Архитектура микро эвм - IT Новости из мира ПК
Remkomplekty.ru

IT Новости из мира ПК
34 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Архитектура микро эвм

Упрощенная архитектура типовой микроЭВМ.

Операционная система тесно связана с оборудованием компьютера, на котором она должна работать. Аппаратное обеспечение влияет на набор команд операционной системы и управление его ресурсами. Поэтому нам необходим определенный объем знаний о компьютере, по крайней мере нужно представлять, в каком виде оборудование предстает перед программистом.

В своем историческом докладе, опубликованном в 1945 году, Джон фон Нейманвыделил и детально описал пять ключевых компонентов того, что ныне называют » архитектурой фон Неймана » современного компьютера.

Принципы, сформированные фон Нейманом, стали общепринятыми и положены в основу как больших ЭВМ первых поколений, так и более поздних мини- и микро-ЭВМ. И хотя в последнее время идут активные поиски вычислительных машин, построенных на принципах, отличных от классических, большинство компьютеров построено согласно принципам, определенным Нейманом.

Рис. 1.1. Некоторые компоненты персонального компьютера.

Таким образом, ЭВМ содержат следующие основные функциональные блоки:

1.запоминающее устройство (память);

2.арифметико-логическое устройство (АЛУ); процессор

3.управляющее устройство (УУ);

4. устройства ввода и вывода информации

Путь информации в машине начинается с устройства ввода. Это глаза и уши ЭВМ. Она может воспринять информацию, считывая ее с карт, с перфоленты, с магнитной ленты, магнитного или лазерного диска, с телетайпа или же получая ее от оператора ЭВМ, сидящего за пультом дисплея. Нажатием клавиш оператор вводит исходные данные в машину и одновременно видит их на экране. Это очень удобно. Вводимая информация идет без каких-либо промежуточных носителей. Весь процесс — общение с машиной — происходит в режиме диалога с ней.

Введенная в ЭВМ информация поступает в оперативный накопитель. Некоторая часть ее остается здесь до поры до времени, не вступая в действие. Для другой оперативный накопитель — своего рода пересыльный пункт. Через него часть информации попадает в запоминающее устройство — своеобразную записную книжку машины, хранящую множество полезных для работы сведений. Их не сотни и не тысячи единиц, а миллионы. И запись эта может храниться очень долго. Другая часть информации нужна для немедленной переработки: она тотчас же поступает в АЛУ, состоящее из сумматоров. Они-то и выполняют все арифметические и логические действия.

В электронной машине важную роль играет память. Оперативная память нужна для запоминания данных, которые часто используются в работе. Главная особенность такой памяти — быстрая выдача нужной информации, как говорится «по первому требованию».

Самые тесные отношения между собой поддерживают устройства управления (УУ) и АЛУ, поэтому их часто объединяют в общую группу, которую называют процессором. Процессор строится как единый узел — своеобразное сердце машины, — способный выполнять определенный набор операций, извлекая из памяти нужные команды и анализируя их для последующих действий. Часто для усиления мощности ЭВМ, увеличения ее производительности в одной машине соединяют несколько процессоров, которые могут выполнять программы одновремено. Среди процессоров один обычно является центральным. Окончательные результаты вычислений — «готовая продукция» машины поступает в устройство вывода и выдается пользователю в удобной для него форме.

ПРОЦЕССОР— основное устройство обработки информации и управления остальными устройствами ЭВМ. Это своего рода «мозг» ЭВМ.

Основные характеристики процессора: бысродействие — число выполняемых операций в секунду, разрядность — объем информации, который процессор обрабатывает за одну операцию .

ПАМЯТЬ — устройство хранения и выдачи информации по запросу процессора. Память ЭВМ бывает внутренней и внешней.

Внутренняя всвою очередь делится на Оперативную память (ОЗУ) и Постоянную (ПЗУ).

ОЗУ используется непосредственно при решении задачи и позволяет передавать процессору и принимать от него информацию примерно с такой же скоростью, с какой процессор ее обрабатывает. Поэтому эта память называется быстрой или оперативной. Реализуется она в виде микросхем, которые хранят информацию, пока компьютер включен.

ПЗУ — это та память, содержимое которой устанавливается на заводе — изготовителе и в дальнейшем не меняется.

