Московский государственный университет печати

Иванько А.Ф.


         

Структура и архитектура микропроцессоров современных персональных электронных вычислительных машин

Учебное пособие


Иванько А.Ф.
Структура и архитектура микропроцессоров современных персональных электронных вычислительных машин
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление
1.

Введение в архитектуру микропроцессоров

2.

Особенности набора КР 580

3.

Архитектура микропроцессора К 580 и микроЭВМ на его базе

4.

Система команд микропроцессора КР 580ИК80

5.

Структуры микропроцессорных систем и области их применения

6.

Процессоры PENTIUM

7.

Интерфейс шины процессоров PENTIUM

8.

Расширения архитектуры

9.

Двухпроцессорные системы

10.

Маркировка и идентификация процессоров PENTIUM

11.

Универсальные микропроцессоры

11.1.

Микропроцессоры компании AMD

11.2.

Микропроцессоры компании Cyrix

11.3.

Микропроцессоры с архитектурой Alpha

Список литературы

Указатели
4  именной указатель
102  предметный указатель
31  указатель иллюстраций
21  указатель компаний

1.
Введение в архитектуру микропроцессоров

Создание фирмой IntelIntel первого микропроцессора в 1971 году положило начало эпохе компьютеризации. «Благодаря микропроцессорам компьютеры стали массовым, общедоступным продуктом», - заявил Хофф Т.Тед Хофф, один из изобретателей первого микропроцессора. Его имя, вместе с именами его коллег - Феджина Ф.Федерико Феджина и Мейзор С.Стена Мейзора, внесено в список лауреатов Национального зала славы изобретателей США, а само изобретение признано одним из величайших достижений XX века.

За чуть более чем четвертьвековую историю микропроцессоры прошли поистине гигантский путь Первый чип Intel 4004 работал на частоте 750 кГц, содержал 2300 транзисторов и стоил около 200$. Производительность его оценивалась в 60 тыс. операций в секунду. На сегодняшний день рекордные показатели принадлежат микропроцессорам Alpha 21264 фирмы DECDEC и составляют: 600 МГц, 15,2 млн. транзисторов, 2 млрд. операций в секунду. Стоят они около 300$.

Сравнение приведенных значений подтверждает оценку успехов микропроцессорной индустрии, данную основателем и председателем совета директоров фирмы Intel Мур Г.Гордоном Муром: «Если бы автомобилестроение эволюционировало со скоростью полупроводниковой промышленности, то сегодня «Роллс-Ройс» стоил бы 3 доллара, мог бы проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина и было бы дешевле его выбросить, чем платить за парковку».

Такое интенсивное развитие технологий в обществе, где основным предметом труда становится информация, - следствие растущего спроса на новые орудия труда - компьютеры. На сегодняшний день компьютеризация является одним из главных направлений научно-технического прогресса и концентрированным его выражением. Количество и качество производимых в стране компьютеров, степень насыщенности вычислительной техникой самых разных отраслей становится одним из основных критериев ее экономического и военного потенциала.

В формируемом ежегодно в США группой экспертов перечне «критических технологий», охватывающем практически все направления производства, исследований и разработок, оказывающих влияние на военный и экономический статус страны, микроэлектронные технологии традиционно занимают первое место.

В Микропроцессормикропроцессорах - наиболее сложных микроэлектронных устройствах - воплощены самые передовые достижения инженерной мысли. В условиях свойственной данной отрасли производства жесткой конкуренции и огромных капиталовложений выпуск каждой новой модели микропроцессора так или иначе связан с очередным научным, конструкторским, технологическим прорывом.

В микропроцессорах нашли отражение высокие научно-технические достижения в области физики твердого тела, кристаллографии, радиотехники и электроники, математики и автоматизации, кибернетики и электроники. Известны различные применения микропроцессоров. Важнейшими из них являются: автоматизация электротехнического оборудования, управление производством, физическое и математическое моделирование, обработка результатов экспериментов, управление приборами и искусственными органами в медицине, обеспечение безопасности движения на транспорте и т.д.

