Микропроцессоры: классификация, архитектура, система команд

1. Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов

Микропроцессоры:
классификация, архитектура, система команд
Соловьёв Сергей Юрьевич, канд. техн. наук, доцент кафедры 303
Ушаков Андрей Николаевич, ассистент кафедры 303

2. 1. Определение микропроцессора

Микропроцессор (МП) – программно-управляемое электронное
цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой
информации и управления процессом этой обработки.
Микропроцессор может быть изготовлен на основе одной или
нескольких интегральных схем (чипов, микрочипов).
Микропроцессорная интегральная схема выполняет функции МП
или его части.
Таким образом, главным отличием МП от других электронных
компонентов является то, что его функциональные характеристики
не фиксированы, а определяются и закладываются во время
проектирования системы в той его части, которая называется
программированием.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
2

3. 2. Развитие теории микропроцессорной техники

Основными предпосылками создания микропроцессоров стали
разработка теоретических основ обработки цифровой информации
и прогресс в области производства полупроводниковых
электронных устройств.
Теоретические основы
цифровой обработки
информации
Прогресс полупроводниковой
технологии
Цифровые ЭВМ
Микропроцессор
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
3

4. Развитие теории микропроцессорной техники (2)

Теоретической основой построения цифровых ЭВМ являются
специальные математические дисциплины, среди которых
основное место занимает алгебра логики.
Идею о возможности математизации логики высказал еще в XVII
веке Г.В. Лейбниц. Он пытался создать универсальный язык, с
помощью которого каждому понятию и высказыванию можно было
бы дать числовую характеристику и установить такие правила
оперирования с этими числами, которые позволили бы сразу
определить, истинно данное высказывание или ложно.
Идея Лейбница оказалось ложной, так как невозможно (не
найдены способы) свести человеческое мышление к некоторому
математическому исчислению.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
4

5. Развитие теории микропроцессорной техники (3)

Подлинный прогресс математической логики был достигнут в
середине XIX века прежде всего благодаря труду Джорджа Буля
(George Boole) «Математический анализ логики».
Буль перенёс на логику законы и правила алгебраических
действий, ввёл логические операции, предложил способ записи
высказываний в символической форме. В трудах Дж. Буля и
Огастеса де Моргана (Augustus de Morgan) математическая логика
оформилась как своеобразная алгебра – алгебра логики (или
алгебра высказываний).
В развитии математической логики приняли участие многие
выдающиеся математики и логики конца XIX и XX веков, в том
числе К. Гедель (австр.), Д. Гильберт (нем.), С. Клини (амер.),
Э. Пост (амер.), А. Тьюринг (англ.), А. Чёрч (амер.),
А.Н. Колмогоров, П.С. Новиков, А.А. Марков и многие другие.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
5

6. Машина Тьюринга (1)

Современная математизированная формальная логика
представляет собой обширную научную область, которая находит
широкое применение как внутри математики (исследование
оснований математики), так и вне её (синтез и анализ
автоматических устройств, теоретическая кибернетика, в
частности, искусственный интеллект).
Машина Тьюринга – это абстрактное вычислительное устройство,
которое было предложено в 1936 г. английским математиком
Аланом Тьюрингом (Alan Mathison Turing) в качестве
математической модели для описания алгоритмов.
Первоначально концепция машины Тьюринга развивалась с целью
ответа на вопрос: можно ли для любого математического
утверждения указать конечную последовательность
инструкций, которые могли бы выполняться механически одна за
другой любым человеком или вычислительным устройством, и в
итоге выяснить, истинно это утверждение или ложно.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
6

7. Машина Тьюринга (2)

