2.1.2. Перечень основных технических характеристик и классификация микропроцессоров
МП характеризуются:
1) тактовой частотой;
2) разрядностью;
3) архитектурой.
Тактовая частота МП (более строго — тактовая частота, при которой способен работать МП) определяется максимальным временем выполнения элементарного действия в МП. Работа МП синхронизируется импульсами тактовой частоты от задающего генератора. Чем выше тактовая частота МП (при прочих равных условиях), тем выше его быстродействие. Более того, некоторые авторы под быстродействием понимают именно тактовую частоту, что совершенно неверно. Тактовые частоты современных МП колеблются в пределах единиц — десятков МГц.
Разрядностью МП называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно. Понятие «разрядность» включает:
— разрядность внутренних регистров МП (т);
— разрядность шины данных (п);
— разрядность шины адреса (к).
Исходя из этого разрядность МП будем обозначать в виде m/n/k. Определяющую роль в принадлежности МП к тому или иному классу играет разрядность внутренних регистров (внутренняя длина слова). Мы уже использовали и будем иногда использовать только этот показатель. От разрядности шины данных (внешней длины слова) зависит скорость передачи информации между МП и другими устройствами. Например, для МП с разрядностью 16/16/20 скорость передачи информации (если нет других ограничений) в два раза выше, чем для МП с разрядностью 16/8/20. Однако в последнем случае упрощается управление шиной и предоставляется возможность использовать более простые ПУ. Разрядность шины адреса определяет адресное пространство МП, т.е. максимальное количество полей (обычно байтов, где 1 байт = 8 бит) памяти, к которым можно осуществить доступ. Очевидно, адресное пространство составляет 2^k, где ^ — операция возведения в степень, и при k = 20 получим 1 Мбайт (1 Мбайт = 2^10 Кбайт = 1024 Кбайт, 1 Кбайт = 2^10 байт = 1024 байт). Реальная память машины может иметь меньший объем.
Архитектура МП является емким понятием, имеющим при этом, как и архитектура ЭВМ, неоднозначное толкование. Архитектурой часто называют организацию (в данном случае МП) с точки зрения пользователя. Описание архитектуры МП в таком понимании включает описание пользовательских возможностей программирования (в частности, состава регистров МП), системы команд, способов адресации, (логической) организации памяти, средств ввода-вывода и типов обрабатываемых данных. С этой точки зрения архитектуры МП считаются одинаковыми, если последние способны выполнять одни и те же программы. Реализации же одной и той же архитектуры могут отличаться одна от другой как на уровне физических компонентов аппаратных средств, так и на уровне способов реализации узлов МП. Иными словами, детали реализации, невидимые для пользователя, не оказывают влияния на архитектуру. В контексте же аппаратных средств под термином «архитектура МП» понимают принцип действия МП, конфигурацию (состав) и взаимное соединение основных его узлов.
Мы не будем отдавать предпочтение ни одному из альтернативных определений архитектуры, понимая ее в широком смысле. Ограничим наше рассмотрение следующими элементами архитектуры МП:
1) системой команд и способами адресации;
2) возможностью совмещения выполнения команд во времени
3) наличием дополнительных устройств и узлов в составе МП
4) режимами работы МП
Система команд представляет собой совокупность команд, которые способен выполнять МП. Она включает полный список кодов операций, для каждой из которых указывается число операндов и допустимые способы их адресации. Способы адресации определяют технику вычисления адресов ячеек памяти (в которых хранятся операнды) и выполнения операций над адресными регистрами. Способы адресации разработаны и используются с целью обеспечения компактных адресных ссылок для случаев, когда машинный адрес имеет слишком большую длину и его неудобно включать в таком виде в команду, либо когда невозможно (например, при переборе последовательных ячеек памяти в цикле) или просто нет необходимости использовать явный адрес.
В соответствии с составом системы команд различают:
1. МП с СISC –архитектурой (CISC-complex instruction set computer- компьютер со сложной системой команд)
2. МП с RISC- архитектурой (RISC-reduced instruction set computer- компьютер с сокращенной системой команд).
МП первого типа являются традиционными, а их система команд включает большое количество команд для выполнения арифметических и логических операций, команд управления, пересылки и ввода- вывода данных.
МП второго типа появились сравнительно недавно. Их система команд упрощена и сокращена до такой степени, что каждая команда выполняется за единственный такт (по единственному тактовому импульсу). Такой подход позволяет упростить структуру МП и тем самым повысить его быстродействие. Традиционные операции при этом реализуются последовательностями элементарных машинных команд.
По функциональному назначению, определяемому системой команд, МП делятся на универсальные и специализированные.
Универсальные МП способны реализовать любой алгоритм, который предварительно кодируется в системе команд данного МП. Они используются в качестве основных процессоров микроЭВМ. Следует отметить, что большинство универсальных МП аппаратно поддерживает только целочисленную арифметику. Арифметика же с плавающей точкой реализуется на них программно.