Отечественной промышленностью выпускаются Микропроцессорный комплектмикропроцессорные комплекты (МПК) на базе Большая интегральная схемабольших интегральных схем (БИС). По способу изготовления выпускают полупроводниковые монолитные и гибридные БИС, по типу формируемых транзисторов - Транзистор униполярныйуниполярные и Транзистор биполярныйбиполярные [ссылка на источники литературы].

Для решения различных задач в ЭВМ используют логические схемы, выполняющие логические операции с двоичными переменными [ссылка на источники литературы]. Логическая схемаЛогические схемы реализуются на различных МПК БИС. Одним из наиболее распространенных узлов ЭВМ является Триггертриггер - логический элемент, обладающий двумя устойчивыми состояниями. Триггер легко можно построить из логических схем Инверторинверторов и схем ИЛИ [ссылка на источники литературы]. В настоящее время известно несколько типов триггеров, различающихся организацией входных цепей: несинхронизированный - RS-триггер; триггер со счетным входом (T-триггер); D-триггер со счетным входом, работающий в режиме синхронизации; JК-триггер. Различные блоки и устройства ЭВМ строятся на базе логических схем и триггеров. Это различного типа регистры, Счетчиксчетчики, Селекторселекторы, Сумматорсумматоры и Дешифратордешифраторы. РегистрРегистр - устройство временного хранения информации, строится на некотором определенном числе триггеров.

СчетчикСчетчик - это триггерный регистр, содержимое которого изменяется на столько единиц, сколько импульсов появляется на его входе за определенный отрезок времени. Специальным включением триггеров, схем И и ИЛИ можно получить счетчик с вычитанием поступающих на вход импульсов (Счетчик реверсивныйреверсивный счетчик). Регистры, в свою очередь, можно использовать не только для временного хранения информации, но и для выполнения операции сдвига информации на требуемое количество разрядов вправо или влево. Если содержимое разрядов, смещенных за пределы регистра, с помощью специальных схем перемещается на противоположную сторону регистра и образует как бы замкнутое кольцо, регистр называется Регистр кольцевойкольцевым.

Для выбора одного из нескольких различных источников информации и подключения его к одному из нескольких приемников используют Селекторселектор - устройство, обеспечивающее отключение отдельных блоков ЭВМ и связь их с другими блоками.

В Запоминающее устройствозапоминающих устройствах (ЗУ) ЭВМ [ссылка на источники литературы] невозможно обойтись без Дешифратордешифраторов - устройств, преобразующих комбинацию входных сигналов в один «избирательный сигнал», служащий для обращения к ЗУ и выборки информации, хранящейся в указанной ячейке памяти.

МикропроцессорМикропроцессор является основой микроЭВМ, основная его особенность - программируемость поведения. Для комплексной оценки свойств отдельных микропроцессоров вводят понятие архитектуры МП, понимая под этим его схемотехническую и логическую организацию. Основным узлом МП является Арифметико-логическое устройствоарифметико-логическое устройство (АЛУ), предназначенное для непосредственного выполнения арифметических и логических операций с данными. АЛУ входят в состав обрабатывающей части МП, структурная схема которой представлена на рис. 1.1Рис. 01.1. Структурная схема обрабатывающей части микропроцессора.

В состав обрабатывающей части МП входят блок Регистр общего назначениярегистров общего назначения (РОН), часто называемый сверхоперативным ЗУ (СОЗУ); Регистр буферныйбуферный регистр (Рг Б); Регистр сдвиговыйсдвиговый регистр (Рг Сдв) и АЛУ.

