Классификация архитектур микропроцессора

Понятие «Архитектура МП» означает некий набор свойств и параметров отличающих различные группы МП.

Существует несколько подходов к классификации МП по типу архитектуры.

1. Виды архитектур, отличающиеся по характеру исполняемого кода и организации устройства управления выделяется несколько типов архитектур:

- Процессор со сложным набором инструкций, англ. CISC — Complex Instruction Set Computer. Эту архитектуру характеризует большое количество сложных инструкций (полный набор команд) с нефиксированной длиной инструкций, и как следствие сложное АЛУ. Характерны большие времена исполнения инструкций (от нескольких тактов до сотни). Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86.

- Процессор с упрощённым набором инструкций, англ. RISC — Reduced Instruction Set Computer. В этой архитектуре значительно более простое АЛУ. За счет упрощения команд время их выполнения оказывается короче. Большинство инструкций RISC-процессора содержат одинаковое малое число операций (1, иногда 2-3), а сами командные слова в основном имеют одинаковую ширину и выполняются за один такт МП. Примеры: PowerPC, ARM, AVR.

- Прочие архитектуры (с явным параллелизмом, с изменяемым набором инструкций и др.).

2. Виды архитектур, отличающиеся по разрядности. Разрядность означает число бит, которые может одновременно (при выполнении одной инструкции) интерпретировать, обрабатывать, хранить или передавать МП. Наиболее распространены:

8-разрядная (МП 8080, 8051);

16-разрядная (МП 8086, МС68000);

32-разрядная (МП 80486, Pentium, Atom);

64-разрядная (МП Core 2).

В основном используется фиксированная разрядность и список команд.

3. По способу хранения программ в адресных пространствах программ и данных, выделяется две архитектуры:

- Архитектура фон Неймана (Джон фон Нейман разработал архитектуру в 1946 г.). В МП этой архитектуры используется одна шина для обращения к программе и данным. Память программ и память данных находятся в едином пространстве. Отсутствуют специальные признаки, указывающие на тип информации в ячейке памяти. Большинство МП для ПК основаны на данной архитектуре.

- Гарвардская архитектура. Для выборки программ и обмена данным существуют отдельные шины и устройства ввода-вывода. Память программ и память данных разделены, имеют свои адресные пространства и способы доступа к ним.

4. С точки зрения программирования под архитектурой понимают совокупность следующих характеристик:

- состав, имена и назначения регистров МП;

- формат команд;

- режимы адресации;

- классы прерываний, особенностей инициирования и обработки прерываний.

Типичная структура МПС

Типичная структура МПС включает в себя три основных типа устройств:

1) МП;

2) Память. Включает два вида:

- оперативную память (ОЗУ, RAM — Random Access Memory) для временного хранения данных, промежуточной вычислительной обработки;

- постоянную память (ПЗУ, ROM —Read Only Memory), которая служит для хранения данных и программ;

3) Устройства ввода/вывода (УВВ, I/O — Input/Output Devices). Служат для связи (сопряжения) МПС с внешними устройствами:

- приема (ввода, чтения, Read) входных сигналов;

- выдачи (вывода, записи, Write) выходных сигналов.

Для измерительных приборов характерны устройства ввода в виде кнопочного пульта и измерительных преобразователей (АЦП, датчиков, блоки ввода цифровой информации). УВВ обычно представляют цифровые табло, графический экран (дисплей), внешние устройства сопряжения с измерительной системой.

УВВ представляют собой устройства на "жесткой логике", но могут содержать также свой МП.

Дополнительно в МПС обязательно присутствуют:

- генератор тактовых импульсов, который задает временной интервал, который является единицей измерения (квантом) продолжительности выполнения команды;

- схема питания, включающая в себя источник питания, фильтры, элементы защиты от перенапряжений, управляющие схемы для организации сброса.

Все блоки МПС связаны между собой шинами.

Шинная структура МПС

При классической структуре связей все сигналы и коды между устройствами в электронной системе передаются по отдельным линиям связи. Каждое устройство, входящее в систему, передает свои сигналы и коды независимо от других устройств. При этом в системе получается много линий связи и разных интерфейсов.

Рисунок 6 – Классическая структура связей

Для достижения максимальной универсальности и упрощения протоколов обмена информацией в МПС применяется шинная структура связей между устройствами.

При шинной структуре связей все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (это называется мультиплексированной передачей). Передача по всем линиям связи может осуществляться в обоих направлениях (двунаправленная передача). В результате количество линий связи существенно сокращается, а интерфейсы и протоколы упрощаются.

Группа линий связи, по которым передаются сигналы называется шиной (англ. bus).

