Chercher

Οικιακές συσκευές

2. Συσκευή ελέγχου

3. Χαρακτηριστικά ελέγχου λογισμικού και υλικολογισμικού

4. Τρόποι διευθυνσιοδότησης

Σύναψη

Η διαδικασία της ανθρώπινης αλληλεπίδρασης με τους υπολογιστές συνεχίζεται για περισσότερα από 40 χρόνια. Μέχρι πρόσφατα, μόνο ειδικοί - μηχανικοί, μαθηματικοί - προγραμματιστές, χειριστές - μπορούσαν να συμμετέχουν σε αυτή τη διαδικασία. ΣΕ τα τελευταία χρόνιαυπήρξαν δραματικές αλλαγές στην περιοχή τεχνολογία υπολογιστών. Χάρη στην ανάπτυξη και εφαρμογή μικροεπεξεργαστών στη δομή του υπολογιστή, εμφανίστηκαν μικρού μεγέθους, φιλικοί προς το χρήστη προσωπικοί υπολογιστές. Η κατάσταση έχει αλλάξει. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται συχνά φαινόμενο προσωπικός υπολογιστής. Επί του παρόντος, ο παγκόσμιος στόλος προσωπικών υπολογιστών ξεπερνά τα 20 εκατομμύρια.

Γιατί εμφανίστηκε αυτό το φαινόμενο; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα μπορεί να βρεθεί αν διατυπώσουμε με σαφήνεια τι είναι ένας προσωπικός υπολογιστής και ποια είναι τα κύρια χαρακτηριστικά του. Πρέπει να αντιληφθούμε σωστά τον ίδιο τον ορισμό του "προσωπικού" δεν σημαίνει ότι ένας υπολογιστής ανήκει σε ένα άτομο ως προσωπική ιδιοκτησία. Ο ορισμός του «προσωπικού» προέκυψε επειδή ένα άτομο είχε την ευκαιρία να επικοινωνήσει με έναν υπολογιστή χωρίς τη μεσολάβηση επαγγελματία προγραμματιστή, ανεξάρτητα, προσωπικά. Δεν είναι απαραίτητο να γνωρίζετε μια ειδική γλώσσα υπολογιστή. Υπάρχει στον υπολογιστή λογισμικόθα παρέχει μια ευνοϊκή «φιλική» μορφή διαλόγου μεταξύ του χρήστη και του υπολογιστή.

Επί του παρόντος, ένας από τους πιο δημοφιλείς υπολογιστές είναι το μοντέλο IBM PC και η εκσυγχρονισμένη του έκδοση IBM PC XT, η οποία, σύμφωνα με την αρχιτεκτονική του, λογισμικό, εξετάζεται ο εξωτερικός σχεδιασμός βασικό μοντέλοπροσωπικός υπολογιστής.

Η βάση ενός προσωπικού υπολογιστή είναι η μονάδα συστήματος. Οργανώνει την εργασία, επεξεργάζεται πληροφορίες, κάνει υπολογισμούς και διασφαλίζει την επικοινωνία μεταξύ ενός ατόμου και ενός υπολογιστή. Ο χρήστης δεν χρειάζεται να κατανοήσει πλήρως πώς λειτουργεί η μονάδα συστήματος. Αυτό είναι για ειδικούς. Πρέπει όμως να ξέρει από ποια λειτουργικά μπλοκ αποτελείται ο υπολογιστής. Δεν έχουμε σαφή ιδέα για την αρχή της λειτουργίας των εσωτερικών λειτουργικών μπλοκ αντικειμένων γύρω μας - ψυγείο, σόμπα αερίου, πλυντήριο, αυτοκίνητο, αλλά πρέπει να γνωρίζουν ποια είναι η βάση για τη λειτουργία αυτών των συσκευών, ποιες είναι οι δυνατότητες των συστατικών τους μπλοκ.

1. Γενικά χαρακτηριστικά της αρχιτεκτονικής του επεξεργαστή

1.1 Βασική δομή ενός συστήματος μικροεπεξεργαστή

Το καθήκον της διαχείρισης του συστήματος ανατίθεται στην κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU), η οποία συνδέεται με τη μνήμη και το σύστημα εισόδου/εξόδου μέσω της μνήμης και των καναλιών εισόδου/εξόδου, αντίστοιχα. Η CPU διαβάζει τις οδηγίες από τη μνήμη που απαρτίζουν το πρόγραμμα και τις αποκωδικοποιεί. Σύμφωνα με το αποτέλεσμα των οδηγιών αποκωδικοποίησης, ανακτά δεδομένα από τη μνήμη των θυρών εισόδου, τα επεξεργάζεται και τα στέλνει πίσω στη μνήμη ή στις θύρες εξόδου. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα εισαγωγής/εξόδου δεδομένων από τη μνήμη σε εξωτερικές συσκευές και αντίστροφα, παρακάμπτοντας την CPU. Αυτός ο μηχανισμός ονομάζεται άμεση πρόσβαση στη μνήμη (DMA).

Από την πλευρά του χρήστη, κατά την επιλογή ενός μικροεπεξεργαστή, είναι σκόπιμο να υπάρχουν ορισμένα γενικευμένα ολοκληρωμένα χαρακτηριστικά των δυνατοτήτων του μικροεπεξεργαστή. Ο προγραμματιστής πρέπει να κατανοήσει και να κατανοήσει μόνο εκείνα τα στοιχεία του μικροεπεξεργαστή που αντικατοπτρίζονται ξεκάθαρα στα προγράμματα και πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την ανάπτυξη κυκλωμάτων και προγραμμάτων για τη λειτουργία του συστήματος. Τέτοια χαρακτηριστικά ορίζονται από την έννοια της αρχιτεκτονικής μικροεπεξεργαστή.

1.2 Έννοια της αρχιτεκτονικής μικροεπεξεργαστή

Η αρχιτεκτονική ενός τυπικού μικρού υπολογιστικού συστήματος που βασίζεται σε μικροϋπολογιστή φαίνεται στο Σχ. 1. Ένας τέτοιος μικροϋπολογιστής περιέχει και τα 5 κύρια μπλοκ μιας ψηφιακής μηχανής: συσκευή εισαγωγής πληροφοριών, συσκευή ελέγχου(UU), αριθμητική-λογική μονάδα (ALU) (περιλαμβάνεται στον μικροεπεξεργαστή), συσκευές αποθήκευσης (SRAM) και συσκευή εξόδου πληροφοριών.

Ρύζι. 1. Αρχιτεκτονική ενός τυπικού μικροεπεξεργαστή.

Ο μικροεπεξεργαστής συντονίζει τη λειτουργία όλων των συσκευών του ψηφιακού συστήματος χρησιμοποιώντας το δίαυλο ελέγχου (CB). Εκτός από το SHU, υπάρχει ένας δίαυλος διευθύνσεων 16-bit (ABA), ο οποίος χρησιμοποιείται για την επιλογή συγκεκριμένο κύτταρομνήμη, θύρα εισόδου ή θύρα εξόδου. Ο δίαυλος πληροφοριών 8-bit ή ο δίαυλος δεδομένων (SD) πραγματοποιεί αμφίδρομη μεταφορά δεδομένων προς και από τον μικροεπεξεργαστή. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το MP μπορεί να στέλνει πληροφορίες στη μνήμη του μικροϋπολογιστή ή σε μία από τις θύρες εξόδου, καθώς και να λαμβάνει πληροφορίες από τη μνήμη ή από μία από τις θύρες εισόδου.

Η μνήμη μόνο για ανάγνωση (ROM) σε έναν μικροϋπολογιστή περιέχει ένα συγκεκριμένο πρόγραμμα (στην πράξη, ένα πρόγραμμα προετοιμασίας υπολογιστή). Τα προγράμματα μπορούν να φορτωθούν σε μια μνήμη τυχαίας πρόσβασης (RAM) και από μια εξωτερική συσκευή αποθήκευσης (ERM). Αυτά είναι προγράμματα χρήστη.

Ως παράδειγμα που επεξηγεί τη λειτουργία ενός μικροϋπολογιστή, εξετάστε μια διαδικασία για την υλοποίηση της οποίας πρέπει να εκτελέσετε την ακόλουθη σειρά στοιχειωδών λειτουργιών:

1. Πατήστε το πλήκτρο γράμματος "A" στο πληκτρολόγιο.

2. Τοποθετήστε το γράμμα «A» στη μνήμη του μικροϋπολογιστή.

3. Εμφανίστε το γράμμα "A" στην οθόνη ενδείξεων.

Αυτή είναι μια τυπική διαδικασία εισόδου-αποθήκευσης-εξόδου, η εξέταση της οποίας καθιστά δυνατή την εξήγηση των αρχών χρήσης ορισμένων συσκευών που περιλαμβάνονται σε έναν μικροϋπολογιστή.

Στο Σχ. Το Σχήμα 2 δείχνει ένα λεπτομερές διάγραμμα της εκτέλεσης της διαδικασίας εισαγωγής-αποθήκευσης-εξόδου. Σημειώστε ότι οι οδηγίες έχουν ήδη φορτωθεί στις πρώτες έξι θέσεις μνήμης. Το αποθηκευμένο πρόγραμμα περιέχει την ακόλουθη αλυσίδα εντολών:

1. Εισαγάγετε δεδομένα από τη θύρα εισόδου 1.

2. Αποθηκεύστε τα δεδομένα στη θέση μνήμης 200.

3. Στείλτε δεδομένα στη θύρα εξόδου 10.

Υπάρχουν μόνο τρεις εντολές σε αυτό το πρόγραμμα, αν και στο Σχ. 2 μπορεί να φαίνεται ότι υπάρχουν έξι εντολές αποθηκευμένες στη μνήμη του προγράμματος. Αυτό συμβαίνει γιατί η ομάδα συνήθως χωρίζεται σε μέρη. Το πρώτο μέρος της εντολής 1 στο παραπάνω πρόγραμμα είναι η εντολή εισαγωγής δεδομένων. Το δεύτερο μέρος της εντολής 1 καθορίζει από πού πρέπει να εισαχθούν τα δεδομένα (από τη θύρα 1). Το πρώτο μέρος της εντολής, το οποίο καθορίζει μια συγκεκριμένη ενέργεια, ονομάζεται κωδικός λειτουργίας (OPC) και το δεύτερο μέρος ονομάζεται τελεστής. Ο κωδικός λειτουργίας και ο τελεστής βρίσκονται σε ξεχωριστές θέσεις μνήμης προγράμματος. Στο Σχ. 2 COP αποθηκεύεται στο κελί 100 και ο κώδικας τελεστών αποθηκεύεται στο κελί 101 (θύρα 1). Το τελευταίο υποδεικνύει από πού πρέπει να ληφθούν οι πληροφορίες.

Σε MP στο Σχ. 2, επισημαίνονται δύο ακόμη νέα μπλοκ - καταχωρητές: ο συσσωρευτής και ο καταχωρητής εντολών.

Ρύζι. 2. Διάγραμμα εκτέλεσης της διαδικασίας εισαγωγής-αποθήκευσης-εξόδου

Ας εξετάσουμε το πέρασμα εντολών και δεδομένων μέσα σε έναν μικροϋπολογιστή χρησιμοποιώντας αριθμημένους κύκλους στο διάγραμμα. Θυμηθείτε ότι ο μικροεπεξεργαστής είναι ο κεντρικός κόμβος που ελέγχει την κίνηση όλων των δεδομένων και την εκτέλεση των λειτουργιών.

Έτσι, όταν εκτελείτε μια τυπική διαδικασία εισόδου-αποθήκευσης-εξόδου σε έναν μικροϋπολογιστή, εμφανίζεται η ακόλουθη σειρά ενεργειών:

1. Τα θέματα MP απευθύνονται στο 100 στο δίαυλο διευθύνσεων. Ένα σήμα αποστέλλεται μέσω του διαύλου ελέγχου που θέτει τη μνήμη προγράμματος (ένα συγκεκριμένο μικροκύκλωμα) σε λειτουργία ανάγνωσης.

2. Η μνήμη του προγράμματος στέλνει την πρώτη εντολή ("Εισαγωγή δεδομένων") κατά μήκος του διαύλου δεδομένων και ο MP λαμβάνει αυτό το κωδικοποιημένο μήνυμα. Η εντολή τοποθετείται στον καταχωρητή εντολών. Το MP αποκωδικοποιεί (ερμηνεύει) την λαμβανόμενη εντολή και καθορίζει ότι η εντολή απαιτεί τελεστή.

3. Τα θέματα MP απευθύνονται στο 101 στον ShA. Ο χώρος ελέγχου χρησιμοποιείται για τη μεταφορά της μνήμης του προγράμματος σε λειτουργία ανάγνωσης.

4. Ο τελεστής «Από τη θύρα 1» αποστέλλεται από τη μνήμη του προγράμματος στον SD. Αυτός ο τελεστής είναι μέσα μνήμη προγράμματοςστο κελί 101. Ο κωδικός τελεστή (που περιέχει τη διεύθυνση της θύρας 1) μεταδίδεται μέσω του SD στο MP και αποστέλλεται στον καταχωρητή εντολών. Το MP αποκωδικοποιεί τώρα την πλήρη εντολή ("Εισαγωγή δεδομένων από τη θύρα 1").

5. Το MP, χρησιμοποιώντας το ShA και το ShU που το συνδέει με τη συσκευή εισόδου, ανοίγει τη θύρα 1. Ψηφιακός κώδικαςΤο γράμμα "A" μεταφέρεται στον συσσωρευτή μέσα στο MP και αποθηκεύεται. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι κατά την επεξεργασία κάθε εντολής προγράμματος, το MP ενεργεί σύμφωνα με τη μικροδιαδικασία δειγματοληψίας-αποκωδικοποίησης-εκτέλεσης.

6. Το MP αποκτά πρόσβαση στο κελί 102 μέσω ShaA. Ο χώρος ελέγχου χρησιμοποιείται για τη μεταφορά της μνήμης του προγράμματος σε λειτουργία ανάγνωσης.

7. Ο κωδικός εντολής «Remember data» αποστέλλεται στον SD και αποστέλλεται στον MP, όπου τοποθετείται στο μητρώο εντολών.

8. Το MP αποκωδικοποιεί αυτήν την εντολή και προσδιορίζει ότι απαιτεί τελεστή. Το MP έχει πρόσβαση στο κελί μνήμης 103 και ενεργοποιεί την είσοδο για την ανάγνωση τσιπ μνήμης προγράμματος.

9. Ο κωδικός μηνύματος «In memory cell 200» αποστέλλεται από τη μνήμη του προγράμματος στον SD. Ο MP παίρνει αυτόν τον τελεστή και τον τοποθετεί στον καταχωρητή εντολών. Η πλήρης εντολή "Αποθήκευση δεδομένων στη θέση μνήμης 200" επιλέγεται από τη μνήμη του προγράμματος και αποκωδικοποιείται.

10. Τώρα ξεκινά η διαδικασία εκτέλεσης εντολών. Το MP προωθεί τη διεύθυνση 200 στο SHA και ενεργοποιεί την είσοδο εγγραφής που σχετίζεται με τη μνήμη δεδομένων.

11. Το MP προωθεί τις πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες στην μπαταρία στη μνήμη δεδομένων. Ο κωδικός του γράμματος "A" μεταδίδεται μέσω SD και γράφεται στο κελί 200 αυτής της μνήμης. Η δεύτερη εντολή έχει εκτελεστεί. Η διαδικασία απομνημόνευσης δεν καταστρέφει τα περιεχόμενα της μπαταρίας. Εξακολουθεί να περιέχει τον κωδικό για το γράμμα "A".

12. Το MP αποκτά πρόσβαση στο κελί μνήμης 104 για να επιλέξει την επόμενη εντολή και αλλάζει τη μνήμη του προγράμματος σε λειτουργία ανάγνωσης.

13. Ο κωδικός εντολής εξόδου δεδομένων αποστέλλεται μέσω SD στον MP, ο οποίος τον τοποθετεί στον καταχωρητή εντολών, τον αποκρυπτογραφεί και καθορίζει ότι απαιτείται τελεστής.

14. Τα θέματα MP απευθύνονται στο 105 στο SHA και ρυθμίζουν τη μνήμη του προγράμματος σε λειτουργία ανάγνωσης.

15. Από τη μνήμη προγράμματος μέσω SD, λαμβάνεται ο κωδικός τελεστή “To port 10” από το MP, ο οποίος στη συνέχεια τοποθετείται στον καταχωρητή εντολών.

