Реферат: Однокристальные микропроцессорные устройства. Архитектура и виды микроЭВМ и микроконтроллеров
Возможность равноправного использования всех регистров процессора называется симметричностью процессора («ортогональностью»). Это обеспечивает дополнительную гибкость при выполнении ряда операций (например, условных переходов). В СISC-процессорах условный переход обычно реализуется в соответствии с определённым значением бита (флага) в регистре состояния. В RISC-процессоре условный переход может происходить при определённом значении бита, который находится в любом месте памяти, что значительно упрощает операции с флагами.
Преимущество RISC-процессоров проявляется в том, что их более простые команды требуют для выполнения значительно меньшее число машинных циклов. За счёт этого достигается существенное увеличение производительности.
Также архитектура процессоров оценивается по принципу организации памяти – архитектуры Гарвардского и Принстонского университетов США. Принстонская архитектура (её также называют архитектурой Фон-Неймана) имеет общую память для хранения программ и данных. Она представлена на рисунке 1.
Рис. 1 - Архитектура вычислительной системы с Принстонской архитектурой
В этой архитектуре блок интерфейса с памятью выполняет арбитраж запросов к памяти, обеспечивая выборку команд, чтение и запись данных, размещение в память или внутренних регистрах. Этот блок решает задачу выбора из памяти и данных, и очередной команды. Решение осуществляется путём выборки следующей команды во время выполнения предыдущей (операция предварительной выборки).
Основное преимущество этой архитектуры – она упрощает устройство микропроцессора, так как реализует обращение только к одной общей памяти при необходимости воспользоваться ЗУ данных, программ или стеком. Это представляет большую гибкость для разработчика ПО прежде всего в области операционных систем реального времени.
Но при такой архитектуре команды и данные запрашиваются по одной и той же шине. Чтобы выполнить выборку команды, необходимо сделать несколько запросов. Например, если необходимо считать байт и поместить его в аккумулятор, то в первом цикле из памяти выбирается команда, во втором цикле данные считываются из памяти и размещаются в аккумуляторе.
В Гарвардской архитектуре разделена память программ и память данных. Обращение к памяти происходит по отдельным шинам адреса и данных, что значительно повышает производительность процессора по сравнению с предыдущей архитектурой (рисунок 2).
Рис. 2 - Архитектура вычислительной системы с Гарвардской архитектурой
Данная архитектура выполняет команды за меньшее число тактов, чем предыдущая. Это обусловлено тем, что здесь больше возможностей для реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей команды, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды. Тот же пример, – при считывании байта и помещении его в аккумулятор, – команда также выполняется за два цикла: но выборка очередной команды производится одновременно с выполнением предыдущей команды. В итоге команда выполняется всего за один цикл (во время чтения следующей команды). Такой метод (называется «параллелизм») позволяет командам выполняться за одинаковое число тактов, что позволяет просто определять время выполнения циклов и критических участков программы. Это важно для устройств, где нужно обеспечить время выполнения. Но Гарвардская архитектура не является достаточно гибкой.
Но сравнение архитектур нельзя проводить абстрактно. Оно должно увязываться с конкретным приложением. Зачастую специфика архитектуры позволяет наилучшим образом реализовать конкретное приложение. С целью уменьшения выводов БИС ОмЭВМ и ОмК при их построении применяют следующую структурную организацию. С раздельными шинами (рисунок 3: раздельными – для памяти и для контроллеров ВУ): за счёт использования двунаправленных шин, по одной шине, в зависимости от дополнительного управляющего сигнала (напр., READ/WRITE) данные передаются из памяти в процессор или обратно.
Рис. 3 - Структурная организация БИС ВТ с раздельными шинами
Для внешних устройств ввод-вывод информации может сопровождаться сигналом INPUT/OUTPUT, что ведёт к дальнейшему сокращению выводов БИС.
Структурная организация БИС с изолированными шинами приведена на рисунке 4. За счёт использования одних и тех же шин для связи процессора с памятью, и с внешними устройствами сокращается число выводов БИС, а передача данных управляется наличием на шине управления сигнала R/W (обмен с памятью) или сигнала I/O (обмен с ВУ).
Рис. 4 - Структурная организация БИС ВТ с изолированными шинами
Активно применяется структурная организация с мультиплексируемой шиной (рисунок 5). По ней за счёт объединения адресной шины и шины данных в одни моменты времени передаются адреса, а в другие моменты – данные.
Рис. 5 - Структурная организация БИС ВТ с мультиплексируемой шиной
Развитием последнего варианта является структура с общими шинами – в ней исключены команды ввода-вывода из системы команд ЭВМ. Часть адресного пространства в памяти отводят для адресов регистров контроллеров внешних устройств. Для ввода-вывода используют команды ЭВМ, которые осуществляют запись данных в эту область памяти. Процессор как бы заставляют выполнять операцию с регистром данных контроллера ВУ, в то время как он работает так, как если бы имел дело с ячейкой памяти ЭВМ (рисунок.6).
Рис. 6 - Структурная организация БИС ВТ с общими шинами
Виды микроэвм и микроконтроллеров
Микроконтроллеры – управляющие устройства в микроисполнении – широко применяются в различных областях технической деятельности человека: в ПЭВМ, стиральных машинах, музыкальных центрах, автомобилях, средствах измерений, и т.д. Микроконтроллер является управляющим ядром аппаратных комплексов различного назначения. С его помощью гораздо легче, в отличие от традиционных решений, реализуются различные схемы. Опираясь на [4], можно представить внутреннее содержание микроконтроллера и его направленность на некоторые возможные объекты управления так, как это сделано на рисунке 7.
|
Рис. 7 - Содержание и возможная направленность микроконтроллера
Достоинство микроконтроллера (МК) – это наличие на кристалле большого числа периферийных схем, что позволяет ему общаться с разнообразными внешними устройствам при минимуме дополнительных узлов. Это также уменьшает размеры конструкции и позволяет снизить потребление энергии от источника питания.