Материал: Архитектура микропроцессоров

Гарвардская архитектура получила также широкое применение в микроконтроллерах - специализированных микропроцессорах для управления различными объектами, рабочая программа которых обычно хранится в отдельном ПЗУ.

В современных микропроцессорах используются разнообразные способы предсказания ветвлений. Наиболее простой способ состоит в том, что процессор фиксирует результат выполнения предыдущих команд ветвления по данному адресу, и считает, что следующая команда с обращением по этому адресу даст аналогичный результат. Данный способ предсказания предполагает более высокую вероятность повторного обращения к определенной команде, задаваемой данным условием ветвления. Для реализации этого способа предсказания ветвления используется специальная память BTB (Branch Target Buffer), где хранятся адреса ранее выполненных условных переходов. При поступлении аналогичной команды ветвления предсказывается переход к ветви, которая была выбрана в предыдущем случае, и производится загрузка в конвейер команд из соответствующей ветви. При правильном предсказании не требуется перезагрузка конвейера, и эффективность его использования не снижается. Эффективность такого способа предсказания зависит от емкости BTB и оказывается достаточно высокой: вероятность правильного предсказания составляет 80% и более. Повышение точности предсказания достигается при использовании более сложных способов, когда хранится и анализируется предистория переходов - результаты нескольких предыдущих команд ветвления по данному адресу. В этом случае возможно определение чаще всего реализуемого направления ветвления, а также выявление чередующихся переходов. Реализация таких алгоритмов требует использования более сложных блоков предсказания, но при этом вероятность правильного предсказания повышается до 90-95 %.

Возможность повышения производительности процессора достигается также при введении в структуру процессора нескольких параллельно включенных операционных устройств, обеспечивающих одновременное выполнение нескольких операций. Такая структура процессора называется суперскалярной. В этих процессорах реализуется параллельная работа нескольких исполнительных конвейеров, в каждый из которых поступает для выполнения одна из выбранных и декодированных команд. В идеальном случае число одновременно выполняемых команд равно числу операционных устройств, включенных в исполнительные конвейеры. Однако при выполнении реальных программ трудно обеспечить полную загрузку всех исполнительных конвейеров, поэтому на практике эффективность использования суперскалярной структуры оказывается несколько ниже. Современные суперскалярные процессоры содержат до 4 до 10 различных операционных устройств, параллельная работа которых обеспечивает выполнение за один такт в среднем от 2 до 6 команд.

Эффективная одновременная работа нескольких исполнительных конвейеров обеспечивается путем предварительной выборки-декодирования ряда команд и выделения из них группы команд, которые могут выполняться одновременно. В современных суперскалярных процессорах производится выборка нескольких десятков команд, которые декодируются, анализируются и группируются для параллельной загрузки в исполнительные конвейеры. Обычно в процессорах имеется несколько устройств для выполнения целочисленных операций, одно или несколько устройств для обработки чисел с плавающей точкой, отдельные устройства для обработки специальных форматов видео - и аудиоданных. Параллельно работают также устройства формирования адресов и выборки операндов для загружаемых команд. При этом обычно реализуется предварительная (спекулятивная) выборка операндов, чтобы для поступающих на исполнение команд уже были готовы операнды, которые записываются в специальные регистры. Чтобы обеспечить наиболее полную загрузку исполнительных конвейеров, в процессе анализа и группировки декодированных команд возможно изменение порядка их следования. В результате команды выполняются не в порядке их выборки из памяти, а по мере готовности необходимых операндов и исполнительных устройств. Таким образом, позже поступившие команды могут быть выполнены до ранее выбранных. Чтобы запись в память результатов происходила в соответствии с исходной последовательностью поступления команд программы, на выходе данных включается специальная буферная память, восстанавливающая порядок выдачи результатов согласно выполняемой программе.

