Общая структура МПС

• переход на более прогрессивные технологии n-МОП и КМОП, позволившие повысить быстродействие МП до 2..2,5 МГц (200..500 тыс. операций RR), снизить потребление мощности (КМОП);
• значительные архитектурные отличия: расширение системы операций, использование широкого набора способов адресации (прямая, косвенная, относительная, безадресная, непосредственная),введены подсистемы прерываний и прямого доступа в память (ПДП), предусмотрен механизм универсального стека;
• структурные отличия: шины адреса и данных разделены, уменьшено число вспомогательных ИС и СИС.

 МП-2 пришли на смену МП-1, значительно расширив сферу применения МП. Правда, МП-1 (по признаку технологии p-МОП) возродились позже в новом качестве - дешевых приборов бытовой электроники.

 Другая судьба ожидала МП-2. Появившиеся микропроцессоры третьего  поколения (МП-3) стали развиваться  параллельно с МП-2, причем МП-2 легли в основу т.н. однокристальных МП и микро-ЭВМ, а МП-3 - секционированных многокристальных МП.

 1.4.3. Переход к третьему поколению МП связан со стремлением к увеличению быстродействия МПС и переходом на биполярные технологии - ТТЛ и ТТЛШ.

 Исходя из соотношения dE´dt = const,

где dt - время переключения, dE - энергия  переключения

очевидно, что повышение быстродействия связано с увеличением рассеиваемой мощности, а следовательно - к снижению степени интеграции кристалла. Первые МП-3 приборы были двухразрядными, что не приводило к увеличению производительности МП, хотя тактовая частота увеличивалась значительно (на порядок). Это обстоятельство повлекло значительные структурные изменения в МП-3 по сравнению с МП-2:

• микропроцессоры выпускаются в виде секций со средствами межразрядных связей, позволяющими объединять в одну систему произвольное число секций для достижения заданной разрядности. В состав секций включалось АЛУ, РОН и некоторые элементы УУ;
• устройство управления вынесено на отдельный кристалл (группу кристаллов), общий для всех процессорных секций;
• за счет резерва внешних выводов (малая разрядность) предусмотрены отдельные шины ввода и вывода данных, адреса, причем данные от разных источников вводились по различным шинам. Так, первый МП-3 i3000 (серия К589 - отечественный аналог) имел три двухразрядные входные шины данных (от памяти, УВВ и УУ) и две выходные шины - данных и адреса;
• кристаллы управления реализуют УУ с программируемой логикой, что позволяет достаточно легко реализовать практически любую систему команд на фиксированной структуре операционного устройства.

 1.4.4. Тенденции развития поколений. В настоящее время технология не является решающим фактором классификации МП, ибо появились разновидности технологий одного типа, обеспечивающие очень широкий спектр характеристик МП, широкое распространение получили комбинированные технологии (например, И2Л + ТТЛШ).

 Современные микропроцессоры  принято разделять на два больших  класса : однокристальные и многокристальные. В свою очередь, однокристальные МП можно разделить на собственно микропроцессоры и однокристальные микро-ЭВМ.

 Направление развития однокристальных  МП - непрерывное наращивание вычислительной мощности процессора за счет увеличения разрядности, расширения системы команд, появления дополнительных функций - Кэш-памяти, конвейера операций, встроенных процессоров плавающей запятой, аппаратной поддержки виртуальной памяти и др.

 Однокристальные микро-ЭВМ,  сохраняя вычислительную мощность  процессора практически неизменной (на уровне 8-разрядного МП), содержат на кристалле все элементы МПС : тактовый генератор, память программ и данных, контроллеры параллельного и последовательного ввода/вывода, контроллеры прерываний, таймеры, а некоторые микро-ЭВМ - АЦП и ЦАП и другие спец. средства (например, динамические схемы управления восьмисегментной индикацией). Такие БИС можно непосредственно подключать к периферийным устройствам для создания микро-ЭВМ или включать в контур управления.

 Многокристальные микропрограммируемые МП используются как элементная база "больших" ЭВМ или специализированных средств, для которых характерны нетрадиционные параметры.

 На Рис. 0.1 показаны направления развития различных типов МПС.