Машина Тьюринга является дискретным вычислительным
устройством, изменяющим свои характеристики в определённые
моменты времени.
Машина Тьюринга имеет ленту с ячейками для хранения данных и
обрабатывающий элемент, внешний по отношению к ленте, но
обеспечивающий подачу команд, модифицирующих ячейки ленты.
В 1936 г. А. Чёрчем была высказана гипотеза, что любой процесс,
который естественным образом мог бы быть назван процедурой,
реализуем машиной Тьюринга. Впоследствии эту гипотезу стали
называть тезисом Чёрча-Тьюринга. В этом смысле машина
Тьюринга считается эквивалентной любому
вычислительному устройству.
В том же 1936 г. польский математик А. Тарский доказал, что
поставленная проблема в общем случае неразрешима. Однако
применение машины Тьюринга вышло далеко за пределы
первоначальной постановки. По существу именно работы
Тьюринга положили начало математической теории вычислений.
Машина Тьюринга сыграла и продолжает играть важную роль в
теории информатики, а вычислимость при помощи машины
Тьюринга стала признанным определением процедуры.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
7

8. Принципы Дж.фон Неймана

Дж. фон Нейман (John von Neumann) в 1945 г. сформулированы
следующие принципы построения ЭВМ:
Принцип программного управления. Программа состоит из
набора команд, которые выполняются процессором автоматически
друг за другом в определённой последовательности. Выборка
программы из памяти производится с помощью счётчика команд
(программного счётчика). Счётчик команд представляет собой
регистр процессора, в котором хранится адрес следующей
выполняемой команды программы. При выполнении команды
содержимое счётчика команд автоматически увеличивается на
длину команды.
Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в
одной и той же памяти. Таким образом, ЭВМ не различает, что
хранится в данной ячейке памяти – текст, число или команда.
Принцип адресности. Основная память ЭВМ состоит из набора
пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент
времени доступна любая ячейка.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
8

9. Основная идея построения микропроцессора (1)

Цифровые микросхемы достигли впечатляющего быстродействия
при приемлемом токе потребления. Наиболее быстрые из
цифровых микросхем средней степени интеграции обладают
скоростью переключения порядка 3...5 нс. (серия микросхем
74ALS). В то же время приходится платить за быстродействие
микросхем повышенным током потребления. Исключением
являются микросхемы, построенные на основе КМОП-технологии
(например, микросхемы серий К1564, 74HC, 74AHC). В этих
микросхемах потребляемый ток прямо пропорционален скорости
переключения логических вентилей в микросхеме. Т.е. микросхема
автоматически увеличивает ток потребления, если от неё
требуется большее быстродействие.
Основная идея построения микропроцессора заключается в
том, чтобы использовать одну и ту же микросхему многократно,
комбинируя в различных сочетаниях работу её различных
функциональных блоков. Тогда можно будет обменивать
быстродействие микросхем на сложность решаемой задачи.
Именно этот обмен и позволяют осуществлять микропроцессоры.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
9

10. Основная идея построения микропроцессора (2)

В микропроцессорах многократно используется одно и то же
устройство – АЛУ (арифметико-логическое устройство).
Таким образом, микропроцессор – это универсальная
микросхема, которая может выполнять любые заложенные в неё
функции.
Универсальность обеспечивает широкий спрос на эти микросхемы,
а значит массовость производства. Стоимость же микросхем
обратно пропорциональна массовости их производства, то есть
микропроцессоры становятся дешёвыми микросхемами и тем
самым ещё больше увеличивают спрос.
В 1970 г. Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel
сконструировал интегральную схему, аналогичную
по своим функциям центральному процессору
большой ЭВМ – первый микропроцессор
Intel 4004, который уже в 1971 году был
выпущен в продажу.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
10

11. 3. Программная реализация вычислений

Схемная реализация вычислений требует создания уникальной
схемы объединения регистров и функциональных устройств,
соответствующей заданному алгоритму. Поэтому переход от
реализации одного алгоритма к реализации другого фактически
требует построения новой вычислительной установки. При
практических вычислениях это очень трудоёмкий процесс. Для
обеспечения возможности выполнения разных алгоритмов при
одной и той же схеме объединения регистров и функциональных
устройств применяют программную реализацию вычислений.
При программной реализации вычислений изначально
устанавливается набор регистров, функциональных устройств и
мультиплексоров, через которые возможны передачи данных
между ними. Задаётся также набор команд (преобразований),
служащий для записи алгоритма требуемого вычисления.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
11

