Файл: Программа для эвм это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке.docx

7.Шинная организация микропроцессорных систем: с одной шиной, с двумя видами шин, с тремя видами шин.

В микропроцессорной системе системная магистраль служит единственным трактом для потоков команд, данных и управления. Наличие общей шины существенно упрощает реализацию МПС, позволяет легко менять ее состав и конфигурацию. Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток такой архитектуры: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в память результатов вычислений. На операции ввода/вывода остается лишь часть пропускной способности шины. Практика показывает, что даже при достаточно быстрой шине для 90% приложений этих остаточных ресурсов обычно не хватает, особенно в случае ввода или вывода больших массивов данных.

Поэтому при сохранении фон-неймановской концепции последовательного выполнения команд программы шинная архитектура в чистом ее виде оказывается недостаточно эффективной. Более распространена архитектура с иерархией шин, где помимо системной шины имеется еще несколько дополнительных шин. Они могут обеспечивать непосредственную связь между устройствами с наиболее интенсивным обменом, например процессором и кэш-памятью. Другой вариант использования дополнительных шин – объединение однотипных устройств ввода/вывода с последующим выходом с дополнительной шины на системную. Это позволяет снизить нагрузку на общую шину и более эффективно расходовать ее пропускную способность. Наибольшее распространение получили микропроцессорные системы с одной шиной, с двумя или тремя видами шин.

В структурах с одной шиной имеется одна системная шина, обеспечивающая обмен информацией между процессором и памятью, а также между устройствами ввода/вывода, с одной стороны, и процессором либо памятью – с другой (рис. 8).


Рисунок 8 – МПС с одной шиной

Для такого подхода характерны простота и низкая стоимость. Однако одношинная организация не в

---

состоянии обеспечить высокую скорость обмена, причем узким местом является именно шина.

В МПС с двумя видами шин устройства ввода/вывода подключаются к шинам ввода/вывода, которые берут на себя основной обмен, не связанный с выходом на процессор или память (рис. 9). Подключение осуществляется с помощью адаптеров шин, которые обеспечивают буферизацию данных при их пересылке между системной шиной и контроллерами устройств ввода/вывода. Это позволяет микропроцессорной системе поддерживать работу множества устройств ввода/вывода и одновременно развязать обмен информацией по тракту процессор-память и обмен информацией с устройствами ввода/вывода. Подобная схема существенно снижает нагрузку на скоростную шину процессор-память и способствует повышению общей производительности микропроцессорной системы.


Рисунок 9 – МПС с двумя видами шин

Шина процессор-память обеспечивает непосредственную связь между процессором и основной памятью. В современных микропроцессорах такую шину часто называют шиной переднего плана (передней или первичной) и обозначают аббревиатурой FSB (Front-Side Bus). Интенсивный обмен между процессором и памятью требует, чтобы полоса пропускания шины, т.е. количество информации, проходящей по шине в единицу времени, была наибольшей. В варианте с одной шиной роль этой шины выполняет системная шина, однако в плане эффективности значительно выгоднее, если обмен между процессором и основной памятью ведется по отдельной шине. К рассматриваемому виду можно отнести также шину, связывающую процессор с кэш-памятью второго уровня, известную как шина заднего плана (тыльная или вторичная) – BSB (Back-Side Bus). BSB позволяет вести обмен с большей скоростью, чем FSB, и полностью реализовать возможности более скоростной кэш-памяти. Архитектура с использованием шин FSB и BSB известна как архитектура двойной независимой шины DIB (Dual Independent Bus). Наличие двух шин позволяет одновременно обращаться к основной памяти и кэш-памятью второго уровня, тем самым увеличивая общую производительность системы.

Для подключения быстродействующих периферийных устройств в систему шин может быть добавлена высокоскоростная шина расширения (рис. 10).

---

Рисунок 10 – МПС с тремя видами шин

Шины ввода/вывода подключаются к шине расширения, а уже с нее через адаптер к шине процессор-память. Схема еще более снижает нагрузку на шину процессор-память. Такую организацию шин называют архитектурой с «пристройкой» (mezzanine architecture).

