Шпаргалка по дисциплине: «Микропроцессоры и микропроцессорные системы»

  В 2000 году Intel объявила, что создан первый процессор семейства Р7 (кодовое название Merced) - Itanium. Это первый 64-разрядный процессор, открывающий новый этап в жизни операционных систем и приложений, но в то же время полностью совместимый с 32-разрядным программным обеспечением. В этом же году фирмами Intel и AMD преодолен барьер 1 ГГц.

  Центральным событием 2002 года стало объявление компании IBM о выпуске нового 64-разрядного микропроцессора PowerPC 970, который, по словам разработчиков, работает вдвое быстрее любого современного процессора для персональных компьютеров. Как заявил Питер Сэндон, максимальная производительность PowerPC 970 будет достигать 7,2 млрд. операций в секунду.

  Наиболее  интересная новинка Intel - прототип серверного процессора, входящего в семейство Itanium. В новом чипе на одном кристалле объединены четыре ядра и общая кэш-память увеличенного объема.

  В лабораториях компании AMD проходит испытания процессор Opteron с тактовой частотой 2 ГГц. В этих чипах реализована новая технология, позволяющая создавать многопроцессорные системы без установки дополнительных микросхем, что позволяет существенно удешевить такие системы.

  Президент компании Centaur Technology Гленн Генри рассказал о новом процессоре с пониженным энергопотреблением под кодовым названием Nehemiah, который рассчитан на использование в недорогих системах. Процессор Nehemiah будет производиться по 0,13-микронной технологии, а его тактовая частота составит 1,4 или 1,5 ГГц. Компания продемонстрировала компьютер на основе процессора Nehemiah с видео картой nVidia GeForce2, который по производительности в два раза превосходил систему в аналогичной конфигурации на базе процессора Intel Pentium 4 с тактовой частотой 1,7 ГГц.

  Японская  компания Fujitsu продемонстрировала новый процессор SPARC64 V, предназначенный для научных и промышленных расчетов. Как сообщил представитель Fujitsu Акиро Инуэ, SPARC 64 состоит из 191 млн. транзисторов, имеет кэш-память второго уровня объемом 2 Мбайт и работает с тактовой частотой 1,35 МГц при напряжении 1,8 В. Новый процессор будет производиться по 0,13-микронной технологии. 

  Вопрос  №5

        На  рис. 2.2 приведена подробная диаграмма  выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода. Обратите внимание, что команды уже загружены в первые шесть ячеек памяти. Хранимая программа содержит следующую цепочку команд:  
1. Ввести данные из порта ввода 1.  
2. Запомнить данные в ячейке памяти 200.  
3. Переслать данные в порт вывода 10.

  Рис. 2.2. Диаграмма  выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода.

  В данной программе всего три команды, хотя на рис. 2.2 может показаться, что  в памяти программ записано шесть  команд. Это связано с тем, что команда обычно разбивается на части. Первая часть команды 1 в приведенной выше программе - команда ввода данных. Во второй части команды 1 указывается, откуда нужно ввести данные (из порта 1). Первая часть команды, предписывающая конкретное действие, называется кодом операции (КОП), а вторая часть - операндом. Код операции и операнд размещаются в отдельных ячейках памяти программ. На рис. 2.2 КОП хранится в ячейке 100, а код операнда - в ячейке 101 (порт 1); последний указывает откуда нужно взять информацию.

  В МП на рис. 2.2 выделены еще два новых блока - регистры: аккумулятор и регистр  команд.

  Рассмотрим  прохождение команд и данных внутри микроЭВМ с помощью занумерованных кружков на диаграмме. Напомним, что  микропроцессор - это центральный узел, управляющий перемещением всех данных и выполнением операций.

