Архитектура и структура микропроцессора

Архитектурой микропроцессора называется комплекс его аппаратных и программных средств, предоставляемых пользователю. В это общее понятие входит набор программно-доступных регистров и исполнительных (операционных) устройств, система основных команд и способов адресации, объем и структура адресуемой памяти, виды и способы обработки прерываний. Например, все модификации процессоров Pentium, Celeron имеют одинаковую, которая характеризуется стандартным набором регистров, предоставляемых пользователю, общей системой основных команд и способов организации и адресации памяти, одинаковой реализацией защиты памяти и обслуживания прерываний.

При описании архитектуры и функционирования процессора обычно используются его представление в виде совокупности программно-доступных регистров, образующих регистровую ли программную модель. В этих регистрах содержатся обрабатываемые данные (операнды) и управляющая информация. Соответственно, в регистровую модель входит группа регистров общего назначения служащих для хранения операндов, и группа служебных регистров, обеспечивающих управление выполнением программы и режимом работы процессора, организацию обращения к памяти (защита памяти, сегментная и страничная организация и др.).

Регистры общего назначения образуют РЗУ – внутреннюю регистровую память процессора. Состав и количество служебных регистров определяется архитектурой микропроцессора. Обычно в их состав входят:

- программный счетчик PC (или CS + IP в архитектуре микропроцессоров Intel),

- регистры состояния SR (или EFLAGS),

- регистры управления режимом работы процессора CR (Control Register),

- регистры, реализующие сегментную и страничную организацию памяти,

- регистры, обеспечивающие отладку программ и тестирование процессора.

Кроме того, различные модели микропроцессоров содержат ряд других специализированных регистров.

Функционирование процессора представляется в виде реализации регистровых пересылок – процедур проверки и изменения состояния этих регистров путем чтения-записи их содержимого. В результат таких пересылок обеспечивается адресация и выбор команд и операндов, хранение и пересылка результатов, изменение последовательности команд и режимов функционирования процессора в соответствии с поступлением нового содержимого в служебные регистры, а также все другие процедуры, реализующие процесс обработки информации согласно заданным условиям.

Структура микропроцессора определяет состав и взаимодействие основных устройств и блоков, размещенных на его кристалле. В эту структуру входят:

- центральный процессор (процессорное ядро), состоящее из устройства управления (УУ), одного или нескольких операционных устройств (ОУ),

- внутренняя память (РЗУ, кэш-память, в микроконтроллерах – блоки оперативной и постоянной памяти),

- интерфейсный блок, обеспечивающий выход на системную шину и обмен данными с внешними устройствами через параллельные или последовательные порты ввода-вывода,

- периферийные устройства (таймерные модули, аналого-цифровые преобразователи, специализированные контроллеры),

- различные вспомогательные схемы (генератор тактовых импульсов, схемы для выполнения отладки и тестирования, сторожевой таймер и ряд других).

Состав устройств и блоков, входящих в структуру микропроцессора, и реализуемые механизмы их взаимодействия определяются функциональным назначением и областью применения микропроцессора.

Архитектура и структура микропроцессора тесно взаимосвязаны. Реализация тех или иных архитектурных особенностей требует введения в структуру микропроцессора необходимых аппаратных средств (устройств и блоков) и обеспечения соответствующих механизмов их совместного функционирования.

Важной архитектурной особенностью микропроцессоров является используемый вариант реализации памяти и организация выборки команд и данных. По этим признакам различаются процессоры с Принстонской и Гарвардской архитектурой. Эти архитектурные варианты были предложены в конце 40-х годов специалистами, соответственно, Принстонского и Гарвардского университетов США для разрабатываемых ими моделей компьютеров.

Принстонская архитектура (архитектура фон Неймана).Для размещения команд и данных используется одна и та же оперативная память, ресурсы которой перераспределяются в зависимости от решаемой задачи (рис. 1.6). Обращение к командам и данным происходит по одной и той же системной магистрали (шине).

Рис. 1.6 Структура МПС с принстонской архитектурой.

Гарвардская архитектура.Команды и данные размещаются в собственных отдельных блоках оперативной памяти (рис. 1.7) и обращение к каждому из блоков осуществляется по собственной магистрали (шине). Возможна одновременная работа этих шин.

Рис. 1.7 Структура МПС с гарвардской архитектурой.

Достоинствами систем с принстонской архитектурой являются:

-возможность эффективного распределения имеющейся оперативной памяти между командами и данными для каждой из решаемых задач;

- простота контроля функционирования микропроцессорной системы при использовании одной системной магистрали.

Основным недостатком систем с принстонской архитектурой является использование одной системной магистрали при обращении к командам и данным, что приводит к появлению узкого места (bottle neck) и снижению быстродействия микропроцессорной системы.

Недостатками систем с гарвардской архитектурой являются:

-невозможность эффективного распределения имеющейся оперативной памяти между командами и данными для каждой из решаемых задач;

- сложность контроля функционирования микропроцессорной системы при использовании нескольких системных магистралей.

Главным достоинством систем с гарвардской архитектурой является возможность повышения быстродействия системы за счет параллельного обращения микропроцессора к памяти команд и памяти данных.

Хронологически первые 15 – 20 лет применения микропроцессоров использовалась принстонская архитектура в связи с дефицитностью и высокой стоимостью оперативной памяти, но далее по мере удешевления оперативной памяти произошел переход к гарвардской архитектуре.