Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (Архитектура микропроцессора).pdf

Введение

Актуальность темы заключается в том, что центральный процессор является основным устройством, осуществляющим обработку информации в структуре ЭВМ. Увеличение производительности микропроцессора повышает производительность всей вычислительной системы, что позволяет с каждым днем решать все более сложные задачи, например как увеличивать объем обрабатываемых данных, так и усложнять сам анализ в рамках концепции «Больших данных». Кроме производительности, к процессорам предъявляется еще ряд требований, связанных непосредственно с областью применения вычислительных устройств. К ним относятся, например, энергопотребление, тепловыделение, технологичность производства. О первых двух характеристиках речь обычно заходит при применении ЭВМ в мобильных устройствах и встраиваемых системах (особенно актуальными данные параметры стали в связи с развитием концепции «интернета вещей»). Сложность конструкции процессора повышает его себестоимость, а также ограничивает в выборе фабрики, способной освоить его производство.

Архитектура процессора напрямую обуславливает его инженерно-техническую реализацию, определяя вышеуказанные характеристики. С момента появления первого коммерчески успешного процессора Intel 4004, выпущенного 15 ноября 1971 года, и по сей день идет непрерывное совершенствование данных устройств, следствием чего является появление новых решений в области архитектуры.

Объектом данного исследования является архитектура микропроцессоров, ее влияние на основные характеристики данных устройств.

Предметом данного исследования являются процессоры RISC- и CISC-архитектуры.

Целью данного исследования является определение основных различий данных архитектур, сравнительная оценка их преимуществ и недостатков.

Задачами данного исследования являются:

• 1. Исследование классификации микропроцессоров.
  2. Исследования общего устройства микропроцессоров.
  3. Исследование основных характеристик микропроцессоров.
  4. Исследование системы команд микропроцессоров
  5. Исследование режимов адресации микропроцессоров
  6. Исследование особенностей микропроцессоров CISC-архитектуры.
  7. Исследование особенностей микропроцессоров RISC-архитектуры.

Тема архитектуры микропроцессоров, ее совершенствования, широко представлена в специализированной литературе, что связано с востребованностью данных устройств на данном этапе научно-технического развития, длительный период существования рассматриваемой тематики, а также коммерческой успешностью фирм-производителей. Учитывая высокие темпы развития цифровых технологий, особую актуальность при рассмотрении данного вопроса имеют периодические специализированные издания.

Глава 1. Архитектура микропроцессора

1.1 Классификация микропроцессоров.

Центральный процессор (ЦП; также центра́льное проце́ссорное устро́йство — ЦПУ; англ. central processing unit,CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство) — электронный блок, либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором. [10]

Основными критериями, на основе которых можно классифицировать микропроцессоры являются:

- Система команд микропроцессора. На основе данного критерия выделяют следующие основные архитектуры:

1. CISC-архитектура (Complex Instruction Set Computer) – компьютер с полным набором команд.

2. RISC-архитектура (Reduced Instruction Set Computer) – компьютер с сокращенным набором команд.

3. VLIW-архитектура (Very Long Instruction Word) – очень длинное командное слово.

- По разрядности микропроцессора: 8-разрядные, 16-разрядные, 32-разрядные, 64-разрядные.

- По назначению:

1. Микропроцессоры для встраиваемых систем, носимой электроники и «интернета вещей».

2. Микропроцессоры для мобильных устройств.

3. Микропроцессоры для настольных персональных компьютеров и рабочих станций.

4. Микропроцессоры для серверов и суперкомпьютеров.

• По компании-разработчику: Intel, AMD, ARM, Qualcomm, MediaTek, Samsung, и т.д.. [4]

1.2 Устройство микропроцессора.

В общем случае в устройстве процессора можно выделить три функциональных блока: операционный блок, блок управления и интерфейсный блок.

Функциональный блок состоит из следующих элементов:

1. Арифметическое логическое устройство (АЛУ). К задачам АЛУ относится реализация простейших арифметических и логических функций. Более сложные операции, для которых отсутствует аппаратная реализация, выполняются программным способом с использованием регистров общего назначения для хранения промежуточных данных.
2. Блок управления определяет очередность поступления инструкций на выполнение. На него возложено выполнение следующих задач:

- Считывание и запоминание текущей инструкции.

- Определение адреса следующей команды.

- Реализация выполнения поступившей инструкции (Блок управления декодирует команду, разбивая ее на несколько микроинструкций, доступных для выполнения АЛУ, создавая таким образом микропрограмму).

- Управление поступлением информации с внешних устройств, и выводом на них по системной шине.

1. Интерфейсный блок обеспечивает коммуникацию между процессором и системной шиной. Системная шина включает в себя шину управления, шину данных и шину адреса. [4]

1.3 Характеристики микропроцессора.

