3501
.pdfОсновные микропроцессорные комплекты и их функциональный состав.
Наибольшее распространение получили микропроцессоры, управляемые по программам или микропрограммам. Такие МП строятся на базе ЭСЛ, ТТЛШ, КМОП, И2Л и других распространенных элементов. Современные микропроцессоры представляют собой набор БИС, соединенных между собой определенным образом, которые составляют так называемые микропроцессорные комплекты (МПК).
Микропроцессорные комплекты изготовляют в виде секционных БИС с возможностью наращивания. Исключение составляет БИС КР580ИК80А – восьмиразрядный МП, в котором можно увеличить разрядность обрабатываемых данных путем двойного пересчета. В состав секционных МПК входят как правило, п-разрядная МП секция, предназначенная для обработки информации и временного хранения результатов, схема микропрограммного УУ, а также БИС, выполняющие функции по обработке прерываний программы, синхронизации и связи с периферийными устройствами.
Возможность наращивания разрядности обрабатываемой информации и применение микропрограмм обеспечивают гибкость и широкую сферу применения секционных МПК, так как разработчик аппаратуры сам может определять набор команд.
В структуре МПК можно выделить операционную и управляющую части. Операционная часть поводит логическую обработку информации, управляющая часть декодирует команды и формирует сигналы, необходимые для выполнения той или иной операции. Каждая команда представляет собой небольшую программу, состоящую из элементарных операций. Последовательность таких команд называется микропрограммой. Очередность команд, в соответствии с которой работает управляющая часть МП, называется программой.
Первые МП строились на р-канальных МОП-транзисторах, поэтому имели невысокое быстродействие. В дальнейшем появились МП, в которых использовались п-канальные МОП-транзисторы и биполярные интегральные структуры (И2Л, ТТЛШ и ЭСЛ), что привело к значительному увеличению быстродействия.
Количество различных операций, выполняемых некоторыми МП, доходит до 100, причем в них предусматриваются операции с двойной длиной слова и побайтовой обработкой информации. В процессе развития наряду с МП, имеющими фиксированный список команд, появились МП с микропрограммным управлением, которое позволяет изменять список команд и алгоритмы управления. Это увеличивает гибкость процессора и упрощает реализацию последовательности относительно сложных микрокоманд.
440
Важнейший параметр МП - быстродействие. В настоящее время диапазон быстродействия МП - от десятков тысяч до 1- 3 млн. коротких операций.
отечественная промышленность выпускает секционированные микропроцессорные комплекты серий К-589, КР-1802, КР-1804, К18-00 и др.
В настоящее время наибольшее распространение получили устройства на основе однокристальных микропроцессоров (МП), что в значительной степени объясняется меньшей трудоемкостью и относительной простотой проектирования и отладки микропроцессорных систем (МПС) на их основе. В этом случае основной объем работ связан с разработкой программного обеспечения, а не аппаратуры. Для реализации систем на основе однокристальных МП требуется в несколько раз меньшее количество корпусов микросхем; они потребляют, как правило, значительно меньшую мощность, чем МПС на основе многокристальных микропроцессоров.
Разработка МПС на основе многокристальных МП производится лишь в том случае, если однокристальные МП не удовлетворяют каким-либо требованиям, например не обеспечивают необходимой производительности. Поэтому многокристальные МП целесообразно использовать только в специализированных и универсальных вычислительных или управляющих устройствах повышенной производительности.
При разработке специализированных устройств с нестандартной архитектурой из многокристальных МП наиболее подходят микропроцессорные секции и другие БИС, входящие в состав секционированных микропроцессорных комплектов (СМПК). Благодаря использованию принципа микропрограммного управления СМПК позволяют реализовать произвольную систему команд, учитывающую особенности конкретного применения, а также обеспечивают возможность наращивания формата обрабатываемых данных.
Перечисленные преимущества, частичная или полная реализация алгоритма работы на микропрограммном уровне и возможность построения конвейерных структур позволяют эффективно использовать СМПК в различных высокоскоростных интеллектуальных контроллерах внешних устройств, для построения каналов прямого доступа к памяти, процессоров ввода-вывода, в составе процессоров для цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени, для цифровой фильтрации и спектрального анализа, для обработки изображений и других целей.
