ПособиеМПЭВС_ч2

1.1 Поколения ЭВМ и микропроцессоров

11

•по востребованным знаниям в диалоге с пользователем;

•по форме языков общения пользователя с ЭВС.

Таблица 1.1 – Сравнительные показатели ЭВМ

Определяющие свойства		Поколения ЭВМ
поколения ЭВМ	1		2	3	4	5		6
Операционная среда:
— искусственный «разум»;	0		0	0	0	0		1
а) машина:
— интеллектуальная;	0		0	0	0	1		Х
— объектная;	0		0	0	1	Х		Х
— виртуальная;	0		0	1	Х	Х		Х
— процедурная;	0		1	Х	Х	Х		Х
— реальная.	1		Х	Х	Х	Х		Х
Уровень знаний:
— метазнания;	0		0	0	0	0		1
а) знания:
— общие;	0		0	0	0	1		1
— проблемные;	0		0	0	1	1		1
— системные;	0		0	1	1	1		1
— интерфейсные;	0		1	1	1	1		1
— процедурные.	1		1	1	1	1		1
Языки общения:
— естественные;	0		0	0	0	0		1
— прикладные;	0		0	0	0	1		1
— функциональные;	0		0	0	1	1		1
— диалоговые;	0		0	1	1	1		Х
— процедурные;	0		1	1	1	Х		Х
— машинные	1		1	1	Х	Х		Х

Примечание: 1/0 — наличие/отсутствие свойства; Х — необязательное свойство.

К первому поколению отнесены ЭВС, построенные на электронно-вакуумных лампах. Структура классического варианта ЭВМ этого уровня приведена на рисунке 1.1.

Информационные и адресные сигнальные связи на рисунке 1.1 изображены непрерывными линиями, а управляющие сигнальные связи изображены штриховыми линиями. Для ЭВМ первого поколения характерен метод непосредственного общения оператора-пользователя с машиной через пульт управления ПУ. В структуре ЭВМ присутствуют устройство управления (УУ), операционное устройство (ОУ), устройство ввода Увв программы и данных и устройство вывода Увыв результатов расчёта. В работе с машинами этого поколения автоматизировались процедурные вычисления на языке кодовых представлений и команд, и данных. Поэтому подготовка и отладка программы была достаточно трудоёмкой.

Элементной базой машин второго поколения (с конца 50-х годов) стали полупроводниковые транзисторы, что существенно повысило надежность, способ-

12	Глава 1. Введение

Рис. 1.1 – Структурная схема ЭВМ первого поколения

ствовало снижению энергопотребления, уменьшению массы и габаритов ЭВМ, увеличению приемлемого количества оборудования в машине. Структурная схема ЭВМ второго поколения приведена на рисунке 1.2. Во втором поколении проявилась дифференциация ЭВМ по назначению. Были реализованы машины для научных расчетов, для решения экономических задач и управления производственными процессами. К построению второго поколения ЭВМ актуализировалась проблема эффективного использования оборудования. Для её преодоления был принят принцип многопрограммной работы машины, когда в памяти машины одновременно находится полностью или частично информация, относящаяся к различным программам. В технике многопрограммной работы базовым стал принцип пакетной обработки данных и были реализованы первые программы операционного управления прохождением пакета программ (программы «Супервизор»), поддержки ввода, размещения, перемещения программ и данных в памяти (программы «Загрузчик»).

Рис. 1.2 – Структурная схема ЭВМ второго поколения

1.1 Поколения ЭВМ и микропроцессоров

13

Пакетная обработка, увеличив эффективность использования оборудования машины, увеличила скорость прохождения через машину совокупности задач. При этом, естественно, возросло и время получения решения для каждой отдельной задачи.

Во втором поколении развитие получили процедурно-ориентированные алгоритмические языки (см. табл. 1.1), ориентированные на определенные классы задач, не зависящие от аппаратной реализации машин. Это заложило основы программной совместимости машин и позволило использовать запас программ, написанных для одной машины, на машинах других моделей.

Элементной базой машин третьего поколения (с середины 60-х годов) стали интегральные микросхемы. Структурная схема ЭВМ этого поколения изображена на рисунке 1.3. В третьем поколении расширились возможности повышения надежности, уменьшения стоимости и габаритных размеров схем, снижения энергопотребления, повышения степени интеграции ЭВМ. В ЭВМ третьего поколения продолжено развитие центрального процессора, структуры иерархической памяти, периферийных средств, расширены функции системы прерывания программ.

