Студопедия  
Главная страница | Контакты | Случайная страница

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Теоретическое обоснование

Читайте также:
  1. I. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПСИХОДИАГНОСТИЧЕСКОЙ МЕТОДИКИ
  2. II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПСИХОДИАГНОСТИЧЕСКОЙ МЕТОДИКИ.
  3. Августин Блаженный и теологическое обоснование морали
  4. Актуальность темы. Обоснование темы.
  5. В зависимости от глубины обобщенности различают эмпирическое и теоретическое мышление.
  6. Вопрос 38. Обоснование абсолютной монархии С.Полоцким
  7. Вопрос о первоисточнике всех человеческих знаний в философии Дж. Локка. Обоснование Дж. Локком принципа сенсуализма
  8. Вопрос №1 Опытное обоснование основных положений молекулярно-кинетической теории строения вещества. Масса и размеры молекул.
  9. ВРАЧЕБНЫЙ ДИАГНОЗ И ЕГО ОБОСНОВАНИЕ.
  10. Выбор и обоснование способа движения агрегата на загоне, подготовка поля и агрегата к работе

В 1946 году фон Нейман и его коллеги по Институту современных исследо­ваний в Принстоне (Prinston Institute for Advanced Studies — IAS) начали рабо­ту над проектом нового компьютера с хранимой программой, известного в науч­ном мире под именем компьютера IAS. Этой компьютер, проектирование и изго­товление которого завершилось только в 1952 году, стал прототипом всех последующих компьютеров общего назначения с хранимой программой. На рисунке 2 показана блок-схема компьютера IAS. В состав компьютера входят:

- устройство оперативной памяти, в котором хранятся данные и команды
программы;

- арифметическое и логическое устройство (АЛУ), которое обрабатывает
данные, представленные в двоичной системе счисления;

- устройство управления выполнением программы (УУ), которое анализирует
команды программы, извлекаемые из памяти, и организует их выполнение;

- оборудование ввода-вывода, работающее в соответствии с сигналами, по­ступающими от УУ.

Рисунок 2 – Блок-схема компьютера IAS

Основные термины:

- Процессор — обработчик и вычислитель, выполняющий все операции над кодами и сигналами;

- Программа — набор управляющих кодов (команд), определяющих логику работы системы;

- Команда — управляющий код, указывающий процессору, что ему надо делать в данный момент;

- Шина (магистраль, канал) — линии связи, объединяющие устройства микропроцессорной системы;

- Интерфейс (сопряжение) — соглашение об обмене информацией, а также технические средства для реализации этого обмена.

Микропроцессор (МП) – это программно-управляемое устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки и выполнено в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).

Понятие большая интегральная схема в настоящее время четко не определено. Ранее считалось, что к этому классу следует относить микросхемы, содержащие более 1000 элементов на кристалле. И действительно, в эти параметры укладывались первые микропроцессоры. Например, 4-разрядная процессорная секция микропроцессорного комплекта К584, выпускавшегося в конце 1970-х годов, содержала около 1500 элементов. Сейчас, когда микропроцессоры содержат десятки миллионов транзисторов и их количество непрерывно увеличивается, под БИС будем понимать функционально сложную интегральную схему.

Микропроцессор характеризуется большим количеством параметров и свойств, так как он является, с одной стороны, функционально сложным вычислительным устройством, а с другой –электронным прибором, изделием электронной промышленности. Как средство вычислительной техники он характеризуется прежде всего своей архитектурой , то есть совокупностью программно-аппаратных свойств, предоставляемых пользователю. Сюда относятся система команд, типы и форматы обрабатываемых данных, режимы адресации, количество и распределение регистров, принципы взаимодействия с оперативной памятью и внешними устройствами (характеристики системы прерываний, прямой доступ к памяти и т. д.). По своей архитектуре микропроцессоры разделяются на несколько типов (рисунок 3).

