Классификация микропроцессоров.

По числу БИС в микропроцессорном комплекте все МП принято делить на три больших класса: однокристальные, многокристальные и секционированные.

Многокристальные МП представляют собой набор из нескольких микросхем, причем функционально каждый тип устройства структуры МП или их набор реализованы в отдельном корпусе БИС. Многокристальные МП имеют также фиксированную разрядность и, как правило, фиксированную систему команд.

Однокристальные и многокристальные МП составляют класс МП замкнутого типа. В МП замкнутого типа разрядность обрабатываемых операндов 8, 16, 32 или 64 бит и может быть увеличена только программным путем, т.е. последовательной обработкой многоразрядных операндов по частям. Это существенно снижает реальное быстродействие МП при работе с многоразрядными операндами.

Секционированные МП конструктивно тоже реализованы в виде набора микросхем. Но если у многокристальных МП разбиение происходит на структурном уровне, то у секционированных МП — по группам разрядов. Секционированные МП строятся в виде соединения одинаковых микропроцессорных секций. Каждая такая секция, оформленная в виде отдельной БИС, предназначена для обработки обычно двух, четырех или восьми разрядов исходного операнда.

Общая разрядность микропроцессорной системы формируется путем последовательного соединения соответствующего числа микропроцессорных секций. Упрощенная структура модульного МП, исходя из обобщенной структуры МП (см. рис. 3.37), может быть изображена в виде, представленном на рис. 3.41.

Каждая из МП секций представляет собой тот же набор основных узлов, что и однокристальный МП: устройство обработки данных (УОД), блок интерфейса (БИ) и местное устройство управления (МУУ). Конструктивно каждая секция представлена отдельной БИС. Помимо местного устройства управления каждой секции модульный МП имеет общее для всего МП микропрограммное устройство управления (МПУУ), которое обычно конструктивно реализуется в виде нескольких БИС, в число которых обязательно входит БИС ПЗУ.

Между секциями передаются необходимые сигналы переноса, возникающие при выполнении арифметических операций, сдвигов операнда и т.п. Наращивание разрядности обрабатываемых операндов в рассматриваемом случае производится аппаратным способом, т.е. путем увеличения числа микропроцессорных секций.

Разрядность формируемых адресов в МП замкнутого типа фиксирована, а в секционированных МП число разрядов адреса, как и операндов, увеличивается до требуемой величины путем соединения соответствующего числа микропроцессорных секций.

Секционированные МП имеют, как правило, изменяемую систему команд. Микропрограммное устройство управления модульного МП преобразует команды в соответствующие последовательности микрокоманд. Термин «микропрограммное устройство управления» определяет, что модульные МП являются МП с управлением на уровне микропрограмм. Программа работы таких МП задается в микропрограммном виде, т.е. непосредственно в микрокомандах.

Система команд модульного МП формируется из микропрограмм, т.е. для каждой команды составляется микропрограмма. Такая система команд является наращиваемой и определяется «прошивкой» ПЗУ (записанной в ПЗУ информацией) микропрограммного устройства управления, а также ее объемом. Модульные МП обладают гибкостью в выборе не только системы команд, но и в выборе языков программирования. Выбор языков достигается сменой или перепрограммированием БИС ПЗУ, входящей в состав микропрограммного устройства управления, и допускает реализацию практически любой системы команд и программирование на языках как низкого, так и высокого уровней. Кроме того, модульные МП отличаются высоким быстродействием благодаря возможности параллельных вычислений сразу в нескольких секциях.

По назначению различают МП универсальные и специализированные.

Универсальные МП применяют для построения систем решения широкого круга задач. Производительность решения задачи в этом случае слабо зависит от специфики самой задачи.

Для повышения производительности системы, обусловленной именно спецификой задачи, стараются применять специализированные МП, ориентированные на решение конкретной задачи. К таким МП можно отнести математические МП, использующие в системе команд набор специализированных команд, реализующих различные математические функции; микроконтроллеры, сигнальные МП, реализующие оптимальные методы цифровой обработки сигналов и пр.

Специализированные сигнальные МП позволяют осуществлять в реальном масштабе времени обработку сигналов, характеризующих быстропротекающие процессы. Сигнальные процессоры отличаются от универсальных МП своеобразной структурой и системой команд, позволяющей наряду со стандартными операциями по обработке данных реализовывать сложные специфические алгоритмы по обработке сигналов. Среди них алгоритм быстрого преобразования Фурье, благодаря которому осуществляется решение задач спектрального анализа сигналов, цифровой фильтрации и прочих, решение которых с помощью обычных универсальных МП требовало бы значительных затрат времени.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают МП цифровые и аналоговые.

