Kiến trúc bộ vi xử lý: các đặc điểm chính của bộ vi xử lý. Kiến trúc bộ vi xử lý bên trong
Bộ vi xử lý được đặc trưng bởi: 1) tần số xung nhịp, xác định thời gian thực hiện tối đa để chuyển đổi các phần tử trong máy tính; 2) độ sâu bit, tức là số lượng bit nhị phân được xử lý đồng thời tối đa.
Dung lượng bit của MP được ký hiệu là m/n/k/ và bao gồm: m - dung lượng bit của các thanh ghi bên trong, xác định xem nó có thuộc về một loại bộ xử lý cụ thể hay không; n - độ rộng bus dữ liệu, xác định tốc độ truyền thông tin; k - độ rộng bus địa chỉ, xác định kích thước của không gian địa chỉ. Ví dụ: i8088 MP được đặc trưng bởi các giá trị m/n/k=16/8/20; 3) kiến trúc. Khái niệm kiến trúc bộ vi xử lý bao gồm hệ thống lệnh và phương thức đánh địa chỉ, khả năng kết hợp việc thực hiện lệnh kịp thời, sự hiện diện của các thiết bị bổ sung trong bộ vi xử lý, nguyên tắc và phương thức hoạt động của nó. Có các khái niệm về kiến trúc vi mô và kiến trúc vĩ mô.
Kiến trúc vi mô của bộ vi xử lý là tổ chức phần cứng và cấu trúc logic của bộ vi xử lý, các thanh ghi, mạch điều khiển, thiết bị logic số học, thiết bị lưu trữ và đường cao tốc thông tin kết nối chúng.
Kiến trúc vĩ mô là một hệ thống các hướng dẫn, loại dữ liệu được xử lý, chế độ đánh địa chỉ và nguyên tắc hoạt động của bộ vi xử lý.
TRONG trường hợp chung Kiến trúc máy tính được hiểu là sự biểu diễn trừu tượng của một cỗ máy về các module chức năng cơ bản, ngôn ngữ máy tính và cấu trúc dữ liệu.
Cấu trúc của một bộ vi xử lý điển hình
Kiến trúc của một hệ thống tính toán dựa trên máy vi tính nhỏ điển hình được thể hiện trong hình 2. 2.1 Một máy vi tính như vậy chứa tất cả 5 khối chính của một máy số: thiết bị nhập thông tin, bộ điều khiển (CU), bộ logic số học (ALU) (có trong Bộ vi xử lý điều phối hoạt động của tất cả các thiết bị hệ thống kỹ thuật số sử dụng bus điều khiển (CC). Ngoài SHU, còn có bus địa chỉ 16 bit (ABA), được sử dụng để chọn tế bào cụ thể bộ nhớ, cổng đầu vào hoặc cổng đầu ra. Bus thông tin 8 bit hoặc bus dữ liệu (SD) thực hiện truyền dữ liệu hai chiều đến và từ bộ vi xử lý. Điều quan trọng cần lưu ý là MP có thể gửi thông tin đến bộ nhớ máy vi tính hoặc đến một trong các cổng đầu ra, cũng như nhận thông tin từ bộ nhớ hoặc từ một trong các cổng đầu vào.
bộ vi xử lý), thiết bị lưu trữ (bộ nhớ) và thiết bị xuất thông tin.
Cơm. 2.1. Kiến trúc của một bộ vi xử lý điển hình.
Bộ nhớ chỉ đọc (ROM) trong máy vi tính chứa một chương trình nhất định (trong thực tế là chương trình khởi tạo máy tính). Các chương trình có thể được tải vào bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) và từ thiết bị lưu trữ ngoài (ERM). Đây là những chương trình người dùng.
Để làm ví dụ minh họa hoạt động của máy vi tính, hãy xem xét quy trình triển khai mà bạn cần thực hiện chuỗi các thao tác cơ bản sau: 1. Nhấn phím có chữ “A” trên bàn phím. 2. Đặt chữ “A” vào bộ nhớ máy vi tính. 3. Hiển thị chữ “A” trên màn hình hiển thị.
Đây là một quy trình đầu vào-lưu trữ-đầu ra điển hình, việc xem xét quy trình này giúp giải thích các nguyên tắc sử dụng một số thiết bị có trong máy vi tính.
Trong bộ lễ phục. 2.2 được đưa ra sơ đồ chi tiết thực hiện thủ tục nhập-lưu-xuất. Lưu ý rằng các lệnh đã được tải vào sáu vị trí bộ nhớ đầu tiên. Chương trình được lưu trữ chứa chuỗi lệnh sau: 1. Nhập dữ liệu từ cổng đầu vào 1. 2. Lưu trữ dữ liệu ở vị trí bộ nhớ 200. 3. Gửi dữ liệu đến cổng đầu ra 10.