Внешняя память ЭВМв основном реализуется на магнитных лентах, магнитных и лазерных дисках.

Структура микро ЭВМ с микропрограммным управлением

МП с микропрограммным управлением (микропрограммируемая архитектура)

Рис. Реализация принципа магистральности в структуре микропроцессорного устройства

Принцип модульности – система строится на основе ограниченного количества типов конструктивно и функционально законченных модулей.

Принцип микропрограммного управления состоит в возможности выполнения ядром элементарных операций – микрокоманд (сдвиг, пересылка, логические операции и т.д.). Используя комбинации микрокоманд, создают набор команд, максимально соответствующий назначению системы. В секционных МП набор команд можно изменить, используя различные ИС памяти микрокоманд.

Скорость обработки информации в микропроцессорной системе определяется не только временем, затрачиваемым на выполнение одной команды, но и системой команд. Различные задачи выполняются с разной эффективностью в МП системах с различной системой команд (при прочих равных параметрах системы). Для обеспечения высокой скорости обработки информации для любых задач (управления, вычислительные, обработка изображений . ) необходимо иметь возможность изменять систему команд. Для этого требуется модифицировать устройство управления МП. Относительно просто это реализуется в устройствах управления микропрограммного типа.

Микропрограммное управление заключается в том, что все управляющие системные сигналы записаны в ИС памяти специального назначения — микропрограммной памяти. При этом, если в ячейке памяти записана единица, это указывает на наличие управляющего сигнала. Биты, соответствующие комбинации управляющих сигналов каждого такта работы МП, образуют одно слово — микрокоманду.

Схема микропрограммного управления производит адресацию микропрограммной памяти в соответствии с микрокомандами, поступающими от той же самой микропрограммной памяти. Микрокоманды, управляющие схемой микропрограммного управления, включают операции условных и безусловных переходов. Результаты (комбинации битов) проверки условий в операционной части МП поступают в схему по отдельным выводам.

Читать еще:  Suse linux enterprise server for sap applications

структурная схема устройства микропрограммного управления

Архитектура некоторых микропроцессоров позволяет модифицировать систему команд в соответствии с требованиями конкретного применения. В состав команд таких микропроцессоров входят команды — микропрограммы, которые содержат коды нескольких операций. Использование команд — микропрограмм (макрокоманд) позволяет существенно уменьшить длину программы и время ее выполнения по сравнению с вариантом, когда каждой отдельной операции соответствует отдельная команда. Микропрограммируемые микропроцессорные системы требуют разработки двухуровневого управления — микропрограммного и программного. Это позволяет иметь произвольную систему команд, но приводит к усложнению структуры микро ЭВМ.

Архитектура простейшей микро-ЭВМ;

В состав простейшей микро-ЭВМ входят центральный процессор, ОЗУ и ПЗУ, порты ввода и вывода, а также дешифраторы, осуществляющие выбор запоминающего устройства и порта ввода — вывода.

Построение микро–ЭВМ или, как часто говорят, ее «архитектуру» поясняет функциональная схема (рис.1.16).

Рис 1.16. Архитектура простейшей микро-ЭВМ

Рассматриваемая схема повторяет функциональную схему микро–ЭВМ с магистральной организацией (рис.1.15), отличаясь более подробной детализацией. Так общая магистраль оказывается представлена здесь совокупностью тр¨х специализированных шин: шины данных, шины адреса и шины управления.

Шина данных (ШД) – является двунаправленной и предназначена для пересылки кодов обрабатываемых данных, а также машинных кодов команд между устройствами ЭВМ. Однонаправленная шина адреса (ША) нес¨т адрес (номер) той ячейки памяти или того порта ввода – вывода, который взаимодействует с микропроцессором. Шина управления нес¨т сигналы управления, обеспечивающие правильное взаимодействие блоков микро–ЭВМ друг с другом и с внешней средой. На рис.1.16 эта шина представлена следующими сигналами:

MEMR – «чтение из памяти»; сигнал подтверждает прием байта данных из памяти в один из регистров микропроцессора;

MEMW – «запись в память»; сигнал извещает память о том, что микропроцессор выставил на шину данных байт, подлежащий записи в память;

I/OR – «чтение из порта ввода»; сигнал подтверждает прием байта данных из порта ввода в определ¨нный регистр микропроцессора;

I/OW – «запись в порт вывода»; сигнал извещает порты вывода о том, что микропроцессор выставил на шину данных байт, подлежащий выводу через какой-либо из портов.

