Архитектура Компьютеров2011 АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРОВ

ОСНОВНЫЕ ТЕМЫ ЛЕКЦИИ ИСТОРИЯ ПОЯВЛЕНИЯ МИКРОПРОЦЕС- СОРОВ КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ ОТКРЫТАЯ АРХИТЕКТУРА МПС Архитектура Компьютеров2011

Малые Интегральные Схемы (МИС) – элементов – очень универсальные. Средние Интегральные Схемы (СИС) – элементов – большая номенкла- тура, узкая специализация. Большие Интегральные Схемы (БИС) и Сверхбольшие ИС (СБИС) – от 1 тыс до нескольких млн элементов – очень узкая специализация.

Разработка БИС экономически оправдана при крупносерийном производстве, но учитывая их узкую специализацию, - рынок сбыта ограничен. Одним из путей преодоления этого противоречия является разработка универсальной микросхемы, которая после программирования пользователем может выполнять разнообразные функции – это ПЛМ или ПЛИС.

1971 Для выполнения какой-нибудь системы понадобится несколько ПЛМ, запрограмми- рованных на выполнение необходимых функций. Лучшим решением является - применение одной универсальной микросхемы, выполняющей различные функции последовательно во времени. При этом необходимо поочередно подавать управляющие сигналы для «перепрограммирования» этой микросхемы на последовательное выполнение заданных функций.

Один и тот же микро- процессор под управ- лением разных прог- рамм может выполнять различные функции, что обеспечивает его высокую универсаль- ность и, как следствие, большие рынки сбыта. АЛУ УУ УВВ ПА М Я Т Ь УПРОЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ Арифметическо-Логическое Устройство (АЛУ) выполняет арифметические или логические операции над одним или двумя числами (операндами).

В Памяти (или Запоминающем Устройстве - ЗУ) хранятся числа (операнды), над которыми выполняются арифметические и логические операции, а также перечень этих операций (команд). Устройство Ввода-Вывода (УВВ) осуществляет связь микропроцессорной системы с внешним миром. Через УВВ вводятся в память исходные данные (операнды) и перечень команд. Через УВВ также выводятся результаты вычислений. Наиболее удобные УВВ - дисплей с клавиатурой. Возможны устройства ввода-вывода с магнитных носителей (диски, ленты), принтер и др.

КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ ПО РАЗРЯДНОСТИ История микропроцессоров началась в 1971 году, когда фирма INTEL выпустила первый микро- процессор i4004. Он имел разрядность 4 бита, способность адресовать 640 байт памяти и тактовую частоту 108 кГц. 4 разряда позволяют кодировать любую десятичную цифру. Для многоразрядных десятичных чисел обработка осуществляется последовательно для каждого десятичного разряда, начиная с младшего (как на счетах). Это приводит к увеличению времени вычислений. Поэтому 4-х разрядные МП применяются только в микрокалькуляторах.

В 1974 году появился 8-ми разрядный МП i8080. Он уже имел частоту 2 МГц и адресовал 64 кБайта памяти, 6000 транзисторов по технологии 6 мкм. Эти МП оперируют с байтами информации и поэтому применяются не только как вычислительные средства, но и как информационно-справочные структуры. На этих МП строились разнообразные терминалы, контроллеры и первые ПК (ALTAIR и др.) Следующим этапом стал микропроцессор i8085 (5 МГц, 6500 транзисторов, 3-х мкм технология). Он программно совместим с i8080, но в него добавили порт последовательного интерфейса, контроллер прерываний, тактовый синхрогенератор.

Вершиной 8-ми разрядных процессоров стал МП Z80 фирмы ZILOG с тактовыми частотами от 2,5 до 8 МГц. Сохранив программную совместимость с i8080, в него ввели дополнительные регистры и большое количество новых команд, что позволило значительно повысить быстродействие. Популярные компьютеры SINCLAR, построенные на Z80, демонстрировали на играх графику, не уступающую IBM РС на 16-ти разрядном МП i Стремление повысить скорость вычислений приводит к повышению тактовой частоты и увеличению разрядности МП. Разрядность повышается кратно 2 n. Поэтому все фирмы, выпускавшие 8-ми разрядные МП, перешли на выпуск 16-ти разрядных

