Презентация к лекции №1

1. Архитектура процессоров и микропроцессоров

Центр дистанционного обучения
Архитектура
процессоров и
микропроцессоров
Лектор:
Скрябин Юрий Михайлович
к.т.н., доцент каф. ВТ института ИТ
Online-edu.mirea.ru
online.mirea.ru

2.

План лекций
Разновидности и характеристики процессоров – вычислительных машин и систем
Процессор в составе центральной части ЭВМ: регистры, шины, система команд
Память: разновидности, иерархия, работа через КЕШ-память
Конвейерная обработка информации: синхронные и асинхронные конвейеры,
параллельные вычисления
Прерывания
Устройства управления: микрокоманды, работа с памятью и периферийными
устройствами

3.

Иное
Разводка печатной платы
Интерфейсы и протоколы
Транзисторные ключи и реле

4.

Лекция №1
Разновидности и характеристики процессоров – вычислительных машин и систем
Процессор в составе центральной части ЭВМ: регистры, шины, система команд
Память: разновидности, иерархия, работа через КЕШ-память
Конвейерная обработка информации: синхронные и асинхронные конвейеры,
параллельные вычисления
Прерывания
Устройства управления: микрокоманды, работа с памятью и периферийными
устройствами

5. Определения и терминология

Центр дистанционного обучения
Определения и терминология
Поток входных
данных
Поток выходных
данных
Микропроцессор
Поток команд
Сигналы
В соответствии с международным стандартом ISO/IEC 2382/1-93 и
государственным стандартом ГОСТ 15971-90:
Процессор
–
Функциональный
блок,
который
интерпретирует и Выполняет Инструкции.
Как правило выполняет функции центрального процессора.
Получает поток данных, поток команд для их обработки и
иные сигналы для своей работы и выдает поток данных
(результат) и сигналы о своей работе.
Микропроцессор – процессор, миниатюрные элементы
которого расположены в одной интегральной схеме. online.mirea.ru

6. Виды схемотехник ЭВМ

Центр дистанционного обучения
Виды схемотехник ЭВМ
online.mirea.ru

7. Микроконтроллеры

Центр дистанционного обучения
Микроконтроллеры
Включает в себя, кроме вычислительного ядра, полный набор
для вычислительной машины: периферийные модули, память, в
том числе EEPROM, АЦП и ЦАП, RC-генератор тактового сигнала
(использовать нежелательно).
Дополнительные преимущества: малое энергопотребление,
особенно при использовании режимов сна.
1) Возможность
подключения
эталонного
источника
напряжения для АЦП и ЦАП
2) Наличие
большей
доли
памяти для данных
3) Наличие модуля Wi-Fi связи
4) Энергопотребление в режимах
сна
online.mirea.ru

8. Сигнальные процессоры

Центр дистанционного обучения
Сигнальные процессоры
Отличаются от микроконтроллеров параллельной архитектурой
типа SIMD, позволяющей быстро реализовывать операции типа
умножения с накоплением (DSP-модуль).
online.mirea.ru

9. Универсальные процессоры

Центр дистанционного обучения
Универсальные процессоры
Характеризуются
функционированием
в
составе
вычислительной машины или системы и большой вычислительной
мощностью.
Даже универсальные процессоры специализируются для
определенных задач. Например на рисунке ниже представлено
различие в архитектуре ЦП и ГП.
online.mirea.ru

10. Жесткая логика

Центр дистанционного обучения
Жесткая логика
Строится чисто на логических элементах по тому или иному
способу (например карт Карно). В сложных случаях описывается
языками описания архитектуры: VHDL и Verilog.
Преимущества: простота и надежность.
online.mirea.ru

11. ПЛИС

Центр дистанционного обучения
ПЛИС
Отличие от процессоров жесткой логики является возможность
программируемого изменения архитектуры в пределах ресурсов,
доступных на кристалле.
Характеризуется количеством LUT, DSP, BLOCK RAM, pins и
иных модулей.
online.mirea.ru

12. Объединение систем

Центр дистанционного обучения
Объединение систем
online.mirea.ru

13. Аналоговые процессоры

Центр дистанционного обучения
Аналоговые процессоры
Не обязательно жестко спроектированы, алгоритмы могут
изменяться регуляторами, но ограниченно.
Обладают наибольшим быстродействием, но более подвержены
временным изменениям точности.
Используются
для
решения
задач,
описываемых
дифференциальными и интегральными уравнениями.
Аналоговые ЭВМ без движущихся частей стали возможны с
применением операционных усилителей.
online.mirea.ru