  Итак, при  выполнении типичной процедуры ввода-запоминания-вывода в микроЭВМ происходит следующая  последовательность действий:  
1. МП выдает адрес 100 на шину адреса. По шине управления поступает сигнал, устанавливающий память программ (конкретную микросхему) в режим считывания.  
2. ЗУ программ пересылает первую команду ("Ввести данные") по шине данных, и МП получает это закодированное сообщение. Команда помещается в регистр команд. МП декодирует (интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нужен операнд.  
3. МП выдает адрес 101 на ША; ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.  
4. Из памяти программ на ШД пересылается операнд "Из порта 1". Этот операнд находится в программной памяти в ячейке 101. Код операнда (содержащий адрес порта 1) передается по ШД к МП и направляется в регистр команд. МП теперь декодирует полную команду ("Ввести данные из порта 1").  
5. МП, используя ША и ШУ, связывающие его с устройством ввода, открывает порт 1. Цифровой код буквы "А" передается в аккумулятор внутри МП и запоминается.Важно отметить, что при обработке каждой программной команды МП действует согласно микропроцедуре выборки-декодирования-исполнения.  
6. МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.  
7. Код команды "Запомнить данные" подается на ШД и пересылается в МП, где помещается в регистр команд.  
8. МП дешифрирует эту команду и определяет, что для нее нужен операнд. МП обращается к ячейке памяти 103 и приводит в активное состояние вход считывания микросхем памяти программ.  
9. Из памяти программ на ШД пересылается код сообщения "В ячейке памяти 200". МП воспринимает этот операнд и помещает его в регистр команд. Полная команда "Запомнить данные в ячейке памяти 200" выбрана из памяти программ и декодирована.  
10. Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пересылает адрес 200 на ША и активизирует вход записи, относящийся к памяти данных.  
11. МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в память данных. Код буквы "А" передается по ШД и записывается в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая команда. Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем по-прежнему находится код буквы "А".  
12. МП обращается к ячейке памяти 104 для выбора очередной команды и переводит память программ в режим считывания.  
13. Код команды вывода данных пересылается по ШД к МП, который помещает ее в регистр команд, дешифрирует и определяет, что нужен операнд.  
14. МП выдает адрес 105 на ША и устанавливает память программ в режим считывания.  
15. Из памяти программ по ШД к МП поступает код операнда "В порт 10", который далее помещается в регистр команд.  
16. МП дешифрирует полную команду "Вывести данные в порт 10". С помощью ША и ШУ, связывающих его с устройством вывода, МП открывает порт 10, пересылает код буквы "А" (все еще находящийся в аккумуляторе) по ШД. Буква "А" выводится через порт 10 на экран дисплея.

  В большинстве  микропроцессорных систем (МПС) передача информации осуществляется способом, аналогичным рассмотренному выше. Наиболее существенные различия возможны в блоках ввода и вывода информации.

  Подчеркнем  еще раз, что именно микропроцессор является ядром системы и осуществляет управление всеми операциями. Его работа представляет последовательную реализацию микропроцедур выборки-дешифрации-исполнения. Однако фактическая последовательность операций в МПС определяется командами, записанными в памяти программ.

  Таким образом, в МПС микропроцессор выполняет следующие функции:  
- выборку команд программы из основной памяти;  
- дешифрацию команд;  
- выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах;  
- управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода;  
- отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств;  
- управление и координацию работы основных узлов МП.  

  Вопрос  №6

        Логическая  структура микропроцессора

  Логическая  структура микропроцессора, т. е. конфигурация составляющих микропроцессор логических схем и связей между ними, определяется функциональным назначением. Именно структура задает состав логических блоков микропроцессора и то, как эти блоки должны быть связаны между собой, чтобы полностью отвечать архитектурным требованиям. Срабатывание электронных блоков микропроцессора в определенной последовательности приводит к выполнению заданных архитектурой микропроцессора функций, т. е. к реализации вычислительных алгоритмов. Одни и те же функции можно выполнить в микропроцессорах со структурой, отличающейся набором, количеством и порядком срабатывания логических блоков. Различные структуры микропроцессоров, как правило, обеспечивают их различные возможности, в том числе и различную скорость обработки данных. Логические блоки микропроцессора с развитой архитектурой показаны на рис. 2.3.

  Рис. 2.3. Общая  логическая структура микропроцессора: I - управляющая часть, II - операционная часть; БУПК - блок управления последовательно-стью команд; БУВОп - блок управления выполнением операций; БУФКА - блок управления формированием кодов адресов; БУВП - блок управления виртуальной памятью; БЗП - блок защиты памяти; БУПРПр - блок управления прерыванием работы процессора; БУВВ - блок управления вводом/выводом; РгСОЗУ - регистровое сверхоперативное запоминающее устройство; АЛБ - арифметико-логический блок; БДА - блок дополнительной арифметики; БС - блок синхронизации.

  При проектировании логической структуры микропроцессоров необходимо рассмотреть:  
1) номенклатуру электронных блоков, необходимую и достаточную для реализации архитектурных требований;  
2) способы и средства реализации связей между электронными блоками;  
3) методы отбора если не оптимальных, то наиболее рациональных вариантов логических структур из возможного числа структур с отличающимся составом блоков и конфигурацией связей между ними.