12. Программная реализация вычислений (2)

Каждая команда, будучи исполняемой, вырабатывает
совокупность управляющих сигналов, подаваемых на
некоторые мультиплексоры, что ведет к межрегистровым
передачам данных с возможным преобразованием данных в
функциональных устройствах. Собственно воздействие команды
определяется тем, на какие мультиплексоры поступают
управляющие сигналы и какие значения имеют эти сигналы.
Таким образом, при программной реализации вычислений за
счёт возможности исполнения различных последовательностей
команд (разных команд, исполняемых в разном порядке) можно
при одной и той же схеме соединения регистров,
мультиплексоров и функциональных устройств реализовать
различные алгоритмы.
Следует отметить, что исходная схема объединения регистров и
функциональных устройств, а также набор используемых команд
могут больше подходить для выполнения одних алгоритмов и
препятствовать эффективной реализации других. Однако это
служит платой за то, что при реализации различных алгоритмов
используется одно и то же устройство.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
12

13. Программная реализация вычислений (3)

Важно понимать, что команды в представленном цифровом
устройстве обработки подаются на это устройство извне, из
другого устройства, которое специально должно быть создано для
исполнения каждого алгоритма.
Таким образом, в целом устройство состоит из двух частей:
неизменяемой при реализации любых алгоритмов, в которой
собственно хранятся и обрабатываются данные, и
изменяемой части, обеспечивающей последовательность выдачи
команд, необходимую для реализации вычисления.
Подобная конструкция цифрового устройства обработки данных не
является чисто гипотетической. Именно так было организовано
английское цифровое устройство Colossus, использовавшееся
для расшифровки немецкой переписки в годы Второй мировой
войны. В создании этого устройства участвовал А. Тьюринг.
При программной реализации вычислений должны быть явно
определены размещение обрабатываемых данных и результатов
вычислений, а также начальные значения используемых регистров
и ячеек памяти, если из них читаются данные.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
13

14. 4. Классификация микропроцессоров

По области применения определилось три направления развития
микропроцессоров:
универсальные микропроцессоры;
микроконтроллеры;
сигнальные микропроцессоры.
Универсальные микропроцессоры могут быть применены для
решения широкого круга разнообразных задач. При этом их
эффективная производительность слабо зависит от проблемной
специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его
проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных
функций позволяет резко увеличить эффективную
производительность при решении только определенных задач.
Среди специализированных микропроцессоров выделяют
микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных
последовательностей логических операций и сигнальные
процессоры, эффективные при применении методов цифровой
обработки сигналов (ЦОС) – Digital Signal Processing (DSP).
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
14

15. Классификация микропроцессоров (2)

По архитектуре выделяют:
CISC-микропроцессоры (Complete Instruction Set
Computer), характеризующиеся полным набором
команд, и
RISC-микропроцессоры (Reduce Instruction Set
Computer) – МП с сокращённым набором команд
одинакового формата, выполняемых за один такт
МП.
По внутренней структуре существует два
основных принципа построения
микропроцессоров:
Гарвардская архитектура
Архитектура Фон-Неймана
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
15

16. Классификация микропроцессоров (3)

В Гарвардской архитектуре различаются два вида памяти:
память программ
память данных
В ряде случаев для памяти программ и памяти данных
выделяются отдельные шины обмена данными. Эти особенности
определили области применения этой архитектуры построения
микропроцессоров.
Гарвардская архитектура применяется в микроконтроллерах, где
требуется обеспечить высокую надёжность работы аппаратуры и в
сигнальных процессорах, где эта архитектура кроме обеспечения
высокой надёжности работы устройств позволяет обеспечить
высокую скорость выполнения программы за счёт одновременного
считывания управляющих команд и обрабатываемых данных, а
также запись полученных результатов в память данных.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
16

17. Классификация микропроцессоров (4)