Рисунок 7 – Шинная структура связей

Все узлы, отвечающие за обмен с шиной во всех устройствах (микросхемах памяти, УВВ), должны быть единообразны, унифицированы.

Недостаток шинной структуры связан с тем, что все устройства подключаются к каждой линии связи параллельно. Поэтому любая неисправность любого устройства может вывести из строя всю систему, если она портит линию связи.

Рисунок х – Структура микропроцессорной системы

Системная шина включает в себя четыре основные шины:

· шина адреса (ША - Address Bus);

· шина данных (ШД - Data Bus);

· шина управления (ШУ - Control Bus);

· шина питания (ШП - Power Bus).

ША служит для определения адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому устройству (кроме МП), каждой ячейке памяти в МПС присваивается собственный адрес. Когда код какого-то адреса выставляется процессором на ША, устройство, которому этот адрес приписан, понимает, что ему предстоит обмен информацией.

ШД — это основная шина, которая используется для передачи информации между всеми устройствами МПС. Обычно в пересылке информации участвует МП, который считывает или записывает данные в устройство или в ячейку памяти.

ШУ состоит из отдельных управляющих сигналов (условная шина), каждый из которых имеет свою функцию (стробирование передаваемых или принимаемых данных, . подтверждение приема данных, сброс устройств в исходное состояние, тактирование и т.д.).

ШП предназначена для питания системы. Она состоит из линий питания и общего провода. В МПС может быть один или несколько источников питания. Основной ряд стандартных напряжений питания 5 В, 3,3 В, 1,2 В. Каждому напряжению питания соответствует своя линия связи. Все устройства подключены к этим линиям параллельно.

При считывании данных МП по ША обращается к нужному УВВ или ячейке памяти и принимает по ШД входную информацию. При передаче данных МП обращается по ША к нужному УВВ или ячейке памяти и передает ему по ШД выходную информацию.

Все коды команд и данные передаются по шинам последовательно, по очереди.

Системная память

Для хранения информации в МПС используются запоминающие устройства на основе:

- полупроводниковых материалов,

- магнитные и оптические внешние носители.

Для функционирования МПС необходимо наличие:

- оперативного запоминающего устройства (ОЗУ),

- постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), обеспечивающего сохранение информации при выключении питания.

ПЗУ может быть однократно или многократно программируемым.

Основные характеристики полупроводниковой памяти:

1. Емкость памяти определяется числом бит хранимой информации. Емкость кристалла обычно выражается в битах и составляет 1024 бита, 4 Кбит, 16 Кбит, 64 Кбит и т.п.

Используются также следующие кратные единицы объема памяти:

- килобайт — 2¹⁰ или 1024 байта (обозначается Кбайт),

- мегабайт — 2²⁰ или 1 048 576 байт (обозначается Мбайт),

- гигабайт — 2³⁰ байт (обозначается Гбайт),

- терабайт — 2⁴⁰ (обозначается Тбайт)

2. Временные характеристики памяти. Время доступа - временной интервал, определяемый от момента, когда МП выставил на шину адреса адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных.

3. Удельная стоимость запоминающего устройства определяется отношением его стоимости к информационной емкости, т.е. определяется стоимостью бита хранимой информации.

4. Потребляемая энергия (или рассеиваемая мощность) приводится для двух режимов работы кристалла: режима пассивного хранения информации и активного режима, когда операции записи и считывания выполняются с номинальным быстродействием. Кристаллы динамической МОП-памяти в резервном режиме потребляют примерно в десять раз меньше энергии, чем в активном режиме.

5. Плотность упаковки определяется площадью запоминающего элемента и зависит от числа транзисторов в схеме элемента и используемой технологии. Наибольшая плотность упаковки достигнута в кристаллах динамической МОП-памяти.

6. Допустимая температура окружающей среды обычно указывается отдельно для активной работы, для пассивного хранения информации и для нерабочего состояния с отключенным питанием.

Все чаще в составе микропроцессорных систем используется флэш-память (англ. – flash memory), которая представляет собой энергонезависимую память с возможностью многократной перезаписи содержимого. FLASH - ПЗУ отличаются тем, что стирание производится не каждой ячейки отдельно, а всей микросхемы в целом или блока запоминающей матрицы этой микросхемы.

Рисунок 10 – Обозначение FLASH-памяти на принципиальных электрических схемах

При обращении к постоянному запоминающему устройству сначала необходимо выставить адрес ячейки памяти на ША, а затем произвести операцию чтения из микросхемы.