16. Το MP αποκρυπτογραφεί την πλήρη εντολή «Εξαγωγή δεδομένων στη θύρα 10». Με τη βοήθεια του ShA και του ShU που το συνδέουν στη συσκευή εξόδου, το MP ανοίγει τη θύρα 10 και στέλνει τον κωδικό του γράμματος "A" (που βρίσκεται ακόμα στην μπαταρία) μέσω του ShD. Το γράμμα "A" εμφανίζεται μέσω της θύρας 10 στην οθόνη ενδείξεων.

Στα περισσότερα συστήματα μικροεπεξεργαστών (MPS), οι πληροφορίες μεταφέρονται με τρόπο παρόμοιο με αυτόν που συζητήθηκε παραπάνω. Οι πιο σημαντικές διαφορές είναι δυνατές στα μπλοκ εισόδου και εξόδου.

Ας τονίσουμε για άλλη μια φορά ότι ο μικροεπεξεργαστής είναι ο πυρήνας του συστήματος και ελέγχει όλες τις λειτουργίες. Το έργο του αντιπροσωπεύει μια διαδοχική υλοποίηση μικροδιαδικασιών δειγματοληψίας-αποκρυπτογράφησης-εκτέλεσης. Ωστόσο, η πραγματική ακολουθία λειτουργιών στο MPS καθορίζεται από τις εντολές που καταγράφονται στη μνήμη του προγράμματος.

Έτσι, στο MPS, ο μικροεπεξεργαστής εκτελεί τις ακόλουθες λειτουργίες:

Ανάκτηση εντολών προγράμματος από την κύρια μνήμη.

Αποκρυπτογράφηση εντολών.

Εκτέλεση αριθμητικών, λογικών και άλλων πράξεων κωδικοποιημένων σε εντολές.

Έλεγχος της μεταφοράς πληροφοριών μεταξύ καταχωρητών και κύριας μνήμης, μεταξύ συσκευών εισόδου/εξόδου.

Επεξεργασία σημάτων από συσκευές εισόδου/εξόδου, συμπεριλαμβανομένης της υλοποίησης διακοπών από αυτές τις συσκευές.

Διαχείριση και συντονισμός του έργου των κύριων μονάδων του Μ.Π.

Υπάρχουν διάφορες προσεγγίσεις για την ταξινόμηση των μικροεπεξεργαστών ανά τύπο αρχιτεκτονικής. Έτσι, διακρίνονται τα MP με αρχιτεκτονική CISC (Complete Instruction Set Computer), τα οποία χαρακτηρίζονται από πλήρες σετεντολές και αρχιτεκτονική RISC (Reduce Instruction Set Computer), η οποία ορίζει ένα σύστημα με μειωμένο σύνολο εντολών της ίδιας μορφής, που εκτελούνται σε έναν κύκλο MP.

Ορίζοντας το bit depth ως κύριο χαρακτηριστικό του MP, διακρίνουν ακόλουθους τύπουςΑρχιτεκτονική MP:

Με ένα σταθερό βάθος bit και μια λίστα εντολών (single-chip).

Με επεκτάσιμη χωρητικότητα (sectional) και έλεγχο μικροπρογραμμάτων.

Με την ανάλυση των χώρων διευθύνσεων των προγραμμάτων και δεδομένων, προσδιορίζεται ένα MP με αρχιτεκτονική von Neumann (η μνήμη προγράμματος και η μνήμη δεδομένων βρίσκονται στον ίδιο χώρο και δεν υπάρχουν σημάδια που να υποδεικνύουν τον τύπο πληροφοριών σε ένα κελί μνήμης) και ένα MP με Αρχιτεκτονική του εργαστηρίου του Χάρβαρντ (η μνήμη προγράμματος και η μνήμη δεδομένων διαχωρίζονται, έχουν τους δικούς τους χώρους διευθύνσεων και τρόπους πρόσβασης σε αυτούς).

Ας εξετάσουμε λεπτομερέστερα τους κύριους τύπους αρχιτεκτονικών λύσεων, επισημαίνοντας τη σύνδεση με τις μεθόδους διευθυνσιοδότησης μνήμης.

1. Η αρχιτεκτονική του μητρώου καθορίζεται από την παρουσία ενός αρκετά μεγάλου αρχείου καταχωρητή μέσα στο MP. Οι εντολές μπορούν να έχουν πρόσβαση σε τελεστές που βρίσκονται σε ένα από τα δύο μέσα αποθήκευσης: ΕΜΒΟΛΟή μητρώα. Το μέγεθος του καταχωρητή είναι συνήθως σταθερό και ταιριάζει με το μέγεθος της λέξης που υλοποιείται φυσικά στη μνήμη RAM. Οποιοσδήποτε καταχωρητής μπορεί να προσπελαστεί απευθείας, αφού οι καταχωρητές αντιπροσωπεύονται ως μια σειρά στοιχείων αποθήκευσης - ένα αρχείο μητρώου. Είναι τυπικό να εκτελούνται αριθμητικές πράξεις μόνο σε έναν καταχωρητή, με την εντολή να περιέχει δύο τελεστές (και οι δύο τελεστές σε έναν καταχωρητή ή ο ένας τελεστής σε έναν καταχωρητή και ο άλλος στη RAM).

Ο μικροεπεξεργαστής Zilog ανήκει σε αυτόν τον τύπο αρχιτεκτονικής. Ο επεξεργαστής Z80, το πνευματικό τέκνο της Zilog, εκτός από ένα διευρυμένο σύστημα εντολών, μια βαθμολογία ισχύος και τη δυνατότητα εκτέλεσης προγραμμάτων γραμμένων για το i8080, είχε αρχιτεκτονικά χαρακτηριστικά.

Ρύζι. 3. Μικροεπεξεργαστής Z80 της Zilog.

Εκτός από το κύριο σύνολο RON, ένα δεύτερο σύνολο παρόμοιων καταχωρητών εφαρμόστηκε στον κρύσταλλο. Αυτό απλοποίησε πολύ την εργασία κατά την κλήση υπορουτίνων ή τις ρουτίνες υπηρεσίας διακοπής, καθώς ο προγραμματιστής μπορούσε να χρησιμοποιήσει ένα εναλλακτικό σύνολο καταχωρητών για αυτούς, αποφεύγοντας την αποθήκευση των περιεχομένων των RON για το κύριο πρόγραμμα στη στοίβα χρησιμοποιώντας λειτουργίες PUSH. Επιπλέον, στο σύστημα εντολών συμπεριλήφθηκαν ορισμένες ειδικές οδηγίες, οι οποίες επικεντρώθηκαν στην επεξεργασία μεμονωμένων bits και για την υποστήριξη της δυναμικής αναγέννησης μνήμης, εισήχθη κατάλληλο υλικό στο κύκλωμα του επεξεργαστή. Το Z80 χρησιμοποιήθηκε σε μηχανές Sinclair ZX, Sinclair Spectrum, Tandy TRS80.

Η απόλυτη επιλογή είναι μια αρχιτεκτονική με διευθυνσιοδότηση μέσω συσσωρευτών (μικρότερο σύνολο εντολών).

Ο βουλευτής της Motorola είχε μια σειρά από σημαντικά πλεονεκτήματα. Πρώτα απ 'όλα, ο κρύσταλλος MC6800 απαιτούσε μία ονομαστική ισχύ για τη λειτουργία και το σύστημα εντολών αποδείχθηκε πολύ διαφανές για τον προγραμματιστή. Η αρχιτεκτονική MP είχε επίσης μια σειρά από χαρακτηριστικά.

Εικόνα 4. Μικροεπεξεργαστής MC6800 από τη Motorola.

Ο μικροεπεξεργαστής MC 6800 περιείχε δύο μπαταρίες και το αποτέλεσμα μιας λειτουργίας ALU μπορούσε να τοποθετηθεί σε κάθε μία. Αλλά η πιο πολύτιμη ποιότητα της δομής MC 6800 ήταν αυτόματη αποθήκευσηστη στοίβα των περιεχομένων όλων των καταχωρητών επεξεργαστή κατά την επεξεργασία διακοπών (το Z80 απαιτούσε αρκετές εντολές PUSH για αυτό). Η διαδικασία για την επαναφορά του RON από τη στοίβα πραγματοποιήθηκε επίσης σε υλικό.

2. Η αρχιτεκτονική στοίβας καθιστά δυνατή τη δημιουργία ενός πεδίου μνήμης με μια διατεταγμένη ακολουθία εγγραφής και ανάκτησης πληροφοριών.

Γενικά, οι εντολές απευθύνονται σιωπηρά στο στοιχείο στοίβας στην κορυφή της στοίβας ή στα δύο επάνω στοιχεία στοίβας.

3. Η αρχιτεκτονική MP, εστιασμένη στη μνήμη RAM (τύπος μνήμης σε μνήμη), παρέχει υψηλή ταχύτηταεργασία και μεγάλη χωρητικότητα πληροφοριών των μητρώων εργασίας και στοίβας όταν είναι οργανωμένα σε RAM.

Αυτός ο τύπος αρχιτεκτονικής δεν ορίζει ρητά έναν συσσωρευτή, καταχωρητές γενικής χρήσης ή στοίβα. Όλοι οι τελεστές εντολών απευθύνονται στην κύρια περιοχή μνήμης.

Από τη σκοπιά της σημασίας για τον χρήστη-προγραμματιστή, η αρχιτεκτονική νοείται γενικά ως ένα σύνολο από τα ακόλουθα στοιχεία και χαρακτηριστικά:

Μέγεθος bit διευθύνσεων και δεδομένων.

Σύνθεση, ονόματα και σκοπός μητρώων προσβάσιμων από λογισμικό.

Μορφές και συστήματα εντολών.

Λειτουργίες διευθυνσιοδότησης μνήμης.

Μέθοδοι για μηχανική αναπαράσταση διαφόρων τύπων δεδομένων.

Δομές χώρου διευθύνσεων;

Μέθοδος διευθυνσιοδότησης εξωτερικών συσκευών και μέσων εκτέλεσης λειτουργιών I/O.

Κλάσεις διακοπής, χαρακτηριστικά έναρξης και επεξεργασίας διακοπής.

2. Συσκευή ελέγχου

Οι κώδικες λειτουργίας των εντολών του προγράμματος, που γίνονται αντιληπτοί από το τμήμα ελέγχου του μικροεπεξεργαστή, αποκρυπτογραφούνται και μετατρέπονται σε αυτόν, παρέχουν πληροφορίες σχετικά με το ποιες λειτουργίες πρέπει να εκτελεστούν, πού βρίσκονται τα δεδομένα στη μνήμη, πού πρέπει να σταλεί το αποτέλεσμα και πού θα γίνει η επόμενη βρίσκεται η εντολή που θα εκτελεστεί.

Η συσκευή ελέγχου διαθέτει επαρκή μέσα ώστε, αφού αντιληφθεί και ερμηνεύσει τις πληροφορίες που λαμβάνονται στην εντολή, να εξασφαλίσει την εναλλαγή (ενεργοποίηση) όλων των απαιτούμενων λειτουργικών τμημάτων του μηχανήματος, καθώς και να παρέχει δεδομένα σε αυτά και να αντιλαμβάνεται τα αποτελέσματα που λαμβάνονται. Είναι η ενεργοποίηση, δηλαδή η αλλαγή της κατάστασης των δυαδικών λογικών στοιχείων στο αντίθετο, που επιτρέπει, μέσω πυλών μεταγωγής, να εκτελούνται στοιχειώδεις λογικές και αριθμητικές πράξεις, καθώς και να μεταφέρονται οι απαιτούμενοι τελεστές στα λειτουργικά μέρη του μικροϋπολογιστή.

Η συσκευή ελέγχου, με αυστηρή σειρά εντός του ρολογιού και των κυκλικών χρονικών διαστημάτων της λειτουργίας του μικροεπεξεργαστή (κύκλος είναι το ελάχιστο διάστημα λειτουργίας κατά το οποίο εκτελείται μια στοιχειώδης ενέργεια· κύκλος είναι το χρονικό διάστημα κατά το οποίο εκτελείται μία λειτουργία μηχανής) εκτελεί: επιλογή; την ερμηνεία του με σκοπό την ανάλυση της μορφής, των χαρακτηριστικών της υπηρεσίας και τον υπολογισμό της διεύθυνσης του τελεστή (τελεστές). καθορισμός της ονοματολογίας και της χρονικής ακολουθίας όλων των λειτουργικών σημάτων ελέγχου· παραγωγή παλμών ελέγχου και μετάδοσή τους στους διαύλους ελέγχου των λειτουργικών μερών του μικροϋπολογιστή και των βαλβίδων μεταξύ τους· αναλύοντας το αποτέλεσμα της πράξης και αλλάζοντας την κατάστασή της έτσι ώστε να προσδιορίζεται η θέση (διεύθυνση) της επόμενης εντολής.

Οι μικροεπεξεργαστές χρησιμοποιούν δύο μεθόδους για τη δημιουργία ενός συνόλου λειτουργικών σημάτων ελέγχου: λογισμικό και μικροπρόγραμμα.

Η εκτέλεση λειτουργιών σε ένα μηχάνημα καταλήγει σε στοιχειώδεις μετασχηματισμούς πληροφοριών (μεταφορά πληροφοριών μεταξύ κόμβων σε μπλοκ, μετατόπιση πληροφοριών σε κόμβους, λογικές λειτουργίες bitwise, έλεγχος συνθηκών κ.λπ.) σε λογικά στοιχεία, κόμβοι και μπλοκ υπό την επίδραση λειτουργικών σημάτων ελέγχου μπλοκ ελέγχου (συσκευές). Στοιχειώδεις μεταμορφώσεις, αδιάσπαστα σε απλούστερα, εκτελούνται κατά τη διάρκεια ενός κύκλου ρολογιού σημάτων συγχρονισμού και ονομάζονται μικροεπεμβάσεις.

Σε συσκευές ελέγχου υλικού (κυκλώματος), κάθε λειτουργία έχει το δικό της σύνολο λογικών κυκλωμάτων που παράγουν ορισμένα λειτουργικά σήματα για την εκτέλεση μικρολειτουργιών σε ορισμένα χρονικά σημεία. Με αυτή τη μέθοδο κατασκευής μιας συσκευής ελέγχου, η υλοποίηση μικρολειτουργιών επιτυγχάνεται μέσω λογικών κυκλωμάτων αφού συνδεθούν μεταξύ τους, επομένως ένας υπολογιστής με συσκευή ελέγχου υλικού ονομάζεται υπολογιστής με λογική σκληρού ελέγχου. Αυτή η έννοια αναφέρεται στη σταθεροποίηση του συστήματος εντολών στη δομή των συνδέσεων υπολογιστή και σημαίνει την πρακτική αδυναμία οποιωνδήποτε αλλαγών στο σύστημα εντολών του υπολογιστή μετά την κατασκευή του.

Όταν μια συσκευή ελέγχου υλοποιείται μικροπρογραμματικά, εισάγεται μια μνήμη στην τελευταία, κάθε bit του κώδικα εξόδου της οποίας καθορίζει την εμφάνιση ενός συγκεκριμένου λειτουργικού σήματος ελέγχου. Επομένως, σε κάθε μικρολειτουργία εκχωρείται η δική της κωδικός πληροφοριών- μικροεντολή. Ένα σύνολο μικροεντολών και η αλληλουχία εφαρμογής τους διασφαλίζουν την εκτέλεση κάθε περίπλοκης λειτουργίας. Ένα σύνολο μικρολειτουργιών ονομάζεται μικροπρογράμματα. Μια μέθοδος ελέγχου λειτουργιών με διαδοχική ανάγνωση και ερμηνεία μικροεντολών από μια μνήμη (τις περισσότερες φορές, οι προγραμματιζόμενοι λογικοί πίνακες υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιούνται με τη μορφή μνήμης μικροπρογραμμάτων), καθώς και με τη χρήση κωδίκων μικροεντολών για τη δημιουργία λειτουργικών σημάτων ελέγχου ονομάζεται μικροπρόγραμμα. και ένας μικροϋπολογιστής με αυτή τη μέθοδο ελέγχου είναι μικροπρογραμματισμένος ή αποθηκευμένος (ευέλικτης) λογική ελέγχου.

Τα μικροπρογράμματα υπόκεινται σε απαιτήσεις λειτουργικής πληρότητας και μινιμαλισμού. Η πρώτη απαίτηση είναι απαραίτητη για τη διασφάλιση της ικανότητας ανάπτυξης μικροπρογραμμάτων για οποιεσδήποτε εργασίες μηχανών και η δεύτερη σχετίζεται με την επιθυμία να μειωθεί η ποσότητα του χρησιμοποιούμενου εξοπλισμού. Ο συνυπολογισμός του παράγοντα απόδοσης οδηγεί στην επέκταση των μικροπρογραμμάτων, αφού η περιπλοκή του τελευταίου καθιστά δυνατή τη μείωση του χρόνου εκτέλεσης των εντολών του προγράμματος.