Одновременное параллельное выполнение команд может оказаться невозможным, если они обращаются к одному регистру. При ограниченной емкости РЗУ процессора такие случаи могут возникать достаточно часто, что снижает эффективность работы исполнительных конвейеров. Поэтому в ряде процессоров вводятся специальные регистровые блоки, дублирующие РЗУ. При поступлении команд, которые обращаются к одинаковым регистрам РЗУ, производится их переадресация к дублирующим регистровым блокам - "переименование" регистров. В результате обеспечивается возможность одновременного выполнения таких команд, что позволяет реализовать более эффективную параллельную работу исполнительных конвейеров.

Рис. 1. Классификация современных микропроцессоров по функциональному признаку.

Хотя микропроцессор является универсальным средством для цифровой обработки информации, однако отдельные области применения требуют реализации определенных специфических вариантов их структуры и архитектуры. Поэтому по функциональному признаку выделяются два класса: микропроцессоры общего назначения и специализированные микропроцессоры (рисунок 1). Среди специализированных микропроцессоров наиболее широкое распространение получили микроконтроллеры, предназначенные для выполнения функций управления различными объектами, и цифровые процессоры сигналов (DSP - Digital Signal Processor), которые ориентированы на реализацию процедур, обеспечивающих необходимое преобразование аналоговых сигналов, представленных в цифровой форме.

Микропроцессоры общего назначения предназначены для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации. Их основной областью использования являются персональные компьютеры, рабочие станции, серверы и другие цифровые системы массового применения. К этому классу относятся CISC-процессоры Pentium компании Intel, K7 компании Advanced MicroDevices (AMD), 680x0 компании Motorola, RISC-процессоры PowerPC, выпускаемые компаниями Motorola и IBM, SPARC компании Sun Microsystems и ряд других изделий различных производителей.

Расширение области применения таких микропроцессоров достигается, главным образом, путем роста производительности, благодаря чему увеличивается круг задач, который можно решать с их использованием. Поэтому повышение производительности является магистральным направлением развития этого класса микропроцессоров. Обычно это 32-разрядные микропроцессоры (некоторые микропроцессоры этого класса имеют 64-разрядную или 128-разрядную структуру), которые изготавливаются по самой современной промышленной технологии, обеспечивающей максимальную частоту функционирования.

Ряд наиболее популярных микропроцессоров этого класса (Pentium, AMD K7 и некоторые другие) следует отнести к CISC-процессорам, так как они выполняют большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации. Однако в их внутренней структуре содержится RISC-процессор, который выполняет поступившие команды после их преобразования в последовательность простых RISC-операций. Ряд других микропроцессоров этого класса непосредственно реализует RISC-архитектуру. Поэтому можно считать, что использование RISC-архитектуры характерно для большинства этих микропроцессоров.

В ряде последних разработок (Itanium, PA8500) некоторых ведущих производителей успешно применяются принципы VLIW-архитектуры, которая может составить конкуренцию RISC-архитектуре в соревновании за достижение наивысшей производительности.

Практически все современные микропроцессоры этого класса используют Гарвардскую внутреннюю архитектуру, где разделение потоков команд и данных реализуется с помощью отдельных блоков кэш-памяти (рис.1). В большинстве случаев они имеют суперскалярную структуру с несколькими исполнительными конвейерами (до 10 в современных моделях), которые содержат до 20 ступеней.

Благодаря своей универсальности микропроцессоры общего назначения используются также в специализированых системах, где требуется высокая производительность. На их основе реализуются одноплатные компьютеры и промышленные компьютеры, которые применяются в системах управления различными объектами. Одноплатные (встраиваемые) компьютеры содержат на плате необходимые дополнительные микросхемы, обеспечивающие их специализированное применение, и предназначены для встраивания в аппаратуру различного назначения. Промышленные компьютеры размещаются в корпусах специальной конструкции, обеспечивающих их надежную работу в жестких производственных условиях. Обычно такие компьютеры работают без стандартных периферийных устройств (монитор, клавиатура, "мышь”) или используют специальные варианты этих устройств, модифицированные с учетом специфических условий применения.