---

8. Характеристики микропроцессоров.

Архитектура МП ориентирована на достижение универсальности применения, высокой производительности и технологичности.

Универсальность (возможность разнообразного применения) МП определяется их широкими функциональными возможностями и обеспечивается:

• программным управлением, позволяющим производить программную настройку МП на выполнение определенных функций;

• гибкой системой команд и разнообразием способов адресации;

• магистрально-модульным принципом построения;

• специальными аппаратно-логическими средствами: регистровая память, виртуальная память, многоуровневая система прерываний, прямой доступ к памяти и т.п.
Относительно высокая производительность МП достигается использованием для их построения быстродействующих микросхем и специальных архитектурных решений, таких как регистровая память, кэш-память, конвейерная обработка, суперскалярная архитектура, предсказание переходов, механизм динамического выполнения команд и т.п.

Технологичность микропроцессорных средств обеспечивается модульным принципом конструирования, который предполагает реализацию этих средств в виде набора функционально законченных микросхем, просто объединяемых в соответствующие устройства и системы.

Кроме перечисленных выше трех основных особенностей, исключительно широкое применение МП в различных цифровых устройствах и системах обеспечивается также:

• низкой стоимостью;

• небольшими размерами;

• малой мощностью потребления;

• высокой надежностью и большой устойчивостью к неблагоприятным внешним воздействиям.
МП характеризуется очень большим числом параметров и качеств, поскольку он, с одной стороны функционально является сложным программно-управляемым цифровым процессором, т.е. устройством ЭВМ, а с другой – интегральной микросхемой, т.е. электронным прибором. Поэтому для МП важны такие качества и параметры, как:

• тип микроэлектронной технологии, проектные нормы и число слоев металлизации (проектные нормы определяют минимальные топологические размеры элементов, что, в свою очередь, определяет количество транзисторов, размещаемых на кристалле МП, и максимальную рабочую частоту МП);

---

• количество кристаллов, образующих МП;

• площадь кристалла и количество транзисторов на кристалле;

• тип корпуса;

• разрядность МП;

• быстродействие МП (рабочая частота; число одновременно декодируемых инструкций; число команд, запускаемых на выполнение за один такт; время выполнения команд);

• размер адресуемой памяти;

• наличие и размер кэш-памяти;

• наличие арифметического сопроцессора;

• число входящих в микропроцессорный набор дополнительных микросхем и выполняемые ими функции;

• система команд (количество команд, выполняемые операции, способы адресации, наличие команд обработки бит, чисел с плавающей запятой, десятичной арифметики);

• форматы данных;

• типы и число уровней прерывания;

• возможность прямого доступа к памяти;

• пропускная способность интерфейса ввода/вывода (частота и разрядность системной шины);

• количество и уровни питающих напряжений;

• требования к синхронизации;

• параметры используемых сигналов;

• потребляемая мощность;

• помехоустойчивость;

• нагрузочная способность;

• надежность и т.д.
Классификация микропроцессоров.

Микропроцессоры делятся на отдельные классы в соответствии с их архитектурой, структурой и функциональным назначением.

По числу кристаллов, образующих МП, различают микропроцессоры:

• однокристальные с фиксированной разрядностью и системой команд;

• многокристальные с фиксированной разрядностью и системой команд;

• многокристальные с разрядно-модульной организацией (секционные микропрограммируемые).
По назначению различают МП:

• универсальные (общего назначения);

• специализированные.
По типу набора команд (по типу архитектуры набора команд) различают МП:

• реализованные на базе архитектуры, называемой компьютером со сложным (полным, расширенным) набором команд (CISC – Complex Instruction Set Computer) – МП с CISC-архитектурой или CISC-микропроцессоры;

• реализованные на базе архитектуры, называемой компьютером с сокращенным набором команд (RISC – Reduced Instruction Set Computer) – МП с RISC-архитектурой или RISC-микропроцессоры.
По виду обрабатываемых входных сигналов различают МП:

• цифровые;

• аналоговые.
По характеру временной организации работы

---