В РОН хранятся информационные слова, подлежащие обработке в АЛУ, результаты и управляющие слова. РОН допускают считывание и запись информации, для чего содержат входную и выходную шины, шину указания адреса РОН или адресную шину и управляющий вход, сигнал на котором задает режим работы: запись, хранение или чтение информации. Информация из РОН может либо поступать в АЛУ, либо предварительно записывается в буферный или сдвиговый регистры, служащие для предварительного хранения информации или осуществления ее сдвига непосредственно перед обработкой в АЛУ. В системе, представленной на рис. 1.1Рис. 01.1. Структурная схема обрабатывающей части микропроцессора, при подаче соответствующих управляющих сигналов возможны следующие операции:

  • передача данных из одного РОН в другой (из первого РОН в РгБ, затем в АЛУ и во второй РОН);

  • увеличение или уменьшение на единицу содержимого любого РОН путем изменения в АЛУ выбранного из РОН значения на единицу и засылки полученного результата в тот же регистр;

  • сдвиг содержимого любого РОН на определенное количество разрядов путем передачи выбранного числа в Рг Сдв, сдвига этого числа и записи через АЛУ в тот же РОН.

Выполнение этих операций возможно только при поступлении управляющих сигналов, соответствующим образом распределенных по времени. Время выполнения операций определяется частотой поступления тактовых (синхронизирующих) сигналов.

Для управления выполнением операций, выбором команд программы в необходимой последовательности, их дешифровки и обработки составляющих их частей служит входящее в МП устройство управления (УУ). В настоящее время применяются МикропроцессорМП с двумя типами устройств управления: с микропрограммным управлением и с фиксированной системой команд (рис. 1.2Рис. 01.2. Схемы организации управления процессом информации в МП).

Микропрограммный способ управления позволяет легко вносить изменения в систему команд МП, путем записи в Запоминающее устройствоЗУ микропрограммы выполнения новой команды. Недостатком микропрограммного способа управления является ограниченность скорости быстродействия МП быстродействием управляющего ЗУ. В МП с фиксированной системой команд управляющий блок расшифровывает поступившую команду и в соответствии с ее кодом вырабатывает управляющие сигналы в необходимой последовательности. Расшифровке поддаются только те команды, которые входят в систему команд данного МП. Такой способ организации управления получил название жесткого или схемного. Жесткость и сложность структуры этого типа управления являются основным его недостатком, высокое быстродействие - главным преимуществом.

Команды, составляющие программу, размещаются во внешнем Запоминающее устройство командзапоминающем устройстве команд (ЗУК). МП обеспечивает выборку команд в нужной последовательности, их дешифрацию и т.д. Для выполнения этих функций МП должны иметь: Счетчик программныйпрограммный счетчик (ПС), хранящий текущий адрес команды, Регистр командрегистр команд (РК), предназначенный для хранения команд, поступающих из ЗУК. Адрес команды из ПС поступает через блок усилителей Буфер адресабуфера адреса (БА) на Шина адресашину адреса, а затем на адресные входы ЗУК. Команда, выбранная из ЗУК, поступает на Буфер данныхбуфер данных (БД), а затем, на регистр команд (РгК). Код команды расшифровывается Дешифратор команддешифратором команд (ДшК), который передает код выполняемой операции в Устройство управления выполнением операцийустройство управления выполнением операций (УУВО), вырабатывающее последовательность управляющих сигналов (рис. 1.3Рис. 01.3. Структура микропроцессора). В настоящее время существуют МП с одной, двумя (шины А и Б на рис. 1.3Рис. 01.3. Структура микропроцессора) и тремя внутренними Шинашинами. При трехшинной организации МП возможно выполнение логических, арифметических операций за один такт работы МП. Основной недостаток трехшинной архитектуры - большая площадь, занимаемая шинами на кристалле ИС (до 25%). При одношинной организации МП площадь, занимаемая шиной, не превышает 10% всей площади кристалла, однако выполнение операций усложняется прежде всего за счет введения дополнительных Регистррегистров.