Рассмотренный набор сигналов шины управления является типовым. В конкретной микро-ЭВМ он может быть, как расширен, так и сужен.

Сигнал RESET – «сброс» является сигналом внешнего управления, он приводит микро — ЭВМ в исходное стартовое состояние.

Центральный процессор (ЦП) микро — ЭВМ выполнен на основе микропроцессора (МП). Кроме микропроцессора этот модуль содержит так называемые схемы обрамления. В состав обрамления входят разного рода вспомогательные устройства, обеспечивающие как работу микропроцессора, так и его связь с магистралью микро–ЭВМ.

Центральный процессор, ОЗУ, ПЗУ и порты ввода имеют выходы данных с тремя состояниями или открытым коллектором. Поэтому названные блоки могут либо отключаться (по выходу) от шины данных, либо, наоборот, захватывать эту шину. Центральный процессор управляет мультиплексированием шины данных по шине адреса с помощью дешифратора выбора ЗУ и дешифратора выбора порта. Дешифратор выбора ЗУ генерирует сигнал выбора соответствующего блока памяти (), анализируя старшие биты адреса ячейки памяти, выставленного микропроцессором на шине адреса. Младшие биты адреса обычно подаются параллельно на адресные входы всех блоков памяти. Рассмотренный метод гарантирует присвоение каждой из ячеек памяти своего единственного в системе, уникального адреса, а также непрерывность адресного пространства каждого из блоков памяти. Дешифратор выбора порта генерирует сигнал выбора соответствующего порта (), анализируя адрес порта, выставленный микропроцессором на шине адреса. Следует отметить, что сигналы выбора и используются в микро-ЭВМ не только для мультиплексирования шины данных (то есть для разрешения чтения из того или иного блока), но и для демультиплексирования, то есть для разрешения записи в соответствующий блок.

Представленная схема имеет некоторые отступления от общей функциональной схемы ЭВМ (рис.1.14). Так она не предусматривает прямого обмена информацией между портами ввода – вывода и памятью, минуя центральный процессор (этот вид обмена называют прямым доступом к памяти (ПДП)), а также возможности прерывать выполнение основной программы в микро — ЭВМ для обслуживания запросов внешних устройств. Реализация названных возможностей требует введения в функциональную схему дополнительных устройств — контроллера ПДП и контроллера прерываний, связанных с соответствующими портами.

Структура микро ЭВМ с микропрограммным управлением

МП с микропрограммным управлением (микропрограммируемая архитектура)

Рис. Реализация принципа магистральности в структуре микропроцессорного устройства

Принцип модульности – система строится на основе ограниченного количества типов конструктивно и функционально законченных модулей.

Принцип микропрограммного управления состоит в возможности выполнения ядром элементарных операций – микрокоманд (сдвиг, пересылка, логические операции и т.д.). Используя комбинации микрокоманд, создают набор команд, максимально соответствующий назначению системы. В секционных МП набор команд можно изменить, используя различные ИС памяти микрокоманд.

Скорость обработки информации в микропроцессорной системе определяется не только временем, затрачиваемым на выполнение одной команды, но и системой команд. Различные задачи выполняются с разной эффективностью в МП системах с различной системой команд (при прочих равных параметрах системы). Для обеспечения высокой скорости обработки информации для любых задач (управления, вычислительные, обработка изображений . ) необходимо иметь возможность изменять систему команд. Для этого требуется модифицировать устройство управления МП. Относительно просто это реализуется в устройствах управления микропрограммного типа.

Микропрограммное управление заключается в том, что все управляющие системные сигналы записаны в ИС памяти специального назначения — микропрограммной памяти. При этом, если в ячейке памяти записана единица, это указывает на наличие управляющего сигнала. Биты, соответствующие комбинации управляющих сигналов каждого такта работы МП, образуют одно слово — микрокоманду.

Схема микропрограммного управления производит адресацию микропрограммной памяти в соответствии с микрокомандами, поступающими от той же самой микропрограммной памяти. Микрокоманды, управляющие схемой микропрограммного управления, включают операции условных и безусловных переходов. Результаты (комбинации битов) проверки условий в операционной части МП поступают в схему по отдельным выводам.