Отличие архитектуры Фон Неймана заключается в
принципиальной возможности работы над управляющими
программами точно так же, как над данными. Это позволяет
производит загрузку и выгрузку управляющих программ в
произвольное место памяти, которая в этой структуре не
разделяется на память программ и память данных.
Любой участок памяти может служить как памятью программ, так и
памятью данных. Причём в разные моменты времени одна и та же
область памяти может использоваться и как память программ и как
память данных. Для того, чтобы программа могла работать в
произвольной области памяти, её необходимо модернизировать
перед загрузкой, то есть работать с ней, как с обычными данными.
Эта особенность архитектуры позволяет наиболее гибко управлять
работой микропроцессорной системы, но создаёт принципиальную
возможность искажения управляющей программы, что понижает
надёжность работы аппаратуры. Эта архитектура используется в
универсальных компьютерах и в некоторых видах
микроконтроллеров.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
17

18. Классификация микропроцессоров (5)

По системе команд микропроцессоры отличаются большим
разнообразием, зависящим от фирмы-производителя. Тем не менее, можно
определить две крайние политики построения микропроцессоров:
аккумуляторные микропроцессоры
микропроцессоры с регистрами общего назначения
В микропроцессорах с регистрами общего назначения математические
операции могут выполняться над любой ячейкой памяти. В зависимости от
типа операции команда может быть одноадресной, двухадресной или
трёхадресной.
Принципиальным отличием аккумуляторных процессоров является то,
что математические операции могут производиться только над одной
особой ячейкой памяти – аккумулятором. Для того, чтобы произвести
операцию над произвольной ячейкой памяти её содержимое необходимо
скопировать в аккумулятор, произвести требуемую операцию, а затем
скопировать полученный результат в произвольную ячейку памяти.
Выпускаемые в настоящее время процессоры обладают системами команд
с признаками как аккумуляторных процессоров, так и микропроцессоров с
регистрами общего назначения.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
18

19. 5. Основные характеристики микропроцессоров

Микропроцессор характеризуется:
тактовой частотой, определяющей максимальное время
выполнения переключения элементов;
разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно
обрабатываемых двоичных разрядов.
архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в
себя систему команд и способы адресации, возможность
совмещения выполнения команд во времени, наличие
дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы
и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и
макроархитектуры.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
19

20. Основные характеристики микропроцессоров (2)

Разрядность МП обозначается тремя значениями (m/n/k/) и
включает:
m – разрядность внутренних регистров, определяет
принадлежность к тому или иному классу процессоров;
n – разрядность шины данных, определяет скорость передачи
информации;
k – разрядность шины адреса, определяет размер адресного
пространства.
Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k = 16/8/20.
Микроархитектура микропроцессора – это аппаратная
организация и логическая структура микропроцессора, регистры,
управляющие схемы, арифметико-логические устройства,
запоминающие устройства и связывающие их информационные
магистрали.
Макроархитектура – это система команд, типы обрабатываемых
данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
20

21. 6. Структура и функциональная организация микропроцессора

Программная реализация вычислений требует подачи
определённой последовательности команд для выполнения
необходимого вычисления. Конечно, построить устройство,
выдающее требуемую реализуемым алгоритмом
последовательность команд, проще, чем собрать вычислитель из
отдельных электронных компонентов целиком, включая регистры,
память, функциональные устройства, но и это достаточно
трудоёмкий процесс.
Собственно, понятие «процессор» появилось как результат
творческого озарения группы инженеров, работавших под
техническим руководством Дж. Мочли и Дж. Эккерта совместно с
математиком Дж. фон Нейманом над созданием ЕNIАС (Electronic
Numerical Integrator and Computer – электронного цифрового
интегратора и вычислителя). Пришедшая им в головы идея
состояла в том, что команды, исполнение совокупности которых
необходимо для реализации вычисления, можно так же, как и
данные хранить в памяти, а для их выполнения создать схемную
реализацию алгоритма, обеспечивающего требуемый порядок
исполнения команд.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
21