13.3. Микропроцессорные системы
Общеизвестно, что появление и развитие ЭВМ связано с бурным прогрессирующим совершенствованием элементной базы цифровой электроники. В настоящее время освоено шесть поколений ЭВМ. Основная особенность - их высокая производительность и интеллектуальность,
441
обеспечивающая возможность общения человека с ЭВМ на естественном языке (машины искусственного интеллекта).
Мощным толчком в развитии и совершенствовании вычислительной техники явилось создание микропроцессоров. Выпуск первых микропроцессоров позволил существенно изменить технологию проектирования и производства средств вычислительной техники. Теперь уже нет необходимости для каждого нового изделия разрабатывать ИМС. Вместо этого разрабатывается программа для выполнения требуемой функции.
Реализация МП в виде ИМС высокой степени интеграции электронных элементов (БИС и СБИС) позволяет существенно снизить стоимость, повысить надежность, уменьшить массогабаритные показателя ЭВМ. Наличие универсального набора команд (операций) МП обеспечивает их широкое применение без изменения структуры в различных областях народного хозяйства и военной технике (в том числе и в технике связи в виде специализированных бортовых ЭВМ в системах управления средствами связи, а также в цифровых трактах обработки аналоговых сигналов). Массовое использование МП, МПС и ЭВМ в ЦСПИ выдвинуло принципиально новые требования к уровню и содержанию знаний специалистов современных систем связи, которые нашли, свое отражение в учебных программах Академии ФАПСИ.
В настоящее время технология не является решающим фактором классификаций МП, ибо появились разновидности технологий одного типа, обеспечивающие очень широкий спектр характеристик МП, широкое распространение получили комбинированные технологии, например, И2Л + ТТЛШ. И2Л - интегрально-инжекционная логика.
Современные микропроцессоры принято разделять на два больших класса: однокристальные и многокристальные. В свою очередь, однокристальные МП можно разделить на собственно микропроцессоры и однокристальные микроЭВМ.
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 с плавающей запятой, аппаратной поддержки виртуальной памяти и др.
Однокристальные микроЭВМ, сохраняя вычислительную мощность процессора практически неизменной (на уровне 8-разрядного МП), содержат на кристалле все элементы МПС: тактовый генератор, память программ и данных, котроллеры параллельного и последовательного ввода/вывода, контроллеры прерываний, таймеры, а некоторые микроЭВМ - АЦП и ЦАП, и другие специальные средства (например, динамические схемы управления восьмисегментной индикацией). Такие БИС можно непосредственно
442
подключать к периферийным устройствам для создания микроЭВЫ или включать в контур управления.
Многокристальные микропрограммируемые МП используются как элементная база "больших" ЭВМ или специализированных средств, для которых характерны нетрадиционные параметры.
Развитие микропроцессоров происходит при постоянном стремлении сохранения преемственности программного обеспечения (ПО) и повышения производительности за счет совершенствования архитектуры и увеличения тактовой частоты. Сохранение преемственности ПО и повышение производительности, однако, противоречат друг другу. Процессоры с системой команд х86, относящиеся к классу CISCпроцессоров, имеют более низкие тактовые частоты по сравнению с микропроцессорами ведущих компаний-изготовителей RISC-процессоров. Существуют приложения, на которых производительность х86 микропроцессоров значительно ниже, чем у RISC-процессоров, реализованных на той же элементной базе. Однако возможность использования совместимого ПО для различных поколений х86 процессоров, выпущенных в течение последнего десятилетия, обеспечивает им устойчивое доминирующее положение на рынке.
Внастоящее время на основе пионерских разработок компаний NexGsn и AMD, подхваченных компанией Intel, предпринята попытка решить проблему повышения производительности в рамках архитектуры х86. Эти компании в последних разработках сохраняя преемственность по системе команд с CISC-микропроцессорами семейства х86, создают новые устройства с использованием элементов RISC-архитектуры. Примером такого подхода могут служить микропроцессоры Nx5S6 (NexGen), КЗ, Кб
(AMD), Pentium PRO, Pentium II (Intel), использующие концепцию разделенной (decoupled) архитектуры и RISC-ядра. В микропроцессор встраивается аппаратный транслятор, превращающий команды x86 в команды RISC-процессора. При этом одна команда х8б может порождать до четырех команд RISC-процессора. Исполнение команд происходит как в развитом суперскалярном процессоре. Компания Intel использовала этот подход в своем микропроцессоре Pentium Pro, что весьма укрепило ее позиции на фоне достижений RISC-архитектур.