Η μετατροπή πληροφοριών πραγματοποιείται στην καθολική αριθμητική-λογική μονάδα του μικροεπεξεργαστή. Συνήθως κατασκευάζεται με βάση συνδυαστικά λογικά κυκλώματα.

Για να επιταχυνθεί η εκτέλεση ορισμένων λειτουργιών, εισάγονται πρόσθετες ειδικές μονάδες λειτουργίας (για παράδειγμα, κυκλικοί μετατοπιστές). Επιπλέον, εξειδικευμένες λειτουργικές μονάδες αριθμητικών διαστολέων εισάγονται στο σύνολο μικροεπεξεργαστών (MPC) του LSI.

Οι δυνατότητες λειτουργίας ενός μικροεπεξεργαστή μπορούν να επεκταθούν αυξάνοντας τον αριθμό των καταχωρητών. Εάν δεν υπάρχει αντιστοίχιση συναρτήσεων καταχωρητή στο buffer καταχωρητών, τότε μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για την αποθήκευση δεδομένων όσο και για την αποθήκευση διευθύνσεων. Τέτοιοι καταχωρητές μικροεπεξεργαστή ονομάζονται καταχωρητές γενικού σκοπού (GPR). Καθώς η τεχνολογία αναπτύσσεται, η παραγωγή 16, 32 ή περισσότερων καταχωρητών σε έναν μικροεπεξεργαστή έχει πράγματι πραγματοποιηθεί.

Γενικά, η αρχή του ελέγχου μικροπρογραμμάτων (PMC) περιλαμβάνει τα ακόλουθα στοιχεία:

1) οποιαδήποτε λειτουργία που υλοποιείται από μια συσκευή είναι μια ακολουθία στοιχειωδών ενεργειών - μικρο-λειτουργίες.

2) χρησιμοποιούνται λογικές συνθήκες για τον έλεγχο της σειράς των μικρολειτουργιών.

3) η διαδικασία εκτέλεσης λειτουργιών στη συσκευή περιγράφεται με τη μορφή ενός αλγορίθμου, που παρουσιάζεται ως προς τις μικρολειτουργίες και τις λογικές συνθήκες, που ονομάζεται μικροπρόγραμμα.

4) το υλικολογισμικό χρησιμοποιείται ως μορφή αναπαράστασης της λειτουργίας της συσκευής, βάσει της οποίας καθορίζεται η δομή και η σειρά λειτουργίας της συσκευής με την πάροδο του χρόνου.

Το PMU παρέχει ευελιξία του συστήματος μικροεπεξεργαστή και επιτρέπει τον προσανατολισμό των προβλημάτων μικρο- και μικροϋπολογιστών.

4. Τρόποι διευθυνσιοδότησης

Για να αλληλεπιδράσει με διάφορες μονάδες, ο υπολογιστής πρέπει να διαθέτει μέσα αναγνώρισης εξωτερικών κυψελών μνήμης, εσωτερικών κυψελών μνήμης, καταχωρητών MP και καταχωρητών συσκευών εισόδου/εξόδου. Επομένως, σε κάθε ένα από τα κελιά αποθήκευσης εκχωρείται μια διεύθυνση, δηλ. μονοσήμαντος συνδυασμός bit. Ο αριθμός των bit καθορίζει τον αριθμό των κελιών που πρέπει να αναγνωριστούν. Συνήθως, ένας υπολογιστής έχει διαφορετικούς χώρους διευθύνσεων για καταχωρητές μνήμης και MP, και μερικές φορές - ξεχωριστούς χώρους διευθύνσεων για καταχωρητές συσκευών εισόδου/εξόδου και εσωτερικής μνήμης. Επιπλέον, η μνήμη αποθηκεύει δεδομένα και οδηγίες. Ως εκ τούτου, πολλοί τρόποι πρόσβασης στη μνήμη, που ονομάζονται τρόποι διευθυνσιοδότησης, έχουν αναπτυχθεί για υπολογιστές.

Η λειτουργία διευθυνσιοδότησης μνήμης είναι μια διαδικασία ή σχήμα για τη μετατροπή των πληροφοριών διεύθυνσης ενός τελεστή στη διεύθυνση εκτέλεσής του.

Όλες οι μέθοδοι διευθυνσιοδότησης μνήμης μπορούν να χωριστούν σε:

1) direct, όταν η εκτελεστική διεύθυνση λαμβάνεται απευθείας από την εντολή ή υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την τιμή που καθορίζεται στην εντολή και τα περιεχόμενα οποιουδήποτε καταχωρητή (άμεση διεύθυνση, καταχωρητής, βάση, ευρετήριο κ.λπ.)

2) indirect, το οποίο προϋποθέτει ότι η εντολή περιέχει την τιμή της έμμεσης διεύθυνσης, δηλ. διευθύνσεις του κελιού μνήμης στο οποίο βρίσκεται η τελική διεύθυνση εκτέλεσης (έμμεση διευθυνσιοδότηση).

Κάθε μικροϋπολογιστής εφαρμόζει μόνο ορισμένους τρόπους διευθυνσιοδότησης, η χρήση των οποίων, κατά κανόνα, καθορίζεται από την αρχιτεκτονική του μικροϋπολογιστή.

Σύναψη

Ο αριθμός των προσωπικών υπολογιστών τόσο στον κόσμο όσο και, ειδικότερα, στη Ρωσία αυξάνεται ραγδαία. Η αγορά των υπολογιστών είναι η πιο πολλά υποσχόμενη και κερδοφόρα μεταξύ άλλων αγορών υπολογιστών. ΣΕ Βόρεια Αμερικήκαι τη Δυτική Ευρώπη, το ποσοστό των νοικοκυριών με Η/Υ πλησιάζει το 30. Χωρίς αμφιβολία, στις μέρες μας όλοι πρέπει να μαθαίνουν και να κατανοούν τον υπολογιστή όχι μόνο θεωρητικά, αλλά, κυρίως, πρακτικά.

Μια ανάλυση νέων λύσεων για την κατασκευή μιας δομής υπολογιστή δείχνει ότι ο επεξεργαστής, η μνήμη, οι συσκευές εισόδου και εξόδου αποτελούν τη βάση οποιουδήποτε υπολογιστή. Ας εξετάσουμε το πιο συνηθισμένο δομικό διάγραμμα, το οποίο βασίζεται στα πιο κοινά μοντέλα υπολογιστών, ιδιαίτερα στα προσωπικά.

Ένας σύγχρονος υπολογιστής μπορεί να αναπαρασταθεί στις περισσότερες περιπτώσεις με ένα απλοποιημένο μπλοκ διάγραμμα, όπου διακρίνονται τα κεντρικά και τα περιφερειακά μέρη. Το κεντρικό τμήμα περιλαμβάνει τον επεξεργαστή και την εσωτερική μνήμη, το περιφερειακό περιλαμβάνει συσκευές εισόδου/εξόδου και εξωτερική μνήμη. Βασισμένο σε απλοποιημένη μπλοκ διάγραμμαΚαθορίζονται οι αρχές του trunking, της modularity και του μικροπρογραμματισμού.

Δεν πρέπει να ελπίζουμε ότι η ανάπτυξη της τεχνολογίας των υπολογιστών θα αλλάξει ριζικά την ύπαρξή μας. Ένας υπολογιστής δεν είναι τίποτα περισσότερο (αλλά όχι λιγότερο) από έναν από τους ισχυρούς κινητήρες της προόδου (όπως η ενέργεια, η μεταλλουργία, η χημεία, η μηχανολογία), που αναλαμβάνει στους «σιδερένιους ώμους» του μια τόσο σημαντική λειτουργία όπως η ρουτίνα της επεξεργασίας πληροφοριών. Αυτή η ρουτίνα πάντα και παντού συνοδεύει τις υψηλότερες πτήσεις της ανθρώπινης σκέψης. Είναι σε αυτή τη ρουτίνα που πολύ συχνά πνίγονται τολμηρές αποφάσεις που είναι απρόσιτες σε έναν υπολογιστή. Γι' αυτό είναι τόσο σημαντικό να «κατηγορούμε» τον υπολογιστή λειτουργίες ρουτίναςνα ελευθερώσει ένα άτομο για τον πραγματικό του σκοπό - τη δημιουργικότητα.

Το μέλλον της τεχνολογίας μικροεπεξεργαστών σήμερα συνδέεται με δύο νέες κατευθύνσεις - τη νανοτεχνολογία και την κβαντική υπολογιστικά συστήματα. Αυτές οι μελέτες, ακόμα κυρίως θεωρητικές, αφορούν τη χρήση μορίων και ακόμη και υποατομικών σωματιδίων ως συστατικά λογικών κυκλωμάτων: η βάση για τους υπολογισμούς δεν πρέπει να είναι ηλεκτρικά κυκλώματα, όπως τώρα, αλλά η θέση των μεμονωμένων ατόμων ή η φορά περιστροφής των ηλεκτρονίων. Εάν δημιουργηθούν «μικροσκοπικοί» υπολογιστές, θα ξεπεράσουν τις σύγχρονες μηχανές από πολλές απόψεις.

Κατάλογος χρησιμοποιημένης βιβλιογραφίας

1. Balashov E.P., Grigoriev V.L., Petrov G.A. Μικρο- και μικροϋπολογιστές. – Αγία Πετρούπολη: Energoatomizdat, 2004.

2. Eremin Ε.Α. Δημοφιλείς διαλέξεις για το σχεδιασμό υπολογιστών. – Αγία Πετρούπολη: BHV-Petersburg, 2003.

3. Ιμπραήμ Κ.Φ. Συσκευή και εγκατάσταση υπολογιστή / Ανά. από τα αγγλικά – Μ.: Binom, 2004..

4. Kosarev V.P., Surkov E.M., Bakova I.V. Τεχνικά μέσασυστήματα ελέγχου. - Μ.: Εκδοτικός οίκος "Οικονομικά και Στατιστική", 2006.

5. Leontyev V.P. Η τελευταία εγκυκλοπαίδεια ενός προσωπικού υπολογιστή 2003. – Μ.: OLMA-PRESS, 2004.

6. Stallings W. Δομική οργάνωση και αρχιτεκτονική συστημάτων υπολογιστών. – M.: Williams, 2002.

7. Wynn L. Roche. Η Βίβλος για την αναβάθμιση του προσωπικού σας υπολογιστή. – Μ.: Tivali-Style, 2005.

8. Figurnov V.E. IBM PC for the User, 6η έκδοση, αναθεωρημένη και επέκταση. – Μ.: INFRA-M, 1996.

1.6.1 Βασικές Έννοιες

Η ανάπτυξη της τεχνολογίας καθιστά δυνατή τη δημιουργία σε ένα τσιπ ενός αυξανόμενου αριθμού ενεργών εξαρτημάτων - τρανζίστορ, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εφαρμογή νέων αρχιτεκτονικών και δομικών λύσεων που παρέχουν αυξημένη απόδοση και επέκταση λειτουργικότηταμικροεπεξεργαστές

Τεχνολογία μικροεπεξεργαστή περιλαμβάνει υλικό και λογισμικό που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή διαφόρων συστημάτων μικροεπεξεργαστών, συσκευών και προσωπικών μικροϋπολογιστών.

Μικροεπεξεργαστής (MP) – μια συσκευή ελεγχόμενη από λογισμικό που εκτελεί τη διαδικασία επεξεργασίας και ελέγχου ψηφιακών πληροφοριών και είναι κατασκευασμένη, κατά κανόνα, σε ένα μόνο LSI.

Σύστημα μικροεπεξεργαστή (MPS) είναι ένα λειτουργικά πλήρες προϊόν που αποτελείται από μία ή περισσότερες συσκευές, κυρίως με μικροεπεξεργαστή: έναν μικροεπεξεργαστή ή/και έναν μικροελεγκτή.

Ορος "μικροελεγκτής" (MK) εκτόπισε τον όρο "μικροϋπολογιστής ενός τσιπ" που χρησιμοποιήθηκε στο παρελθόν. Το πρώτο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για έναν μικροϋπολογιστή ενός τσιπ εκδόθηκε το 1971 στους M. Kochran και G. Boone. Ήταν αυτοί που πρότειναν να τοποθετηθεί σε ένα τσιπ όχι μόνο ένας μικροεπεξεργαστής, αλλά και συσκευές μνήμης και εισόδου/εξόδου. Η έλευση των μικροϋπολογιστών ενός τσιπ συνδέεται με την αρχή της εποχής του αυτοματισμού υπολογιστών στον τομέα του ελέγχου. Προφανώς, αυτή η περίσταση καθόρισε τον όρο "μικροελεγκτής" (έλεγχος- διαχείριση).

Ωστόσο, στη συνέχεια, η επέκταση του πεδίου χρήσης των μικροελεγκτών συνεπαγόταν την ανάπτυξη της αρχιτεκτονικής τους λόγω της τοποθέτησης συσκευών (modules) σε ένα τσιπ που αντικατοπτρίζουν τις ιδιαιτερότητες των εργασιών που επιλύονται με τη λειτουργικότητά τους. Τέτοιες πρόσθετες συσκευές ονομάστηκαν περιφερειακά. Επομένως, δεν είναι τυχαίο ότι ένας άλλος όρος εισήχθη πρόσφατα - "ενσωματωμένος επεξεργαστής" (IP) , το οποίο ορίζει μια νέα κατηγορία λειτουργικά χωρητικότητας συσκευών ενός τσιπ με διαφορετική σύνθεση μονάδων. Κατά ποσότητα και σύνθεση περιφερειακές συσκευέςΤα IP είναι κατώτερα από τα MK και καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ MPs και MK. Για τον ίδιο λόγο δεν εμφανίστηκαν μόνο οικογένειες MK που ενώνουν σχετικά MK (με το ίδιο σύστημα εντολών, βάθος bit), αλλά άρχισαν να διακρίνονται και υπότυποι MK: επικοινωνία, για έλεγχο κ.λπ.

Μικροελεγκτής (MK) – υπολογιστής ενός τσιπ ή μικροεπεξεργαστή ελέγχου.

Τα MPs χρησιμοποιούνται επί του παρόντος κυρίως για την παραγωγή προσωπικών υπολογιστών και τα MK και IP αποτελούν τη βάση για τη δημιουργία διαφόρων ενσωματωμένων συστημάτων, τηλεπικοινωνιών και φορητού εξοπλισμού κ.λπ.

Αρχιτεκτονική επεξεργαστή είναι το σύμπλεγμα του υλικού και του λογισμικού του που παρέχεται στον χρήστη. Σε αυτό γενική έννοιαπεριλαμβάνει ένα σύνολο καταχωρητών προσβάσιμων από λογισμικό και εκτελεστικών (λειτουργικών) συσκευών, ένα σύστημα βασικών εντολών και μεθόδων διευθυνσιοδότησης, τον όγκο και τη δομή της διευθυνσιοδοτούμενης μνήμης κ.λπ.

Αρχιτεκτονική στενά συνδεδεμένη με δομή , το οποίο προβλέπει την παρουσία στοιχείων για την υλοποίηση λειτουργιών του επεξεργαστή.

1.6.2 Παραλλαγές αρχιτεκτονικών μικροεπεξεργαστών

Ανάλογα απόσύνολο εντολών που θα εκτελεστούν και μεθόδων διευθυνσιοδότησης

CISC ( Συγκρότημα Εντολή Σειρά Ηλεκτρονικός υπολογιστής ) – αρχιτεκτονική υλοποιείται σε πολλούς τύπους μικροεπεξεργαστών που εκτελούν ένα μεγάλο σύνολο εντολών πολλαπλών μορφών χρησιμοποιώντας πολυάριθμες μεθόδους διευθυνσιοδότησης.

Για παράδειγμα, μικροεπεξεργαστές της οικογένειας Pentium. Εκτελούν περισσότερες από 200 εντολές διαφορετικής πολυπλοκότητας, οι οποίες κυμαίνονται σε μέγεθος από 1 έως 15 byte και παρέχουν περισσότερες από 10 με διάφορους τρόπουςαπευθύνοντας).