  При проектировании микропроцессора приводятся в соответствие внутренняя сложность кристалла и количество выводов корпуса. Относительный рост числа элементов по мере развития микроэлектронной технологии во много раз превышает относительное увеличение числа выводов корпуса, поэтому проектирование БИС в виде конечного автомата, а не в виде набора схем, реализующих некоторый набор логических переключательных функций и схем памяти, дает возможность получить функционально законченные блоки и устройства ЭВМ.

  Использование микропроцессорных комплектов БИС  позволяет создать микроЭВМ для широких областей применения вследствие программной адаптации микропроцессора к конкретной области применения: изменяя программу работы микропроцессора, изменяют функции информационно-управляющей системы. Поэтому за счет составления программы работы микропроцессоров в конкретных условиях работы определенной системы можно получить оптимальные характеристики последней.

  Если уровень  только программной "настройки" микропроцессоров не позволит получить эффективную систему, доступен следующий уровень проектирования - микропрограммный. За счет изменения содержимого ПЗУ или программируемой логической матрицы (ПЛМ) можно "настроиться" на более специфичные черты системы обработки информации. В этом случае частично за счет изменения микропрограмм затрагивается аппаратный уровень системы. Технико-экономические последствия здесь связаны лишь с ограниченным вмешательством в технологию изготовления управляющих блоков микроЭВМ.

  Изменение аппаратного уровня информационно-управляющей  микропроцессорной системы, включающего в себя функциональные БИС комплекта, одновременно с конкретизацией микропрограммного и программного уровней позволяет наилучшим образом удовлетворить требованиям, предъявляемым к системе.  

  Вопрос  №7

  Устройство  управления

  Коды операции команд программы, воспринимаемые управляющей частью микропроцессора, расшифрованные и преобразованные в ней, дают информацию о том, какие операции надо выполнить, где в памяти расположены данные, куда надо направить результат и где расположена следующая за выполняемой команда.

  Управляющее устройство имеет достаточно средств  для того, чтобы после восприятия и интерпретации информации, получаемой в команде, обеспечить переключение (срабатывание) всех требуемых функциональных частей машины, а также для того, чтобы подвести к ним данные и воспринять полученные результаты. Именно срабатывание, т. е. изменение состояния двоичных логических элементов на противоположное, позволяет посредством коммутации вентилей выполнять элементарные логические и арифметические действия, а также передавать требуемые операнды в функциональные части микроЭВМ.

  Устройство  управления в строгой последовательности в рамках тактовых и цикловых временных  интервалов работы микропроцессора (такт - минимальный рабочий интервал, в течение которого совершается одно элементарное действие; цикл - интервал времени, в течение которого выполняется одна машинная операция) осуществляет: выборку команды; интерпретацию ее с целью анализа формата, служебных признаков и вычисления адреса операнда (операндов); установление номенклатуры и временной последовательности всех функциональных управляющих сигналов; генерацию управляющих импульсов и передачу их на управляющие шины функциональных частей микроЭВМ и вентили между ними; анализ результата операции и изменение своего состояния так, чтобы определить месторасположение (адрес) следующей команды.

  Вопрос  №8

  Особенности программного и микропрограммного  управления

  В микропроцессорах используют два метода выработки  совокупности функциональных управляющих  сигналов: программный и микропрограммный.

  Выполнение  операций в машине сводится к элементарным преобразованиям информации (передача информации между узлами в блоках, сдвиг информации в узлах, логические поразрядные операции, проверка условий  и т.д.) в логических элементах, узлах и блоках под воздействием функциональных управляющих сигналов блоков (устройств) управления. Элементарные преобразования, неразложимые на более простые, выполняются в течение одного такта сигналов синхронизации и называются микрооперациями.

  В аппаратных (схемных) устройствах управления каждой операции соответствует свой набор  логических схем, вырабатывающих определенные функциональные сигналы для выполнения микроопераций в определенные моменты  времени. При этом способе построения устройства управления реализация микроопераций достигается за счет однажды соединенных между собой логических схем, поэтому ЭВМ с аппаратным устройством управления называют ЭВМ с жесткой логикой управления. Это понятие относится к фиксации системы команд в структуре связей ЭВМ и означает практическую невозможность каких-либо изменений в системе команд ЭВМ после ее изготовления.