22. Алгоритм функционирования процессора

Такой схемно реализованный алгоритм и был впоследствии назван
процессором. Суть этого алгоритма сводится к циклическому исполнению
следующих шагов, показанных на рисунке.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
22

23. Алгоритм функционирования процессора (2)

Рассмотрим более детально содержание шагов, составляющих
алгоритм функционирования процессора.
На первом шаге, называемом «выборка из памяти очередной
команды», из ячейки памяти, адрес которой содержится в
специально введённом регистре РС, который именуется
счётчиком команд (Program Counter), извлекается команда,
помещаемая в регистр команд.
Так как содержимое регистра счётчика команд определяет, какая
команда будет исполняться следующей, то рассмотрим, как
формируется значение этого регистра.
Исходно предполагается, что команды программы размещаются в
ячейках памяти с последовательными адресами Аn, Аn+1, Аn+2, ...,
где Аn – начальный адрес области памяти, которой размещаются
команды. Эта последовательность размещения команд интуитивно
понимается как порядок написания команд программистом при
формулировании им алгоритма решаемой задачи с помощью
предоставленного набора команд процессора. Поэтому, как
правило, для определения адреса следующей выполняемой
команды необходимо просто увеличить на единицу значение РС,
что и определило его название как счётчика команд.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
23

24. Алгоритм функционирования процессора (3)

Для изменения порядка выполнения команд, когда следующей
должна выполняться не команда, адрес которой равен
увеличенному на 1 адресу выполняемой команды, а команда из
ячейки памяти с другим адресом, специально вводятся команды
переходов. Команды переходов изменяют содержимое регистра
счётчика команд.
Таким образом, адрес следующей команды определяется либо
увеличением на 1 значения счётчика команд, либо этот адрес
формируется выполняемой командой перехода.
На шаге, называемом «декодирование команды», команда,
помещённая в регистр команд, подвергается разбору на предмет
выявления функционального преобразования, задаваемого этой
командой, а также регистров и ячеек памяти, используемых в
качестве источников операндов и места сохранения результата.
Собственно на шаге декодирования команды выполняется
подготовка к подаче управляющих сигналов на мультиплексоры
для передачи данных между регистрами, функциональными
устройствами и ячейками памяти.
Шаги «исполнение команды» и «запись результата» производят
действия, понятные из их названия.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
24

25. 7. Обобщённая структура микропроцессора

Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
25

26. Обобщённая структура микропроцессора (2)

Мультиплексор блока выборки команд служит для выдачи в
память либо адреса команды из счётчика команд РС, либо
адреса данных, сформированного в АЛУ при выполнении
команды пересылки, задающей обмен между регистром и
ячейкой памяти.
Память получает адрес по линии «выдача адреса» и
возвращает команду или данные, если к памяти идет
обращение по чтению, или использует этот адрес и данные
с магистрали «выдача данных в память» для записи данных
в ячейку памяти с этим адресом.
В случае если из памяти поступает команда, то
демультиплексор блока выборки команд направляет ее в
блок декодирования. При поступлении из памяти данных в
ходе выполнения команды пересылки эти данные
записываются через АЛУ в соответствующий регистр,
заданный в этой команде.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
26

27. Обобщённая структура микропроцессора (3)

Счётчик команд РС блока выборки команд может получать
приращение +1 в специальном блоке, функционирующем
параллельно с АЛУ, либо в РС записывается
сформированный в АЛУ адрес перехода в случае
выполнения команды перехода.
В блоке декодирования определяются указанные в команде
регистры из регистрового файла. Содержимое регистров
операндов фиксируется в регистрах А и В соответственно.
Если используется непосредственно заданный операнд, то
он также фиксируется в регистре В.
После выполнения операции в АЛУ результат также может
запоминаться в одном из регистров регистрового файла.
Кроме данных из регистрового файла, в регистры А и В при
выполнении команд перехода может записываться значение
счётчика команд РС + 1.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
27