Μια μεγάλη ποικιλία εκτελεσμένων εντολών και μεθόδων διευθυνσιοδότησης επιτρέπει στον προγραμματιστή να εφαρμόσει τους πιο αποτελεσματικούς αλγόριθμους για την επίλυση διαφόρων προβλημάτων. Ωστόσο, ταυτόχρονα, η δομή του μικροεπεξεργαστή, ειδικά η συσκευή ελέγχου του, γίνεται σημαντικά πιο περίπλοκη, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση του μεγέθους και του κόστους του κρυστάλλου και σε μείωση της απόδοσης. Ταυτόχρονα, πολλές εντολές και μέθοδοι διευθυνσιοδότησης χρησιμοποιούνται αρκετά σπάνια. Επομένως, ξεκινώντας από τη δεκαετία του 1980, άρχισε η εντατική ανάπτυξη μειωμένη αρχιτεκτονική επεξεργαστή σύνολο εντολών ( RISC -επεξεργαστές).

RISC ( Μειωμένος Εντολή Σειρά Ηλεκτρονικός υπολογιστής ) – αρχιτεκτονική χαρακτηρίζεται από τη χρήση περιορισμένου συνόλου εντολών σταθερής μορφής και μειωμένου αριθμού μεθόδων διευθυνσιοδότησης.

Ως αποτέλεσμα, η δομή του μικροεπεξεργαστή απλοποιείται σημαντικά, το μέγεθος και το κόστος του μειώνονται και η παραγωγικότητα αυξάνεται σημαντικά.

Τα πλεονεκτήματα της αρχιτεκτονικής RISC έχουν οδηγήσει στο γεγονός ότι πολλοί σύγχρονοι επεξεργαστές CISC χρησιμοποιούν έναν πυρήνα RISC για την εκτέλεση επεξεργασίας δεδομένων. Σε αυτήν την περίπτωση, οι εισερχόμενες σύνθετες εντολές και εντολές πολλαπλών μορφών μετατρέπονται εκ των προτέρων σε μια ακολουθία απλών λειτουργιών RISC που εκτελούνται γρήγορα από αυτόν τον πυρήνα επεξεργαστή.

Έτσι λειτουργούν για παράδειγμα τα τελευταία μοντέλα μικροεπεξεργαστών Pentium και K7 που σύμφωνα με εξωτερικούς δείκτες ανήκουν σε επεξεργαστές CISC. Η χρήση της αρχιτεκτονικής RISC είναι χαρακτηριστικό γνώρισμα πολλών σύγχρονων μικροεπεξεργαστών.

VLIW ( Πολύ Μεγάλο Εντολή Λέξη ) – Χαρακτηριστικό της αρχιτεκτονικής είναι η χρήση πολύ μεγάλων εντολών (έως 128 bit ή περισσότερα), μεμονωμένα πεδία των οποίων περιέχουν κώδικες που διασφαλίζουν την εκτέλεση διαφόρων λειτουργιών. Έτσι, μια εντολή προκαλεί την παράλληλη εκτέλεση πολλών λειτουργιών σε διάφορες λειτουργικές συσκευές που περιλαμβάνονται στη δομή του μικροεπεξεργαστή.

Αρχιτεκτονική εμφανίστηκε σχετικά πρόσφατα - τη δεκαετία του 1990.

Ανάλογα σχετικά με την εφαρμογή της μνήμης που χρησιμοποιείται και την οργάνωση της ανάκτησης εντολών και δεδομένων Οι ακόλουθες επιλογές αρχιτεκτονικής εφαρμόζονται σε σύγχρονους μικροεπεξεργαστές:

Αρχιτεκτονική του Πρίνστον , που συχνά ονομάζεται αρχιτεκτονική Von Neumann, χαρακτηρίζεται από τη χρήση κοινής μνήμης RAM για την αποθήκευση προγραμμάτων και δεδομένων.

Για την πρόσβαση σε αυτή τη μνήμη, χρησιμοποιείται ένας κοινός δίαυλος συστήματος, μέσω του οποίου τόσο εντολές όσο και δεδομένα εισέρχονται στον επεξεργαστή.Φόντα

αρχιτεκτονική:

α) Η παρουσία κοινόχρηστης μνήμης σάς επιτρέπει να αναδιανέμετε γρήγορα τον όγκο της για να αποθηκεύετε ξεχωριστές συστοιχίες εντολών και δεδομένων, ανάλογα με τις εργασίες που επιλύονται. Αυτό διασφαλίζει τη δυνατότητα αποτελεσματικής χρήσης της διαθέσιμης ποσότητας μνήμης RAM σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση χρήσης του μικροεπεξεργαστή.

β) η χρήση ενός κοινού διαύλου για τη μετάδοση εντολών και δεδομένων απλοποιεί σημαντικά τον εντοπισμό σφαλμάτων, τη δοκιμή και τη συνεχή παρακολούθηση της λειτουργίας του συστήματος και αυξάνει την αξιοπιστία του.Το κύριο μειονέκτημα αρχιτεκτονική είναι η ανάγκη για διαδοχική δειγματοληψία εντολών και επεξεργασμένων δεδομένων μέσω ενός κοινού διαύλου συστήματος. Σε αυτή την περίπτωση, το κοινό λεωφορείο γίνεται "κώλυμα

"(bottleneck - "bottleneck"), που περιορίζει την απόδοση ενός ψηφιακού συστήματος. χαρακτηρίζεται από το φυσικό διαχωρισμό της μνήμης εντολών (προγραμμάτων) και της μνήμης δεδομένων. Κάθε μνήμη συνδέεται με τον επεξεργαστή με ξεχωριστό δίαυλο, ο οποίος επιτρέπει την ταυτόχρονη ανάγνωση και εγγραφή δεδομένων κατά την εκτέλεση της τρέχουσας εντολής για ανάκτηση και αποκωδικοποίηση της επόμενης εντολής.

ΑξιοπρέπειαΗ αρχιτεκτονική έχει υψηλότερη απόδοση από τη χρήση της αρχιτεκτονικής του Princeton, λόγω του διαχωρισμού των ροών εντολών και δεδομένων και του συνδυασμού των λειτουργιών ανάκτησής τους.

ΕλαττώματαΟι αρχιτεκτονικές συνδέονται με την ανάγκη για μεγαλύτερο αριθμό διαύλων, καθώς και με μια σταθερή ποσότητα μνήμης που εκχωρείται για εντολές και δεδομένα, ο σκοπός των οποίων δεν μπορεί να ανακατανεμηθεί γρήγορα σύμφωνα με τις απαιτήσεις του προβλήματος που επιλύεται.

Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί μεγαλύτερη μνήμη, το ποσοστό χρήσης της οποίας κατά την επίλυση διαφόρων προβλημάτων είναι χαμηλότερο από ό,τι σε συστήματα με την αρχιτεκτονική του Princeton. Ωστόσο, η ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής τεχνολογίας επέτρεψε να ξεπεραστούν σε μεγάλο βαθμό αυτές οι ελλείψεις.

ΓαρΒαρδιάνικη αρχιτεκτονικήχρησιμοποιείται ευρέως στην εσωτερική δομή των σύγχρονων μικροεπεξεργαστών υψηλής απόδοσης, οι οποίοι χρησιμοποιούν ξεχωριστή μνήμη cache για την αποθήκευση εντολών και δεδομένων. Ταυτόχρονα, οι αρχές του Αρχιτεκτονική του Πρίνστον.

Τυπική δομή ενός συστήματος μικροεπεξεργαστή

Τα περισσότερα συστήματα μικροεπεξεργαστών έχουν μια αρθρωτή δομή διαύλου, στην οποία μεμονωμένες συσκευές (ενότητες) που περιλαμβάνονται στο σύστημα ανταλλάσσουν πληροφορίες μέσω μιας κοινής βάσης διαύλου συστήματος (Εικόνα 1.7).

Η κύρια μονάδα του συστήματος είναι ένας μικροεπεξεργαστής, ο οποίος περιλαμβάνει

κανονίζω διαχείριση (UU) ,

συσκευή λειτουργίας ,

καταχωρήστε το στόμιο αποθήκευσης σμήνος (RZU) – εσωτερική μνήμη, που υλοποιείται ως σύνολο καταχωρητών.

Οπερα συσκευή αποθήκευσης (ΕΜΒΟΛΟ) χρησιμεύει για την αποθήκευση του εκτελέσιμου προγράμματος (ή των τμημάτων του) και των δεδομένων προς επεξεργασία. Στα απλούστερα συστήματα μικροεπεξεργαστών, η ποσότητα μνήμης RAM είναι δεκάδες και εκατοντάδες byte και στους σύγχρονους προσωπικούς υπολογιστές, διακομιστές και σταθμούς εργασίας φτάνει τα εκατοντάδες MB ή περισσότερα. Δεδομένου ότι η πρόσβαση στη μνήμη RAM μέσω του διαύλου συστήματος απαιτεί σημαντικό χρόνο, οι περισσότεροι σύγχρονοι μικροεπεξεργαστές υψηλής απόδοσης εισάγουν επιπλέον ενδιάμεση μνήμη υψηλής ταχύτητας (cache) περιορισμένος όγκος (από πολλά KB σε εκατοντάδες KB).

Μνήμη μόνο για ανάγνωση (ROM) χρησιμοποιείται για την αποθήκευση σταθερών και τυπικών (αμετάβλητων) προγραμμάτων. Η ROM συνήθως αποθηκεύει προγράμματα προετοιμασίας (εκκίνησης) για συστήματα, δοκιμαστικά και διαγνωστικά προγράμματα και άλλο λογισμικό υπηρεσιών που δεν αλλάζει κατά τη λειτουργία του συστήματος. Σε συστήματα μικροεπεξεργαστών που ελέγχουν ορισμένα αντικείμενα χρησιμοποιώντας σταθερά ή σπάνια αλλαγμένα προγράμματα, συνήθως χρησιμοποιείται επίσης ROM (ROM - Read-Only Memory) ή επαναπρογραμματιζόμενη ROM (EEPROM - Electrically Erased Programmable Read-Only Memory ή μνήμη flash).

Ενταφιάζω συσκευές προσώπου (FD) χρησιμεύουν για τη σύνδεση στο δίαυλο άλλων συσκευών που είναι εξωτερικές στο σύστημα. Οι IU εφαρμόζουν ορισμένα παράλληλα ή σειριακά πρωτόκολλα επικοινωνίας. Εξωτερικές συσκευές μπορεί να είναι πληκτρολόγιο, οθόνη, εξωτερικές συσκευές αποθήκευσης (ESD) που χρησιμοποιούν δισκέτες ή σκληρούς μαγνητικούς δίσκους, οπτικούς δίσκους (CD-ROM), μαγνητικές ταινίες και άλλους τύπους μέσων αποθήκευσης, αισθητήρες και μετατροπείς πληροφοριών (αναλογικό σε ψηφιακό ή ψηφιακό σε αναλογικό), διάφοροι ενεργοποιητές (δείκτες, εκτυπωτές, ηλεκτρικοί κινητήρες, ρελέ και άλλοι).

Για την εφαρμογή διαφόρων τρόπων λειτουργίας, μπορούν να συνδεθούν πρόσθετες συσκευές στο σύστημα - ελεγκτές διακοπών, ελεγκτές άμεσης πρόσβασης στη μνήμη και άλλες που εφαρμόζουν τις απαραίτητες ειδικές λειτουργίες ελέγχου.

Αυτή η δομή αντιστοιχεί στην αρχιτεκτονική Von Neumann που προτάθηκε από αυτόν τον επιστήμονα τη δεκαετία του 1940 για την εφαρμογή των πρώτων μοντέλων ψηφιακών υπολογιστών.

UU – συσκευή ελέγχου

OS - συσκευή λειτουργίας

RZU – καταχώριση συσκευής αποθήκευσης

RAM - μνήμη τυχαίας πρόσβασης

ROM – μνήμη μόνο για ανάγνωση

IU – συσκευή διασύνδεσης

Εικόνα 1.7 – Τυπική δομή ενός συστήματος μικροεπεξεργαστή

Δίαυλος συστήματος περιέχει αρκετές δεκάδες (σε πολύπλοκα συστήματα πάνω από 100) αγωγούς, οι οποίοι, σύμφωνα με τον λειτουργικό τους σκοπό, χωρίζονται σε ξεχωριστούς λεωφορεία:

λεωφορείο διεύθυνσης Α, χρησιμεύει για τη μετάδοση μιας διεύθυνσης που δημιουργείται από τον μικροεπεξεργαστή και σας επιτρέπει να επιλέξετε την απαιτούμενη κυψέλη μνήμης RAM (ROM) ή το απαιτούμενο DI κατά την πρόσβαση σε μια εξωτερική συσκευή.

δίαυλο δεδομένωνρε, χρησιμοποιείται για την ανάκτηση εντολών που προέρχονται από τη RAM ή τη ROM στη μονάδα ελέγχου του μικροεπεξεργαστή και για τη μεταφορά επεξεργασμένων δεδομένων (τελεστών) μεταξύ του μικροεπεξεργαστή και της μνήμης RAM ή της συσκευής (εξωτερική συσκευή).

λεωφορείο ελέγχου C, χρησιμεύει για τη μετάδοση μιας ποικιλίας σημάτων ελέγχου που καθορίζουν τους τρόπους λειτουργίας της μνήμης (γραφή ή ανάγνωση), τις συσκευές διασύνδεσης (είσοδος ή έξοδος πληροφοριών) και του μικροεπεξεργαστή (εκκίνηση, αιτήματα για εξωτερικές συσκευές για σέρβις, πληροφορίες σχετικά με το ρεύμα τρόπο λειτουργίας) και άλλα σήματα.

Αρχιτεκτονική μικροεπεξεργαστή

Έννοια μικροεπεξεργαστή

Η εμφάνιση της τεχνολογίας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων- ένα νέο στάδιο στην ανάπτυξη της τεχνολογίας των υπολογιστών. Ως αποτέλεσμα της ανάπτυξης επεξεργαστών που βασίζονται σε τσιπ, το μέγεθος και το σχήμα των ψηφιακών υπολογιστών έχουν μειωθεί σημαντικά.

Ο μικροεπεξεργαστής (MP) είναι λογισμικό ελεγχόμενη συσκευή, που προορίζεται για την επεξεργασία ψηφιακών πληροφοριών και τον έλεγχο της διαδικασίας αυτής της επεξεργασίας και γίνεται με τη μορφή ενός ή περισσοτέρων μεγάλων ολοκληρωμένα κυκλώματα(BIS).

Η έννοια ενός μεγάλου ολοκληρωμένου κυκλώματος δεν είναι επί του παρόντος σαφώς καθορισμένη. Προηγουμένως, πιστευόταν ότι αυτή η κατηγορία θα πρέπει να περιλαμβάνει μικροκυκλώματα που περιέχουν περισσότερα από 1000 στοιχεία σε ένα τσιπ. Πράγματι, οι πρώτοι μικροεπεξεργαστές ταιριάζουν σε αυτές τις παραμέτρους. Για παράδειγμα, το τμήμα επεξεργαστή 4-bit του κιτ μικροεπεξεργαστή K584, που παρήχθη στα τέλη της δεκαετίας του 1970, περιείχε περίπου 1.500 στοιχεία. Τώρα, όταν οι μικροεπεξεργαστές περιέχουν δεκάδες εκατομμύρια τρανζίστορ και ο αριθμός τους αυξάνεται συνεχώς, με τον όρο LSI εννοούμε ένα λειτουργικά πολύπλοκο ολοκληρωμένο κύκλωμα.

Βαθμός ολοκλήρωσης κυκλώματος (στο GOST):

Ολοκληρωμένο κύκλωμα χαμηλής ενσωμάτωσης<10 транзисторов;

Μεσαίο κύκλωμα ολοκλήρωσης< 100 транзисторов;

Μεγάλο ολοκληρωμένο κύκλωμα (LSI) > 100 τρανζίστορ (~1000 τρανζίστορ)

Ένα σύστημα μικροεπεξεργαστή (MPS) είναι ένα λειτουργικά πλήρες προϊόν που αποτελείται από μία ή περισσότερες συσκευές, η βάση των οποίων είναι ένας μικροεπεξεργαστής.

Ο μικροεπεξεργαστής χαρακτηρίζεται ένας μεγάλος αριθμόςπαραμέτρους και ιδιότητες, αφού είναι αφενός μια λειτουργικά πολύπλοκη υπολογιστική συσκευή και αφετέρου μια ηλεκτρονική συσκευή, προϊόν της βιομηχανίας ηλεκτρονικών.