Всовременных микропроцессорах широко используется принцип конвейерного выполнения отдельных элементарных операций. Конвейеризация внутренних процессов позволяет выполнять команду за каждый процессорный цикл. Дальнейшее внедрение принципов конвейеризации, привело к появлению класса суперскалярных микропроцессоров. Их отличительной особенностью является возможность выполнения нескольких команд за один процессорный цикл. Такой режим выполнения программы стал возможным благодаря наличию в процессорах нескольких исполнительных устройств.
443
Альтернатива суперскалярной обработке - длинное командное слово (VL1W). Использование этого метода предполагает задание в командном слове совокупности параллельно выполняемых команд. Подготовкой таких программ занимается компилятор.
Достоинства VLIW заключаются в следующем. Во-первых, компилятор может более эффектно исследовать зависимости между командами и выбирать параллельно исполняемые команды, чем это делает аппаратура суперскалярного процессора, ограниченная размером окна исполнения.
Во-вторых, VLIW процессор имеет более простое, устройство управления и потенциально может иметь более высокую тактовую частоту.
Однако у VLJW процессоров есть серьезный фактор, снижающий их производительность. Это команды ветвления, зависящие от данных,- значения которых становятся известны только в динамике вычислений. Окно исполнения VLIW-процессора не может быть очень большим в виду отсутствия у компилятора информации о зависимостях, формируемых динамически в процессе выполнения. Этот недостаток препятствует возможности переупорядочивания операций в VLIW процессоре.
Другим возможным подходом служит переход к мультипроцессорному исполнению, когда вводится несколько счетчиков команд. В этом случае речь идет о распараллеливающих компиляторах с языков высокого уровня.
Таким образом, суперскалярные микропроцессоры являются лидирующим продуктом микроэлектроники, и их производительность постоянно растет, но при использовании этих процессоров необходимо тщательно исследовать архитектурные приемы получения высокой производительности и проверять адекватность этих приемов проблемной области, для решения задач которой создается вычислительная система.
Дальнейшее повышение производительности микропроцессоров связывается в настоящее время со статическим и динамическим анализом кода с целью выявления резервов параллелизма уровня отдельных команд и программных сегментов с использованием информации, предоставляемой компилятором языка высокого уровня. Исследования в данном направлении привели к разработке мультискалярной архитектуры процессоров, которые являются дальнейшим развитием суперскалярной архитектуры.
В настоящее время работы в данном направлении находятся на стадии теоретического исследования и имитационного моделирования, однако, по видимому, уже в скором времени следует ожидать появления первых микропроцессоров, в полной мере использующих все преимущества, предоставляемые мультискалярной архитектурой.
Наиболее многочисленное (и распространенное в мире) семейство микропроцессоров фирмы INTEL. Далее будут иллюстрированы основные
444
положения курса примерами организации однокристального универсального МП отечественной разработки КШОВМ86 - аналога 18086.
Для качественного изучения курса необходимо владеть терминологией и знать основные понятия в технике микропроцессорных систем.
Микропроцессор - программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки.
Основные характеристики микропроцессоров: -разрядность;
-быстродействие (тактовая частота, время выполнения "короткой" команды);
-потребляемая мощность; -технология (уровень логических сигналов);
-архитектурные особенности: система операций, способы адресации, наличие и организация подсистем прерываний и ПДП объем и организация СОЗУ, конвейер операций, аппаратная поддержка системы виртуальной памяти и т.п.;
-структурные особенности: количество- и назначение шин (стандарт интерфейса), внутренняя структура;
-число источников питания -число БИС в комплекте и др.
Под организацией микросистемы (МС) понимают состав ее программно-аппаратных средств, связи между ними и их - функциональные характеристики. Микросистемы имеют многоуровневую иерархическую организацию со многими составными компонентами на каждом уровне. С нижним уровнем функционального описания МС и ее составляющих связано понятие физической организации МС - ее принципиальная схема. Термин логическая организация относится к более высоким уровням описания МС. Так, логическая организация на уровне аппаратуры - этот состав, функциональные связи и характеристики взаимодействия аппаратных модулей в процессе выполнения различных задач, которые обычно называют структурной схемой или структурой. Рассматривая логическую организацию на уровне программного обеспечения (ПО), говорят о вычислительной среде и ее особенностях.
Конечная цель проектирования МС - создание работоспособного и оптимального изделия на базе одного или нескольких МП. Возможность ее достижения определяется в первую очередь выбором рационального соотношения между программными и аппаратными средствами МС. Для этого вводится понятие архитектуры.