К основным характеристикам микропроцессора относятся:

1) Тактовая частота процессора, которая определяет максимальное время выполнения переключения элементов в процессорном устройстве;

2) Разрядность: максимальное число одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

Разрядность микропроцессора принято обозначать как m/n/k/, что подразумевает:

m - разрядность внутренних регистров.

n - разрядность шины данных. Данный показатель определяет скорость передачи данных;

k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, для микропроцессора Intel 8088 верны следующие значения m/n/k: 16/8/20.[10]
3) Архитектура. Под архитектурой микропроцессора понимают систему команд и способы адресации, возможность одновременного выполнения инструкций, наличие дополнительных блоков в конструкции микропроцессора, принципы и режимы его работы. При этом принято выделять понятия микроархитектуры и макроархитектуры.

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. [7]

1.4 Система команд

Под системой команд процессора принято понимать полный перечень команд, которые способен выполнить данные процессор. В свою очередь под архитектурой системы команд подразумевают те средства вычислительной машины, которые видны и доступны программисту. [1]

Время выполнения программы (Tвыч) определяется через число команд в программе (Nком), среднее количество тактов процессора, приходящихся на одну команду (CPI ), и длительность тактового периода tпр равенством вида Tвыч = Nком × CPI × tпр

Каждый из перечисленных параметров зависит от архитектуры системы команд. [6]

В общем виде архитектура системы команд определяется, исходя из следующих факторов:

1. Вид данных и форма представления данных в ЭВМ.
2. Область хранения данных, помимо основной памяти.
3. Метод осуществления доступа к данным.
4. Характер операций, выполняемых над данными.
5. Количество операндов в команде.
6. Способ определения адреса следующей команды.
7. Способ кодирования команд.

Проектирование системы команд во многом определяет структуру ЭВМ. Оптимальную систему команд иногда принято определять как совокупность команд, которая обеспечивает проблемно-ориентированное применение таким образом, что избыточность аппаратных и аппаратно-программных средств на реализацию редко используемых команд оказывается минимальной. В различных программах частота применения тех или иных команд различна. Например, по данным фирмы Digital Equipment Corporation в программах для ЭВМ семейства PDP-11 чаще других применялась инструкция передачи MOV(B). Ее доля составляла около 32% от всех инструкций в распространенных программах. Систему команд микропроцессора следует формировать таким образом, чтобы на исполнение редко используемых команд затрачивалось минимальное количество ресурсов.

Проведя анализ программного обеспечения, и получив определенный набор статистических данных, можно спроектировать процессор с эффективной системой команд. Одним из направлений оптимизации архитектуры системы команд является разработка инструкций длиной в одно слово и их кодирования соответствующим образом, позволяющим оптимально применять разряды коротких инструкций, что обеспечивает сокращение времени выполнения программы и ее размер. [7]

Другим направлением оптимизации является использование микроинструкций. При таком подходе отдельные биты используются для кодирования нескольких элементарных операций, которые группируются и выполняются в одном командном цикле. Данные элементарные операции не выполняют обращения к памяти, а очередность их выполнения обеспечивается аппаратной логикой.

При этом подходе снижение количества времени, требуемого для выполнения программы, и ее размера достигается за счет повышения сложности блока управления. [8]

Одной из основных характеристик инструкций является их формат. Формат команды определяет ее составляющие элементы, которые интерпретируются соответствующим образом при исполнении.

К данным элементам относятся: 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.

Классификация команд по основным признакам представлена на рис. 1

Одним из основных структурных элементов формата любой инструкции является код операции (КОП), который непосредственно определяет действие, которой должно быть исполнено. Аппаратная реализация команд позволяет снижать размер программы и сокращать время ее выполнения, что теоретически должно обеспечивать преимущество процессора. Однако при проектировании (или выборе) системы команд следует учитывать непосредственно комплекс инструкций, предназначенный для работы с требуемым типом данных, а не только общее количество команд, а также доступные режимы адресации.

Число бит, отводимое под КОП зависит от количества реализуемых команд.

Рис. 1 Классификация команд.

При использовании фиксированного числа бит под КОП для кодирования всех m команд необходимо в поле КОП выделить 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.

Инструкции можно разделить на однооперандные и двухоперандные, соответственно по количеству операндов, задействованных при исполнении инструкции. Как правило, при использовании двух операндов инструкцией модифицируется лишь один из них. Поскольку данные извлекаются только из одной ячейки, то такая ячейка носит название источника. Ячейка, чье содержимое подвергается модификации определяется как приемник.

В данном примере указан формат двухадресной (двухоперандной) команды ЭВМ СМ (семейство ЭВМ, разработанных странами СЭВ в конце 70-х — начале 80-х годов; отдельные представители совместимы по набору команд с DEC PDP 11).

Таблица 1. Примеры кодирования двухадресных команд в процессорах СМ