14. Основные характеристики микропроцессора

Центр дистанционного обучения
Основные характеристики
микропроцессора
Производительность (энергопотребление обратно)
MFLOPS- миллион операций в секунду при обработке чисел с плавающей точкой;
MOPS - миллион операций в секунду при обработке чисел с фиксированной точкой;
MIPS – миллион команд в секунду при обработке текстовой информации.
Тактовая частота
Разрядность
Кеш-память
Распараллеливание (количество ядер)
Конвейеризация
Обмен данными с другими устройствами
Система команд
online.mirea.ru

15.

Центр дистанционного обучения
CISC Архитектура (система команд)
Complex Instruction Set Computer. Полный набор команд.
Особенности:
Много команд и большее количество типов адресация.
Меньшее использование РОН. Операнды можно брать из ОЗУ.
Сложные команды выполняются на аппаратном уровне.
Команды имеют различное время выполнения.
Исторически появились раньше. Архитектура процессоров Intel
изначально базировалась на данной архитектуре, но в настоящий
момент используется RISC ядро так как конвейеры для CISC
процессоров достаточно сложны и менее эффективно ускоряют
выполнение программ.
online.mirea.ru

16.

Центр дистанционного обучения
RISC Архитектура (система команд)
Reduced Instruction Set Computer. Сокращенный набор команд.
Особенности:
Команды обработки данных работают только с регистрами. Для
обмена с памятью доступны только команды копирования
(Save/Load). В RISC-V команды копирования между регистрами не
предусмотрено (выполняется через сложение с нулем).
Команды имеют фиксированный размер и длительность
исполнения. Упрощает конвейеризацию.
Как правило, имеют большое число РОН, хотя нет команд для
обращения к частям регистров или регистровым парам.
Недостаток: Увеличивается размер программы, так как
сложные функции реализуются в несколько команд.
online.mirea.ru

17.

Центр дистанционного обучения
Состав ЭВМ
online.mirea.ru

18.

Центр дистанционного обучения
Выполнение программы
1. Дешифрация и выполнение команд программы;
2. Организация обращения к оперативной памяти (ОП);
3. Организация обращения к устройствам ввода-вывода (УВВ);
4. Прием и обработка запросов от устройств вычислительной
системы (ВС) и внешней среды (запросов на прерывание).
Счетчик адреса команд или чаще счетчик команд (СК или PC):
регистр, который хранит адрес следующей выполняемой команды
Регистр команды (РК или IR) содержит текущую исполняемую
команду.
Определения справедливы на момент обращения.
18
online.mirea.ru

19.

Центр дистанционного обучения
Цикл исполнения команды
1. Выборка команды (Instruction Fetch, IF) Процессор считывает код команды
из памяти по адресу, на который указывает специальный регистр –
счетчик команд (СК, PC – program counter). Содержимое СК
увеличивается на 1 (в общем случае на N).
2. Дешифрация кода операции (Decode, D) На основе кода операции
определяется, выполнение какой операции требуется.
3. Выборка операндов (Operand reading, OR) Операнды считываются из
памяти по адресам, которые указаны в коде команды.
4. Выполнение операции (Execute, E)
5. Запись результатов (Write, W)
Выполнение каждой команды состоит из нескольких
частей,
которые
называются
микрокомандами,
образующих микропрограмму для выполнения конкретной
команды. Микропрограммы содержатся в УУ.
19
online.mirea.ru

20.

Центр дистанционного обучения
20
online.mirea.ru

21.

Центр дистанционного обучения
Классификация регистров по назначению
1. Регистры общего назначения.
2. Индексные (для хранения индекса массива).
3. Регистр признаков (флагов).
4. Специальные регистры (СК, РК, регистры по расчету адреса и другие).
5. Регистры указатели
1. Управляющие регистры
2. Регистры системных адресов
3. Регистры отладки и тестирования
4. Буферные регистры
5. Регистровые стеки.
Рисунок: регистр
online.mirea.ru

22.

Центр дистанционного обучения
Основные рабочие характеристики процессора
1.
2.
3.
4.
5.
Тактовая частота. Внешняя и внутренняя.
Разрядность данных.
Адресное пространство (обычно не только ОЗУ).
Система команд.
Система прерываний
online.mirea.ru