 

 

Рис. 0.1. Микропроцессоры (дерево развития)

 

Из Рис. 0.1 видно, что наиболее многочисленное (и распространенное в мире) семейство микропроцессоров - INTEL. Далее будем иллюстрировать основные положения курса примерами организации МП этого семейства : однокристальные МП - i8080-i8086-i80286-i80386-i80486-Pentium-PentiumPro; однокристальные микро-ЭВМ - i8035-i8051/52

 

 

4. Шинная организация IBM PC

 

В основу архитектуры IBM PC изначально был положен принцип открытости, который стал ее отличительной чертой. Основные конкуренты IBM в области персональных машин пришли к этому только через несколько лет после того, как указанный принцип позволил персональным компьютерам фирмы IBM практически завоевать компьютерный рынок.

Принцип открытости, строго говоря, основывается во-первых, на чрезвычайно развитой в IBM PC системе прерываний, которая позволяет “подключать” программы пользователя ко всем ресурсам системы на любом уровне, доступном пользователю, а во-вторых, на системе шин, организующей информационные потоки таким образом, чтобы не только позволить пользователю подключать к ресурсам процессора свои аппаратные средства (возможно, нестандартные), но и дать возможность самой архитектуре совершенствоваться и развиваться за счет введения дополнительных или новых компонентов без каких-либо принципиальных изменений в организации информационных потоков.

Принципы организации открытой системы прерываний будут рассмотрены  ниже в отдельном разделе, а здесь  остановимся на шинной организации информационных потоков, которая берет свое начало с первой модели IBM PC и эволюционирует сегодня. Как Вам известно из курса "Организации ЭВМ", шину микрокомпьютера образует группа линий передачи сигналов с адресной информацией, информацией о передаваемых данных, а также управляющих сигналов. Фактически ее можно разделить на три части: адресную шину, шину данных и шину управления.

Уровни этих сигналов в каждый момент времени определяют состояние всей вычислительной системы  в этот момент. Далее мы привяжем обсуждение этих принципов функционирования к конкретной архитектуре ЭВМ, совместимых с IBM PC AT-286 и 386. На рис.2.1 изображено ядро гипотетической вычислительной системы, включающей, например, синхрогенератор i82284, микропроцессор i80286 и математический сопроцессор i80287, а также шинный контроллер i82288.

Рис 2.1. Шины компьютера.

Кроме того, показаны три шины: адреса, данных и управляющих сигналов. Синхрогенератор  генерирует тактовый сигнал CLK для синхронизации  внутреннего функционирования процессора и других микросхем. Сигнал RESET производит сброс процессора в начальное состояние. Сигнал READY, также формируется с помощью синхрогенератора, предназначен для удлинения циклов шины при работе с медленными периферийными устройствами. На адресную шину, состоящую из 24 линий, микропроцессор i80286 выставляет адрес байта или слова, которые будут пересылаться по шине данных в процессор или из него. Кроме того, шина адреса используется микропроцессором для указания адресов (номеров) периферийных портов, с которыми производится обмен данными.

Шина данных состоит из 16 линий, по которым возможна передача как  отдельных байтов, так и двухбайтовых слов. При пересылке байтов возможна передача отдельно как по старшим 8 линиям, так и по младшим. Шина данных двунаправленна, т.к. передача байтов и слов может производиться как в микропроцессор, так и из него. Шина управления формируется сигналами, во-первых, поступающими непосредственно от микропроцессора, во-вторых, сигналами, сформированными системным контроллером, и, в-третьих, сигналами, идущими к микропроцессору от других микросхем и периферийных адаптеров. Микропроцессор использует системный контроллер для формирования управляющих сигналов, определяющих правила переноса данных по шине. Он выставляет три сигнала S0, S1, M/IO (выводы 5, 4 и 65), которые определяют тип цикла шины (подтверждение прерывания, чтение порта ввода/вывода, запись в порт ввода/вывода, останов, чтение памяти, запись в память). На основании значений этих сигналов системный контроллер формирует управляющие сигналы, определяющие последовательность процессов данного типа цикла шины.

Для того чтобы понять динамику работы шины, разберем, каким образом процессор  осуществляет чтение слова из оперативной  памяти. Это происходит в течение  четырех тактов CLK (тактовых импульсов на входе 31 микропроцессора), или двух внутренних состояний процессора (т.е. каждое состояние процессора длится 2 такта синхросигнала CLK). Во время первого состояния, обозначаемого как Ts, процессор выставляет на адресную шину значение адреса, по которому будет читаться слово. Кроме того, он формирует на шине совместно с шинным контроллером соответствующие значения управляющих сигналов. Эти сигналы и адрес обрабатываются схемой управления памятью, в результате чего, начиная с середины второго состояния процессора Ts (т.е. в начале четвертого такта CLK) на шине данных появляется значение содержимого соответствующего слова из оперативной памяти. И, наконец, процессор считывает значение этого слова с шины данных. На этом перенос (копирование) значения слова из памяти в процессор заканчивается.

 

5. Организация  системы шин L, S, X и M в компьютере  РС/АТ

 

Следует отметить, что описанная  выше система из одной, разбитой на три секции, шины, использовалась лишь в древних ЭВМ класса IBM PC XT. Имея название “Общая шина”, она и впрямь пронизывала весь компьютер, позволяя соединить в каждый момент времени процессор с одним из приборов памяти либо одним из контроллеров периферийных устройств. На самом деле в нашем компьютере имеется не одна, а несколько шин (см.рис.2.2). Основных шин четыре, и обозначаются они как L-шина, S-шина, М-шина и X-шина. Нами только что рассматривалась L-шина (или локальная шина), линии адреса и данных которой связаны непосредственно с микропроцессором. Можно ввести понятие удаленности шины от процессора, считая, что чем больше буферов отделяют шину, тем она более удалена от процессора. Тогда L-шина может считаться ближайшей к процессору.

Рис 2.2. Шинная организация IBM PC AT

Основной шиной, связывающей компьютер  в единое целое, является S-шина, или системная шина, к которой, кроме того, подключаются адаптеры периферийных устройств, не входящих в состав системного ядра. Именно она выведена на 8 специальных разъемов-слотов. Эти слоты хорошо видны на системной плате компьютера: в них установлены платы периферийных адаптеров (дисплея, флоппи-диска, винчестера, мыши и т.д.).

При переходе с шины L на шину S сигналы  процессора должны претерпеть определенную трансформацию. В частности, максимальная нагрузочная способность линий  микропроцессора не превышает одного TTL входа, так как максимальный выходной ток этих линий не должен превышать 1мА. Поэтому между линиями L - шины и S - шины должны располагаться буферные элементы, повышающие мощность выводов как минимум в сто раз. Кроме того, шина данных микропроцессора, как мы увидим в дальнейшем, не всегда должны соединяться с остальными частями ЭВМ. При выполнении так называемого внепроцессорного обмена микропроцессор вообще должен быть отключен от остальных схем компьютера.

Защелкивание (этот распространенный в среде инженеров - электронщиков термин обозначает сохранение информации в регистре) кода адреса необходимо по следующей причине. К тому моменту, когда на шинах данных появляется информация, подлежащая перемещению в микропроцессор или из него, должен уже быть подготовлен тракт передачи этой информации от источника к приемнику, проходящий через систему шин и образованный целым набором буферных усилителей и шинных формирователей. Как известно, переключение выводов микросхем из высокоимпедансного состояния в рабочее, а также переключение направления передачи информации требует определенного времени. Кроме того, время затрачивается на дешифрацию элементов, участвующих в данном обмене. Следовательно, адресная информация должна быть выставлена на шину заблаговременно - еще в конце машинного цикла, предшествующего циклу рассматриваемого обмена, и сохраняться в регистре. Кроме того, для максимально возможного увеличения скорости обмена адресная информация, необходимая для дешифрации периферийных микросхем, вообще фиксируется и участвует в подготовке обмена начиная примерно с середины предыдущего цикла. Этот вариант адреса, образующийся на линиях LA(17) - LA(23), и соответствующий адресу обмена в следующем цикле, меняется уже тогда, когда на остальных линиях адреса системной шины еще присутствует информация, соответствующая адресу обмена в текущем цикле.

6. Передача информации в МПС

При организации последовательного  обмена ключевыми могут считаться  две проблемы:

1. синхронизацию битов передатчика и приемника;
2. фиксацию начала сеанса передачи.

 

В МПС существует три способа  передачи информации:

 

• асинхронный;
• синхронный;
• смешанный.

 

Асинхронный способ характеризуется  тем, что сигналы передаются с произвольными промежутками времени.

Синхронный способ характеризуется тем, что сигналы передаются строго периодично во времени.

Смешанный способ характеризуется  тем, что байты передаются асинхронно, а биты внутри байтов синхронно.

 

Асинхронный способ

 

Асинхронный способ обеспечивает передачу информации по единственной линии. Для надежной синхронизации обмена в асинхронном режиме

1. передатчик и приемник настраивают на работу с одинаковой частотой;
2. передатчик формирует стартовый и стоповый биты, отмечающие начало и конец посылки;
3. передача ведется короткими посылками (5..9 бит), а частоты передачи выбираются сравнительно низкими.