Рис. 1.3 – Структурная схема ЭВМ третьего поколения

Для программного обеспечения ЭВМ третьего поколения характерно совершенствование операционных систем, средства которых направлены на комплексную автоматизацию процессов математической и технической эксплуатации машин. В машинах третьего поколения стало возможным перейти от режима пакетной обработки к многопрограммному использованию ЭВМ в режиме разделения времени, когда несколько пользователей могли работать на машине одновременно. Изменение «интеллекта» ЭВМ третьего поколения отражено в таблице 1.1. Развитие концепции совместного использования (разделения) ресурсов ЭВМ многими пользователями привело в 3-м поколении к формированию принципа виртуального

14	Глава 1. Введение

распределения ресурсов — по потребности, а не по возможности. В рамках этого принципа каждому пользователю по запросу из независимых вычислительных процессов «одновременно» виртуально предоставляются затребованные ресурсы: центральный процессор, основная память, подсистема ввода/вывода, периферийные и программные средства.

Четвертое поколение ЭВМ (с середины 70-х годов) в качестве основной эле- ментно-технологической базы использует микросхемы функциональных устройств

ЭВМ (микропроцессоры (МП), память, коммутаторы, интерфейсные модули, преобразователи и т. д.) с высокой степенью интеграции. Высокая степень интеграции элементной базы способствовала снижению стоимости, повышению надежности и быстродействия, уменьшению габаритов и энергопотребления машин. Устойчивой тенденцией классификации в четвёртом поколении стал критерий «интеллектуализации» и переход на объектные операционные системы, системные знания, функциональные языки программирования, проектирование и производство многопроцессорных микро- и мини-ЭВМ на базе микропроцессоров и однокристальных микро-ЭВМ, а также больших многопроцессорных ЭВМ на базе специализированных по назначению микропроцессоров. Становлению четвёртого поколения ЭВМ способствовало появление в 1971 года первых микропроцессоров.

Первый микропроцессор под обозначением i4004 был представлен группой разработчиков в составе Т. Хоффа, Ф. Феджина, С. Мэйзора в ноябре 1971 года. Микропроцессор работал со средней длительностью цикла исполнения команды (10–12) мкС и мог адресовать 212 ячеек общей памяти команд и данных. Функциональные узлы, включая файл 16-и четырёхразрядных регистров общего назначения (РОНов) операционного устройства, объединялись между собой 4-разрядной шиной данных. Для РОНов была предусмотрена возможность переключения в удвоенный формат.

С апреля 1972 г. фирмой Intel была представлена модификация МП i8008 с восьмиразрядным форматом машинного слова. Этот МП имел среднюю длительность цикла исполнения команды 20 мкС. Свойство удвоения формата РОНов было сохранено. Два РОНа были применены для косвенной адресации доступа к общей памяти команд и данных объёмом до 214 байт.

Процесс становления первого поколения МП был завершён к 1974 году созданием полного восьмиразрядного МП i8080. Минимальная длительность командного цикла МП составила 2 мкс. Объем памяти, адресуемой процессором, был увеличен до 216 байт. На рисунке 1.4 показана хронологическая зависимость интеграции элементов для наиболее характерных моделей МП в период 70–80-х годов 20-го века. В процесс совершенствования и производства новых моделей МП включилось множество фирм. На рисунке 1.4 выборочно показаны позиции для фирм Zilog (Z), Motorola (MC), Inmos (T), Hewlett Packard (HP). Если поколения МП характеризовать удвоением разрядности машинных слов, то на рисунке 1.4 приведены три поколения МП: восьмиразрядные МП (i8080, i8085, МС6800, Z80), 16-разрядные МП (i8086, Z8000, MC 6800) и 32-разрядные (iAPX–432, MC68020, HP Focus, T414, i80386).

1.2 Классификация микропроцессоров

15

Рис. 1.4 – Эволюция интеграции элементов МП первых поколений

1.2 Классификация микропроцессоров

Микропроцессоры классифицируются по модульности состава, по специализации назначения, по архитектуре шин, по архитектуре средств доступа и обработки данных, по виду обрабатываемых входных сигналов, по структуре и формату команд, по изменяемости команд.

По модульности состава выделяются однокристальные, многокристальные, секционные МП.

Однокристальные микропроцессоры реализуются в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). Возможности однокристальных микропроцессоров ограничены размерами кристалла и корпуса.

Многокристальность исполнения микропроцессора вследствие этого становится необходимой. Логическая структура процессора делится на функционально законченные части и реализуется совокупностью частей. Функциональные модули многокристального микропроцессора выполняют заранее определенные функции и часто могут применяться автономно в составе «микропроцессорного комплекта».