Читать еще:  Архитектура машинного обучения

структурная схема устройства микропрограммного управления

Архитектура некоторых микропроцессоров позволяет модифицировать систему команд в соответствии с требованиями конкретного применения. В состав команд таких микропроцессоров входят команды — микропрограммы, которые содержат коды нескольких операций. Использование команд — микропрограмм (макрокоманд) позволяет существенно уменьшить длину программы и время ее выполнения по сравнению с вариантом, когда каждой отдельной операции соответствует отдельная команда. Микропрограммируемые микропроцессорные системы требуют разработки двухуровневого управления — микропрограммного и программного. Это позволяет иметь произвольную систему команд, но приводит к усложнению структуры микро ЭВМ.

Глава 7. Эволюция архитектур микропроцессоров и микро ЭВМ

Интегральная технология (ИТ) за первые 20 — 30 лет своего развития достигла таких относительных темпов роста характеристик качества, которых не знала ни одна область человеческой деятельности (включая и такие бурно растущие, как авиация и космонавтика). Действительно, рассмотрим динамику изменений основных параметров ИТ за первые 20 лет ее развития (1960— 1980 гг.):

• степень интеграции N увеличилась на 5 — 6 порядков;

• площадь транзистора S уменьшилась на 3 порядка;

• рабочая частота f увеличилась на 1 — 3 порядка;

факторы добротности:

f x N увеличился на 5 — 7 порядков;

Pxt уменьшился на 4 порядка, где t — задержка на элементе, P— мощность, рассеиваемая элементом;

• надежность (при сопоставлении элементо-часов) увеличилась на 4 -8 порядков;

• производительность технологии (в транзисторах) увеличилась на 4-6 порядков;

цена на транзистор в составе ИС уменьшилась на 2 — 4 порядка.

Американцы подсчитали, что если бы авиапромышленность в те же годы имела аналогичные темпы роста соответствующих показателей качества (стоимость — скорость — расход топлива = стоимость — быстродействие— рассеиваемая мощность), то «Боинг 767» стоил бы $500, облетал земной шар за 20 мин и расходовал на этот полет 10 л горючего.

Успехи ИТ в области элементной базы позволяли «поглощать» кристаллом все более высокие уровни ЭВМ: сначала — логические элементы, потом— операционные элементы (регистры, счетчики, дешифраторы и т. д.), далее— операционные устройства. Степень функциональной сложности, достигнутой в ИС, определяется особенностью технологии, разрешающей способностью инструмента, а также структурными особенностями схемы: регулярностью, связностью.

Под регулярностью схемы здесь будем понимать степень повторяемости элементов и связей по одной или двум координатам (при размещении структуры на плоскости). Связность —число внешних выводов схемы.

Кроме того, следует иметь в виду, что выпуск ИС был экономически оправдан лишь для функционально универсальных схем, обеспечивающих их достаточно большой тираж.

С этой точки зрения интересно взглянуть на соотношение ИС логики и памяти в процессе эволюции ИС — СИС — БИС — СБИС. Первые ИС (степень интеграции N-10 ) были исключительно логическими элементами. При 1 достижении N примерно 10 стали появляться, наряду с операционными элементами, первые элементы памяти объемом в 16 — 64 — 128 битов.

По мере дальнейшего роста степени интеграции память стала быстро опережать «логику», т. к. по всем трем параметрам (регулярность, связность, тираж) имела перед логическими схемами преимущество. Действительно, структура накопителя ЗУ существенно регулярна (повторяемость элементов и связей по двум координатам), связность ее растет пропорционально логарифму объема (при увеличении объема памяти вдвое и сохранении без изменения способа доступа в БИС достаточно добавить лишь один вывод). Наконец, память «нужна всем» и «чем больше, тем лучше», особенно если «больше, но за ту же (почти) цену».

Что касается ИС логики, то на уровне N -10 на кристалле можно уже размещать устройство ЦВМ (например, АЛУ, ЦУУ), но схемы логики (особенно управление) существенно нерегулярны, их связность (сильно зависящая от конкретной схемы) растет примерно пропорционально N, причем такие схемы, как правило, не являлись универсальными и не могли выпускаться большими тиражами (исключения в то время — БИС часов и калькуляторов).