28. 8. Однокристальные и секционированные микропроцессоры

По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном
комплекте различают следующие типы МП:
однокристальные,
многокристальные и
многокристальные секционированные (секционные).
Процессоры даже самых простых ЦВУ имеют сложную
функциональную структуру, содержат большое количество
электронных элементов и множество разветвленных связей.
Изменять структуру процессора необходимо так, чтобы полная
принципиальная схема или её части имели количество элементов
и связей, совместимое с возможностями БИС. При этом
микропроцессоры приобретают внутреннюю магистральную
архитектуру, т. е. в них к единой внутренней информационной
магистрали подключаются все основные функциональные блоки
(арифметико-логический, рабочих регистров, стека, прерываний,
интерфейса, управления и синхронизации и др.).
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
28

29. Однокристальные и секционированные микропроцессоры (2)

Для обоснования классификации микропроцессоров по числу БИС
надо распределить все аппаратные блоки процессора между
основными тремя функциональными частями МП:
операционной,
управляющей и
интерфейсной.
Сложность операционной и управляющей частей процессора
определяется их разрядностью, системой команд и требованиями к
системе прерываний; сложность интерфейсной части
разрядностью и возможностями подключения других устройств
ЭВМ (памяти, внешних устройств, датчиков и исполнительных
механизмов и др.).
Интерфейс процессора содержит несколько десятков
информационных линий, относящихся к шине данных (ШД), шине
адреса (ША) и шине управления (ШУ).
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
29

30. Однокристальные и секционированные микропроцессоры (3)

Однокристальные микропроцессоры получаются при
реализации всех аппаратных средств процессора в виде
одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы).
По мере увеличения степени интеграции элементов в
кристалле и числа выводов корпуса параметры
однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако
возможности однокристальных микропроцессоров
ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса.
Для получения многокристального микропроцессора
необходимо провести разбиение его логической структуры
на функционально законченные части и реализовать их в
виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС
многокристального микропроцессора означает, что его части
выполняют заранее определённые функции и могут
работать автономно.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
30

31. Однокристальные и секционированные микропроцессоры (4)

На рисунке показано функциональное разбиение структуры
процессора при создании трёхкристального микропроцессора
(пунктирные линии), содержащего БИС операционного (ОП), БИС
управляющего (УП) и БИС интерфейсного (ИП) процессоров.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
31

32. Однокристальные и секционированные микропроцессоры (5)

Выбираемые из памяти команды распознаются и
выполняются каждой частью микропроцессора автономно и
поэтому может быть обеспечен режим одновременной
работы всех БИС МП, т.е. конвейерный поточный режим
исполнения последовательности команд программы
(выполнение последовательности с небольшим временным
сдвигом). Такой режим работы значительно повышает
производительность микропроцессора.
Многокристальные секционные микропроцессоры
получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются
части (секции) логической структуры процессора при
функциональном разбиении её вертикальными
плоскостями. Для построения многоразрядных
микропроцессоров при параллельном включении секций
БИС в них добавляются средства «стыковки».
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
32

33. Однокристальные и секционированные микропроцессоры (6)

Функциональная структура процессора (а) и её разбиение для
реализации процессора в виде комплекта секционных БИС (б).
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
33

34. 8. Элементы архитектуры процессора

Система команд. Проектирование системы команд оказывает
влияние на структуру МП. Оптимальную систему команд иногда
определяют как совокупность команд, которая удовлетворяет
требованиям проблемно-ориентированных применений таким
образом, что избыточность аппаратных и аппаратно-программных
средств на реализацию редко используемых команд оказывается
минимальной.
В различных программах частота использования команд
различна; например, по данным фирмы DEC в программах для
ЭВМ семейства PDP-11 наиболее часто встречается команда
передачи MOV(B), на её долю приходится приблизительно 32%
всех команд в типичных программах. Систему команд следует
выбирать таким образом, чтобы затраты на редко используемые
команды были минимальными.
При наличии статистических данных можно разработать (выбрать)
МП с эффективной системой команд. Одним из подходов к
достижению данной цели является разработка команд длиной в
одно слово и кодирование их таким образом, чтобы разряды таких
коротких команд использовать оптимально, что позволит сократить
время реализации программы и её длину.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
34