2. Микроконтроллеры, функциональные возможности и архитектурные решения

Микроконтроллеры являются наиболее массовым представителем микропроцессорной техники. Интегрируя на одном кристалле высокопроизводительный процессор, память и набор периферийных устройств, микроконтроллеры позволяют с минимальными затратами реализовать широкую номенклатуру систем управления различными объектами и процессами. Использование микроконтроллеров в системах управления и обработки информации обеспечивает исключительно высокие показатели эффективности при достаточно низкой стоимости. Микроконтроллерам практически нет альтернативы, когда нужно создать качественные и дешевые системы. Иногда система может состоять только из одного микроконтроллера. Исключение составляет применение программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) в области обработки сигналов в том случае, когда требуется параллельная обработка большого потока входных данных. Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность микропроцессора. Имеются 4-, 8-, 16-, 32-разрядные микроконтроллеры. Разрядность микроконтроллера определяется точностью данных, необходимых для управления объектом. Наиболее массовыми и постоянно расширяющими свои области применения являются 8-разрядные микроконтроллеры, которые дешевле 16 - и 32-разрядных и имеют большую функциональность.

Промышленностью выпускаются очень широкая номенклатура встраиваемых МК. В них все необходимые ресурсы (память, устройства ввода-вывода и т.д.) располагаются на одном кристалле с процессорным ядром. Если подать питание и тактовые импульсы на соответствующие входы МК, то можно сказать, что он как бы "оживет" и с ним можно будет работать. Обычно МК содержат значительное число вспомогательных устройств, благодаря чему обеспечивается их включение в реальную систему с использованием минимального количества дополнительных компонентов. В состав этих МК входят:

Схема начального запуска процессора (Reset);

Генератор тактовых импульсов;

Центральный процессор;

Память программ (E (E) PROM) и программный интерфейс;

Средства ввода/вывода данных;

Таймеры, фиксирующие число командных циклов.

Общая структура МК показана на рисунке 4. Эта структура дает представление о том, как МК связывается с внешним миром.

Рисунок 2 - структура микроконтроллера

Более сложные встраиваемые МК могут дополнительно реализовывать следующие возможности:

Встроенный монитор/отладчик программ;

Внутренние средства программирования памяти программ (ROM);

Обработка прерываний от различных источников;

Аналоговый ввод/вывод;

Последовательный ввод/вывод (синхронный и асинхронный);

Параллельный ввод/вывод (включая интерфейс с компьютером);

Подключение внешней памяти (микропроцессорный режим).

Все эти возможности значительно увеличивают гибкость применения МК и делают более простым процесс разработки систем на и основе.

Некоторые МК (особенно 16 - и 32-разрядные) используют только внешнюю память, которая включает в себя как память программ (ROM), так и некоторый объем памяти данных (RAM), требуемый для данного применения. Они применяются в системах, где требуется большой объем памяти и относительное не большое количество устройств (портов) ввода/вывода. Типичным примером применения такого МК с внешней памятью является котроллер жесткого диска (HDD) с буферной кэш-памятью, который обеспечивает промежуточное хранение и распределение больших объемов данных (порядка нескольких мегабайт). Внешняя память дает возможность такому микроконтроллеру работать с более высокой скоростью, чем встраиваемый МК.

Цифровые сигнальные процессоры (DSP) - относительно новая категория процессоров. Назначение DSP состоит в том, чтобы получать текущие данные от аналоговой системы, обрабатывать данные и формировать соответствующий отклик в реальном масштабе времени. Они обычно входят в состав систем, используясь в качестве устройств управления внешним оборудованием, и не предназначены для автономного применения.