Разработка первого микропроцессора (МП) — попытка создать универсальную логическую БИС, которая настраивается на выполнение конкретной функции после изготовления средствами программирования. На подобную БИС — МП первоначально предполагалось возложить лишь достаточно произвольные управляющие функции, однако позже МП стал использоваться как элементная база ЦВМ четвертого и последующих поколений. Появление МП вызвало необходимость разработки целого спектра универсальных логических БИС, обслуживающих МП: контроллеры прерываний и прямого доступа в память (ПДП), шинные формирователи, порты ввода/вывода и др.

Первый МП был разработан фирмой Intel и выпущен в 1971 г. на основе р-МОП-технологии (i4004). В 1972 и 1973 годах этой же фирмой были выпущены модели i4040, i8008. Эти микропроцессоры относились к т. н. первому поколению, обладали весьма ограниченными функциональными возможностями и очень быстро были вытеснены вторым поколением, которое было реализовано на основе п-МОП-технологии, что позволило, прежде всего, поднять тактовую частоту примерно на порядок относительно микропроцессоров первого поколения. Кроме того, прогресс интегральной технологии позволил повысить степень интеграции транзисторов на кристалле, а следовательно, увеличить сложность схемы.

Микропроцессоры второго поколения, самым распространенным из которого

был выпущенный в 1974 г. i8080 (отечественный аналог — К580ВМЗО), отличались достаточно развитой системой команд, наличием подсистем прерывания, прямого доступа в память, снабжался достаточным числом вспомогательных БИС, обеспечивающих управление памятью, параллельный и последовательный обмен с внешними устройствами, реализацию векторных прерываний, ПДП и др.

Многие идеи, заложенные в архитектуру систем на базе 8-разрядного микро процессора i8080, неизменными используются и в современных мощных микропроцессорах.

Постоянное стремление к увеличению быстродействия ЭВМ привело разработчиков микропроцессоров «на поле» биполярной интегральной технологии, прежде всего — ТТЛ, где были выпущены микропроцессоры, отнесенные к третьему поколению, причем архитектура этих микропроцессоров существенно отличалась от их предшественников.

Читать еще:  Проектирование памятников архитектуры

Известно, что для любого электронного прибора справедливо соотношение:

где ΔP— энергия переключения, Δt — время переключения.

ТТЛ-транзисторы в составе ИС обладали (в то время) на порядок большим (по сравнению с n-МОП) быстродействием и соответственно на порядок большим потреблением мощности. Технологические трудности в то время не позволяли широко использовать активные способы отвода тепла от кристалла, поэтому единственный способ сохранения работоспособности кристалла в этих условиях — снижение степени интеграции.

Первый из выпущенных микропроцессоров третьего поколения — i3000 был двухразрядным! Очевидно, сохранение в этом случае традиционной архитектуры, характерной для микропроцессоров второго поколения, не привело бы к увеличению производительности системы, несмотря на то, что тактовая частота кристалла увеличивалась значительно (на порядок).

Решение этой проблемы повлекло значительные структурные изменения в микропроцессорах третьего поколения по сравнению со вторым:

• микропроцессоры выпускались в виде секций со средствами меж разрядных связей, позволяющими объединять в одну систему произвольное число секций для достижения заданной разрядности. В состав секций включалось АЛУ, РОН и некоторые элементы устройства управления;

• устройство управления выносилось на отдельный кристалл (группу кристаллов), общий для всех процессорных секций;

• за счет резерва внешних выводов (малая разрядность) предусматривались отдельные шины адреса, ввода и вывода данных, причем данные от разных источников вводились по различным шинам;

• кристаллы управления представляли собой управляющий автомат с программируемой логикой, что позволяет достаточно легко реализовать практически любую систему команд на фиксированной структуре операционного устройства.

Таким образом, разработчики систем на базе микропроцессоров третьего поколения получали две «дополнительные степени свободы» — возможность выбрать произвольную разрядность процессора (кратную разрядности секции) Ю самостоятельно реализовать практически произвольную систему команд, оптимизированную для решения задач конкретного класса.