Архитектура МС - это функциональные возможности аппаратных средств МС, используемые для представления программ и данных, а также
445
для управления процессом вычислений. Архитектура служит примером вычислительной среды нижнего уровня, связанной непосредственно с аппаратурой МС.
Микросистемам, построенным на основе микропроцессорных комплектов (МПК) младшего поколения, свойственны более простые архитектуры, что было важно для интегральной технологии прошлого десятилетия. Однако вычислительные возможности и быстродействие этих систем, как правило, были низки. Усовершенствование технологических приемов позволило увеличить степень интеграции аппаратуры и перейти к сложным 16-разрядным архитектурам с виртуальной памятью, обеспечивающим параллельную обработку многих задач в реальном масштабе времени.
Микросистема состоит из построенного на базе МП центрального процессора (ЦП), основной памяти для хранения программ и данных, а также подсистемы ввода-вывода (ВВ) для связи МС с внешней аппаратурой.
Задача управления МС возлагается на ЦП, который связан с памятью и подсистемой ВВ через каналы памяти и ВВ соответственно. Центральный процессор считывает из памяти МС команды, которые образуют программу, и декодирует их. В соответствии с результатом декодирования команд он осуществляет выборку данных из памяти МС и портов ввода, обрабатывает их и пересылает обратно в память или порты вывода подсистемы ВВ. Существует также возможность ВВ данных из памяти на внешние устройства через канал прямого доступа к памяти (ПДП), управление которым возлагается на подсистему ВВ. Иногда выделяются средства поддержки режима реального времени, в простейшем случае разделяемые процессором и подсистемой ВВ.
Каждый уровень организации МС и любая ее составная часть имеют достаточно сложную внутреннюю структуру, детализация которой приводит к появлению различных типов структур и вычислительных систем. Однако из-за особенностей производства МПК БИС и кх применения организация МС приобрела ряд черт, не свойственных большим ЭВМ.
СТРУКТУРА БАЗОВОЙ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ
Под организацией МПС понимают состав ее программно-аппаратных средств, связи между ними и их функциональные характеристики. МПС имеют многоуровневую иерархическую организацию со многими составными компонентами на каждом уровне. С нижним уровнем функционального описания МПС и ее составляющих связано понятие физической организации МПС - ее принципиальная схема. Термин "логическая организация" относится к более высоким уровням описания МПС, Так, логическая организация на уровне аппаратуры - это состав, функциональные связи и характеристики взаимодействия аппаратных модулей в процессе выполнения различных задач, которые обычно назыьают структурной схемой или структурой. Рассматривая логическую
446
организацию на уровне программного обеспечения (ПО), говорят о вычислительной среде и ее особенностях..
Общая структура микропроцессорной системы
На рисунке 176 представлена упрощенная типовая структура микропроцессорного устройства или системы, предназначенной для обработки данных или управления некоторым процессом. Примерно такую же структуру имеют микроЭВМ широкого назначения.
Центральное место в этой структуре занимает микропроцессор, который подобно процессору обычных ЭВМ непосредственно выполняет арифметические и логические операции над данными, осуществляет программное управление процессом обработки информации, организует взаимодейсгвие всех устройств, входящих в систему. Работа МП происходит под воздействием сигналов схемы синхронизации и начальной установки (таймера), часто выполняемой в виде отдельного кристалла.
Показанный на рисунке МП, может представлять собой или однокристальный МП с фиксированной системой команд или многокристальный МП с микропрограммным управлением.
Рисунок 176. Типовая структура микропроцессорного устройства,
системы или микроЭВМ
Для МПС так же, как и для МП. требуется память, в которой хранится информация о том, как управлять процессом обработки информация с помощью команд программы пользователя. Этот тип памяти используется только для считывания информация к относится к памяти типа ROM (Read Only Memory), или постоянной памяти. Постоянная память программируется при изготовлении, и ее содержимое не может меняться пользователем.
447
Кроме ROM, или постоянной памяти, для микропроцессорной системы требуется память, в которой пользователь может хранить данные и команды собственной программы, и из которой МПС считывает данные под действием управляющих команд, хранящихся в постоянной памяти. Эта память относится к типу памяти для считывания и записи (или, иначе, к оперативной памяти), обозначаемой RAM. Первоначально она создавалась как память с произвольным доступом (RAM - Random Access Memory), однако постоянная память также является памятью с произвольным доступом, т. е. при обращении к ней нет необходимости в организации последовательного считывания информации. Можно обращаться к любой ее части в любом порядке подобно перелистыванию страниц в справочнике.