Выполнение различных операций МикропроцессорМП осуществляет под воздействием команд, поступающих на его вход. В зависимости от архитектуры МП можно выделить команды изменения содержимого ячеек памяти, изменения содержимого регистра-аккумулятора, выполнения операций с памятью-стеком, выполнения операций в Арифметико-логическое устройствоАЛУ, изменения содержимого регистра состояния и т.д. Разнообразие команд управления МП представляет собой его систему команд. Чем больше команд выполняет МП, тем эффективнее может быть реализован алгоритм решения какой-либо прикладной задачи. Системы команд различных МП отличаются друг от друга, так как каждый МП предназначен для определенной области применения. Кроме отличий системы команд, МП могут различаться организацией режима прерываний, т.е. возможностью МП использовать свободные промежутки времени для выполнения другой части программы. Основу Микропроцессорный комплектМПК Большая интегральная схемаБИС составляет базовый комплект интегральных Интегральная микросхемамикросхем одной серии. Условное обозначение серии БИС состоит из двух элементов: первый элемент - цифра, указывающая на конструктивно-технологическую разновидность: полупроводниковые - 1, 5, 6, 7; гибридные - 2, 4, 8; прочие (пленочные, керамические) - 3.

Второй элемент - двух или трехзначное число, указывающее регистрационный порядковый номер серии. Условное обозначение ИС состоит из четырех или трехзначных цифр (шифр серии), двух букв, определяющих подгруппу и вид микросхем (см. таблицу), и порядкового номера разработки микросхемы. Буква К, стоящая первой в условном обозначении ИС, указывает на возможность широкого применения, буквы КН, КМ, КР, КА в начале условного обозначения ИС характеризуют условия их приемки на заводе-изготовителе. Например, К 1802ВС1 - полупроводниковая ИС широкого применения, представляющая микропроцессорную секцию МПК БИС серии К 1802, порядковый номер микросхемы в серии - I.

Подгруппа и вид ИС

Обозначение

Схемы цифровых устройств:

регистры

  ИР  

сумматоры

ИМ

полусумматоры

ИЛ

счетчики

ИЕ

шифраторы      

ИВ

дешифраторы

ИД

комбинированные

ИК

арифметико-логические устройства

ИА

прочие

ИП
Схемы вычислительных средств:       

микроЭВМ

ВЕ

микропроцессоры

ВМ

секции

ВС

хемы микропрограммного управления

ВУ

микропроцессорные  с функциональные расширители

ВР

схемы синхронизации

ВБ

схемы управления прерыванием

ВН

схемы управления вводом-выводом (схемы интерфейса)

ВВ

схемы управления памятью

ВТ

функциональные преобразователи информации        

ВФ

схемы сопряжения с магистралью

ВЛ

времязадающие схемы

ВИ

микрокалькуляторы

ВХ

контроллеры

ВГ

комбинированные схемы

ВК

специализированные схемы

ВЖ

прочие

ВП

Схемы ЗУ:         

матрицы оперативных ЗУ

РМ

матрицы постоянных ЗУ

РВ

оперативные ЗУ

РУ

постоянные ЗУ с возможностью однократного программирования

РТ

постоянные ЗУ (масочные)

