Лабораторная работа №8
Анализ характеристик микропроцессора
Цель: Изучить принципы работы и архитектуру микропроцессора. Выполнить анализ характеристик микропроцессора
Порядок выполнения
- Изучить теоретическую часть
- Выполнить практическое задание
- Ответить на контрольные вопросы
- Оформить отчет по проделанной работе
Теоретическая часть
А рхитектура процессора – совокупность его программно-аппаратных средств, обеспечивающих обработку цифровой информации, т. е. совокупность следующих компонентов и характеристик:
- разрядности адресов и данных;
- состава, имен и назначения программно-доступных регистров;
- форматов и системы команд;
- режимов адресации памяти;
- способов машинного представления данных разного типа;
- структуры адресного пространства;
- способа адресации внешних устройств и средств выполнения операций ввода/вывода;
- классов прерываний, особенностей инициирования и обработки прерываний.
По способу организации выборки команд и данных различают два вида архитектур:
1. архитектура фон–Неймана (принстонская архитектура), особенностью которой является использование:
• общей оперативной памяти для хранения программ и данных;
• общей шины, по которой в процессор поступают команды и данные, а в оперативную память записываются результаты, что значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность. Чтобы отделить команду от данных, первым из памяти всегда поступает код выполняемой операции, а затем следуют данные. По умолчанию код операции загружается в регистр команд, а данные — в блок регистров.
Эта архитектура проще, она не требует от процессора одновременного обслуживания двух шин, контроля обмена по двум шинам сразу.
|
|
2. гарвардская архитектура (создатель Говард Айкен), особенностью которой является физическое разделение памяти команд (программ) и памяти данных. Благодаря разделению потоков команд и данных, а также совмещению операций их выборки (и записи результатов обработки) обеспечивается более высокая производительность, чем при использовании принстонской архитектуры.
Эта архитектура сложнее, она заставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно.
основное ее применение – в микроконтроллерах, от которых не требуется решения слишком сложных задач, но зато необходимо максимальное быстродействие при заданной тактовой частоте.
получила широкое применение в микроконтроллерах – специализированных микропроцессорах для управления различными объектами, в кэш-памяти с раздельным хранением команд и данных.
По своей архитектуре микропроцессоры разделяются на несколько типов:
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.
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.
· 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.
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.
Однокристальные микроконтроллеры – интегральные схемы, которые включают в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор (как правило, целочисленный), ЗУ команд, ЗУ данных, генератор тактовых сигналов, программируемые устройства для связи с внешней средой (контроллер прерывания, таймеры–счетчики, разнообразные порты ввода/вывода), и т. д.
Отличительные особенности архитектуры однокристальных микроконтроллеров:
· физическое и логическое разделение памяти команд и памяти данных (гарвардская архитектура)
· упрощенная и ориентированная на задачи управления система команд: в МК, как правило, отсутствуют средства обработки данных с плавающей точкой, но в то же время в систему команд входят команды, ориентированные на эффективную работу с датчиками и исполнительными устройствами, например, команды обработки битовой информации;
|
|
· простейшие режимы адресации операндов.
Основные характеристики микроконтроллеров:
1. Разрядность
2. Емкость внутренней памяти команд и памяти данных
3. Тактовая частота:
4. Возможности взаимодействия с внешними устройствами: количество и назначение портов ввода–вывода, характеристики системы прерывания, программная поддержка взаимодействия с внешними устройствами.
Секционированные микропроцессоры (другие названия: микропрограммируемые и разрядно–модульные) – это микропроцессоры, предназначенные для построения специализированных процессоров.
Процессоры цифровой обработки сигналов (цифровые сигнальные процессоры) предназначены для решения задач цифровой обработки сигналов – обработки звуковых сигналов, изображений, распознавания образов и т. д. Они включают в себя многие черты однокристальных микроконтроллеров: гарвардскую архитектуру, встроенную память команд и данных, развитые возможности работы с внешними устройствами. В то же время в них присутствуют черты и универсальных МП, особенно с RISC–архитектурой: конвейерная организация работы, программные и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей запятой, аппаратная поддержка сложных специализированных вычислений, особенно умножения.