35. Элементы архитектуры процессора (2)

Другим подходом к оптимизации системы команд является
использование микроинструкций. В этом случае отдельные биты
или группы бит команды используются для кодирования
нескольких элементарных операций, которые выполняются в
одном командном цикле. Эти элементарные операции не требуют
обращения к памяти, а последовательность их реализации
определяется аппаратной логикой.
Сокращение времени выполнения программ и ёмкости памяти
достигается за счёт увеличения сложности логики управления.
Важной характеристикой команды является её формат,
определяющий структурные элементы команды, каждый из
которых интерпретируется определенные образом при её
выполнении.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
35

36. Элементы архитектуры процессора (3)

Среди таких элементов (полей) команды выделяют следующие:
код операции, определяющий выполняемое действие;
адрес ячейки памяти, регистра процессора, внешнего устройства;
режим адресации;
операнд при использовании непосредственной адресации;
код анализируемых признаков для команд условного перехода.
Важнейшим структурным элементом формата любой команды
является код операции (КОП), определяющей действие, которое
должно быть выполнено. Большое число КОП в процессоре очень
важно, так как аппаратная реализация команд экономит память и
время. Но при выборе ЭВМ необходимо концентрировать
внимание на полноте операций с конкретными типами данных, а не
только на числе команд, на доступных режимах адресации. Число
бит, отводимое под КОП, является функцией полного набора
реализуемых команд.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
36

37. Классификация команд

Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
37

38. Элементы архитектуры процессора (4)

При использовании фиксированного числа бит под КОП для
кодирования всех m команд необходимо в поле КОП
выделить 2m двоичных разрядов. Однако, учитывая
ограниченную длину слова мини- и микроЭВМ, различное
функциональное назначение команд, источники и приемники
результатов операций, а также то, что не все команды
содержат адресную часть для обращения к памяти и
периферийным устройствам, в малых ЭВМ для кодирования
команд широко используется принцип кодирования с
переменным числом бит под поле КОП для различных групп
команд.
В некоторых командах необходим только один операнд и
они называются однооперандными (или одноадресными)
командами в отличие от двухоперандных (или
двухадресных), в которых требуются два операнда. При
наличии двух операндов командой обычно изменяется
только один из них. Так как информация берется только из
одной ячейки, эту ячейку называются источником; ячейка,
содержимое которой изменяется, называется приёмником.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
38

39. Режимы (способы) адресации (1)

Режимы адресации. Для взаимодействия с различными
модулями в МП должны быть средства идентификации
ячеек внешней памяти, ячеек внутренней памяти, регистров
МП и регистров устройств ввода/вывода. Поэтому каждой из
запоминающих ячеек присваивается адрес, т.е. однозначная
комбинация бит.
Количество бит определяет число идентифицируемых
ячеек. Обычно МП имеет различные адресные пространства
памяти и регистров, а иногда – отдельные адресные
пространства регистров устройств ввода/вывода и
внутренней памяти. Кроме того, память хранит как данные,
так и команды. Поэтому для МП разработано множество
способов обращения к памяти, называемых режимами
(способами) адресации.
Режим адресации памяти – это процедура или схема
преобразования адресной информации об операнде в его
исполнительный адрес.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
39

40. Режимы (способы) адресации (2)

Все способы адресации памяти можно разделить на:
прямой, когда исполнительный адрес берется
непосредственно из команды или вычисляется с
использованием значения, указанного в команде, и
содержимого какого-либо регистра (прямая адресация,
регистровая, базовая, индексная и т.д.);
косвенный, который предполагает, что в команде
содержится значение косвенного адреса, т.е. адреса
ячейки памяти, в которой находится окончательный
исполнительный адрес (косвенная адресация).
В каждом МП реализованы только некоторые режимы
адресации, использование которых, как правило,
определяется его архитектурой.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
40