Универсальные микропроцессоры предназначены для решения задач цифровой обработки различного типа информации от инженерных расчетов до работы с базами данных, не связанных жесткими ограничениями на время выполнения задания. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. К нему относятся такие известные микропроцессоры, как МП ряда Pentium, Core фирмы Intel и МП семейства Athlon фирмы AMD.


Рисунок 3 - Классификация микропроцессоров

Характеристики универсальных микропроцессоров:

- разрядность: определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ);

- виды и форматы обрабатываемых данных;

- система команд, режимы адресации операндов;

- емкость прямоадресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса;

- частота внешней синхронизации. Для частоты синхронизации обычно указывается ее максимально возможное значение, при котором гарантируется работоспособность схемы. Для функционально сложных схем, к которым относятся и микропроцессоры, иногда указывают также минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. В то же время в тех применениях МП, где не требуется высокое быстродействие, снижение частоты синхронизации - одно из направлений энергосбережения. В ряде современных микропроцессоров при уменьшении частоты он переходит в <спящий режим>, при котором сохраняет свое состояние. Частота синхронизации в рамках одной архитектуры позволяет сравнить производительность микропроцессоров. Но разные архитектурные решения влияют на производительность гораздо больше, чем частота;

Загрузка...

- производительность: определяется с помощью специальных тестов, при этом совокупность тестов подбирается таким образом, чтобы они по возможности покрывали различные характеристики микроархитектуры процессоров, влияющие на производительность.

Универсальные микропроцессоры принято разделять на CISC - и RISC-микропроцессоры. CISC-микропроцессоры (completed instruction set computing - вычисления с полной системой команд) имеют в своем составе весь классический набор команд с широко развитыми режимами адресации операндов. Именно к этому классу относятся, например, микро процессоры типа Pentium. В то же время RISC-микропроцессоры (reduced instruction set computing - вычисления с сокращенной системой команд) используют, как следует из определения, уменьшенное количество команд и режимов адресации. Здесь прежде всего следует выделить такие микропроцессоры, как Alpha 21x64, Power PC. Количество команд в системе команд - наиболее очевидное, но на сегодняшний день не самое главное различие в этих направлениях развития универсальных микропроцессоров.

Как электронное изделие микропроцессор характеризуется рядом параметров, наиболее важными из которых являются следующие:

- Требования к синхронизации: максимальная частота, стабильность.

- Количество и номиналы источников питания, требования к их стабильности. В настоящее время существует тенденция к уменьшению напряжения питания, что сокращает тепловыделение схемы и ведет к повышению частоты ее работы. Если первые микропроцессоры работали при напряжении питания+-15В, то сейчас отдельные схемы используют источники менее 1 В.

- Мощность рассеяния - это мощность потерь в выходном каскаде схемы, превращающаяся в тепло и нагревающая выходные транзисторы. Иначе говоря, она характеризует показатель тепловыделения БИС, что во многом определяет требования к конструктивному оформлению микропроцессорной системы. Эта характеристика особенно важна для встраиваемых МПС.

- Уровни сигналов логического нуля и логической единицы, которые связаны с номиналами источников питания.

- Тип корпуса - позволяет оценить пригодность схемы для работы в тех или иных условиях, а также возможность использования новой БИС в качестве замены существующей на плате.

- Температура окружающей среды, при которой может работать схема. Здесь выделяют два диапазона:

- коммерческий (0 0 С … +700 С);

- расширенный (-40 0 С … +85 0 С).

- Помехоустойчивость - определяет способность схемы выполнять свои функции при наличии помех. Помехоустойчивость оценивается интенсивностью помех, при которых нарушение функций устройства еще не превышает допустимых пределов. Чем сильнее помеха, при которой устройство остается работоспособным, тем выше его помехоустойчивость.

- Нагрузочная способность, или коэффициент разветвления по выходу, определяется числом схем этой же серии, входы которых могут быть присоединены к выходу данной схемы без нарушения ее работоспособности. Чем выше нагрузочная способность, тем шире логические возможности схемы и тем меньше таких микросхем необходимо для построения сложного вычислительного устройства. Однако с увеличением этого коэффициента ухудшаются помехоустойчивость и быстродействие.