Повышение разрядности МП РазряднINTELMOTOROLAZILOGDEC 8i8080 i8085 M6800Z80 16I8086/i8088 i80186/i80188 i80286 MC68000Z8001PDP 32I80386 I486 PENTIUM MC68020 MC68030 Z80000VAX 64ITANIUM CONROE G-5, G-6ALPHA

На основе 16-ти разрядных МП началось производство принципиально новых ЭВМ - ПЭВМ : IBM PC XT/AT, APEL-MAKINTOSH и др. В нашей стране выпускались IBM-совместимые ПЭВМ: ЕС1840, ИСКРА-1030, НЕЙРОН, ПОИСК. А также микро-ЭВМ с системой команд PDP: «Электроника-60», ДВК, «Электроника-585», бытовой компьютер «Электроника-БК-010» и др. Появление 32-х разрядных микропроцессоров поставило ПЭВМ на их основе вне конкуренции с «большими ЭВМ». Соответствующей величины достигли: размер адресуемой памяти, разрядность обрабатываемых данных, производительность. Это позволило перевести такие ПЭВМ под управление многозадачных операционных систем (ОС).

ПО АРХИТЕКТУРЕ различают процессоры с : ПРИНСТОНСКОЙ (ФОН-НЕЙМАНОВСКОЙ) АРХИТЕКТУРОЙ – совмещенная память команд и данных (операндов); ГАРВАРДСКОЙ АРХИТЕКТУРОЙ – адресное пространство памяти разделено – отдельная память команд и отдельная память данных, потенциально эта архитектура более быстродействующая, потому что позволяет одновременно обращаться к двум независимым модулям памяти для выборки команд и данных; Современные процессоры PENTIUM имеют классическую фон-Неймановскую архитектуру внешней памяти, но внутренняя кэш-память реализована (для повышения быстродействия) в соответствии с Гарвардской архитектурой.

ПО СИСТЕМЕ КОМАНД И АРХИТЕКТУРЕ РАЗЛИЧАЮТ процессоры CISC, RISC и VLIW. CISC - Complete Instruction Set Computer - процессоры (компьютеры) с полным набором команд (инструкций), к которым относится семейство х86. Состав и назначение их регистров существенно неоднороден, широкий набор команд (с числом байтов в каждой команде от 1 до 15) усложняет декодирование инструкций, на что расходуются аппаратные ресурсы. Возрастает и число тактов, необходимое для выполнения инструкций (команд). RISC - Reduced (Restricter) Instruction Set Computer - процессоры (компьютеры) с сокращенной системой команд. Эти процессоры обычно имеют набор однородных регистров универсального назначения и их система команд отличается относительной простотой. Эти инструкции выполняются за минимальное (в пределе 1) число тактов синхронизации.

В процессорах семейства х86, начиная с i486, применяется комбинированная архитектура - CISC-процессор имеет RISC-ядро. VLIW - Very Long Instruction Word – процессоры с очень длинным словом команды (типичное значение длины командного слова – 128 бит) – основное направление развития современ- ных RISC-процессоров (ALFA, ITANIUM). В одном слове команды может быть закодировано несколько инструкций, выполняемых одно- временно (параллельно). Это объясняет название технологии – EPIC - Explicity Parallel Instruction Computing (вычисления с явным распаралле- ливанием инструкций).

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА МП - определяет быстродействие, потребляемую мощность и экономические показатели. n-МОП структуры имеют единственное преимущество : логический элемент занимает мини- мальное место на кристалле. Поэтому возможно создание на одном кристалле СБИС с количеством элементов до сотен тысяч и миллионов. Наиболее дешевая технология, потребляемая мощность и быстродействие – средние. ТТЛШ - быстродействие выше на порядок, потребляемая мощность также больше. В основном - это секционированные МП серий К589, К1804 и др. ЭСЛ - быстродействие еще на порядок больше, максимальная потребляемая мощность. Поэтому используется для создания секционированных МП (серия - К1800).