Микроконтроллеры являются специализированными микропроцессорами, которые ориентированы на реализацию устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру. Ввиду огромного количества объектов, управление которыми обеспечивается с помощью микроконтроллеров, годовой объем их выпуска превышает 2 миллиарда экземпляров, на порядок превосходя объем выпуска микропроцессоров общего применения. Весьма широкой является также номенклатура выпускаемых микроконтроллеров, которая содержит несколько тысяч типов.

Характерной особенностью структуры микроконтроллеров является размещение на одном кристалле с центральным процессором внутренней памяти и большого набора периферийных устройств. В состав периферийных устройств обычно входят несколько 8-разрядных параллельных портов ввода-вывода данных (от 1 до 8), один или два последовательных порта, таймерный блок, аналого-цифровой преобразователь. Кроме того, различные типы микроконтроллеров содержат дополнительные специализированные устройства - блок формирования сигналов с широтно-импульсной модуляцией, контроллер жидко-кристаллического дисплея и ряд других. Благодаря использованию внутренней памяти и периферийных устройств реализуемые на базе микроконтроллеров системы управления содержат минимальное количество дополнительных компонентов.

В связи с широким диапазоном решаемых задач управления требования, предъявляемые к производительности процессора, объему внутренней памяти команд и данных, набору необходимых периферийных устройств, оказываются весьма разнообразными. Для удовлетворения запросов потребителей выпускается большая номенклатура микроконтроллеров, которые принято подразделять на 8-, 16 - и 32-разрядные.

-разрядные микроконтроллеры представляют наиболее многочисленную группу этого класса микропроцессоров. Они имеют относительно низкую производительность, которая, однако, вполне достаточна для решения широкого круга задач управления различными объектами. Это простые и дешевые микроконтроллеры, ориентированные на использование в относительно несложных устройствах массового выпуска. Основными областями их применения являются бытовая и измерительная техника, промышленная автоматика, автомобильная электроника, теле-, видео - и аудиоаппаратура, средства связи, медицинские приборы.

Для этих микроконтроллеров характерна реализация Гарвардской архитектуры, где используется отдельная память для хранения программ и данных. Для хранения программ в различных типах микроконтроллеров применяется либо масочно-программируемое ПЗУ (ROM), либо однократно-программируемое ПЗУ (PROM), либо электрически репрограммируемое ПЗУ (EPROM, EEPROM или Flash). Внутренняя память программ обычно имеет объем от нескольких единиц до десятков Кбайт. Для хранения данных используется регистровый блок, организованный в виде нескольких регистровых банков, или внутреннего ОЗУ. Объем внутренней памяти данных составляет от нескольких десятков байт до нескольких Кбайт. Ряд микроконтроллеров этой группы позволяет, в случае необходимости, дополнительно подключать внешнюю память команд и данных, объемом до 64 - 256 Кбайт.

Микроконтроллеры этой группы обычно выполняют относительно небольшой набор команд (50-100), использующих наиболее простые способы адресации. В ряде последних моделей этих микроконтроллеров реализованы принципы RISC-архитектуры, что позволяет существенно повысить их производительность. В результате, такие RISC-микроконтроллеры обеспечивают выполнение большинства команд за один такт машинного времени.

-разрядные микроконтроллеры во многих случаях являются усовершенствованной модификацией своих 8-разрядных прототипов. Они характеризуются не только увеличенной разрядностью обрабатываемых данных, но и расширенной системой команд и способов адресации, увеличенным набором регистров и объемом адресуемой памяти, а также рядом других дополнительных возможностей, использование которых позволяет повысить производительность и обеспечить новые области применения. Обычно эти микроконтроллеры позволяют расширить объем памяти программ и данных до нескольких Мбайт путем подключения внешних микросхем памяти. Во многих случаях реализуется их программная совместимость с младшими 8-разрядными моделями. Основная сфера применения таких микроконтроллеров - сложная промышленная автоматика, телекоммуникационная аппаратура, медицинская и измерительная техника.