- Надежность - это способность схемы сохранять свой уровень качества функционирования при установленных условиях за установленный период времени. Обычно характеризуется интенсивностью отказов (час-1) или средним временем наработки на отказ (час). В настоящее время этот параметр для больших инте- гральных схем обычно не указывается изготовителем. О надежности МП БИС можно судить по косвенным показателям, например, по приводимой разработчиками средств вычислительной техники надежности изделия в целом.

- Характеристики технологического процесса. Основной показатель здесь - разрешающая способность процесса. В настоящее время она составляет 32 нм, то есть около 30 тыс. линий на 1 мм. Более совершенный технологический процесс позволяет создать микропроцессор, обладающий большими функциональными возможностями.

Внутренняя структура микропроцессора. Арифметико-логи­ческий блок: арифметико-логическое устройство, аккумулятор, ма­тематический сопроцессор. Устройство управления: регистр ко­манд, счетчик PC. Регистровое запоминающее устройство: регистры общего назначения, регистры специального назначения. Системная магистраль микропроцессорной системы: шина данных, шина управления, шина адреса.

Обобщенная структурная схем МП дана на рисунке 4.

Рисунок 4 – Обобщенная структурная схема МП

В универсальном 32-разрядном микропроцессоре выделяют следующие группы регистров :

- основные функциональные регистры;

- регистры процессора с плавающей точкой;

- системные регистры;

- регистры отладки и тестирования.

Первые две группы регистров используются прикладными программами, последние две группы - системными программами, имеющими наивысший уровень привилегий.

Рассмотрим каждую из этих групп подробнее.

Основные функциональные регистры

В состав регистров этой группы входят:

- регистры общего назначения;

- регистр указателя команд;

- регистр флагов;

- сегментные регистры.

Состав и структура регистров общего назначения представлены на рисунке 5

Блок состоит из восьми 32-разрядных регистров. К каждому из них можно обращаться как к одному двойному слову (32 разряда).

Отметим, что понятие "слово" в данной архитектуре не идентично разрядности микропроцессора. Исторически сложилось так, что под словом понимается единица информации длиной 2 байта, или 16 двоичных разрядов. К младшим 16 разрядам регистров общего назначения можно обращаться так же, как и в 16-разрядном микропроцессоре (AX, BX…SP). Четыре 16-разрядных регистра AX, BX, CX, DX допускают обращение отдельно к своему старшему и младшему байту. Тем самым регистры позволяют на программном уровне работать либо с восемью 32-разрядными, либо с восемью 16-разрядными, либо с восемью 8-разрядными регистрами.

Рисунок 5 - Регистры общего назначения

Все эти регистры используются для хранения промежуточных результатов вычислений и составных частей адреса при различных режимах адресации операндов, расположенных в памяти.

Кроме того, ряд регистров этого блока имеют свое, присущее только им назначение:

- EAX/AX/AL - регистр-аккумулятор, используется для сокращения длины команды при работе с непосредственными операндами;

- AX/AL - приемник (источник) данных в командах ввода (вывода) данных из (в) внешнего устройства;

- DX - определяет адрес ВУ в командах ввода (вывода) данных;

- ECX - используется в качестве счетчика циклов в командах циклов;

- BP, SP - используются при работе со стеком;

- ESI, EDI (DI, SI) - определяют положение строк в памяти в командах обработки строк.

Регистр указателя команд и регистр флаговимеют длину 32 разряда.

Младшее слово каждого из этих регистров (разряды 0-15) функционально соответствует аналогичным разрядам в 16-разрядном микропроцессоре (рис. 2.2).

Рисунок 6 - Регистр указателя команд и регистр флагов

Регистр указателя команд EIP хранит смещение адреса команд относительно начала сегмента кода (сегмента команд).