Τύποι αρχιτεκτονικών μικροεπεξεργαστών

Ως μέσο υπολογιστικής τεχνολογίας, ο μικροεπεξεργαστής χαρακτηρίζεται κυρίως από τοαρχιτεκτονική, δηλαδή ένα σύνολο ιδιοτήτων λογισμικού και υλικού που παρέχονται στον χρήστη. Αυτό περιλαμβάνει το σύστημα εντολών, τους τύπους και τις μορφές των επεξεργασμένων δεδομένων, τους τρόπους διευθυνσιοδότησης, τον αριθμό και την κατανομή των καταχωρητών, τις αρχές αλληλεπίδρασης με τη μνήμη RAM και τις εξωτερικές συσκευές (χαρακτηριστικά του συστήματος διακοπής, άμεση πρόσβαση στη μνήμη, κ.λπ.).

Με βάση την αρχιτεκτονική τους, οι μικροεπεξεργαστές χωρίζονται σε διάφορους τύπους (Εικ. 3).

Ρύζι. 3. Ταξινόμηση μικροεπεξεργαστών

Καθολικοί μικροεπεξεργαστές

Καθολικοί μικροεπεξεργαστέςσχεδιασμένο για την επίλυση προβλημάτων ψηφιακής επεξεργασίας διάφορα είδηπληροφορίες από υπολογισμούς μηχανικής έως εργασία με βάσεις δεδομένων, χωρίς αυστηρούς περιορισμούς για το χρόνο ολοκλήρωσης της εργασίας. Αυτή η κατηγορία μικροεπεξεργαστών είναι η πιο ευρέως γνωστή. Περιλαμβάνει γνωστούς μικροεπεξεργαστές όπως ο MP της σειράς Pentium της Intel και ο MP της οικογένειας Athlon από την AMD.

Χαρακτηριστικά των καθολικών μικροεπεξεργαστών:

Βάθος bit: καθορισμένο μέγιστο βάθος bitακέραια δεδομένα που υποβάλλονται σε επεξεργασία σε 1 κύκλο ρολογιού, δηλαδή, στην πραγματικότητα, κατά το πλάτος της αριθμητικής-λογικής μονάδας (ALU).

Τύποι και μορφές επεξεργασμένων δεδομένων.

Σύστημα εντολών, τρόποι διευθυνσιοδότησης τελεστών.

Χωρητικότητα απευθείας διευθυνσιοδοτούμενης RAM: καθορίζεται από το πλάτος bit του διαύλου διευθύνσεων.

Συχνότητα εξωτερικού ρολογιού. Για τη συχνότητα συγχρονισμού, συνήθως υποδεικνύεται η μέγιστη δυνατή τιμή της, στην οποία είναι εγγυημένη η λειτουργία του κυκλώματος. Για λειτουργικά πολύπλοκα κυκλώματα, που περιλαμβάνουν μικροεπεξεργαστές, μερικές φορές υποδεικνύεται επίσης η ελάχιστη δυνατή συχνότητα συγχρονισμού. Η μείωση της συχνότητας κάτω από αυτό το όριο μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία του κυκλώματος. Ταυτόχρονα, σε εκείνες τις εφαρμογές MP όπου δεν απαιτείται υψηλή απόδοση, η μείωση της συχνότητας συγχρονισμού είναι ένας από τους τομείς εξοικονόμησης ενέργειας. Σε αρκετούς σύγχρονους μικροεπεξεργαστές, όταν η συχνότητα μειώνεται, μεταβαίνει σε «λειτουργία ύπνου», στην οποία διατηρεί την κατάστασή του. Η συχνότητα ρολογιού εντός της ίδιας αρχιτεκτονικής σας επιτρέπει να συγκρίνετε την απόδοση των μικροεπεξεργαστών. Αλλά διαφορετικές αρχιτεκτονικές αποφάσεις επηρεάζουν την απόδοση πολύ περισσότερο από τη συχνότητα.

Απόδοση: προσδιορίζεται με τη χρήση ειδικών δοκιμών και το σύνολο των δοκιμών επιλέγεται με τέτοιο τρόπο ώστε να καλύπτει, εάν είναι δυνατόν, διάφορα χαρακτηριστικά της μικροαρχιτεκτονικής του επεξεργαστή που επηρεάζουν την απόδοση.

Οι μικροεπεξεργαστές γενικής χρήσης χωρίζονται συνήθως σε μικροεπεξεργαστές CISC και RISC. Μικροεπεξεργαστές CISC (υπολογισμός ολοκληρωμένου συνόλου εντολών) πλήρες σύστημαεντολές) περιλαμβάνουν ολόκληρο το κλασικό σύνολο εντολών με ευρέως ανεπτυγμένους τρόπους διευθυνσιοδότησης τελεστών. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν, για παράδειγμα, οι μικροεπεξεργαστές τύπου Pentium. Ταυτόχρονα, οι μικροεπεξεργαστές RISC (reduced instruction set computing) χρησιμοποιούν, όπως προκύπτει από τον ορισμό, μειωμένο αριθμό εντολών και τρόπων διεύθυνσης. Εδώ, πρώτα από όλα, θα πρέπει να επισημάνουμε μικροεπεξεργαστές όπως ο Alpha 21x64 και ο Power PC. Ο αριθμός των εντολών στο σύνολο εντολών είναι ο πιο προφανής, αλλά σήμερα δεν είναι η πιο σημαντική διαφορά σε αυτές τις κατευθύνσεις ανάπτυξης των καθολικών μικροεπεξεργαστών. Θα εξετάσουμε και άλλες διαφορές καθώς μελετάμε τα χαρακτηριστικά της αρχιτεκτονικής τους.

Αυτό το κεφάλαιο εστιάζει στα αρχιτεκτονικά χαρακτηριστικά των μικροεπεξεργαστών. Παρέχει γενικές πληροφορίες για μικροεπεξεργαστές, συζητά τις αρχές της δομικής και λειτουργικής οργάνωσης) τύπους δεδομένων, εγγραφή μνήμης, μέθοδοι διευθυνσιοδότησης και συστήματα εντολών μικροεπεξεργαστή. Το υλικό που παρουσιάζεται απεικονίζεται στους απλούστερους επεξεργαστές 8 και 16 bit.

Βασικές Έννοιες

Μικροεπεξεργαστήςείναι μια ελεγχόμενη από λογισμικό συσκευή με τη μορφή ολοκληρωμένου κυκλώματος (LSI ή VLSI) που έχει σχεδιαστεί για την επεξεργασία ψηφιακών πληροφοριών. Δεδομένου ότι όλοι οι σύγχρονοι μικροεπεξεργαστές είναι ενσωματωμένοι, ο όρος επεξεργαστής έχει γίνει συνώνυμος με τον μικροεπεξεργαστή.

Μικροελεγκτήςείναι ένας εξειδικευμένος επεξεργαστής που έχει σχεδιαστεί για την υλοποίηση λειτουργιών ελέγχου (control).

(xtypo_quote)Ο Επεξεργαστής Ψηφιακού Σήματος (DSP) είναι ένας εξειδικευμένος επεξεργαστής που έχει σχεδιαστεί για την επεξεργασία ψηφιακών σημάτων. (/xtypo_quote)
Ένα σύστημα μικροεπεξεργαστή είναι ένα λειτουργικά πλήρες προϊόν που αποτελείται από πολλά ψηφιακές συσκευές, συμπεριλαμβανομένου του επεξεργαστή. Αυτή η ιδέα ενώνει ένα ευρύ φάσμα τελικών προϊόντων, ξεκινώντας από μικροελεγκτές κατασκευασμένους σε ολοκληρωμένα κυκλώματα και τελειώνοντας με συστήματα υπολογιστών, τα οποία είναι ένα σύνολο μεμονωμένων δομικών συσκευών (μονάδα συστήματος, πληκτρολόγιο, οθόνη κ.λπ.). Στη συνέχεια, εξετάζουμε τα απλούστερα συστήματα μικροεπεξεργαστή (με ένα τσιπ) που περιέχουν, εκτός από τον επεξεργαστή, κύρια μνήμη και συσκευές εισόδου/εξόδου. Τέτοια συστήματα μικροεπεξεργαστών μπορούν να ταξινομηθούν ως μικροεπεξεργαστές.

Υπό οργάνωση επεξεργαστήκατανοήσει το σύνολο των κόμβων του (συσκευές, μπλοκ, μονάδες), τις συνδέσεις μεταξύ των κόμβων και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά τους. Η οργάνωση καθορίζει την οργάνωση υλικού του επεξεργαστή, δηλαδή τη σύνθεση και την αλληλεπίδραση του υλικού του. Υπάρχουν δύο επίπεδα οργάνωσης:

● φυσική οργάνωσηστη μορφή σχηματικό διάγραμμα;

● λογική οργάνωση με τη μορφή δομικού και λειτουργικού διαγράμματος.

Στη συνέχεια, εξετάζουμε την οργάνωση των μικροεπεξεργαστών στο λογικό επίπεδο ή τη δομική και λειτουργική οργάνωση των επεξεργαστών.

Υπό αρχιτεκτονική επεξεργαστήθα κατανοήσουμε το σύνολο του λογισμικού και του υλικού του που διασφαλίζει την επεξεργασία ψηφιακών πληροφοριών (εκτέλεση προγράμματος), δηλαδή το σύνολο όλων των εργαλείων που διαθέτει το πρόγραμμα (ή ο χρήστης). Αυτή η γενικότερη έννοια σε σύγκριση με την έννοια της οργάνωσης περιλαμβάνει ένα σύνολο καταχωρητών και λειτουργικών συσκευών προσβάσιμων από λογισμικό, ένα σύστημα βασικών εντολών και μεθόδων διεύθυνσης, τον όγκο και την οργάνωση της διευθυνσιοδοτούμενης μνήμης, τύπους και μεθόδους επεξεργασίας δεδομένων (ανταλλαγή, διακοπές, πρόσβαση στη μνήμη, κ.λπ.).

(xtypo_quote) Για παράδειγμα, οι σύγχρονοι επεξεργαστές x86 32 bit με αρχιτεκτονική IA-32 (Intel Architecture - 2 bit) διαθέτουν ένα τυπικό σύνολο καταχωρητών, ένα κοινό σύστημα βασικών οδηγιών, τους ίδιους τρόπουςοργάνωση και διευθυνσιοδότηση μνήμης, προστασία μνήμης και σέρβις διακοπών. Σημειώστε ότι η έννοια της αρχιτεκτονικής χαρακτηρίζει τις ιδιότητες του συστήματος σε μεγαλύτερο βαθμό από τις ιδιότητες της συσκευής. (/xtypo_quote)

Κύριοι τύποι αρχιτεκτονικών

Σύμφωνα με τις μορφές των εντολών (οδηγιών) που χρησιμοποιούνται, μπορούμε να διακρίνουμε:

● Αρχιτεκτονική CISC, η οποία αναφέρεται σε επεξεργαστές (υπολογιστές) με πλήρες σύνολο εντολών (Complete Instruction Set Computer—CISC). Εφαρμόζεται σε πολλούς τύπους μικροεπεξεργαστών (για παράδειγμα, Pentium), οι οποίοι εκτελούν ένα μεγάλο σύνολο εντολών πολλαπλών μορφών χρησιμοποιώντας πολλές μεθόδους διευθυνσιοδότησης.

Το σύνολο εντολών των επεξεργαστών με αρχιτεκτονική CISC μπορεί να περιέχει αρκετές εκατοντάδες οδηγίες διαφορετικές μορφές(από 1 έως 15 bytes) ή βαθμούς πολυπλοκότητας και χρησιμοποιεί περισσότερες από 10 διαφορετικές μεθόδους διευθυνσιοδότησης, οι οποίες επιτρέπουν στον προγραμματιστή να εφαρμόσει τους πιο αποτελεσματικούς αλγόριθμους για την επίλυση διαφόρων προβλημάτων.

Ανάπτυξη παραδοσιακού CISC

Οι αρχιτεκτονικές μικροεπεξεργαστών, κατά μήκος της διαδρομής της επέκτασης της λειτουργικότητας και της μείωσης του κόστους προγραμματισμού, έχουν οδηγήσει σε αύξηση του αριθμού των εντολών σε ένα σύνολο και του αριθμού των μικροεντολών σε μια ομάδα. Συνέπεια αυτού ήταν η επιπλοκή των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και η μείωση της ταχύτητας εκτέλεσης του προγράμματος. Ένα από τα πιθανούς τρόπουςη εξάλειψη αυτών των ελλείψεων συνίσταται στη χρήση ενός μειωμένου συνόλου εντολών, η οργάνωση των οποίων εξαρτάται από την αύξηση της ταχύτητας εκτέλεσής τους.

● Αρχιτεκτονική RISC, η οποία αναφέρεται σε επεξεργαστές (υπολογιστές) με μειωμένο σύνολο εντολών (Reduced Instruction Set Computer - RISC). Η εμφάνιση της αρχιτεκτονικής RISC υπαγορεύεται από το γεγονός ότι πολλές εντολές CISC και μέθοδοι διευθυνσιοδότησης χρησιμοποιούνται αρκετά σπάνια. Το κύριο χαρακτηριστικό της αρχιτεκτονικής RISC είναι ότι το σύστημα εντολών αποτελείται από έναν μικρό αριθμό συχνά χρησιμοποιούμενων εντολών της ίδιας μορφής, οι οποίες μπορούν να εκτελεστούν σε έναν κύκλο εντολών (κύκλο) του κεντρικού επεξεργαστή. Πιο πολύπλοκες, σπάνια χρησιμοποιούμενες εντολές υλοποιούνται σε επίπεδο προγράμματος. Ωστόσο, λόγω σημαντικής αύξησης της ταχύτητας εκτέλεσης εντολών μέση απόδοσηΟι επεξεργαστές RISC ενδέχεται να είναι υψηλότεροι από τους επεξεργαστές με αρχιτεκτονική CISC.

(xtypo_quote)Οι περισσότερες οδηγίες στους επεξεργαστές RISC περιλαμβάνουν λειτουργίες εγγραφής προς εγγραφή. Για την πρόσβαση στη μνήμη, οι απλούστερες λειτουργίες από την άποψη της κατανάλωσης χρόνου είναι οι λειτουργίες φόρτωσης σε καταχωρητές και εγγραφής στη μνήμη. (/xtypo_quote)

Οι σύγχρονοι επεξεργαστές RISC υλοποιούν περίπου 100 εντολές που έχουν σταθερή μορφή μήκους 4 byte και χρησιμοποιούν έναν μικρό αριθμό από τις απλούστερες μεθόδους διευθυνσιοδότησης (καταχώριση, ευρετήριο και κάποιες άλλες).

Για να μειωθεί ο αριθμός των προσβάσεων σε εξωτερική μνήμη RAM, οι επεξεργαστές RISC περιέχουν δεκάδες έως εκατοντάδες καταχωρητές γενικού σκοπού (GPR), ενώ CISC- επεξεργαστέςμόνο 8-16 μητρώα. Η πρόσβαση σε εξωτερική μνήμη σε επεξεργαστές RISC χρησιμοποιείται μόνο σε λειτουργίες φόρτωσης δεδομένων στο RON ή μεταφοράς αποτελεσμάτων από το RON στη μνήμη. Με τη μείωση του υλικού που απαιτείται για την αποκωδικοποίηση και την εκτέλεση πολύπλοκων εντολών, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα του επεξεργαστή RISC απλοποιούνται σημαντικά και μειώνεται το κόστος τους. Επιπλέον, η παραγωγικότητα βελτιώνεται σημαντικά. Χάρη σε αυτά τα πλεονεκτήματα, πολλά σύγχρονα
επεξεργαστές CI SC ( τελευταία μοντέλα Pentium και K7) χρησιμοποιεί έναν πυρήνα RISC. Σε αυτήν την περίπτωση, οι σύνθετες εντολές CI SC μετατρέπονται εκ των προτέρων σε μια ακολουθία απλών λειτουργιών RISC και εκτελούνται γρήγορα από τον πυρήνα RISC.

● Αρχιτεκτονική VLIW, η οποία αναφέρεται σε μικροεπεξεργαστές που χρησιμοποιούν πολύ μεγάλες οδηγίες (Very Large Instruction Word—VLIW). Τα μεμονωμένα πεδία εντολών περιέχουν κωδικούς που εκτελούν διάφορες λειτουργίες. Μία εντολή VLIW μπορεί να εκτελέσει πολλές λειτουργίες ταυτόχρονα σε διαφορετικούς κόμβους μικροεπεξεργαστή. Ο σχηματισμός "μακριών" εντολών VLIW πραγματοποιείται από τον αντίστοιχο μεταγλωττιστή κατά τη μετάφραση προγραμμάτων γραμμένων στη γλώσσα υψηλό επίπεδο.