41. Программное и микропрограммное управление (1)

В микропроцессорах используют два метода выработки
совокупности функциональных управляющих сигналов:
программный и микропрограммный.
Выполнение операций в машине сводится к элементарным
преобразованиям информации (передача информации между
узлами в блоках, сдвиг информации в узлах, логические
поразрядные операции, проверка условий и т.д.) в логических
элементах, узлах и блоках под воздействием функциональных
управляющих сигналов блоков (устройств) управления.
Элементарные преобразования, неразложимые на более простые,
выполняются в течение одного такта сигналов синхронизации и
называются микрооперациями.
В аппаратных (схемных) устройствах управления каждой операции
соответствует свой набор логических схем, вырабатывающих
определенные функциональные сигналы для выполнения
микроопераций в определённые моменты времени.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
41

42. Программное и микропрограммное управление (2)

При этом способе построения устройства управления реализация
микроопераций достигается за счёт однажды соединённых между
собой логических схем, поэтому МП с аппаратным устройством
управления называют процессорами с жёсткой логикой
управления. Это понятие относится к фиксации системы команд в
структуре связей МП и означает практическую невозможность
каких-либо изменений в системе команд МП после его
изготовления.
При микропрограммной реализации устройства управления в
состав последнего вводится ЗУ, каждый разряд выходного кода
которого определяет появление определенного функционального
сигнала управления. Поэтому каждой микрооперации ставится в
соответствие свой информационный код – микрокоманда. Набор
микрокоманд и последовательность их реализации обеспечивают
выполнение любой сложной операции. Набор микроопераций
называют микропрограммами.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
42

43. Программное и микропрограммное управление (3)

Способ управления операциями путём последовательного
считывания и интерпретации микрокоманд из ЗУ (наиболее часто в
виде микропрограммного ЗУ используют быстродействующие
программируемые логические матрицы), а также использования
кодов микрокоманд для генерации функциональных управляющих
сигналов называют микропрограммным, а микроЭВМ с таким
способом управления – микропрограммными или с хранимой
(гибкой) логикой управления.
К микропрограммам предъявляют требования функциональной
полноты и минимальности. Первое требование необходимо для
обеспечения возможности разработки микропрограмм любых
машинных операций, а второе связано с желанием уменьшить
объем используемого оборудования. Учёт фактора
быстродействия ведет к расширению микропрограмм, поскольку
усложнение последних позволяет сократить время выполнения
команд программы.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
43

44. Программное и микропрограммное управление (4)

Преобразование информации выполняется в универсальном
арифметико-логическом блоке микропроцессора. Он обычно
строится на основе комбинационных логических схем.
Для ускорения выполнения определенных операций вводятся
дополнительно специальные операционные узлы (например,
циклические сдвигатели). Кроме того, в состав
микропроцессорного комплекта (МПК) БИС вводятся
специализированные оперативные блоки арифметических
расширителей.
Операционные возможности микропроцессора можно расширить
за счёт увеличения числа регистров. Если в регистровом буфере
закрепление функций регистров отсутствует, то их можно
использовать как для хранения данных, так и для хранения
адресов. Подобные регистры микропроцессора называются
регистрами общего назначения (РОН). По мере развития
технологии реально осуществлено изготовление в
микропроцессоре 16, 32 и более регистров.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
44

45. Программное и микропрограммное управление (5)

В целом же, принцип микропрограммного управления (ПМУ)
включает следующие позиции:
любая операция, реализуемая устройством, является
последовательностью элементарных действий – микроопераций;
для управления порядком следования микроопераций
используются логические условия;
процесс выполнения операций в устройстве описывается в форме
алгоритма, представляемого в терминах микроопераций и
логических условий, называемого микропрограммой;
микропрограмма используется как форма представления функции
устройства, на основе которой определяются структура и порядок
функционирования устройства во времени.
ПМУ обеспечивает гибкость микропроцессорной системы и
позволяет осуществлять проблемную ориентацию микро- и
миниЭВМ.
Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов - Лекция 6
45