Характеристики процессора
Говоря о внутренней архитектуре процессора, не следует забывать и о его характеристиках, главная из которых – производительность, то есть число итераций, выполняемых за одну секунду. Производительность, в свою очередь, характеризуется радом параметров:
- степенью интеграции;
- внутренней и внешней разрядностью обработки данных;
- тактовой частотой;
- памятью, к которой может адресоваться процессор;
- объемом и устройством кэш-памяти.
Степень интеграции процессора – число транзисторов, которые могут уместиться на микросхеме.
| Например, | для | - | 0,029 | млн. | |
| для | i486DX | - | 1,2 | млн. | |
| для | Pentium MMX | - | 4,5 | млн. | |
| для | Pentium III MMX2 | - | 9,5 | млн. |
Внутренняя разрядность данных – количество бит, которое процессор может обрабатывать одновременно. Особенно важна эта характеристика для арифметических команд, выполняемых внутри ЦП.
Внешняя разрядность данных – разрядность системной шины. Тактовая частота современных процессоров превышает 300 МГц, тактовая частота системной шины составляет лишь 66 МГц. В самых последних моделях материнских плат – порядка 100 и 133 МГц, поэтому разрядность системной шины важна для эффективной работы ЦП.
Тактовая частота – количество циклов (или машинных тактов) в секунду, вырабатываемых генератором тактовых сигналов. Современные персональные компьютеры имеют несколько тактовых генераторов, работающих синхронно на различных частотах. Говоря о тактовой частоте системы, имеют в виду тактовую частоту системной шины.
Практические задания:
Задание 1
Определить к какому принципу построения микропроцессорных систем относятся описания:
| система строится на основе ограниченного количества типов конструктивно и функционально законченных модулей | модульности |
| все блоки соединяются с единой шиной | магистр |
| системная шина выполняется в виде совокупности шин для передачи данных, адресов и управляющих сигналов | магистр |
| конструктивно и функционально законченные модули реализуют определенные функции и независимы друг от друга | модульности |
| гибкость устройства повышается за счет возможности смены микропрограмм | микропрогр. управления |
| система команд микропроцессора определяет конкретный состав микроопераций и последовательность их выполнения | микропрогр. управления |
| принцип, который определяет характер связей между блоками микропроцессорных систем | магистр |
Задание 2
Определить вид архитектуры(фон–Неймана, гарвардская)
| общая оперативная память для хранения программ и данных | Ф.Н |
| более сложная архитектура, она заставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно | Г |
| физическое разделение памяти команд (программ) и памяти данных | Г |
| общая шина, по которой в процессор поступают команды и данные, а в оперативную память записываются результаты | Ф.Н. |
| более высокая производительность | Г |
| простая архитектура, не требует от процессора одновременного обслуживания двух шин, контроля обмена по двум шинам сразу | Ф.Н. |
| архитектура значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность | Ф.Н. |
| применяется в микроконтроллерах, от которых не требуется решения слишком сложных задач, но зато необходимо максимальное быстродействие при заданной тактовой частоте | Г |
| в этой архитектуре чтобы отделить команду от данных, первым из памяти всегда поступает код выполняемой операции, а затем следуют данные. По умолчанию код операции загружается в регистр команд, а данные — в блок регистров. | Ф.Н. |
Задание 3
Заполнить схему типов микропроцессоров
1 – микропроцессоры, предназначенные для решения задач цифровой обработки различного типа информации, не связанных жесткими ограничениями на время выполнения задания. (универсальные)
2 – интегральные схемы, которые включают в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации (Однокристальные микроконтроллеры)
3 – микропроцессоры, предназначенные для построения специализированных процессоров.(секционированные)
4 – микропроцессоры, имеющие в своем составе весь классический набор команд с широко развитыми режимами адресации операндов. (CISC)
5 – микропроцессоры, использующие уменьшенное количество команд и режимов адресации. (RISC)
6 – процессоры, предназначенные для решения задач цифровой обработки сигналов - обработки звуковых сигналов, изображений, распознавания образов и т. д. (процессоры ЦОС)
Контрольные вопросы:
1. Дайте определение понятию «а рхитектура процессора».
2. Приведите классификацию архитектур по способу организации выборки команд и данных.
3. Опишите CISC- микропроцессоры.
4. Опишите RISC-микропроцессоры.
5. Что такое микроконтроллер? Приведите основные характеристики микроконтроллеров.
6. Приведите основные характеристики микропроцессоров.