Цифровые МП оперируют с информацией, представленной в дискретной двоичной форме в виде комбинации двух цифр - нуля и единицы.

Аналоговые МП оперируют с информацией в аналоговой форме, т.е. в форме непрерывных функций времени. Однако по сути аналоговые МП все равно остаются цифровыми устройствами, так как вся обработка осуществляется в цифровой форме цифровыми методами. Аналоговые сигналы вводятся в МП через аналого-цифровые преобразователи и выводятся через цифроаналоговые преобразователи, включенные в структуру самого МП.

По характеру временной организации работы МП делят на синхронные и асинхронные.

В синхронных МП начало и конец выполнения операции задаются устройством управления. Время выполнения команды фиксировано и не зависит ни от типа команды, ни от типа обрабатываемых данных.

В асинхронных МП конец выполнения операции определяется по фактическому сигналу окончания операции. Время выполнения команды индивидуально для каждой команды. Начало выполнения очередной команды следует сразу же после окончания предыдущей, не дожидаясь специальных сигналов синхронизации от устройства управления.

По количеству выполняемых программ различают МП однопрограммные и мультипрограммные.

В однопрограммных МП в текущий момент времени может выполняться только одна программа.

В мультипрограммных МП возможно параллельное выполнение сразу нескольких программ одновременно. Такие МП используют преимущественно, когда требуется обрабатывать большое количество источников информации и большие массивы данных.

По технологии изготовления различают МП, изготовленные по МОП-технологии (МОП МП) и по биполярной технологии (биполярные МП). Первые построены на основе МОП-транзисторов с р-каналом (р-МОП БИС), МОП-транзисторов с n-каналом (n-МОП БИС) и на основе комплементарных МОП-транзисторов (КМОП БИС); вторые — на основе элементов транзисторно-транзисторной логики с диодами Шоттки (ТТЛШ БИС), на основе элементов интегральной инжекционной логики (И²Л БИС) и на основе элементов эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ БИС). Наибольшим быстродействием обладает ЭСЛ-технология, наименьшим — р-МОП-технология. Минимальным энергопотреблением при среднем быстродействии обладает КМОП-технология. Наибольшую степень интеграции при среднем быстродействии обеспечивает n-МОП-технология.

В первые годы развития МП в литературе различали их поколения. Однако в настоящее время понятие «поколения МП» носит более условный характер, чем для ЭВМ, где каждое следующее поколение имело более высокие технико-экономические характеристики по сравнению с предыдущим и поэтому вытесняло его. Микропроцессоры всех поколений сосуществуют длительное время и взаимно дополняют, а не вытесняют друг друга. В одном устройстве могут работать МП, принадлежащие к разным поколениям.

Уровни программного управления МП. Каждая операция, задаваемая командой, обычно требует для своей реализации выполнения определенной последовательности элементарных, не разложимых на более простые преобразований, которые называются микрооперациями. К ним относятся пересылки информации между частями системы, логические поразрядные операции, сдвиги информации и др. Каждая микрооперация выполняется в течение одного периода сигналов синхронизации (т.е. такта). Сигналы синхронизации имеют вид импульсов, последовательность которых вырабатывается специальным генератором синхроимпульсов.

Команды, определяющие выполнение микроопераций, называют микрокомандами. Таким образом, для каждой команды можно составить последовательность микрокоманд, определяющих ее реализацию. Для реализации команды требуется в среднем 5...10 микрокоманд. В соответствии с разбивкой команды на микрокоманды различают два уровня программного управления: командный и микропрограммный. В зависимости от реализации того или другого уровня программного управления МП делят на два класса. Рассмотрим основные особенности каждого из них.

