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.