Рисунок 11 – Временная диаграмма чтения информации из ПЗУ

На рисунке стрелочками показана последовательность, в которой должны формироваться управляющие сигналы. На этом рисунке RD - это сигнал чтения, A - сигналы выбора адреса ячейки (так как отдельные биты в шине адреса могут принимать разные значения, то показаны пути перехода как в единичное, так и в нулевое состояние), D - выходная информация, считанная из выбранной ячейки ПЗУ.

В пространстве памяти МПС могут быть особые области, которые выполняют специальные функции:

- память программы начального запуска, которая всегда выполняется на ПЗУ или флэш-памяти; с этой области процессор начинает работу после включения питания и после сброса его с помощью сигнала RESET;

- область векторов прерываний;

- область стека.

Стек

Память для стека (Stack) — это часть ОЗУ, предназначенная для временного хранения данных в режиме LIFO (Last In — First Out).

Особенность стека по сравнению с другой ОЗУ — это заданный и неизменяемый способ адресации. При записи любого числа (кода) в стек число записывается по адресу, определяемому как содержимое регистра указателя стека, предварительно уменьшенное на единицу (или на два, если 16-разрядные слова расположены в памяти по четным адресам). При чтении из стека число читается из адреса, определяемого содержимым указателя стека, после чего это содержимое указателя стека увеличивается на единицу (или на два). В результате получается, что число, записанное последним, будет прочитано первым, а число, записанное первым, будет прочитано последним.

Принцип действия стека. Пусть, например, текущее состояние указателя стека 1000008, и в него надо записать два числа (слова). Первое слово будет записано по адресу 1000006 (перед записью указатель стека уменьшится на два). Второе — по адресу 1000004. После записи содержимое указателя стека — 1000004. Если затем прочитать из стека два слова, то первым будет прочитано слово из адреса 1000004, а после чтения указатель стека станет равным 1000006. Вторым будет прочитано слово из адреса 1000006, а указатель стека станет равным 1000008. Все вернулось к исходному состоянию. Первое записанное слово читается вторым, а второе — первым.

Рисунок 13 – Принцип работы стека

Такая адресация необходима в случае многократно вложенных подпрограмм.

Пусть, например, выполняется основная программа, и из нее вызывается подпрограмма 1. Если нам надо сохранить значения данных и внутренних регистров основной программы на время выполнения подпрограммы, мы перед вызовом подпрограммы сохраним их в стеке, а после ее окончания извлечем (прочитаем) их из стека. Если же из подпрограммы 1 вызывается подпрограмма 2, то ту же самую операцию мы проделаем с данными и содержимым внутренних регистров подпрограммы 1. Понятно, что внутри подпрограммы 2 крайними в стеке (читаемыми в первую очередь) будут данные из подпрограммы 1, а данные из основной программы будут глубже. При этом в случае чтения из стека автоматически будет соблюдаться нужный порядок читаемой информации. То же самое будет и в случае, когда таких уровней вложения подпрограмм гораздо больше. То есть то, что надо хранить подольше, прячется поглубже, а то, что скоро может потребоваться — с краю.

Прерывания

Прерывание – это изменение последовательного выполнения команд, вызванное обслуживанием запроса внешнего устройства, либо нарушение последовательной работы МП. Например, может быть предусмотрено прерывание по факту некорректного выполнения арифметической операции типа деления на ноль. Или же прерывание может быть программным, когда в программе используется команда перехода на какую-то подпрограмму, из которой затем последует возврат в основную программу.

Процессор, получив аппаратное прерывание, заканчивает выполнение текущей команды и обращается к памяти в область таблицы векторов прерываний, в ту ее строку, которая определяется номером запрошенного прерывания. Затем процессор читает содержимое этой строки (код вектора прерывания) и переходит в адрес памяти, задаваемый этим вектором.

Пусть, например, процессор выполнял основную программу и команду, находящуюся в адресе памяти 5000 (условно). В этот момент он получил запрос прерывания с номером (адресом вектора) 4. Процессор заканчивает выполнение команды из адреса 5000. Затем он сохраняет в стеке текущее значение счетчика команд (5001) и текущее значение PSW. После этого процессор читает из адреса 4 памяти код вектора прерывания. Пусть этот код равен 6000. Процессор переходит в адрес памяти 6000 и приступает к выполнению программы обработки прерывания, начинающейся с этого адреса. Пусть эта программа заканчивается в адресе 6100. Дойдя до этого адреса, процессор возвращается к выполнению прерванной программы. Для этого он извлекает из стека значение адреса (5001), на котором его прервали, и бывшее в тот момент PSW. Затем процессор читает команду из адреса 5001 и дальше последовательно выполняет команды основной программы.