(xtypo_quote)VLIW -αρχιτεκτονικήεφαρμόζεται σε ορισμένους τύπους σύγχρονων μικροεπεξεργαστών και είναι πολλά υποσχόμενο για τη δημιουργία μιας νέας γενιάς επεξεργαστών εξαιρετικά υψηλής απόδοσης. (/xtypo_quote)

Με βάση τη μέθοδο οργάνωσης της επιλογής εντολών και δεδομένων, διακρίνονται δύο τύποι αρχιτεκτονικών:

● Αρχιτεκτονική του Princeton, ή αρχιτεκτονική von Neumann, χαρακτηριστικό της οποίας είναι (Εικ. 2.1.1) η χρήση:

Κοινή κύρια (τυχαία πρόσβαση) μνήμη για την αποθήκευση προγραμμάτων και δεδομένων, η οποία σας επιτρέπει να αναδιανέμετε γρήγορα και αποτελεσματικά τον όγκο της ανάλογα με τις εργασίες που επιλύονται σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση χρήσης μικροεπεξεργαστή.

Ένας κοινός δίαυλος μέσω του οποίου αποστέλλονται εντολές και δεδομένα στον επεξεργαστή και τα αποτελέσματα γράφονται στη μνήμη RAM, γεγονός που απλοποιεί σημαντικά τον εντοπισμό σφαλμάτων, τη δοκιμή και τη συνεχή παρακολούθηση της λειτουργίας του συστήματος και αυξάνει την αξιοπιστία του. Για να διαχωριστεί η εντολή από τα δεδομένα, ο κωδικός της λειτουργίας που εκτελείται λαμβάνεται πάντα πρώτα από τη μνήμη και ακολουθούν τα δεδομένα. Από προεπιλογή, ο κωδικός λειτουργίας φορτώνεται στον καταχωρητή εντολών και τα δεδομένα στο μπλοκ καταχωρητή (Εικ. 2.1.1). Εξαιτίας περιορισμένο αριθμόεξωτερικές ακίδες, ο κοινός δίαυλος συνήθως λειτουργεί σε λειτουργία πολυπλεξίας χρόνου, δηλαδή, οι αντίθετες κατευθύνσεις ανταλλαγής δεδομένων μεταξύ του μικροεπεξεργαστή, της μνήμης ή άλλων εξωτερικών συσκευών διαχωρίζονται χρονικά.

Μειονέκτημα της Αρχιτεκτονικής του Πρίνστον

Η χρήση ενός κοινού διαύλου για τη μετάδοση εντολών και δεδομένων περιορίζει την απόδοση ενός ψηφιακού συστήματος.

● Αρχιτεκτονική του Χάρβαρντ (δημιουργός Howard Aiken), χαρακτηριστικό της οποίας είναι ο φυσικός διαχωρισμός της μνήμης εντολών (προγραμμάτων) και της μνήμης δεδομένων (Εικ. 2.1.2). Αυτή η περίσταση προκαλείται από τις συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις για την απόδοση των συστημάτων μικροεπεξεργαστή. Η μνήμη εντολών και η μνήμη δεδομένων συνδέονται με τον επεξεργαστή μέσω ξεχωριστών διαύλων. Χάρη στον διαχωρισμό των ροών εντολών και δεδομένων, καθώς και στον συνδυασμό των λειτουργιών ανάκτησής τους (και καταγραφής των αποτελεσμάτων επεξεργασίας), εξασφαλίζεται υψηλότερη απόδοση από ό,τι όταν χρησιμοποιείται η αρχιτεκτονική του Princeton.

Μειονεκτήματα της Αρχιτεκτονικής του Χάρβαρντ

Αυξημένη πολυπλοκότητα σχεδιασμού λόγω της χρήσης ξεχωριστών διαύλων για εντολές και δεδομένα. σταθερή ποσότητα μνήμης για εντολές και δεδομένα. αύξηση της συνολικής ποσότητας μνήμης λόγω της αδυναμίας της βέλτιστης ανακατανομής της μεταξύ εντολών και δεδομένων. Η αρχιτεκτονική του Χάρβαρντ έλαβε ευρεία εφαρμογήσε μικροελεγκτές - εξειδικευμένους μικροεπεξεργαστές για τον έλεγχο διαφόρων αντικειμένων, καθώς και στην εσωτερική δομή σύγχρονων μικροεπεξεργαστών υψηλής απόδοσης στη μνήμη cache με ξεχωριστή αποθήκευση εντολών και δεδομένων.

Ταυτόχρονα, οι αρχές της αρχιτεκτονικής του Princeton εφαρμόζονται στην εξωτερική δομή των περισσότερων συστημάτων μικροεπεξεργαστή.

Σημειώστε ότι η αρχιτεκτονική του μικροεπεξεργαστή σχετίζεται στενά με τη δομή του. Η υλοποίηση ορισμένων αρχιτεκτονικών χαρακτηριστικών απαιτεί την εισαγωγή κατάλληλων συσκευών στη δομή του μικροεπεξεργαστή και την παροχή μηχανισμών για την κοινή λειτουργία τους.

Η βασική δομή ενός συστήματος μικροεπεξεργαστή έχει τη μορφή

Το έργο της διαχείρισης του συστήματος έχει ανατεθεί CPU(CPU) που είναι συνδεδεμένο με μνήμηΚαι σύστημα εισόδου/εξόδουμέσω της μνήμης και των καναλιών I/O, αντίστοιχα. Η CPU διαβάζει τις οδηγίες από τη μνήμη που απαρτίζουν το πρόγραμμα και τις αποκωδικοποιεί. Σύμφωνα με το αποτέλεσμα των οδηγιών αποκωδικοποίησης, ανακτά δεδομένα από τις θύρες μνήμης και εισόδου, τα επεξεργάζεται και τα στέλνει πίσω στη μνήμη ή στις θύρες εξόδου. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα εισαγωγής/εξόδου δεδομένων από τη μνήμη σε εξωτερικές συσκευές και αντίστροφα, παρακάμπτοντας την CPU. Αυτός ο μηχανισμός ονομάζεται άμεση πρόσβαση στη μνήμη(PDP). Κάθε στοιχείο ενός συστήματος μικροεπεξεργαστή έχει μια μάλλον πολύπλοκη εσωτερική δομή.

Από την πλευρά του χρήστη, κατά την επιλογή ενός μικροεπεξεργαστή, είναι σκόπιμο να υπάρχουν ορισμένα γενικευμένα ολοκληρωμένα χαρακτηριστικά των δυνατοτήτων του μικροεπεξεργαστή. Ο προγραμματιστής πρέπει να κατανοήσει και να κατανοήσει μόνο εκείνα τα στοιχεία του μικροεπεξεργαστή που αντικατοπτρίζονται ξεκάθαρα στα προγράμματα και πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την ανάπτυξη κυκλωμάτων και προγραμμάτων για τη λειτουργία του συστήματος. Τέτοια χαρακτηριστικά ορίζονται από την έννοια της αρχιτεκτονικής μικροεπεξεργαστή.

Αρχιτεκτονική μικροεπεξεργαστή- αυτή είναι η λογική του οργάνωση, που εξετάζεται από τη σκοπιά του χρήστη. καθορίζει τις δυνατότητες του μικροεπεξεργαστή για την εφαρμογή υλικού και λογισμικού των λειτουργιών που είναι απαραίτητες για την κατασκευή ενός συστήματος μικροεπεξεργαστή. Η έννοια της αρχιτεκτονικής μικροεπεξεργαστή αντανακλά:

Η δομή του, δηλ. το σύνολο των εξαρτημάτων που απαρτίζουν τον μικροεπεξεργαστή και τις μεταξύ τους συνδέσεις· για τον χρήστη αρκεί να περιοριστεί στο μοντέλο καταχωρητή του μικροεπεξεργαστή.

Μέθοδοι παρουσίασης και μορφές δεδομένων.

Μέθοδοι πρόσβασης σε όλα τα στοιχεία της δομής που είναι προσβάσιμα μέσω προγραμματισμού (διευθυνσιοδότηση καταχωρητών, μόνιμες κυψέλες και κυψέλες RAM, εξωτερικές συσκευές).

Ένα σύνολο λειτουργιών που εκτελούνται από έναν μικροεπεξεργαστή.

Χαρακτηριστικά των λέξεων ελέγχου και των σημάτων που παράγονται από τον μικροεπεξεργαστή και παρέχονται σε αυτόν από το εξωτερικό.

Αντίδραση σε εξωτερικά σήματα(σύστημα χειρισμού διακοπών κ.λπ.).

Με βάση τον τρόπο οργάνωσης του χώρου μνήμης ενός συστήματος μικροεπεξεργαστή, διακρίνονται δύο κύριοι τύποι αρχιτεκτονικών.

Ένας οργανισμός που χρησιμοποιεί τον ίδιο χώρο μνήμης για την αποθήκευση προγραμμάτων και δεδομένων ονομάζεται αρχιτεκτονική von Neumann(που πήρε το όνομά του από τον μαθηματικό που πρότεινε προγράμματα κωδικοποίησης σε μορφή που αντιστοιχεί στη μορφή δεδομένων). Τα προγράμματα και τα δεδομένα αποθηκεύονται σε ένα ενιαίο χώρο και δεν υπάρχει ένδειξη του τύπου των πληροφοριών στο κελί μνήμης. Τα πλεονεκτήματα αυτής της αρχιτεκτονικής είναι απλούστερα εσωτερική δομήμικροεπεξεργαστή και λιγότερα σήματα ελέγχου.

Ένας οργανισμός στον οποίο η μνήμη προγράμματος CSEG (Code Segment) και η μνήμη δεδομένων DSEG (Data Segment) είναι χωριστές και έχουν τους δικούς τους χώρους διευθύνσεων και τρόπους πρόσβασης σε αυτούς ονομάζεται Αρχιτεκτονική του Χάρβαρντ(που πήρε το όνομά του από το εργαστήριο του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ που το πρότεινε). Αυτή η αρχιτεκτονική είναι πιο περίπλοκη και απαιτεί πρόσθετα σήματα ελέγχου. Ωστόσο, επιτρέπει την πιο ευέλικτη επεξεργασία των πληροφοριών, την εφαρμογή ενός συμπαγούς κωδικοποιημένου συνόλου οδηγιών μηχανής και, σε ορισμένες περιπτώσεις, την επιτάχυνση της λειτουργίας του μικροεπεξεργαστή. Εκπρόσωποι αυτής της αρχιτεκτονικής είναι μικροελεγκτές της οικογένειας MCS-51 από την Intel.

Επί του παρόντος, παράγονται μικροεπεξεργαστές με μικτή αρχιτεκτονική, στους οποίους οι CSEG και DSEG έχουν έναν ενιαίο χώρο διευθύνσεων, αλλά διαφορετικούς μηχανισμούς πρόσβασης σε αυτούς. Ένα συγκεκριμένο παράδειγμα είναι η οικογένεια μικροεπεξεργαστών 80x86 της Intel.

Επί σωματικό επίπεδοο μικροεπεξεργαστής αλληλεπιδρά με τη μνήμη και το σύστημα εισόδου/εξόδου μέσω ενός ενιαίου συνόλου διαύλων συστήματος - ραχοκοκαλιά εντός του συστήματος. Γενικά αποτελείται από:

Δίαυλος δεδομένων DB (Data Bus), μέσω του οποίου ανταλλάσσονται δεδομένα μεταξύ της CPU, της μνήμης και του εκρηκτικού συστήματος.

Δίαυλος διευθύνσεων AB (Δίαυλος διευθύνσεων), που χρησιμοποιείται για τη μετάδοση διευθύνσεων κυψελών μνήμης και θυρών BB στις οποίες γίνεται πρόσβαση.

Δίαυλος ελέγχου CB (Control Bus), μέσω του οποίου μεταδίδονται σήματα ελέγχου, υλοποιώντας κύκλους ανταλλαγής πληροφοριών και ελέγχοντας τη λειτουργία του συστήματος.

Το ίδιο σύνολο λεωφορείων χρησιμοποιείται για την οργάνωση του καναλιού DMA. Αυτός ο τύπος αυτοκινητόδρομου ονομάζεται αποπολυπλέκτηςή τριών λεωφορείων με ξεχωριστούς διαύλους διευθύνσεων και δεδομένων.

Σε ορισμένους μικροεπεξεργαστές, για να μειώσουν το πλάτος της φυσικής γραμμής, εισάγουν συνδυασμένο δίαυλο διεύθυνσης-δεδομένων AD (Address/Data Bus), μέσω του οποίου μεταδίδονται τόσο οι διευθύνσεις όσο και τα δεδομένα. Το στάδιο μετάδοσης πληροφοριών διεύθυνσης διαχωρίζεται χρονικά από το στάδιο μετάδοσης δεδομένων και περικλείεται από ένα ειδικό σήμα ALE (Address Latch Enable), το οποίο περιλαμβάνεται στο CB. Αυτός ο αυτοκινητόδρομος συνήθως ονομάζεται πολλαπλόςή διπλού διαύλου με συνδυασμένους διαύλους διευθύνσεων και δεδομένων.

Η ανταλλαγή φυσικών δεδομένων μέσω του αυτοκινητόδρομου πραγματοποιείται σε λέξεις ή byte στη μορφή επόμενος φίλοςο ένας για τον άλλον πρόσβαση στο κανάλι. Κατά τη διάρκεια ενός κύκλου πρόσβασης στον αυτοκινητόδρομο μεταξύ της CPU, της μνήμης και του συστήματος IW, μεταδίδεται μία λέξη ή byte. Υπάρχουν αρκετοί τυπικοί κύκλοι ανταλλαγής. Ανάμεσά τους αναγνωστική μνήμηΚαι εγγραφή στη μνήμη.

Κύκλος ανάγνωσης μνήμης μέσω αυτοκινητόδρομου αποπολυπλέκτη.

Κύκλος εγγραφής στη μνήμη μέσω αυτοκινητόδρομου αποπολυπλέκτη.

Ένας κύκλος ανάγνωσης από τη μνήμη μέσω πολυπλεξικού διαύλου.

Κύκλος εγγραφής στη μνήμη μέσω πολυπλεξικού διαύλου.

Όταν ο εκρηκτικός χώρος απομονωθεί, προστίθενται κύκλοι θύρα ανάγνωσης BBΚαι Εγγραφές θύρας BB.

Κύκλος ανάγνωσης θύρας BB μέσω αποπολυπλών κορμού

Κύκλος εγγραφής στη θύρα BB μέσω αυτοκινητόδρομου αποπολυπλέκτη.

Στην περίπτωση μιας αρχιτεκτονικής τύπου Χάρβαρντ, όταν η μνήμη προγράμματος και η μνήμη δεδομένων διαχωρίζονται, εισάγεται επίσης κύκλος ανάγνωσης μνήμης προγράμματος.

Κύκλος ανάγνωσης μνήμης προγράμματος μέσω αυτοκινητόδρομου αποπολυπλέκτη.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, όταν λειτουργούν συσκευές στον αυτοκινητόδρομο, η ταχύτητα των οποίων είναι κατώτερη από την ταχύτητα της CPU, τη διάρκεια των στροβοσκοπίων RD, WR κ.λπ. μπορεί να είναι ανεπαρκής για τη σωστή εκτέλεση της λειτουργίας ανταλλαγής από την πλευρά της περιφερειακής μονάδας. Στη συνέχεια, για να οργανωθεί η αξιόπιστη ολοκλήρωση της λειτουργίας κορμού, εισάγεται ένα ειδικό σήμα READY στο CB. Σε κάθε κύκλο πρόσβασης καναλιού, πριν από το τέλος του στροβοσκοπίου RD ή WR, η CPU ελέγχει την κατάσταση του σήματος READY. Εάν δεν έχει γίνει ακόμη επαναφορά μέχρι αυτή τη στιγμή, τότε η CPU επεκτείνει το αντίστοιχο strobe εισάγοντας το λεγόμενο. Κύκλοι αναμονής WS (Κατάσταση Αναμονής). Μέγιστη ποσότηταΤο WS μπορεί να είναι περιορισμένο ή απεριόριστο ανάλογα με συγκεκριμένο μοντέλομικροεπεξεργαστή και τον τρόπο λειτουργίας του.

Βρόχος ανάγνωσης με βρόχους αναμονής.