Специализированные МП служат для решения задач определенного класса. Приборы этого типа используются в качестве сопроцессоров, дополняющих основные процессоры, и выполняют роль акселераторов. Сопроцессор расширяет набор команд ЭВМ. Когда основной процессор получает команду, которая не входит в его рабочий набор, он передает управление сопроцессору с целью ее выполнения.
Подчеркнем, что деления МП на CISC и RISC, а также на универсальные и специализированные, находятся в разных плоскостях и никоем образом между собой не связаны. Однако в ПЭВМ в качестве основных используются универсальные CISC – МП, в то время как мощные АРМ оснащаются МП с RISC - архитектурой.
Некоторые наиболее развитые МП обеспечивают совмещение выполнения нескольких последовательно расположенных команд во времени, организуя конвейерную обработку.
Эта архитектурная особенность оказывает заметное влияние на скорость выполнение линейных участков программ.
На кристалле МП могут быть размещены дополнительные устройства, в том числе:
1) система управления шиной;
2)
кэш – память;
3)
средства поддержки виртуальной
памяти;
4)
средства защиты памяти.
Дополнительные устройства способствуют повышению производительности РЭВМ, уменьшению ее габаритов, предотвращению несанкционированного доступа и расширению функциональных возможностей МП.
КЭШ – ПАМЯТЬ используются в качестве буфера между процессором и менее быстродействующей ОП. Действительно, при несогласованности быстродействия МП и ОП в случае обращения к последней МП будет простаивать один или несколько тактов, что снизит производительность ПЭВМ. При наличии быстродействующей кэш – памяти МП непосредственно обменивается информацией именно с ней. Эта память, в свою очередь, осуществляет обмен с ОП. При такой организации простой МП возможен только в случаях, когда требуемая им информация в кэш – памяти отсутствует или когда выводимая им информация не может быть размещена в кэш – памяти по причине ее заполненности. Свойство локальности данных позволяет сократить время простоя МП. В простейшем случае в кэш – памяти сохраняется информация, извлеченная при последних обращениях к ОП.
Большинство современных МП обеспечивает управление виртуальной памятью. Виртуальным называется ресурс, который пользовательской программе представляется обладающим свойствами, отличными от тех, которые он в действительности имеет. В случае виртуальной памяти пользовательской программе предоставляется возможность работать с адресным пространством, существенно превышающим объемом реальной адресуемой памяти. Виртуальная память реализуется «совместными усилиями» аппаратных средств и ОС. При этом содержимое виртуальной памяти распределяется между внешней памятью и ОЗУ. В последнем находится только часть содержимого виртуальной памяти, используемая в данный момент процессором. Если запрашиваемой области виртуальной памяти в данный момент в ОЗУ нет, то осуществляется подкачка из внешней памяти с возможной выгрузкой в нее части содержимого ОЗУ. Интересно то, что обо всем этом пользовательская программа нечего не «знает». Такая организация памяти позволяет существенно ослабить требования к размеру программы и области ее данных, которые должны помещаться в ОП. Обмен между ОЗУ и программы в области ее данных, которые должны помешаться в ОП. Обмен между ОЗУ и ВЗУ может, осуществляется страницами или сегментами.
Средства защиты памяти позволяют предотвратить некорректное вмешательство пользовательской программы в области ОЗУ, занятые другими программы. Эти средства наряду с другими средствами явл. крайне желательными в случаях, когда в ОЗУ требуются сохранить одновременно несколько программ.
Архитектуры МП и ПЭВМ в целом определяют допустимые режимы работы машины. Важнейшим фактором при этом явл. возможности МП. Использование же предоставляемых аппаратными средствами режимов зависит от свойств ОС. В настоящее время МП поддерживают широкой спектр режимов работы, среди которых:
1) однопрограммный режим;
2) многопрограммный режим;
3) система виртуальных машин;
В однопрограммном режиме в каждый момент времени может находиться в ОЗУ и выполняться только одна пользовательская программа. В многопрограммном режиме обеспечивается хранение в ОЗУ нескольких программ и попеременное их выполнение с той или иной дисциплиной обслуживания, что целесообразно главным образом при возможности совмещения во времени счета в МП и операций ввода – вывода. На основе многопрограммного режима работы МП могут быть организованы однопользовательский многопрограммный режим работы ПЭВМ. Система виртуальных машин явл. дальнейшим развитием мультипрограммирования, основной признак которого – возможность одновременной работы нескольких ОС.
В данном пункте мы неоднократно употребляем термин «быстродействия МП». К определению этой характеристики в настоящее время относятся с большой осторожностью. Общепризнанной интегральной оценки быстродействия МП не существует. Часто для количественного выражения быстродействия приводит число коротких операций, которые могут быть выполнены в единицу времени. Под короткой операцией понимается простейшая команда типа сложения содержимого двух регистров. Реальные МП с CISC – архитектурой выполняют такие инструкции за 4 – 5 тактов. Поэтому, зная тактовую частоту МП, можно ориентировочно оценить его быстродействие. Мы будем использовать именно такую трактовку быстродействия.
В заключении отметим, что быстродействие МП определяется сочетанием почти всех рассмотренных его характеристик.