Существует два принципиально разных подхода к проектированию микропрограммного автомата (управляющего устройства):
использование принципа схемной логики;
использование принципа программируемой логики.
В первом случае в процессе проектирования подбирается некоторый набор цифровых микросхем (обычно малой и средней степени интеграции) и определяется такая схема соединения их выводов, которая обеспечивает требуемое функционирование (т.е. функционирование процессора определяется тем, какие выбраны микросхемы и по какой схеме выполнено соединение их выводов). Устройства, основанные на таком принципе схемной логики, способны обеспечивать наивысшее быстродействие при заданном типе технологии элементов. Недостаток этого принципа построения процессора состоит в трудности использования БИС и СБИС.
Второй подход предполагает построение процессора с использованием одной или нескольких БИС некоторого универсального устройства, в котором требуемое функционирование (т.е. специализация устройства на выполнение определенных функций) обеспечивается занесением в память устройства определенной программы (или микропрограммы).
В зависимости от введенной программы такое универсальное управляющее устройство способно обеспечивать требуемое управление операционным устройством при решении самых разнообразных задач. В этом случае число типов БИС, необходимых для построения управляющего устройства, окажется небольшим, а потребность в БИС каждого типа высокой, что обеспечит целесообразность их выпуска промышленностью.
При построении операционных устройств целесообразно широко использовать БИС с таким набором узлов и схемой соединения, которые обеспечили бы решение разнообразных задач. Независимо от решаемой задачи может быть использовано одно и то же универсальное операционное устройство, функционирующее под действием микропрограммы, хранящейся в управляющем устройстве. Следует иметь в виду, что наивысшее быстродействие достигается в процессорах, в которых управляющее устройство строится с использованием принципа схемной логики, а операционное устройство выполняется в виде устройства, специализированного для решения конкретной задачи.