В МП с управлением на уровне команд программа должна быть составлена с использованием строго определенного набора (списка) команд. Перевод команд в последовательность микрокоманд обеспечивается «жесткой» логикой устройства управления (УУ) МП, т.е. за счет постоянных, заранее предусмотренных логических связей УУ, с помощью которых для данной конкретной команды в каждом такте формируется определенная совокупность управляющих сигналов, обеспечивающая выполнение очередной микрокоманды. Устройство управления проектируется на свой список команд, поэтому дальнейшее наращивание и изменение списка команд не допускается. При необходимости выполнить операции, для которых нет соответствующих команд в списке, составляются подпрограммы. Каждая подпрограмма состоит из группы разрешенных для данного МП команд и приводит к выполнению требуемой операции. Очевидно, что решение задач с использованием подпрограмм значительно снижает скорость обработки и, следовательно, эффективность применения МП. Поэтому стремятся к тому, чтобы МП с управлением на уровне команд имели развитую систему команд.

В МП с управлением на уровне микропрограмм преобразование команд в соответствующую последовательность микрокоманд отсутствует. Программа работы МП задается в микропрограммном виде, т.е. непосредственно в микрокомандах. Поскольку для реализации одной команды в среднем требуется выполнение 5...10 микрокоманд, то объем микропрограмм значительно превышает объем соответствующих программ. Поэтому составление и отладка микропрограмм требуют больших затрат времени. Из-за громоздкости микропрограмм и трудностей по их составлению и контролю для таких МП обычно вводят второй уровень программного управления — командный. Для этого разрабатывается система команд. Можно, например, использовать систему команд ЭВМ с хорошо развитым программным обеспечением и приспособить ее для данного МП. С этой целью для каждой команды составляется микропрограмма, т.е. команда представляется последовательностью микрокоманд. При работе МП преобразование команды в соответствующую последовательность микрокоманд происходит с помощью микропрограммного устройства управления, которое реализуется в виде отдельной специализированной БИС.

Микропрограммное устройство управления содержит ПЗУ микрокоманд, в котором хранятся коды всех микрокоманд, и ПЗУ управления адресом, в котором хранятся коды, предназначенные для формирования адресов микрокоманд. В процессе работы с помощью ПЗУ управления адресом происходит формирование последовательности адресов, по которым из ПЗУ микрокоманд извлекается последовательность микрокоманд, соответствующая коду поступившей команды.

Достоинство МП с микропрограммным устройством управления - возможность изменения набора выполняемых команд, путем смены или перепрограммирования ПЗУ микрокоманд и ПЗУ управления адресом. При использовании МП этого типа и микропрограммных устройств управления можно строить цифровые системы, выполняющие набор команд, наиболее удобный для решения поставленной задачи.

В МП с управлением на уровне команд набор выполняемых команд является фиксированным, т.е. более эффективным для решения определенного класса задач.

Микропроцессоры с управлением на уровне команд имеют в списке обычно 45... 150 команд, а с управлением на уровне микропрограмм — обычно 256...512 микрокоманд. Как правило, МП замкнутого типа (для которых наращивание разрядности осуществляется программным путем) имеют управление на уровне команд, а секционированные МП (наращивание разрядности аппаратным путем) — на уровне микропрограмм.

Пример отечественных однокристальных МП с управлением на уровне команд — МП серий К580 (аналог Intel 8080), К581, К588, К1801/09, К1806, К1810 (аналог Intel 8086), К1821, К1824, К1831, пример секционированных МП с управлением на уровне микропрограмм — МП серий К583, К584, К589, К1802 (К1822), К1804 (аналог Am2900), K1832.

Основные принципы организации работы МП с точки зрения разбиения команд на последовательности микрокоманд.

Время, необходимое для считывания команды из памяти и ее выполнения, называется циклом команды. Цикл команды реализуется обычно за 1...5 машинных циклов.

Машинный цикл — это промежуток времени, затрачиваемый МП на одно обращение к какому-либо периферийному модулю (ОЗУ, ПЗУ, внешнему устройству ввода-вывода, называемому портом ввода или вывода).

В МП используются обычно следующие базовые типы машинных циклов:

• выборка команды (прием кода операции в регистр команд);

• считывание из памяти;

• запись в память;

• ввод из порта ввода;

• вывод в порт вывода;

• прерывание;

• останов.

Каждый машинный цикл выполняется за определенное число тактов (обычно от 3 до 5), т.е. периодов тактовых сигналов, вырабатываемых внешним генератором. Действия в каждом из тактов индивидуальны для конкретного МП. Тем не менее можно выделить общие действия для всех МП в порядке очередности их выполнения:

вывод на шину адреса кода адреса вызываемого порта или ячейки памяти;

анализ управляющих сигналов, выставление на шину данных пересылаемой информации;

осуществление обмена информацией с вызываемым портом или ячейкой памяти;

расшифровка команды и выполнение внутренних операций МП.