Один из вариантов предусматривает разбиение структуры процессора по функциональному назначению на три части: управляющую, операционную, ввода/вывода. Другой вариант предусматривает разбиение микропроцессора (возможно его функциональных частей) на секции равной разрядности. Секции исполняются на отдельных кристаллах, и в них предусматриваются средства наращивания разрядности параллельным включением секций. Микропроцессоры такого исполнения получили наименование многокристальных секционных (разрядно-модульных МП).

По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры. Универсальные микропроцессоры применяются для обработки данных и в управлении процессами. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики задач.

Специализация МП, его проблемная ориентация позволяет снизить затраты материальных средств и времени на построение устройств автоматизации, увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач. Среди

16	Глава 1. Введение

специализированных МП можно выделить процессоры, архитектурно ориентированные:

•на построение микроконтроллеров;

•выполнение сложных последовательностей логических операций;

•ускоренное выполнение математических преобразований и арифметических вычислений;

•выполнение параллельной обработки потоков данных.

По архитектуре шин различают одно- и многошинные.

Водношинных МП устройства состава имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой магистрали, по которой передаются коды данных, адресов

иуправляющих сигналов.

Вмногошинных МП устройства внешнего взаимодействия группами подключаются к раздельным информационным шинам или функционально разделённым шинам. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность. В свою очередь, общая шина контроля состояния или управления объектом может быть совмещенной

ираздельной для потоков адресации, управления, информационного обмена.

По архитектуре средств доступа и обработки данных различают МП с последовательным доступом к совмещённой памяти команд и данных (архитектура по фон Нейману—принстонская) и с параллельным доступом к раздельной памяти команд и данных (гарвардская архитектура) и, как следствие, с параллельной обработкой данных.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые

микропроцессоры.

В цифровых процессорах входные и выходные информационные сигналы являются двоичными кодами. Состав таких процессоров представлен цифровыми устройствами.

Входные и выходные информационные сигналы (или один из них) аналоговых МП являются непрерывными функциями времени. В таких МП имеются встроенные преобразователи непрерывного сигнала в цифровые коды, процессор специализированной программно-аппаратной обработки полученных кодов, преобразователи цифровых кодов в непрерывную форму. Аналоговые МП выполняют функции аналоговых устройств (генераторы сложных сигналов, модуляторы, фильтры, кодеры и декодеры сигналов в реальном масштабе времени и т. д.).

По структуре и формату команд МП подразделяют на МП с расширенной (Complete Instruction System Comand) и сокращённой (Reduce Instruction System Comand) системой команд. В классе МП с сокращённой системой команд предпочтение отдано архитектурам, поддерживающим работу однословными командами, выборка которых выполняется за одно обращение к памяти команд.

По временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные

иасинхронные.

Всинхронных микропроцессорах начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

1.3 Базовые параметры МП

17

Васинхронных микропроцессорах начало выполнения каждой следующей операции определяется по фактическому окончанию выполнения предыдущей операции.

По возможности изменения команд различают МП с фиксированной и изменяемой системой команд.

Вмикропроцессорах с фиксированной системой команд изменение кодировки команд при фиксированном составе доступных объектов МП не предусмотрено.

ВМП с изменяемой системой команд предусматривается перекодировка команд при фиксированном или изменяемом составе доступных управлению объектов МП. В современных исполнениях МП названный признак классификации может быть реализован в МП с микропрограммной интерпретацией инструкций, включая инструкции языков высокого уровня.

1.3Базовые параметры МП

Ккатегории важных показателей МП следует отнести:

•производительность МП;

•емкость и состав внутренней и внешней памяти;

•состав внутренних ресурсов по связи с объектами внешней среды;

•нагрузочные параметры для подключения внешних нагрузок;

•конструктивное исполнение и массогабаритные показатели;

Производительность МП определяется временем переключения базовых элементов аппаратного состава и совокупностью архитектурных черт, таких, как разрядность слов, форма представления чисел, организационная совмещённость процессов доставки и обработки информации и др. Во внешнем проявлении производительность характеризуется тактовой частотой, временем исполнения операций, числом быстрых, медленных, средних по длительности операций в секунду. Реальная производительность оценивается при решении конкретных задач.

Состав и ёмкость памяти определяет возможности МП по выполнению программ. Память программ и данных МП преимущественно допускает возможность расширения.

Состав внутренних ресурсов по связи с объектами внешней среды определяет возможности МП по контролю времени, по преобразованиям амплитуд, частот, по генерации сигналов, по резервам обработки сигналов.