Регистр флагов EFLAGS содержит признаки результата выполненной команды, а также разряды, управляющие работой микропроцессора: обработкой маскированных прерываний, последовательностью вызываемых задач, вводом-выводом и рядом других действий. Из этих флагов рассмотрим только наиболее значимые и интересные с точки зрения дальнейшего изучения работы микропроцессора.

К битам состояния регистра флагов относятся:

- ZF - признак нуля результата (ZF = 1, если все разряды результата равны 0);

- SF - знак результата (SF = 1, если старший разряд результата равен 1, то есть если результат отрицательный);

- OF - признак переполнения (OF = 1, если при выполнении арифметических операций над числами со знаком происходит переполнение разрядной сетки);

- CF - флаг переноса (CF = 1, если выполнение операции сложения приводит к переносу за пределы разрядной сетки), устанавливается также в некоторых других операциях;

- PF - признак четности (дополняет до нечетного числа единиц младший байт результата);

- AF - флаг полупереноса (используется при операциях над двоичнодесятичными числами);

- DF - устанавливается пользователем и определяет порядок обработки строк символов в соответствующих командах: декремент (при DF = 1) или инкремент (при DF = 0) содержимого индексных регистров

- ESI, EDI (SI, DI) после обработки одного символа.

Основным способом организации МПС является магистрально-модульный (рисунок 7): все устройства, включая и микропроцессор, представляются в виде модулей, которые соединяются между собой общей магистралью. Обмен информацией по магистрали удовлетворяет требованиям некоторого общего интерфейса, установленного для магистрали данного типа. Каждый модуль подключается к магистрали посредством специальных интерфейсных схем.


Рисунок 7 - Магистрально-модульный принцип построения микропроцессорной системы

На интерфейсные схемы модулей возлагаются следующие задачи:

- обеспечение функциональной и электрической совместимости сигналов и протоколов обмена модулей и системной магистрали;

- преобразование внутреннего формата данных модуля в формат данных системной магистрали и обратно;

- обеспечение восприятия единых команд обмена информацией и преобразование их в последовательность внутренних управляющих сигналов.

Эти интерфейсные схемы могут быть достаточно сложными. Обычно они выполняются в виде специализированных микропроцессорных БИС. Такие схемы принято называть контроллерами .

Контроллеры обладают высокой степенью автономности, что позволяет обеспечить параллельную во времени работу периферийных устройств и выполнение программы обработки данных микропроцессором.

Кроме того, предварительно буферируя данные, контроллеры обеспечивают пересылку сразу для многих слов, расположенных по подряд идущим адресам, что позволяет использование так называемого "взрывного" (burst) режима работы шины - 1 цикл адреса и следующие за ним многочисленные циклы данных.

Недостатком магистрально-модульного способа организации ЭВМ является невозможность одновременного взаимодействия более двух модулей, что ставит ограничение на производительность компьютера.

Взаимодействие микропроцессора с оперативной памятью (ОП) и внешними устройствами (ВУ) проиллюстрировано на рисунке 8.


Рисунок 8 - Взаимодействие микропроцессора с оперативной памятью и внешними устройствами

Микропроцессор формирует адрес внешнего устройства или ячейки оперативной памяти и вырабатывает управляющие сигналы - либо IOR/IOW при обращении на чтение/запись из внешнего устройства, либо MR/MW для чтения/записи из оперативной памяти.

Состав шины:

- Шина адреса (Address Bus) — для пересылки кода адреса (индивидуального номера устройства, участвующего в обмене в данный момент).

- Шина данных (Data Bus) — для пересылки данных между устройствами. Двунаправленная шина, состоит из нескольких байтов (1, 2, 4, 8);

- Шина управления (Control Bus) — для пересылки отдельных управляющих сигналов: тактовых, стробирующих, подтверждающих, инициирующих и т.д.;

- Шина питания (Power Bus) — для подведения к устройствам напряжений питания


Дата добавления: 2015-04-12; просмотров: 12 | Нарушение авторских прав

1 | <== 2 ==> | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 |


lektsii.net - Лекции.Нет - 2014-2019 год. (0.016 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав