Архитектура машины. Архитектура машины Общий обзор машины. Архитектура микропроцессора. Форматы команд. Адресация

Название	Архитектура машины Общий обзор машины. Архитектура микропроцессора. Форматы команд. Адресация
Дата	22.02.2020
Размер	1.25 Mb.
Формат файла
Имя файла	Архитектура машины.pptx
Тип	Документы #109431

Архитектура машины

Общий обзор машины. Архитектура микропроцессора. Форматы команд. Адресация

В основу построения большинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в 1945 г. Джоном фон Нейманом:

1. Принцип программного управления (программа состоит из набора команд,

которые выполняются процессором автоматически друг за другом в заданной последовательности).

2. Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).

3. Принцип адресности (основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек).

ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру (архитектуру фон Неймана).

Архитектура ЭВМ

1) это описание совокупности устройств и блоков ЭВМ, а также связей между ними;

2) это описание принципа действия ЭВМ.

Архитектура определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов ЭВМ:

центрального процессора;
периферийных процессоров;
оперативного ЗУ (запоминающего устройства);
внешних ЗУ;
периферийных устройств.

Совокупность материальных компонент компьютера, в которых реализуются различные информационные процессы, называется аппаратным обеспечением, или оборудованием ПК.

Совокупность программ, под управлением которых работает компьютер, называется программным обеспечением (ПО).

Основные понятия и характеристики архитектуры микропроцессоров

Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки и выполнено в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, основу которой составляет микропроцессор.

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

- арифметико-логическое устройство;

- шины данных и шины адресов;

- регистры;

- счетчики команд;

- кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 4096Кбайт);

- математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Архитектура микропроцессора

Устройство разделения на страницы

Декодер

Арифметико-логическое устройство

Регистры

Управляющее устройство

Устройство защитного тестирования

Устройство разбиения на сегменты

Устройство предпочтительного доступа

Устройство сопряжения с шиной

Устройство сопряжения с шиной управляет связями между микропроцессором и другими узлами автомата, также регулирует обмен информацией между отдельными компонентами микропроцессора.
Устройства разделения на страницы и сегменты помогают устройству сопряжения с шиной устанавливать местонахождение информации.
Управляющее устройство дает команды остальным частям процессора собирать данные, производить вычисления и хранить результаты.
Электрическая схема арифметико-логического устройства осуществляет вычисления в мик

Устройство защитного тестирования проверяет, чтобы в команды и вычисления не вкралась ошибка.
Устройство предпочтительного доступа выстраивает последовательность команд для декодера, который осуществляет их перевод.
Декодер преобразует входные данные в форму, в которой исполняющее устройство может их обрабатывать.
Регистры предназначены для временного хранения данных, необходимые процессору, и промежуточных результатов вычислений.

Характеристики процессора

1. Тактовая частота микропроцессора.

Тактовая частота микропроцессора - количество импульсов, создаваемых генератором за 1 секунду.

Влияет на скорость работы микропроцессора. Чем выше тактовая частота, тем выше его быстродействие.

2. Быстродействие микропроцессора.

Быстродействие микропроцессора - это число элементарных операций, выполняемых микропроцессором в единицу времени (операции/секунда).

3. Разрядность пpоцессоpа.

Разрядность пpоцессоpа - максимальное количество pазpядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно.

ЧИПСЕТ

Чипсет (chipset) — это базовый набор микросхем, определяющий архитектуру взаимодействия всех основных подсистем компьютера.

В ДАННОМ СЛУЧАЕ ЧИПСЕТ СНАБЖЕН СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ

По своей архитектуре микропроцессоры разделяются на несколько типов

Универсальные микропроцессоры

предназначены для решения задач цифровой обработки различного типа информации от инженерных расчетов до работы с базами данных, не связанных жесткими ограничениями на время выполнения задания. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. К нему относятся такие известные микропроцессоры, как МП ряда Pentium фирмы Intel и МП семейства Athlon фирмы AMD.

Характеристики универсальных микропроцессоров:

разрядность: определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ);
виды и форматы обрабатываемых данных;
система команд, режимы адресации операндов;
емкость прямоадресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса;
частота внешней синхронизации. Для частоты синхронизации обычно указывается ее максимально возможное значение, при котором гарантируется работоспособность схемы. Для функционально сложных схем, к которым относятся и микропроцессоры, иногда указывают также минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. В то же время в тех применениях МП, где не требуется высокое быстродействие, снижение частоты синхронизации - одно из направлений энергосбережения. В ряде современных микропроцессоров при уменьшении частоты он переходит в <спящий режим>, при котором сохраняет свое состояние. Частота синхронизации в рамках одной архитектуры позволяет сравнить производительность микропроцессоров. Но разные архитектурные решения влияют на производительность гораздо больше, чем частота;
производительность: определяется с помощью специальных тестов, при этом совокупность тестов подбирается таким образом, чтобы они по возможности покрывали различные характеристики микроархитектуры процессоров, влияющие на производительность.

Универсальные микропроцессоры принято разделять на CISC - и RISC-микропроцессоры.

CISC-микропроцессоры (Completed Instruction Set Computing - вычисления с полной системой команд) имеют в своем составе весь классический набор команд с широко развитыми режимами адресации операндов. Именно к этому классу относятся, например, микро процессоры типа Pentium.

Однокристальные микроконтроллеры (ОМК или просто МК)

предназначены для использования в системах промышленной и бытовой автоматики. Они представляют собой большие интегральные схемы, которые включают в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор (как правило, целочисленный), ЗУ команд, ЗУ данных, генератор тактовых сигналов, программируемые устройства для связи с внешней средой (контроллер прерывания, таймеры-счетчики, разнообразные порты ввода/вывода), иногда аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т. д. В некоторых источниках этот класс микропроцессоров называется однокристальными микро-ЭВМ (ОМЭВМ).

Отличительные особенности архитектуры однокристальных микроконтроллеров:

физическое и логическое разделение памяти команд и памяти данных (гарвардская архитектура), в то время как в классической неймановской архитектуре программы и данные находятся в общем запоминающем устройстве и имеют одинаковый механизм доступа;
упрощенная и ориентированная на задачи управления система команд: в МК, как правило, отсутствуют средства обработки данных с плавающей точкой, но в то же время в систему команд входят команды, ориентированные на эффективную работу с датчиками и исполнительными устройствами, например, команды обработки битовой информации;
простейшие режимы адресации операндов.

Секционированные микропроцессоры (другие названия: микропрограммируемые и разрядно-модульные) -

это микропроцессоры, предназначенные для построения специализированных процессоров. Они представляют собой микропроцессорные секции относительно небольшой (от 2 до 16) разрядности с пользовательским доступом к микропрограммному уровню управления и средствами для объединения нескольких секций.

Форматы команд. Адресация в микропроцессорах

Входное воздействие в виде двоичного кода, предназначенное для управления микропроцессором, называется командой. Ее главная функция — выполнение операций над данными. Команда предписывает шаги по реализации микропроцессором заданной операции, представляющей собой функционально завершенное действие, которое определяется типом используемых данных, источником их получения, операцией над ними, приемником размещения результата, источником получения следующей команды. Машинное представление команды в памяти, состоящее из ряда нулей и единиц, называется объектным кодом команды. Для лучшего восприятия команды используется ее символическое обозначение или мнемокод

В формате команды должны быть определены:

функциональное назначение операции в виде кода операции;
адреса источников данных. В общем случае должны быть указаны адреса двух операндов;
адрес места расположения результата;
адрес следующей команды.

Форматы команд некоторых процессоров.

Достаточно простые форматы имеют команды процессора 8080. Длина команд составляет от 1 до 3 байт. Код операции всегда размещается в первом байте команды. Второй и третий байты отводятся под непосредственные данные, адрес порта или ячейки памяти. В командах допускается явное задание только одного адреса памяти. Поэтому система команд процессора 8080 относится к классу одноадресных.

Адресация в микропроцессорах

При выполнении тех или иных операций над данными в команде должна быть приведена информация о месте нахождения исходных операндов и размещения результата. Для этого используются различные способы адресации, позволяющие определить исполнительный адрес. Следует выделить:

● однокомпонентные способы адресации, при которых исполнительный адрес

задается единственным значением в команде;

● многокомпонентные способы адресации, при которых исполнительный адрес получается в результате суммирования содержимого двух и более источников адресов.

● в явной форме, при которой используются специальные символы: # — непосредственная адресация; @ — косвенная адресация; % — регистровая адресация; (…)+, –(..) — постинкрементная и предекрементная адресация и др.;

Архитектура машины. Архитектура машины Общий обзор машины. Архитектура микропроцессора. Форматы команд. Адресация