Нагрузочные параметры для подключения внешних нагрузок характеризуют МП по согласованию сигнальных входов-выходов с объектами окружения. Измеряются числом подключаемых элементов с типовым входом.

Конструктивное исполнение и массогабаритные показатели современных МП зависят от назначения, условий эксплуатации, разветвлённости внешних связей.

1.4 Модели архитектур МП-техники

Микропроцессоры, как элементная база микроконтроллеров и микропроцессорных систем, выпускаются множеством фирм, перекрывают широкий спектр

18	Глава 1. Введение

запросов по построению программно управляемых устройств. На этом фоне важным представляется грамотно оценивать возможности МП с учётом специфики тех приложений, в которых возникает потребность их применить. Многообразие исполнений МП и широкие перечни их модификаций следует рационально использовать, освоив технику применения наиболее типичных представителей этих многообразий. В информационном плане ознакомлению с техникой МП и с вопросами построения микропроцессорной аппаратуры посвящено множество технических

иметодических материалов. В глобальной сети программные средства интегрированных систем проектирования, программирования и отладки устройств с микропроцессорами фирм производителей МП. И тем не менее опыт взаимодействия со слушателями дисциплины показывает актуальность проведения систематического учебного анализа базовых аспектов организации состава, функционирования

иприменения МП в микроконтроллерных проектах. За основу приняты две модификации МП, одна из которых соответствует открытой шинной модификации модели процессора с принстонской архитектурой с внешними ресурсами памяти

ипериферийных средств. Другая модификация является классической гарвардской моделью со встроенными ресурсами памяти и электронных аналогов периферийных средств (счётчики, преобразователи, порты подключения и пр.).

1.5Контрольные вопросы по главе 1

1)Какое основное отличие имеет «Гарвардская» ЭВМ от ЭВМ фон Неймана?

2)Какое основное отличие соответствует понятиям «команда» и «микрокоманда»?

3)К какой из подсистем ЭВМ относится её пульт управления? Что есть пульт управления ПЭВМ?

4)Определите понятия «мультиплексный», «селекторный» «каналы ЭВМ»? Приведите примеры таких каналов в ПЭВМ.

5)Какие сигнальные потоки и по какому назначению соответствуют подсистемам ЭВМ?

6)По каким критериям определяются поколения ЭВМ? Какие критерии характеризуют поколения ЭВМ выше третьего?

7)Какие функции в ЭВМ первого поколения соответствовали пульту управления?

8)Что означает понятие процедурная ориентация алгоритмических языков по отношению к ресурсам ЭВМ?

9)В каком поколении ЭВМ проявились принципы виртуального определения, назначения и распределения ресурсов?

10)Какие составляющие образуют подсистему памяти ЭВМ?

11)Чем отличаются подсистемы ввода/вывода и ПУ?

12)По каким составляющим сравнивается «интеллект» ЭВМ?

1.5 Контрольные вопросы по главе 1

19

13)Какие структурные отличия имеет третье поколение ЭВМ относительно второго поколения?

14)Какие варианты деления на модули применяются в многокристальных МП?

15)Что означает понятие «изменяемая система команд» для микропроцессоров?

Глава 2

АРХИТЕКТУРА И СТРУКТУРА ПРОЦЕССОРА

2.1 Общие сведения

Концептуально современный микропроцессор является носителем функций, которым по определению соответствует ЭВМ. В процессоре на аппаратном уровне поддерживаются процессы автоматического функционирования, процессы автоматического и управляемого по командам извне хранения и преобразования информации. Все эти процессы поддерживаются средствами коммуникации с внешним окружением. Изменяющиеся по мере развития техники возможности и потребности совершенствования технических ресурсов в первую очередь отражаются на ресурсах объектов состава процессора. В микропроцессорном исполнении присутствует часть подсистем ЭВМ (управление, обработка, хранение, протокольные функции ввода-вывода).

2.2 Структура и подсистемы аппаратных средств МП

Укрупнённый объектный состав аппаратных средств микропроцессора представляется структурной электрической схемой, изображённой на рисунке 2.1. На рисунке 2.1 по функциональному назначению выделены структурные модули управляющего (УУ), операционного (ОУ) устройств и устройство передачи информации (УПИ) между ОУ, УУ внутри и вне процессора. В соединениях с внешним окружением на рисунке УПИ представлено модулями буферов адреса и команд/данных.

Каждый из перечисленных объектов может быть в большей или меньшей степени развит по функциям, по составу, по автономности управления, но каждый из них является составной частью общего комплекса, являясь его функциональной подсистемой.