8.Типы архитектур мп. Ортогональность архитектуры мп.

Поскольку ядро МП призвано обрабатывать данные под управлением команд, то очевидно эти данные и команды надо где-то хранить. И чем быстрее ядро сможет получить необходимые данные, и вернуть результат, тем, очевидно, его работа будет эффективнее. В связи с этим, различают следующие архитектуры МП, основанные на различном принципе взаимодействия с операционным блоком:

- регистровая;

- стековая;

- архитектура, ориентированная на память.

Регистровая архитектура.

Регистровая архитектура определяет наличие большого регистрового файла внутри БИС МП. (поле памяти с произвольной записью и выборкой информации).

“+” высокая скорость работы.

“+” использование сокращенной адресации (меньше длина команд).

“-” при частой смене программ (мультипрограммирование, задачи управления) эффективность падает, т.к. при переключении необходимо сохранять и перегружать содержимое регистров.

“-” большое количество регистров трудно расположить на кристалле из-за меньшей плотности расположения логических схем, чем схем памяти.

Часто регистровое поле называют регистровым сегментом RSEG.

Стековая архитектура.

Стековая архитектура использует поле памяти с упорядоченной последовательностью записи и выборки информации.

“+” эффективна при работе с подпрограммами (задачи управления).

“-” стек на кристалле мал и быстро переполняется.

Данная архитектура практически не применяется как самостоятельная, а служит дополнением к другим видам архитектур.

Архитектура типа память – память.

Обеспечивает расположение регистров и стека в ОП. Операнды, после выборки из ОП, обработки в МП заносятся обратно в память, а не сохраняются на регистрах.

Оценку этого способа необходимо производить с учетом быстродействия МП и ОЗУ. Например, в ОЭВМ, где ОЗУ расположена на кристалле и имеет быстродействие сравнимое с быстродействием остальных схем этот способ эффективен. Если ОЗУ расположена вне кристалла и имеет небольшое быстродействие (ОЗУ ДТ) – неэффективен.

“+” фактически неограниченная свобода оперирования расположением данных (большое количество регистров в ОЗУ).

“+” быстрое контекстное переключение, т.к. для переключения регистрового (контекстного) файла необходимо только изменить регистр - указатель начального адреса.

“+” упрощается связь с другими МП. (многопроцессорные системы, контролеры ПУ).

“-” особенность - наличие двухадресных команд, что увеличивает длину команд.

Архитектура память - память часто используется в ОЭВМ (контролерах для работы в реальном режиме времени, при большом количестве прерываний, вызовов подпрограмм, мультипрограммировании, и т.д.).

Ортогональная регистровая архитектура.

Развитием регистровой архитектуры, преодолевшей ее недостатки, является ортогональная регистровая архитектура.

Развитие аппаратных средств, увеличение плотности компоновки позволило на кристалле МП разместить дополнительные (избыточные) регистры, которые могут использоваться для сохранения ортогональных (других) состояний МП. Т.е. они могут использоваться при переключении программ для сохранения их состояния.

Чем больше ортогональных направлений, тем эффективнее работа МП с обслуживанием прерываний и подпрограмм. Выбор банка регистров осуществляется либо по специальным командам, либо автоматически при входе в подпрограммы.

Фон-Неймановская и Гарвардская архитектуры.

Данные архитектуры определяют взаимное расположение команд и данных.

В большинстве микро-ЭВМ для хранения программ и данных используется одно пространство памяти. Такая организация получит название архитектуры Дж. фон Неймана. Программы и данные хранятся в едином пространстве, и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти. Содержимое ячейки интерпретируется оператором обработки, в качестве которого в простейшем случае выступает ЦП.

Однако почти все однокристальные ЭВМ, представляющие класс однокристальных программируемых микроконтроллеров, выполнены по другой схеме, известной как архитектура Гарвардской лаборатории, в которой память программного сегмента CSEG и память данных DSEG разделены и имеют свои собственные адресные пространства и способы доступа к ним. Использование данной архитектуры позволяет производить одновременное считывание команды и данных, что, естественно, увеличивает быстродействие МП.

Применение, однако, гарвардской архитектуры в универсальных МП проблематично из-за непредсказуемости соотношения объема памяти данных и команд.

Вывод: выбор архитектуры МП зависит в основном от применения конкретных МП, т.е. от того круга задач, для решения которых предназначен данный МП.