ΣΕ κανονική λειτουργίαΌταν εργάζεστε στον αυτοκινητόδρομο, υπάρχει μια ενιαία ενεργή συσκευή που αντιπροσωπεύεται από την CPU, η οποία εκκινεί όλους τους κύκλους ανταλλαγής δεδομένων στον αυτοκινητόδρομο. Ωστόσο, μπορεί να υπάρχουν περιπτώσεις όπου υπάρχουν πολλές ενεργές συσκευές στον ίδιο δίαυλο, οι οποίες πρέπει να λειτουργούν με το ίδιο μπλοκ μνήμης και το ίδιο μπλοκ εκρηκτικών. Προκειμένου μια άλλη ενεργή συσκευή να μεταδίδει δεδομένα μέσω του διαύλου, η CPU πρέπει να απενεργοποιηθεί για αυτό το διάστημα. Για τους σκοπούς αυτούς, οι περισσότεροι σύγχρονοι μικροεπεξεργαστές υποστηρίζουν το λεγόμενο. τρόπος «άμεση πρόσβαση στη μνήμη» (DAM). Για την εφαρμογή αυτής της λειτουργίας, εισάγονται πρόσθετα σήματα HOLD και HLDA στο CB. Όταν ένα ενεργό επίπεδο φτάνει στην είσοδο HOLD, ο μικροεπεξεργαστής διακόπτει την εκτέλεση του προγράμματός του, αλλάζει τις εξόδους όλων των διαύλων του σε κατάσταση υψηλής σύνθετης αντίστασης και ορίζει το ενεργό επίπεδο στην έξοδο HLDA, η οποία θα πρέπει να χρησιμεύει ως σήμα σε άλλη ενεργή συσκευή που μπορεί να ξεκινήσει τους κύκλους ανταλλαγής στον αυτοκινητόδρομο. Όταν αυτή η συσκευή ολοκληρώσει τους κύκλους επικοινωνίας της, επαναφέρει το σήμα HOLD, μετά το οποίο η CPU επιστρέφει στην κανονική της κατάσταση και συνεχίζει να εκτελεί το πρόγραμμα.

Ένας άλλος τρόπος λειτουργίας της CPU που απαιτεί την αλλαγή της κανονικής ροής εκτέλεσης του προγράμματος είναι ο λεγόμενος. τρόπος «διακόπτει».Σχεδόν όλοι οι σύγχρονοι μικροεπεξεργαστές έχουν ένα ή περισσότερα λεγόμενα. εξωτερικές εισόδους διακοπής INT0, INT1, κ.λπ., οι οποίες λαμβάνουν σήματα που υποδεικνύουν ορισμένα συμβάντα στο σύστημα στα οποία η CPU πρέπει να ανταποκρίνεται με συγκεκριμένο τρόπο. Όταν ένα ενεργό επίπεδο σήματος φτάσει σε μία από αυτές τις εισόδους, ο μικροεπεξεργαστής διακόπτει την κανονική εκτέλεση του προγράμματος, θυμάται τη διεύθυνση της εντολής στην οποία διέκοψε την εργασία και προχωρά στην εκτέλεση του λεγόμενου. "διακοπή υπηρεσίας ρουτίνας" (ISR) γραμμένο σε CSEG σε μια συγκεκριμένη διεύθυνση. Η διεύθυνση αυτής της υπορουτίνας είναι γραμμένη σε ένα ειδικό κελί μνήμης που ονομάζεται " διάνυσμα διακοπής" Κάθε μεμονωμένη πηγή διακοπής έχει τη δική της ιδιοδιάνυσμαδιακοπές. Μετά την εκτέλεση του POP, ακολουθώντας μια ειδική εντολή που πρέπει να τερματίσει το POP, ο επεξεργαστής επιστρέφει στην εκτέλεση του προγράμματος που έχει διακοπεί στην αποθηκευμένη διεύθυνση. Οι πηγές διακοπής μπορεί να είναι είτε εξωτερικές (δηλαδή, αποστέλλονται σε μία από τις εισόδους του τσιπ, οι οποίες ονομάζονται "εισόδους αιτήματος διακοπής") είτε εσωτερικές (δηλαδή, δημιουργούνται εντός του επεξεργαστή υπό ορισμένες συνθήκες). Επειδή Δεδομένου ότι πολλά διαφορετικά αιτήματα διακοπής μπορούν να φτάσουν ταυτόχρονα, υπάρχει μια συγκεκριμένη πειθαρχία που καθορίζει τη σειρά εξυπηρέτησης μεμονωμένων διακοπών. Αυτή η πειθαρχία παρέχεται από το « διαιτησία διακοπής προτεραιότητας”, υλοποιείται είτε εντός της CPU είτε με χρήση ειδικού ελεγκτή. Σύμφωνα με αυτό το σύστημα, κάθε πηγή διακοπής έχει τη δική της καθορισμένη προτεραιότητα (σταθερή ή μεταβλητή), η οποία καθορίζει τη σειρά με την οποία εξυπηρετείται. Όταν φθάνουν ταυτόχρονα πολλά αιτήματα διακοπής, εξυπηρετείται πρώτα η διακοπή με την υψηλότερη προτεραιότητα και στη συνέχεια αυτή με τη χαμηλότερη. Μια διακοπή υψηλότερης προτεραιότητας μπορεί να διακόψει μια ρουτίνα διακοπής χαμηλότερης προτεραιότητας που είναι ήδη σε εξέλιξη, όπως ακριβώς διακόπτει ένα κύριο πρόγραμμα. Στην περίπτωση αυτή, τα λεγόμενα «φωλιασμένες διακοπές».

Εκτός από το CSEG και το DSEG, σχεδόν όλοι οι σύγχρονοι μικροεπεξεργαστές διαθέτουν έναν ειδικά εκχωρημένο μικρό χώρο δεδομένων που ονομάζεται ένα σύνολο καταχωρητών προσβάσιμων από λογισμικό RSEG (Εγγραφή τμήματος). Σε αντίθεση με τα CSEG και DSEG, οι καταχωρητές RSEG βρίσκονται μέσα στην CPU σε κοντινή απόσταση από την ALU της, η οποία παρέχει γρήγορη φυσική πρόσβαση στις πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες σε αυτές. Συνήθως αποθηκεύονται ενδιάμεσα αποτελέσματαυπολογισμοί που χρησιμοποιούνται συχνά από την CPU. Η περιοχή RSEG μπορεί να είναι πλήρως απομονωμένη από το χώρο δεδομένων DSEG, μπορεί να επικαλύπτεται με αυτόν και μπορεί να είναι εξ ολοκλήρου υποτμήμα του DSEG. Η εσωτερική λογική οργάνωση του RSEG είναι πολύ διαφορετική και παίζει σημαντικό ρόλο στην ταξινόμηση των αρχιτεκτονικών μικροεπεξεργαστών.

Οι καταχωρητές μικροεπεξεργαστή είναι λειτουργικά ετερογενείς: ορισμένοι χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση δεδομένων ή πληροφοριών διεύθυνσης, άλλοι χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της λειτουργίας της CPU. Σύμφωνα με αυτό, όλα τα μητρώα μπορούν να χωριστούν σε μητρώα δεδομένων, δείκτεςΚαι μητρώα ειδικού σκοπού. Οι καταχωρητές δεδομένων εμπλέκονται σε αριθμητικές και λογικές πράξεις καθώς οι πηγές των τελεστών και οι προορισμοί των αποτελεσμάτων, οι καταχωρητές διευθύνσεων ή οι δείκτες χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό διευθύνσεων δεδομένων και εντολών που βρίσκονται στην κύρια μνήμη. Για την ένδειξη χρησιμοποιούνται ειδικά μητρώα τρέχουσα κατάσταση CPU και έλεγχος λειτουργίας των στοιχείων του. Είναι δυνατή μια αρχιτεκτονική στην οποία οι ίδιοι καταχωρητές χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση δεδομένων και πληροφοριών διεύθυνσης. Τέτοια μητρώα ονομάζονται μητρώα γενικής χρήσης(RON). Οι τρόποι με τους οποίους χρησιμοποιείται αυτός ή εκείνος ο τύπος καταχωρητή καθορίζουν τα ειδικά χαρακτηριστικά της αρχιτεκτονικής του μικροεπεξεργαστή.

Μεταξύ των καταχωρητών δεδομένων, συχνά διακρίνεται ένας καταχωρητής, που ονομάζεται μπαταρία A (Συσσωρευτής), με τον οποίο συνδέονται οι περισσότερες αριθμητικές και λογικές εντολές επεξεργασίας δεδομένων. Αυτό σημαίνει ότι οι αριθμητικές και λογικές οδηγίες χρησιμοποιούν τα περιεχόμενα του συσσωρευτή ως έναν από τους τελεστές τους και αποθηκεύουν το αποτέλεσμα της πράξης σε αυτόν. Αναφέρεται σιωπηρά χρησιμοποιώντας έναν κωδικό λειτουργίας. Σε αυτήν την περίπτωση, δεν χρειάζεται να εκχωρήσετε μια ειδική περιοχή στον κώδικα εντολών για τις διευθύνσεις τελεστών και αποτελεσμάτων. Αυτός ο τύπος αρχιτεκτονικής μικροεπεξεργαστή ονομάζεται τροφοδοτείται με μπαταρία. Στα μειονεκτήματα αυτής της αρχιτεκτονικής συγκαταλέγεται η σχετικά χαμηλή απόδοση, που εξηγείται από το γεγονός ότι ο συσσωρευτής είναι ένα «σημείωμα συμφόρησης», στο οποίο πρέπει πρώτα να εισάγεται ο τελεστής κάθε φορά πριν από την εκτέλεση της λειτουργίας. Ένα παράδειγμα τέτοιας αρχιτεκτονικής είναι η οικογένεια μικροελεγκτών MCS-51 της Intel.

Ένα άλλο παράδειγμα οργάνωσης μητρώων δεδομένων είναι το λεγόμενο. «μητρώα εργασίας» R0, R1, κ.λπ. Σε αυτήν την περίπτωση, οι τελεστές και τα αποτελέσματα των αριθμητικών και λογικών πράξεων μπορούν να αποθηκευτούν όχι σε έναν, αλλά σε πολλούς καταχωρητές, γεγονός που επεκτείνει τις δυνατότητες χειρισμού δεδομένων. Σε αντίθεση με τον συσσωρευτή, οι καταχωρητές εργασίας αναφέρονται ρητά στον κώδικα εντολών. Αυτός ο τύπος αρχιτεκτονικής μικροεπεξεργαστή ονομάζεται μητρώο. Ένα παράδειγμα τέτοιας οργάνωσης είναι η οικογένεια μικροεπεξεργαστών 80x86 της Intel. Ένας αριθμός μικροεπεξεργαστών που έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν σε πραγματικό χρόνο δεν έχουν ένα, αλλά πολλά σετ καταχωρητών εργασίας. Σε κάθε χρονική στιγμή, είναι διαθέσιμο μόνο ένα από τα σύνολα μητρώων, η επιλογή των οποίων πραγματοποιείται με την εγγραφή των αντίστοιχων πληροφοριών σε ένα συγκεκριμένο μητρώο υπηρεσιών. Ένα παράδειγμα τέτοιων συσκευών είναι οι μικροελεγκτές της οικογένειας MCS-48 της Intel.

Μια αρχιτεκτονική στην οποία ο επεξεργαστής μπορεί να χρησιμοποιήσει κύρια κελιά μνήμης ως διευθύνσεις των τελεστών και ως αποτελέσματα μιας λειτουργίας ονομάζεται αρχιτεκτονική «μνήμη σε μνήμη». Αυτό εξαλείφει τον χρόνο που δαπανάται για την αντιγραφή των περιεχομένων των μητρώων εργασίας κατά τη μετάβαση από τη μια διαδικασία στην άλλη. Ωστόσο, σε αυτή την περίπτωση, χάνεται η γρήγορη πρόσβαση σε ενδιάμεσα δεδομένα, επειδή δεν αποθηκεύονται σε εσωτερικούς καταχωρητές, αλλά σε DSEG. Μια λύση σε αυτό το πρόβλημα μπορεί να είναι η τοποθέτηση μέρους του DSEG στο ίδιο τσιπ με την CPU και η χρήση αυτού του εσωτερικού τμήματος RAM ως χώρους εργασίας. Ένα παράδειγμα μιας τέτοιας οργάνωσης είναι οι μικροελεγκτές της οικογένειας MCS-96 από την Intel.

Σχεδόν όλοι οι σύγχρονοι μικροεπεξεργαστές διαθέτουν ξεχωριστή περιοχή μνήμης για τα λεγόμενα "σωρός",χρησιμοποιείται, γενικά, για να μεταβιβάζει παραμέτρους σε διαδικασίες και να αποθηκεύει διευθύνσεις επιστροφής από αυτές. Η στοίβα μπορεί να βρίσκεται μέσα ή έξω από τον μικροεπεξεργαστή. Μπορεί να καταλαμβάνει μέρος του χώρου διευθύνσεων DSEG ή RSEG ή μπορεί να βρίσκεται χωριστά από αυτά. Στην τελευταία περίπτωση μιλούν για τα λεγόμενα. «στοίβα υλικού».Η μεταφορά των λειτουργιών συσσωρευτή στην κορυφή της στοίβας οδηγεί στο λεγόμενο. «αρχιτεκτονική στοίβας».Η οργάνωση στοίβας καθιστά δυνατή τη χρήση εντολών χωρίς διεύθυνση, ο κωδικός των οποίων έχει το μικρότερο μήκος. Οι οδηγίες χωρίς διεύθυνση λειτουργούν σε δεδομένα στην κορυφή της στοίβας και ακριβώς κάτω από αυτήν. Όταν εκτελείται μια λειτουργία, οι τελεστές πηγής εμφανίζονται από τη στοίβα και το αποτέλεσμα ωθείται στην κορυφή της στοίβας. Η αρχιτεκτονική στοίβας είναι εξαιρετικά αποδοτική υπολογιστικά. Υπάρχει μια ειδική γλώσσα υψηλού επιπέδου ΙΤΕ, χτισμένη με βάση εντολές χωρίς διεύθυνση. Αυτή η αρχιτεκτονική χρησιμοποιείται σε εξειδικευμένους επεξεργαστές υψηλής απόδοσης και, ειδικότερα, σε επεξεργαστές RISC.

Οι καταχωρητές υπηρεσιών που βρίσκονται μέσα στον μικροεπεξεργαστή προορίζονται για διάφορες λειτουργίεςέλεγχο της λειτουργίας του και ένδειξη της κατάστασης των εξαρτημάτων του. Η σύνθεση και η οργάνωσή τους εξαρτώνται από τη συγκεκριμένη αρχιτεκτονική του επεξεργαστή και διαφέρουν σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση. Τα πιο κοινά μητρώα ειδικές λειτουργίεςεκτάριο "μετρητής προγράμματος"Η/Υ (Μετρητής προγράμματος), "δείκτης στοίβας" SP (Stack Pointer) και "Λέξη κατάστασης προγράμματος" PSW (Program Status Word). Ο μετρητής προγράμματος υπολογιστή ανά πάσα στιγμή περιέχει τη διεύθυνση της εντολής που ακολουθεί στο CSEG το one in αυτή τη στιγμήτρέχει. Ο δείκτης στοίβας SP αποθηκεύει την τρέχουσα διεύθυνση του επάνω μέρους της στοίβας. Η λέξη κατάστασης προγράμματος PSW περιέχει ένα σύνολο από τρέχοντα σημάδια του αποτελέσματος της λειτουργίας. Κάθε χαρακτηριστικό αποτελέσματος συσχετίζεται με μια μεταβλητή σημαίας ενός bit που αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο bit PSW. Οι τυπικές σημαίες περιλαμβάνουν:

- CF(Carry Flag) - φέρετε σημαία από το πιο σημαντικό ψηφίο της ALU. Ίσο με 1 εάν, ως αποτέλεσμα της εκτέλεσης μιας αριθμητικής πράξης ή μιας πράξης μετατόπισης, προέκυψε μια μεταφορά από το πιο σημαντικό ψηφίο του αποτελέσματος.

- ΖΦ(Zero Flag) - σημαία μηδενικού σήματος. Ίσο με 1 αν το αποτέλεσμα της πράξης είναι 0.

-SF(Sign Flag) - σημαία σημάδι αποτελέσματος. Αντιγράφει το bit πρόσημου του αποτελέσματος της λειτουργίας.

- Ο Α.Φ.(Auxilinary Carry Flag) - πρόσθετη σημαία μεταφοράς. Ίσο με 1 εάν, ως αποτέλεσμα της εκτέλεσης μιας αριθμητικής πράξης ή μιας πράξης μετατόπισης, το αποτέλεσμα μεταφέρθηκε από το χαμηλό τετράδιο στο υψηλό τετράδιο. Συχνά χρησιμοποιείται στην αριθμητική BCD.