КМОП - обладает минимальным энергопот- реблением, возможность работы от автономных источников питания с напряжением от 1 до 10 Вольт. Современные субмикронные техноло- гии позволяют повысить быстродействие до 1000 МГц и более. С ростом тактовой частоты пропорционально увеличивается потребляемая мощность. Большинство современных МП выполняются по технологии КМОП. И2Л технология - имеет малое потребление энергии, среднее быстродействие (серия К584), применяется в основном в статических ОЗУ.

Открытая архитектура МПС Дисплей Клавиатура ША ШУ ШД Таймер Линия связи АЛУ РОН 1 РОН 2 * * РОН n УУ БД БА МП ПЗУОЗУ Порт 1 Порт 2Порт m НМД ГТИ

Собственно Микропроцессор (на рис. обведен пунктиром) содержит : АРИФМЕТИЧЕСКО-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙ- СТВО (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над одним или двумя операндами. Разрядность АЛУ (т.е. разрядность обрабатываемых операндов) определяет разрядность микропроцессора. РЕГИСТРЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ (РОН) предназначены для временного хранения операндов, поскольку все действия над операндами АЛУ выпол- няет только тогда, когда они помещены в РОНы. В РОНы заносятся также результаты вычислений. Хранение операндов в РОНах повышает быстро- действие, потому что не требуется циклов обращения к памяти.

БУФЕР ДАННЫХ (БД) - через него операнды из памяти пересылаются в РОНы или выводятся из РОНов в память. БД организует двунаправленную ШИНУ ДАННЫХ (ШД). Разрядность Шины Данных обычно совпадает с разрядностью АЛУ. В некоторых МП Шина Данных имеет разрядность в два раза меньшую, чем разрядность АЛУ. При этом операнды вводятся в МП и выводятся из него за два Цикла Шины, что снижает быстродействие всей системы. По Шине Данных МП принимает также и коды команд из памяти, эти коды поступают в Устройство Управления (УУ). УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ (УУ) расшифровывает коды команд, считываемых из последовательных ячеек ОЗУ или ПЗУ и формирует управляющие сигналы, которые определяют порядок работы всей Микропро- цессорной Системы (МПС).

Однонаправленный БУФЕР АДРЕСА (БА) выставляет на ШИНУ АДРЕСА (ША) код, соответствующий адресу ячейки памяти (или порта), к которой обращается МП. Код адреса формируется в одном из РОНов. ГЕНЕРАТОР ТАКТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ (ГТИ) - задает опорную частоту синхронизации МПС. В ПОСТОЯННОМ ЗАПОМИНАЮЩЕМ УСТРОЙ- СТВЕ (ПЗУ) и ОПЕРАТИВНОМ ЗАПОМИНАЮЩЕМ УСТРОЙСТВЕ (ОЗУ) хранятся как числа (операнды), над которыми выполняются арифметические, логические и др. операции, так и коды самих операций (команды). ПЗУ хранит и выдает постоянно хранимую информацию, содержание которой, как правило, не изменяется во время работы МПС. Это - стартовые программы, стандартные подпрограммы, табличные значения различных функций, константы и др.

ОЗУ выполняет запись, хранение и считывание произвольной информации, обеспечивает хранение программ текущей обработки информации и массивов обрабатываемых данных. После выключения питания информация в ОЗУ, как правило, разрушается. ТАЙМЕР формирует временные интервалы или стабильные последовательности импульсов. Параметры этих интервалов или последовательностей импульсов задаются программно. Таймер необходим для синхронизации всех узлов МПС, включая внешние устройства. Таймер организует работу МПС в «реальном масштабе времени». Через ПОРТЫ осуществляется связь МПС с внешним миром. МП обращается к регистрам портов как к ячейкам памяти, указывая адрес регистра порта и операцию, которую МП будет выполнять: запись операнда в порт или чтение данных из порта.

Вопросы для экспресс-контроля Назовите экономические предпосылки появления микропроцессоров (МП). Приведите примеры микропроцессоров (МП): 8-ми разрядных 16-ти разрядных 32-х разрядных 64-х разрядных. Назовите основные технологии изготовления МП. Чем отличаются МП: CISC, RISC, VLIW? Что такое открытая архитектура микропроцессор- ных систем? Назовите основные фирмы-производители МП.

ЛЕКЦИЯ ОКОНЧЕНА СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