Поскольку микропроцессор в такой архитектуре размещался на нескольких кристаллах БИС: арифметико-логические секции, схемы управления вместе с БИС памяти микрокоманд, вспомогательные БИС (например, схемы ускоренного распространения переноса для АЛС) и др., то подобные микропроцессоры стали называть много кристальными, в отличие отоднокристальных микропроцессоров второго поколения.

Очевидно и то, что разработка систем на многокристальных микропроцессорах требовала значительно больших усилий, времени и квалификации разработчиков, по сравнению с разработкой системы на «готовых» микропроцессорах второго поколения с фиксированной структурой и системой команд.

В конце 70-х и начале 80-х годов прошлого века значительное число отечественных и зарубежных фирм разрабатывали и выпускали серии БИС много кристальных микропроцессоров, причем разрядность секций постепенно увеличивалась до 4, 8 и даже 16 битов.

К тому времени технология уже не являлась решающим фактором классификации МП, ибо появились разновидности технологий одного типа, обеспечивающие очень широкий спектр характеристик МП, широкое распространение, получили комбинированные технологии (например, И 2 Л + ТТЛШ). По этому многокристальные МП выпускались как по биполярной, так и по МДП технологиям.

Одной из наиболее удачных разработок этого направления можно считать комплект БИС серии Am2900 фирмы AMD и близкую ему по архитектур отечественную серию К1804 [13].

Параллельно интенсивно развивалась архитектура однокристальных микро- процессоров, наиболее характерным представителем которой можно считать семейство х86 фирмы Intel. Развитие этого направления отличал безудержный рост производительности процессоров, обусловленный увеличением разрядности процессоров, тактовой частоты, реализацией параллелизма на всех уровнях работы процессора и применением других архитектурных решений, характерных ранее для «больших» ЭВМ.

Быстро возрастающие возможности микропроцессоров позволяли «захватывать» в область цифровой обработки информации все новые сферы человеческой деятельности (достаточно вспомнить появление и распространение персональных ЭВМ).

Однако в сфере применения микропроцессоров всегда существовали задачи, для решения которых не требовалась высокая производительность процессов (например, управление не сложным инерционным технологическим оборудованием, бытовыми приборами). В этих случаях на первый план выступали акте параметры, как надежность, простота реализации (стоимость). Для решения таких задач использование мощных однокристальных микропроцессов становилось существенно избыточным.

Возрастающие возможности технологии в этом случае использовались не для величания производительности процессора, а для размещения на кристалле, наряду с относительно простым процессором, тех устройств, которые в традиционной архитектуре располагались на плате рядом с микропроцессором в идея отдельных БИС (СИС): тактовый генератор, ПЗУ, ОЗУ, порты параллельного и последовательного обмена, контроллер прерываний, таймеры и др.

Таким образом, были получены полностью «самодостаточные» однокристальные микро ЭВМ (ОМЭВМ). Это направление стало интенсивно развиваться, вначале на базе 8-разрядной архитектуры. Наиболее популярными из их можно считать ОМЭВМ семейств MCS-51 фирмы Intel, МС68НС11 фирмы Motorola, PIC16 и PIC18 фирмы Microchip.

По мере развития на кристаллах ОМЭВМ стали, помимо перечисленных выше устройств, размещать аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, блоки энергонезависимой памяти (EEPROM), сложные таймерные системы, схемы управления специализированными ВУ (например, семи сегментной индикацией) и др.

Дальнейшее развитие технологии привело к появлению 16- и даже 32-разядных однокристальных микро ЭВМ (наиболее известные — от фирмы motorola), включающих, наряду с мощным центральным процессором, специализированные процессоры — таймерный и ввода/вывода, работающие независимо от центрального, широкий набор блоков памяти и внешних устройств. Модульность архитектуры кристалла ОМЭВМ позволяет в рамках одного семейства варьировать в широких пределах набор параметров кристалла: состав и объем блоков памяти, набор внешних устройств и даже тип дометаемого на кристалл центрального процессора.

Таким образом, пользователю предоставляется возможность выбора в очень широких пределах архитектуры и параметров ОМЭВМ. При этом он получать «готовую» ЭВМ, не требующую схемотехнических и архитектурных доработок. В итоге современные ОМЭВМ практически полностью заняли ту нишу, в которой долгое время существовали многокристальные микропроцессоры.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector
×
×