Формат команд МП.

Команда МП представляет собой такое двоичное слово, которое, будучи считанным микропроцессором (преимущественно из памяти), заставляет его выполнить определенные действия. Другие, отличные от команд двоичные слова подобных действий в МП не вызывают. Длина команды как двоичного слова совпадает с длиной слова данных. Например, длина слова команды 8-разрядного МП равна 8 бит, 16-разрядного — 16 бит, 32-разрядного — 32 бит. Однако длина команды не обязательно должна ограничиваться одним словом. Команды МП могут иметь длину в два или три слова. Таким образом, для 8-разрядного МП команда может иметь длину в 8, 16 или 24 бит,
16-разрядного МП-16, 32 или 48 бит. Однако существуют команды для 16-и 32-разрядных МП длиной в 8 бит. Это характерно для МП, являющихся дальнейшим развитием предшествующих моделей, в которых обеспечивается программная совместимость с моделями более раннего выпуска.

Выполнение команды начинается со считывания ее из памяти в регистр команд в течение цикла выборки. Далее команда декодируется дешифратором команд. После этого устройство управления под действием тактовых импульсов вырабатывает последовательности векторов управляющих сигналов, определяющих действия МП для успешного выполнения команды. Этими действиями могут быть: считывание операндов, загрузка регистров данными, загрузка счетчика команд новым адресом и т.д. Таким образом, команда должна содержать информацию двух видов. Во-первых, она должна сообщить МП, что необходимо сделать (выполнить сложение, сдвиг, пересылку и т.п.), во-вторых — указать адрес, т.е. местонахождение обрабатываемых данных. К оманда представляет собой двоичный код, содержащий информацию о виде операции, выполняемой на текущем этапе обработки, который называется кодом операции, и о расположении операндов — данных, над которыми выполняются операции. Расположение операндов дается их адресами. Если команда имеет длину более одного слова, то первым словом может быть код операции, а остальными (вторым или вторым и третьим) — адрес операнда или данных. Команда, состоящая из одного слова, содержит только код операции. Однако неверно было бы думать, что такая команда является безадресной. В таких командах адресом могут служить, например, регистры или регистровые пары, двоичные коды которых входят в код операции или, иначе говоря, в код всей команды.

Так, если разрядность ячейки памяти равна разрядности шины данных МП, то для многих типов МП с простыми способами адресации команды с длиной более одного слова располагаются в соседних ячейках памяти, причем наименьший адрес (А) имеет первое слово. Второе слово располагается в ячейке памяти с адресом на единицу, большим (А + 1), третье слово — в ячейке памяти с адресом, еще на единицу большим (А+2):

Если ячейка памяти имеет разрядность 8 бит, то под каждый байт команды отводится свой адрес. В этом случае первое слово будет иметь адрес (А), второе слово — адрес (А + 2) или (А + 4) в зависимости от разрядности МП, а третье слово — адрес (А + 4) или (А + 8) соответственно разрядности МП. В командах с длиной более одного слова адрес первого слова команды считается адресом всей команды.

Существуют МП, для которых память разделяется на сегменты, каждый из которых служит для хранения информации определенного типа. Каждый сегмент имеет свой начальный адрес, хранящийся в специальных сегментных регистрах. Можно выделить два отдельных сегмента памяти, называемых сегментом кода и сегментом данных. Первый хранит коды команд, а второй — адресуемые данные. Разделение памяти на сегменты характерно для сложных видов адресации, когда физический адрес формируется путем вычислений над содержимым сегментных регистров и адресными смещениями, являющимися логическими адресами и задаваемыми непосредственно в команде или содержащимися в адресных регистрах.

Для некоторых МП в коде команды может содержаться дополнительная информация о способе адресации, направлении передачи данных, источнике или приемнике информации, характере обрабатываемой информации и пр. В этом случае под эту дополнительную информацию отводится несколько разрядов, располагаемых обычно в первом слове команды.

По функциональному назначению команды МП можно разделить на следующие группы:

1. Команды пересылки кодов между ОЗУ и регистрами МП.

2. Команды для выполнения арифметических действий.

3. Команды для выполнения логических действий.

4. Команды передачи управления и вызова подпрограмм.

5. Команды для сдвига данных в регистрах, инкремента-декрементаданных в регистрах.

6. Команды ввода—вывода.

7. Специальные системные команды.