- ΤΟΥ(Owerfow Flag) - σημαία υπερχείλισης. Ίσο με 1 εάν, ως αποτέλεσμα της εκτέλεσης μιας αριθμητικής πράξης, το πλέγμα bit του αποτελέσματος υπερχείλισε.

- PF(Parity Flag) - σημαία ισοτιμίας. Ίσο με 1 αν ο αριθμός 1 ως αποτέλεσμα της πράξης είναι περιττός και το αντίστροφο.

- ΑΝ(Σημαία διακοπής) - σημαία ενεργοποίησης διακοπής. Υποδεικνύει εάν οι διακοπές είναι ενεργοποιημένες στο σύστημα.

Συγκεκριμένες σημαίες χρησιμοποιούνται από το πρόγραμμα για την ανάλυση του αποτελέσματος της προηγούμενης εντολής και τη λήψη αποφάσεων σχετικά με την περαιτέρω πορεία του προγράμματος. Οι ειδικοί καταχωρητές μπορούν να καταλαμβάνουν μέρος του χώρου διευθύνσεων DSEG ή RSEG ή μπορούν να βρίσκονται χωριστά από αυτούς.

Οι καταχωρητές διευθύνσεων ή οι δείκτες χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση ορισμένων μεθόδων διευθυνσιοδότησης τελεστών που χρησιμοποιούνται σε συγκεκριμένες οδηγίες μικροεπεξεργαστή. Το συγκεκριμένο σύνολο και οι λειτουργίες τους εξαρτώνται από τις μεθόδους διευθυνσιοδότησης που εφαρμόζονται σε ένα δεδομένο μοντέλο μικροεπεξεργαστή.

Υπό μέθοδος διευθυνσιοδότησηςαναφέρεται στη μέθοδο κωδικοποίησης της διεύθυνσης ενός τελεστή ή του αποτελέσματος μιας πράξης στον κώδικα εντολών.

Γενικά, ο κώδικας εντολής μικροεπεξεργαστή μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:

ΚΟΠ

AOP1

AOP2

...

AR

KOP - κωδικός λειτουργίας.

AOP1 - πεδίο διεύθυνσης του πρώτου τελεστή.

AOP2 - πεδίο διεύθυνσης του δεύτερου τελεστή.

AR - πεδίο διεύθυνσης αποτελέσματος.

Η παρουσία μεμονωμένων πεδίων, εκτός από το COP, καθορίζεται από τη συγκεκριμένη εντολή και τον τύπο του μικροεπεξεργαστή. Οι πληροφορίες στα πεδία AOP και AP καθορίζονται από τη συγκεκριμένη μέθοδο διευθυνσιοδότησης που χρησιμοποιείται σε μια δεδομένη εντολή.

Οι πιο συνηθισμένες μέθοδοι διευθυνσιοδότησης που χρησιμοποιούνται σε μοντέρνα μοντέλαμικροεπεξεργαστές είναι:

- Εγγραφή διεύθυνσης. Ο τελεστής βρίσκεται σε μητρώο. Η διεύθυνση του μητρώου περιλαμβάνεται στον κωδικό λειτουργίας. Δεν υπάρχει πεδίο διεύθυνσης στην εντολή.

- Απευθείας διεύθυνση. Η φυσική διεύθυνση του τελεστή βρίσκεται στο αντίστοιχο πεδίο διεύθυνσης.

- Απευθείας διεύθυνση. Η άμεση τιμή του τελεστή βρίσκεται στο αντίστοιχο πεδίο διεύθυνσης.

- Έμμεση διεύθυνση μητρώου. Η φυσική διεύθυνση του τελεστή βρίσκεται στον καταχωρητή έμμεσων διευθύνσεων DP (Data Pointer). Η διεύθυνση του μητρώου περιλαμβάνεται στον κωδικό λειτουργίας. Δεν υπάρχει πεδίο διεύθυνσης στην εντολή. Το DP μπορεί να είναι ένα RON ή ένας ειδικός καταχωρητής διευθύνσεων.

- Έμμεση διευθυνσιοδότηση αυτόματης αύξησης/αυτόματης μείωσης. Η φυσική διεύθυνση του τελεστή βρίσκεται στον καταχωρητή έμμεσων διευθύνσεων DP. Η διεύθυνση του μητρώου περιλαμβάνεται στον κωδικό λειτουργίας. Δεν υπάρχει πεδίο διεύθυνσης στην εντολή. Αφού (ή πριν) εκτελεστεί η λειτουργία, τα περιεχόμενα του DP αυξάνονται/μειώνονται αυτόματα για να παραπέμπουν στο επόμενο στοιχείο πίνακα.

- Διεύθυνση κατά βάση με offset. Η διεύθυνση βάσης του τελεστή βρίσκεται στον καταχωρητή βάσης BP (Base Pointer). Η διεύθυνση μητρώου περιλαμβάνεται στον κωδικό πρόσβασης. Η μετατόπιση της διεύθυνσης τελεστών σε σχέση με τη διεύθυνση βάσης βρίσκεται στο αντίστοιχο πεδίο διεύθυνσης. Το BP μπορεί να είναι RON ή ειδικός καταχωρητής διευθύνσεων.

- Διευθυνσιοδότηση ευρετηρίου. Η βασική διεύθυνση του τελεστή βρίσκεται στο αντίστοιχο πεδίο διεύθυνσης. Η μετατόπιση της διεύθυνσης τελεστών σε σχέση με τη διεύθυνση βάσης βρίσκεται στον καταχωρητή ευρετηρίου X (Index). Το X μπορεί να είναι RON ή ειδικός καταχωρητής διευθύνσεων.

- Διεύθυνση ανά βάση δεδομένων με ευρετηρίαση. Η διεύθυνση βάσης του τελεστή βρίσκεται στον βασικό καταχωρητή BP, η μετατόπιση της διεύθυνσης τελεστή σε σχέση με τη διεύθυνση βάσης βρίσκεται στον καταχωρητή ευρετηρίου X. Οι διευθύνσεις μητρώου περιλαμβάνονται στον κωδικό πρόσβασης. Δεν υπάρχει πεδίο διεύθυνσης στην εντολή. Τα X και BP μπορεί να είναι RON ή ειδικοί καταχωρητές διευθύνσεων.

- Διευθυνσιοδότηση τμήματος. Όλη η μνήμη χωρίζεται σε τμήματα συγκεκριμένου μεγέθους. Η διεύθυνση τμήματος αποθηκεύεται στον καταχωρητή τμήματος SR (Segment Register), η μετατόπιση διεύθυνσης σε σχέση με την αρχή του τμήματος βρίσκεται στο αντίστοιχο πεδίο διεύθυνσης ή στον καταχωρητή ευρετηρίου X. Το X μπορεί να είναι RON ή ένας ειδικός καταχωρητής διευθύνσεων.

Ανάλογα με τις μεθόδους διευθυνσιοδότησης που εφαρμόζονται σε έναν συγκεκριμένο επεξεργαστή, έχει ορισμένους καταχωρητές διευθύνσεων. Οι πιο σύνθετες μέθοδοι διευθυνσιοδότησης απαιτούν περισσότερο χρόνο για τον υπολογισμό της διεύθυνσης τελεστών. Μία από τις σύγχρονες τάσεις στην ανάπτυξη της αρχιτεκτονικής μικροεπεξεργαστή βασίζεται στη μείωση του αριθμού των πιθανών εντολών και των μεθόδων διευθυνσιοδότησης για να διασφαλιστεί ότι οποιαδήποτε εντολή εκτελείται σε έναν κύκλο μηχανής. Τέτοιοι επεξεργαστές ονομάζονται επεξεργαστές RISC (Reduced Instruction Set Computer). Ένα συγκεκριμένο παράδειγμα μιας τέτοιας συσκευής είναι ο μικροεπεξεργαστής PowerPC της Motorola.

Ως μέρος του εκρηκτικού συστήματος, μπορεί κανείς να διακρίνει επίσης έναν αριθμό λειτουργικά πλήρεις συσκευές, οι οποίες έχουν σχεδιαστεί με τη μορφή μονάδων συνδεδεμένων απευθείας σε ένα μόνο κορμό του συστήματος. Στην απλούστερη περίπτωση, αυτοί είναι καταχωρητές buffer που απευθύνονται στην CPU - Θύρες BB. Καλούνται πιο πολύπλοκα υποσυστήματα BB ελεγχόμενα από λογισμικό που περιέχουν μπλοκ θυρών περιφερειακοί προσαρμογείς. Στην περίπτωση που τα εκρηκτικά μέσα προορίζονται για τον έλεγχο ειδικού εξωτερικού εξοπλισμού και την εφαρμογή ειδικών εκρηκτικών λειτουργιών, καλούνται περιφερειακοί ελεγκτές. Το πιο δύσκολο από σύγχρονα μέσαεξετάζεται η ανταλλαγή με εξωτερικούς εκρηκτικούς μηχανισμούς Συνεπεξεργαστές BB, τα οποία λειτουργούν σύμφωνα με δικά τους προγράμματα, αποθηκευμένο σε δική μνήμη, και είναι ουσιαστικά χωριστά συστήματα μικροεπεξεργαστών. Ένα παράδειγμα τέτοιου συστήματος είναι ο διανυσματικός συνεπεξεργαστής ADMC-200 από την Analog Devices, σχεδιασμένος να διασυνδέει ένα σύστημα μικροεπεξεργαστή με έναν μετατροπέα βαλβίδας που ελέγχει τη μονάδα δίσκου. AC. Περιλαμβάνει πολλά κανάλια ADC, πολυκάναλο PWM και μια υπολογιστική μονάδα που υλοποιεί διανυσματικοί μετασχηματισμοί Park-Clark, απαραίτητο για την εφαρμογή του αλγόριθμου ελέγχου διανυσμάτων για σύγχρονους και ασύγχρονους κινητήρες AC. Ωστόσο, ανεξάρτητα από την πολυπλοκότητα ενός συγκεκριμένου υποσυστήματος IC, από την πλευρά της CPU αντιπροσωπεύονται όλοι από ένα ή άλλο σύνολο διευθυνσιοδοτούμενων καταχωρητών, οι οποίοι, κατά κανόνα, αποτελούν μέρος του DSEG.

Χωρητικότητα bit του συστήματος μικροεπεξεργαστήΕίναι γενικά αποδεκτό να μετράμε τον αριθμό των bit πληροφοριών που η CPU της μπορεί να επεξεργαστεί με μία εντολή. Το πλάτος ενός μικροεπεξεργαστή καθορίζεται από το πλάτος της ALU, των εσωτερικών καταχωρητών δεδομένων και του εξωτερικού διαύλου δεδομένων. Σήμερα υπάρχουν μικροεπεξεργαστές 8, 16, 32 και 64 bit. Για την επεξεργασία πληροφοριών με βάθος bit μεγαλύτερο από τη χωρητικότητα bit του μικροεπεξεργαστή, είναι απαραίτητο να εφαρμοστούν ειδικοί υπολογιστικοί αλγόριθμοι με αυξημένο βάθος bit. Αυτοί οι αλγόριθμοι απαιτούν επιπλέον χρόνο για να εκτελεστούν. Επομένως, μια αύξηση της χωρητικότητας bit του μικροεπεξεργαστή για μια δεδομένη χωρητικότητα bit υπολογισμού σχετίζεται άμεσα με μια αύξηση στην απόδοση του συστήματος.

Ανάλογα με τη μορφή στην οποία ο επεξεργαστής είναι σε θέση να λαμβάνει και να επεξεργάζεται δεδομένα, υπάρχουν μικροεπεξεργαστές σταθερού σημείουΚαι μικροεπεξεργαστές κινητής υποδιαστολής.Για μια δεδομένη ακρίβεια υπολογισμού και βάθος bit, το εύρος των αριθμών που μπορούν να αναπαρασταθούν στη μορφή κινητής υποδιαστολής υπερβαίνει σημαντικά το εύρος των αριθμών στη μορφή σταθερού σημείου. Επομένως, οι υπολογισμοί κινητής υποδιαστολής χρησιμοποιούνται για να παρέχουν αυξημένη ακρίβεια του αποτελέσματος. Η εφαρμογή τέτοιων αλγορίθμων σε επεξεργαστές σταθερού σημείου συνεπάγεται μεγάλο υπολογιστικό χρόνο και, κατά συνέπεια, μείωση της απόδοσης του συστήματος. Οι επεξεργαστές κινητής υποδιαστολής είναι ικανοί αριθμητικές πράξειςπάνω από αριθμούς κινητής υποδιαστολής με μία εντολή. Επομένως, εκτελούν τέτοιους υπολογισμούς πολύ πιο γρήγορα από τους επεξεργαστές σταθερού σημείου.

Υπάρχουν μικροεπεξεργαστές των οποίων η αρχιτεκτονική είναι προσαρμοσμένη για να εκτελεί ορισμένους τύπους υπολογισμών. Αυτοί οι επεξεργαστές περιλαμβάνουν τα λεγόμενα. " επεξεργαστές ψηφιακού σήματος” DSP (Ψηφιακός Επεξεργαστής Σήματος). Η αρχιτεκτονική τους διαθέτει χαρακτηριστικά που τους επιτρέπουν να εφαρμόζουν επαναλαμβανόμενους αλγόριθμους επεξεργασίας δεδομένων με την υψηλότερη απόδοση, οι οποίοι χρησιμοποιούνται σε πολλές εργασίες που απαιτούν την εκτέλεσή τους σε «πραγματικό χρόνο», όπως κωδικοποίηση ήχου και βίντεο, ρύθμιση, ψηφιακό φιλτράρισμα, ψηφιακή επικοινωνίακαι τα λοιπά. Όλοι αυτοί οι επεξεργαστές κατασκευάζονται, κατά κανόνα, σύμφωνα με την αρχιτεκτονική του Χάρβαρντ. Τα σύγχρονα DSP διαθέτουν ξεχωριστούς διαύλους διευθύνσεων/δεδομένων για CSEG και DSEG, που τους επιτρέπει να έχουν πρόσβαση σε διαφορετικούς τύπους μνήμης και να εκτελούν πολλαπλές λειτουργίες δεδομένων με μία μόνο εντολή. Το κύριο χαρακτηριστικό του DSP είναι ότι εκτός από το συνηθισμένο ALU, το οποίο υπάρχει σε όλους τους επεξεργαστές, έχουν και αρκετούς ακόμη υπολογιστικές συσκευές. Αυτές οι συσκευές περιλαμβάνουν κυρίως τα λεγόμενα. «Πολλαπλασιαστής-Συσσωρευτής» MAU (Multiple-Accumulator Unit), ικανός να πολλαπλασιάζει δύο πολυψήφιους αριθμούς με μία εντολή και να προσθέτει το αποτέλεσμα διψήφιων αριθμών με το αποτέλεσμα της προηγούμενης εντολής. Μια παρόμοια λειτουργία «πολλαπλασιασμού-προσθήκης» χρησιμοποιείται σε όλους τους επαναλαμβανόμενους αλγόριθμους. Η παρουσία του MAU σε συνδυασμό με τα παραπάνω χαρακτηριστικά της οργάνωσης των διαύλων επεξεργαστή επιτρέπει στο DSP να εκτελέσει πλήρως ένα βήμα του επαναλαμβανόμενου αλγορίθμου σε μία εντολή και να προετοιμάσει τα αρχικά δεδομένα για το επόμενο βήμα. Μια άλλη πρόσθετη υπολογιστική συσκευή είναι ο «καταχωρητής μετατόπισης πολλαπλών bit» S (Shifter), ικανός να εκτελεί λειτουργίες μετατόπισης σε αριθμούς των οποίων το πλάτος υπερβαίνει το πλάτος της ALU. Η κοινή λειτουργία αυτών των υπολογιστικών συσκευών καθιστά δυνατή την επίτευξη υπολογιστικής απόδοσης στην εκτέλεση επαναλαμβανόμενων αλγορίθμων που είναι ασύγκριτη με οποιονδήποτε άλλο επεξεργαστή. Παραδείγματα σύγχρονων DSP περιλαμβάνουν:

Οικογένεια ADSP-21XX από Αναλογικές Συσκευές - DSP σταθερού σημείου 16 bit, απόδοση έως 30 MIPS.

Οικογένεια Texas Instruments TMS320C3X - DSP κινητής υποδιαστολής 32 bit, απόδοση έως 30 MIPS, 60 MFLOPS.

• Το TMS320C240 της Texas Instruments είναι ένα DSP σταθερού σημείου 16 bit, προσαρμοσμένο για εφαρμογές ελέγχου μονάδας δίσκου, απόδοση έως 20 MIPS, PWM 12 καναλιών στο chip, δύο ADC 8 καναλιών 10 bit.