Архитектура микропроцессорных систем;

В современных ОМК применяются следующие архитектуры процессоров:

RISC – (Reduce Instruction Set Commands) архитектура с сокращенным набором команд.

CISC – (Complex Instruction Set Commands) традиционная архитектура с расширенным набором команд.

ARM – (Advanced RISC - machine) усовершенствованная RISC архитектура.

 

Главная задача RISC архитектуры обеспечение наивысшей производительности процессора. Её отличительными чертами является:

- малое число команд процессора (несколько десятков);

- каждая команда выполняется за минимальное время (1-2 машинных цикла, такта).

- максимально возможное число регистров общего назначения процессора (несколько тысяч);

- увеличенная разрядность процессора (12,14,16 бит).

 

Современная RISC архитектура включает, как правило, только последние 3 пункта, т.к. за счет повешенной плотности компоновки БИС стало возможным реализовать большое количество команд.

В современных 32–разрядных ОМК используют ARM архитектуру (расширенная RISC архитектура с суперсокращением команд ТНUМВ).

 

При создании МП используются три наиболее широко применяемых вида архитектур, созданных за время их развития: регистровая, стековая и ориентированная на оперативную память.

 

Регистровая архитектура (архитектура типа «регистр - регистр») микропроцессора определяет наличие достаточно большого набора регистров внутри больших интегральных схем (БИС) микропроцессора. Этот набор регистров образует поле сверхбыстрой оперативной памяти (СОЗУ) и с произвольной записью и выборкой информации. В микропроцессорах с регистровой архитектурой рабочие области регистров размещаются в логических частях процессоров. Однако малая плотность логических схем по сравнению с плотностью схем памяти ограничивает возможность регистровой архитектуры. МП с архитектурой, ориентированной на память, обеспечивают быстрое подключение к рабочим областям, когда необходимо заменять контексты. Смена контекстов осуществляется изменением векторов трех регистров - счетчика команд, регистров состояния и указателя рабочей области. Достоинство этой архитектуры в отношении смены контекстов связано с выполнением только одной команды для передачи полного вектора контекста. Микропроцессоры с регистровой архитектурой имеют высокую эффективность решения научно - технических задач, поскольку высокая скорость работы СОЗУ позволяет эффективно использовать скоростные возможности арифметик - логического блока. Однако при переходе к решению задач управления эффективность таких микропроцессоров падает, так как при переключениях программ необходимо разгружать и загружать регистры СОЗУ.

Стековая архитектура микропроцессора дает возможность создать поле памяти с упорядоченной последовательностью записи и выборки информации. Эта архитектура эффективна для организации работы с подпрограммами, когда возникает постоянная необходимость перехода от текущей программы к подпрограмме, обслуживающей какое - либо ВУ, и возврат в текущую программу. Хранение адресов возврата позволяет организовать в стеке эффективную обработку последовательностей вложенных подпрограмм. Основным недостатком МП этого типа является то, что стек, реализованный на кристалле микропроцессора, как правило имеет малую информационную емкость. При работе он быстро переполняется, приводя к возможности нарушения работы системы. Построение же стека большой емкости требует значительных ресурсов кристалла. Поэтому наилучшими характеристиками обладают МП, в которых стек реализуется вне микропроцессора - в

оперативной памяти (оперативном запоминающем устройстве – ОЗУ).

Архитектура микропроцессора, ориентированная на оперативную память, обеспечивает высокую скорость работы и большую информационную емкость рабочих регистров и стека при их организации в ОЗУ. В МП с такой архитектурой все обрабатываемые числа после операции в микропроцессоре выводятся из микропроцессора и вновь возвращаются в память, что и дало ей такое название.

При оценке быстродействия МП типа «память - память» необходимо учитывать физическую реализацию как элементов, так и связей между ними. Высокая скорость срабатывания логических

элементов интегральных схем не всегда может обеспечить высокую скорость работы МП, поскольку большие значения индуктивно - емкостных параметров связей на печатных платах не позволяют передавать сигналы без искажения. Высокий уровень технологии современных МП до долей микрон существенно уменьшило размеры БИС, снизило паразитные параметры связей. Поэтому стало возможным физически отделить блок регистров и стек от арифметико-логического блока и обеспечить при этом их высоко-скоростную совместную работу. При создании однокристальных МП регистровые СОЗУ и ОЗУ МПС имеют практически одни и те же параметры. Повышение скорости работы ОЗУ позволяет удалить набор регистров и стек из кристалла микропроцессора и использовать освободившиеся ресурсы для развития системы команд, средств прерывания, многоразрядной обработки. Организация рабочих регистров и стека в ОЗУ ведет к уменьшению скорости передачи информации, однако при этом повышается общая эффективность такого решения за счет большой информационной емкости полей регистровой и стековой памяти, а также возможности развития системы команд и прерываний. Архитектура микропроцессора, ориентированная на оперативную память, обеспечивает экономию площади кристалла МП. В этом случае на кристалле размещается только регистр - указатель начального файла набора регистров. Адресация остальных регистров осуществляется указанием в команде специальным указателем - кодом смещения. Доступ к рабочим регистрам в этом случае замедляется, поскольку приходится совершать сопряженное с затратами времени кольцевое «путешествие» из процессора во внекристальную память, где размещаются рабочие регистры. Однако контекстное переключение в микропроцессоре с такой архитектурой происходит быстро, поскольку при прерывании необходимо только изменить значение содержимого регистра - указателя рабочей области памяти.