Рисунок 14 – Упрощенный алгоритм обработки прерывания

Устройства ввода-вывода

Устройства ввода-вывода (УВВ) – это периферийные микросхемы, узлы, предназначенные для организации связи с внешними по отношению к данной МПС устройствами.

Примеры УВВ:

- индикаторы, дисплеи, прочие средства отображения информации;

- клавиатура;

- порты цифровой связи и др.

Обычно УВВ конструктивно разрабатывают в составе МПС в виде интерфейсных плат, модулей, узлов.

Рисунок 15 – Программная модель внешнего устройства

Каналы связи

Практически все реальные МПС позволяют выполнять передачу данных. Коммуникационные интерфейсы являются важной частью МПС.

Канал связи – это система технических средств и среда передачи информации между источником сигнала и приемником.

При телефонной передаче источник сообщения – говорящий. Кодирующее устройство, преобразующее звуки слов в электрические импульсы, – микрофон. Канал, по которому передается информация, – телефонный провод или радиоканал. Часть трубки, которая подносится к уху, выполняет роль декодирующего устройства (электрические сигналы снова преобразуются в звуки). Информация поступает в “принимающее устройство” – ухо человека на другом конце провода. Канал включает в себя телефонные аппараты (устройства), провода (предметы) и аппаратуру АТС (устройства). Особенностью этого информационного канала является то обстоятельство, что при поступлении в него информация, представленная в виде звуковых волн, преобразуется в электрические колебания и затем передается. Такой канал называется каналом с преобразованием информации.

Характеристики каналов связи:

- физическая среда передачи;

- параметры сигнала – полоса частот ΔF, несущая частота F, динамический диапазон D = 10lg(Pmax/Pmin)

- разрядность – максимальное количество информации, которое может быть одновременно помещено в канал;

- скорость передачи данных (пропускная способность);

- помехозащищенность;

- предложенная нагрузка – это поток данных, поступающий от источника в канал связи, характеризующаяся скоростью поступления данных в сеть – в битах в секунду (или килобитах, мегабитах и т.д.)

Пропускная способность – метрическая характеристика, показывающая максимального количества информации, данных, проходящей в единицу времени через канал связи. Пропускная способность показывать способность канала передавать информации в «идеальных» условиях и характеризует только сам канал, не затрагивая источник и приемник информации, способы обработки информации.

Основная единица измерения бит/сек. На более высоких уровнях, используется более крупная единица – байт/сек.

Бод – единица измерения символьной скорости, т.е. количество изменений несущего сигнала в секунду. Для квадратурной амплитудной модуляции QAM при символьной скорости 2 400 бод, скорость передачи – 9 600 бит/сек.

Теоретическая верхняя граница скорости передачи информации определяется теоремой Шеннона-Хартли. Пропускная способность канала C, означающая теоретическую верхнюю границу скорости передачи информации, которые можно передать с данной средней мощностью сигнала S через один аналоговый канал связи, подверженный аддитивному белому гауссовскому шуму мощности N равна:

,бит/сек

где

B — полоса пропускания канала в герцах;

S — полная мощность сигнала над полосой пропускания, измеренной в ваттах или вольтах в квадрате;

N — полная шумовая мощность над полосой пропускания, измеренной в ваттах или вольтах в квадрате;

S/N — отношение сигнала к шуму(SNR) сигнала к гауссовскому шуму, выраженное как отношение мощностей.

Шум - это помехи в канале связи при передаче информации.

Физические каналы связи делятся на несколько типов в зависимости от того, могут они передавать информацию в обоих направлениях или нет.

· Дуплексный канал обеспечивает одновременную передачу информации в обоих направлениях.

· Полудуплексный канал также обеспечивает передачу информации в обоих направлениях, но не одновременно, а по очереди.

· Симплексный канал позволяет передавать информацию только в одном направлении.

Типы каналов связи:

1. Проводные. Особым видом проводной связи является волоконно-оптическая связь. В МПС, используемых в электроэнергетике, наиболее распространены такие каналы связи, как RS-232, RS-485, Ethernet, Can-Bus и др.;

2. Беспроводные. Наиболее распространены Wi-Fi, ZigBee, GSM/GPRS, спутниковая связь, КВ-радиомодемы.

В качестве физической среды в коммуникациях используются: металлы (в основном медь), сверхпрозрачное стекло (кварц) или пластик и эфир.

Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель "витая пара", коаксиальные кабель, волоконно-оптический кабель и окружающее пространство.

В одной линии связи можно образовать несколько каналов связи (виртуальных или логических каналов), например путем частотного или временного разделения каналов.

Витая пара (twisted pair) — кабель связи, который представляет собой витую пару медных проводов (или несколько пар проводов), заключенных в экранированную оболочку.