РЕ

ЗУ на цилиндрических магнитных доменах

РЦ

постоянные ЗУ с возможностью многократного электрического перепрограммирования

РР

остоянные ЗУ с ультрафиолетовым стиранием и электрической записью информации

РФ

ассоцитивные ЗУ

РА

прочие

РП

Однокристальные микропроцессоры по типу архитектуры построения МП делятся на Микропроцессор однокристальныйоднокристальные, Микропроцессор секционныйсекционные МП и МикроЭВМ однокристальныйоднокристальные микроЭВМ. В однокристальной микроЭВМ (ОЭВМ) в кристалле ИС заключен не только МП, но также ПЗУ и ОЗУ, т.е. узлы, входящие в ядро классической ЭВМ. Однокристальные МП и ОЭВМ имеют фиксированные разрядность обрабатываемых данных (4, 8, 16, 32) и систему команд, хранящуюся в ПЗУ. Для секционных МП характерен микропрограммный способ управления. По способу организации связи МП с внешней средой различают МП с общей шиной адреса и данных и МП с раздельными шинами адреса и данных [ссылка на источники литературы]. В МП с общей шиной необходимо временное разделение прохождение адресов и данных. Для обмена информации с внешними устройствами требуется 6-8 временных тактов, а также специальный Регистр адресныйадресный регистр и управляющий сигнал разделения адрес - данные. В МП с раздельными шинами специальный управляющий сигнал и адресный регистр не нужны. Недостатком является большая площадь, занимаемая шинами на поверхности кристалла.

Микропроцессор однокристальныйОднокристальные микропроцессоры (ОМП) имеют ряд характерных особенностей [ссылка на источники литературы] построения: фиксированную разрядность обрабатываемых данных, фиксированную систему команд (рис. 1.4Рис. 01.4. Схема однокристального МП).

Обработка информации осуществляется в АЛУ. СтекСтек (магазинная память) используется как запоминающее устройство, при обращении к которому не требуется указания адреса. Регистр-аккумуляторРегистр-аккумулятор (Рг Акк) предназначен для временного хранения одного из данных, участвующих в операции, и результата. Использование Рг Акк позволяет уменьшить разрядность команд.

Для хранения и анализа вырабатываемых в процессе выполнения операций сигналов, носящих название признаков, предназначен Регистр признаковрегистр признаков (Рг П).

Данные поступают в МП по шине данных в блок управления вводом-выводом (БУВВ), который направляет команды в Регистр командрегистр команд (РгК), а числа - в РОН, в стек или в АЛУ. ДШК расшифровывает команду, после чего УУВО вырабатывает соответствующие расшифрованной команде управляющие сигналы. Арифметико-логическое устройствоАЛУ производит необходимые действия, результат помещается в стек, РОН или через БУВВ подается на внешние устройства. Все функциональные узлы ОМП связываются Шина внутренняявнутренней шиной (шинами). Разрядность внутренней шины равна длине слов, с которыми оперирует МП. Шина данныхШина данных работает в прямом и обратном направлениях по принципу временного мультиплексирования передач.

Наибольшее распространение в 80-е годы находит однокристальный 16-разрядный микропроцессор К 1810ВМ86, обладающий возможностью эффективной работы с языками высокого уровня, гибкой и мощной системой команд, развитой структурой прерываний, разнообразными способами адресации памяти.

Микропроцессор К 1810ВМ86 реализован по традиционной архитектуре, в соответствии с которой производится последовательная выборка команд и данных из памяти с последующей обработкой данных в АЛУ в соответствии с выбранной командой [ссылка на источники литературы].

В состав обрабатывающей части МП в связи с ограниченной его разрядностью введены индексные регистры, обеспечивающие обращение к большому объему памяти. Микропроцессор КМ 1810ВМ86 содержит (рис. 1.5Рис. 01.5. Структурная схема микропроцессора КМ): арифметико-логическое устройство (АЛУ) с Регистр признаковрегистром признаков (РгПр), блок микропрограммного управления (МПУ), восемь 16-разрядных Регистр общего назначениярегистров общего назначения (РОН), имеет 8-разрядные Регистр очереди командрегистры очереди команд (РОК), шесть 16-разрядных Регистр специальныйспециальных регистров (СРг), Регистр буферныйбуферный регистр адрес/данные (БРг А(Д)) и устройство управления и синхронизации (УУС). Адреса и данные поступают по внешней шине на буферный регистр и далее на внутреннюю магистраль [ссылка на источники литературы].

Архитектурной особенностью МП КМ 1810ВМ86 является наличие аппаратно-программных средств, упрощающих построение на его основе различных микропроцессорных систем. МП может выполнять 135 видов команд: арифметические, пересылки данных, поразрядной обработки, обработки строк, команды управления.

© Центр дистанционного образования МГУП