Итак, ROM - это постоянная память, допускающая только считывание, или, иначе говоря, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), a RAM - оперативная память, т. е. память для считывания и записи, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
В МПС так же требуются специальные вводные и выводные устройства связи, или так называемые порты, для подсоединения ЦП к внешним устройствам, называемым также периферийным оборудованием. К числу последних относят: клавишный пульт, монитор, печатающее устройство и т. д. Порты, или устройства сопряжения ЦП с периферийным оборудованием, относятся к интерфейсам.
Линии, по которым данные передаются к различным устройствам МПС, называются линиями передачи данных. По каждой линии может передаваться лишь один двоичный ряд (бит) информации. Совокупность линий передачи данных называется шиной данных.
Для передачи команд к различным устройствам МПС необходимы еще управляющие и адресные линии. Эти линии, как правило, отделены от линий передачи данных.
Чтобы все части (устройства) МПС действовали в правильной последовательности, необходим синхронизатор, или специальный генератор тактовых импульсов, синхронизирующий работу всей системы. Иногда микросхема ЦП содержит в себе и схему синхрогенератора, для работы которого необходимо подключение нескольких внешних компонентов, в частности, кварцевого резонатора. Однако некоторые МП нуждаются в полной внешней схеме синхрогенератора.
Представленная на рисунке структура отражает магистральномодульный принцип организации микропроцессорных устройств и систем. Отдельные блоки являются функционально законченными модулями со своими встроенными схемами управления, выполненными в виде одного или нескольких кристаллов БИС или СИС, заключенных в корпуса с соответствующим количеством выводов. Межмодульные связи и обмен информацией между модулями осуществляются посредством коллективных шин (магистралей), к которым имеют доступ все основные модули системы.
448
В каждый данный момент возможен обмен информацией только между двумя модулями системы. Таким образом, обмен информацией производится путем разделения во времени модулями системы коллективных шин (магистралей). Магистральный принцип построения сопряжений модулей (интерфейса) МПС предполагает наличие информационно-логической совместимости модулей, которая реализуется путем использования единых способов представления информации, алгоритма управления обменом, форматов команд управления обменом и способа синхронизации.
Для МП характерна 3-шинная структура (рис.1), содержащая шину адреса ШA, двунаправленную шину данных ШД и шину управления ШУ. Как видно из рисунка, типовая структура МПС предполагает наличие общего сопряжения (общего или единого интерфейса) для модулей памяти
— постоянных и оперативных запоминающих устройств (ПЗУ и ОЗУ) и периферийных устройств - внешних ЗУ и устройств ввода-вывода (УВВ).
Вкачестве периферийных устройств (ПУ) а МПС используются устройства ввода с перфоленты, дисплеи, кассетные магнитофоны, гибкие магнитные диски, телетайпы, печатающие устройства и т. д. ПУ подсоединяется к шинам интерфейса (шинам МП) не непосредственно, а через программируемый периферийный адаптер (ППА) и программируемый связной адаптер (ПСА), обслуживающие ПУ соответственно с передачей информации параллельным м последовательным кодом. Наличие программно-настраиваемых адаптеров делает весьма гибкой и функционально богатой систему ввода-вывода информации в МПС.
Наличие единого интерфейса для модулей памяти и периферийных устройств, помимо прочего, объясняется ограниченным числом внешних вводов (обычно не более 40) корпуса МП. У большинства однокристальных МП, заключенных в 40-выводовом корпусе, для интерфейса используются от 30 до 38 внешних выводов. При этом они обычно распределены следующим образом: 16 выводов для подсоединения адресной шины данных, 10-17 выводов - для шины управления, образованной однонаправленными линиями, входящими в МП или выходящими из него.
Вструктуре МП интерфейс является узким местом из-за ограниченного числа выводов корпуса. Узкий интерфейс МП приводит к необходимости использования двунаправленных линий передачи информации, что сопровождается усложнением схем буферов и необходимостью использования временного мультиплексирования шин.
Мультиплексирование шин позволяет при ограниченном числе линий передавать по ним различную информацию: адреса, данные или команды. Однако это требует наличия специальных линий для идентификации передаваемой информации и приводит к снижению скорости передачи информации через интерфейс.
449