Коаксиальный кабель (coaxial cable) - это кабель с центральным медным проводом, который окружен слоем изолирующего материала для того, чтобы отделить центральный проводник от внешнего проводящего экрана (медной оплетки или слой алюминиевой фольги). Внешний проводящий экран кабеля покрывается изоляцией.

Коаксиальный кабель более помехозащищенный, чем витая пара и снижает собственное излучение. Имеет высокую пропускную способность. Допустимая длина линии связи – несколько километров. Несанкционированное подключение к коаксиальному кабелю сложнее, чем к витой паре.

Кабельные оптоволоконные каналы связи. Оптоволоконный кабель (fiber optic) – это оптическое волокно на кремниевой или пластмассовой основе, заключенное в материал с низким коэффициентом преломления света, который закрыт внешней оболочкой. На передающем конце оптоволоконного кабеля требуется преобразование электрического сигнала в световой, а на приемном конце обратное преобразование. Основное преимущество – чрезвычайно высокий уровень помехозащищенности и отсутствие излучения. Несанкционированное подключение очень сложно. Высокая скорость передачи данных. Основные недостатки оптоволоконного кабеля – это сложность его монтажа, небольшая механическая прочность и чувствительность к ионизирующим излучениям.

Радиоканалы наземной (радиорелейной и сотовой) и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн и относятся к технологии беспроводной передачи данных.

Радиорелейные каналы связи состоят из последовательности станций, являющихся ретрансляторами. Связь осуществляется в пределах прямой видимости, дальности между соседними станциями - до 50 км. Цифровые радиорелейные линии связи (ЦРРС) применяются в качестве региональных и местных систем связи и передачи данных.

В спутниковых системах используются антенны СВЧ-диапазона частот для приема радиосигналов от наземных станций и ретрансляции этих сигналов обратно на наземные станции. В спутниковых сетях используются три основных типа спутников, которые находятся на геостационарных орбитах, средних или низких орбитах. Целесообразнее использовать спутниковую связь для организации канала связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и возможности обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках. Пропускная способность высокая – несколько десятков Мбит/c..

Радиоканалы сотовой связи строятся по тем же принципам, что и сотовые телефонные сети. Сотовая связь - это беспроводная телекоммуникационная система, состоящая из сети наземных базовых приемо-передающих станций и сотового коммутатора (или центра коммутации мобильной связи). Базовые станции подключаются к центру коммутации, который обеспечивает связь, как между базовыми станциями, так и с другими телефонными сетями и с глобальной сетью Интернет. По выполняемым функциям центр коммутации аналогичен обычной АТС проводной связи.

Используются стандарты GSM, GPRS.

Радиоканалы для локальных сетей. Стандартом беспроводной связи для локальных сетей является технология Wi-Fi. Wi-Fi обеспечивает подключение в двух режимах: точка-точка (для подключения двух ПК) и инфраструктурное соединение (для подключения несколько ПК к одной точке доступа). Скорость обмена данными до 54 Мбит/с.

Радиоканалы Bluetooht - это технология передачи данных на короткие расстояния (не более 10 м) и может быть использована для близкого локального подключения.

Модуляция сигналов

Так как аппаратура передачи и приема данных работает с данными в дискретном виде (единицы и нули), то при их передаче через аналоговый канал требуется преобразование дискретных данных в аналоговые (модуляция).

Модуляция – это процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастного несущего колебания по закону низкочастного информационного сигнала.

При приеме аналоговых данных необходимо обратное преобразование – демодуляция.

Модуляция/демодуляция – процессы преобразования цифровой информации в аналоговые сигналы и наоборот. При модуляции информация представляется синусоидальным сигналом той частоты, которую хорошо передает канал передачи данных.

Основные способы модуляции:

- амплитудная;

- частотная;

- фазовая.

Для передачи двоичных сигналов преобразование сигналов называется манипуляцией.

Амплитудная манипуляция (amplitude shift keying (ASK) — изменение сигнала, при котором скачкообразно меняется амплитуда несущего колебания

При частотной манипуляции(Frequency Shift Keying (FSK)) значениям «0» и «1» соответствуют определённые частоты при неизменной амплитуде. Частотная манипуляция весьма помехоустойчива, поскольку помехи канала искажают в основном амплитуду, а не частоту сигнала. Однако при частотной манипуляции неэкономно расходуется ресурс полосы частот канала.

Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления

Потенциальное или импульсное кодирование применяется на каналах высокого качества, а модуляция на основе синусоидальных сигналов предпочтительнее в тех случаях, когда канал вносит сильные искажения в передаваемые сигналы.