Cơm. 2.2. Sơ đồ thực hiện quy trình nhập-ghi nhớ-xuất.
Chỉ có ba lệnh trong chương trình này, mặc dù trong Hình. 2.2 có vẻ như có sáu lệnh được ghi trong bộ nhớ chương trình. Điều này là do nhóm thường được chia thành nhiều phần. Phần đầu tiên của lệnh 1 trong chương trình trên là lệnh nhập dữ liệu. Phần thứ hai của lệnh 1 chỉ định dữ liệu sẽ được nhập từ đâu (từ cổng 1). Phần đầu tiên của lệnh chỉ định một hành động cụ thể được gọi là mã hoạt động (OPC) và phần thứ hai được gọi là toán hạng. Mã hoạt động và toán hạng được đặt ở các vị trí bộ nhớ chương trình riêng biệt. Trong bộ lễ phục. 2.2 COP được lưu trong ô 100 và mã toán hạng được lưu trong ô 101 (cổng 1); cái sau cho biết thông tin nên được lấy từ đâu.
Trong MP trong hình. 2.2, hai khối mới nữa được đánh dấu - các thanh ghi: bộ tích lũy và thanh ghi lệnh.
Hãy xem xét việc truyền các lệnh và dữ liệu bên trong máy vi tính bằng cách sử dụng các vòng tròn được đánh số trên sơ đồ. Hãy nhớ lại rằng bộ vi xử lý là nút trung tâm điều khiển chuyển động của tất cả dữ liệu và thực hiện các hoạt động.
Vì vậy, khi thực hiện quy trình đầu vào-lưu trữ-đầu ra điển hình trong máy vi tính, trình tự tiếp theo Hành động: 1. MP cấp địa chỉ 100 cho bus địa chỉ. Một tín hiệu được gửi qua bus điều khiển để đặt bộ nhớ chương trình (một vi mạch cụ thể) sang chế độ đọc. 2. Bộ nhớ chương trình gửi lệnh đầu tiên (“Nhập dữ liệu”) dọc theo bus dữ liệu và MP nhận được thông báo được mã hóa này. Lệnh được đặt trong thanh ghi lệnh. MP giải mã (thông dịch) lệnh nhận được và xác định rằng lệnh đó yêu cầu toán hạng. 3. MP cấp địa chỉ 101 cho ShA; Phòng điều khiển được sử dụng để chuyển bộ nhớ chương trình sang chế độ đọc. 4. Toán hạng “Từ cổng 1” được gửi từ bộ nhớ chương trình tới SD. Toán hạng này nằm trong bộ nhớ chương trình ở ô 101. Mã toán hạng (chứa địa chỉ của cổng 1) được truyền qua SD đến MP và gửi đến thanh ghi lệnh. MP bây giờ giải mã đủ thành viên(“Nhập dữ liệu từ cổng 1”). 5. MP, sử dụng ShA và ShU kết nối nó với thiết bị đầu vào, sẽ mở cổng 1. Mã kỹ thuật số chữ “A” được chuyển vào bộ tích lũy bên trong MP và được lưu trữ, điều quan trọng cần lưu ý là khi xử lý từng lệnh chương trình, MP hoạt động theo vi thủ tục lấy mẫu-giải mã-thực thi. 6. MP truy cập ô 102 thông qua ShA. Phòng điều khiển được sử dụng để chuyển bộ nhớ chương trình sang chế độ đọc. 7. Mã lệnh “Ghi nhớ dữ liệu” được gửi đến SD và gửi đến MP, nơi nó được đặt trong thanh ghi lệnh. 8. MP giải mã lệnh này và xác định rằng nó yêu cầu toán hạng. MP truy cập ô nhớ 103 và kích hoạt đầu vào để đọc chip bộ nhớ chương trình. 9. Mã thông báo “Trong ô nhớ 200” được gửi từ bộ nhớ chương trình tới SD. MP lấy toán hạng này và đặt nó vào thanh ghi lệnh. Lệnh hoàn chỉnh "Lưu trữ dữ liệu ở vị trí bộ nhớ 200" được chọn từ bộ nhớ chương trình và được giải mã. 10. Bây giờ quá trình thực thi lệnh bắt đầu. MP chuyển tiếp địa chỉ 200 tới SHA và kích hoạt đầu vào ghi liên quan đến bộ nhớ dữ liệu. 11. MP chuyển tiếp thông tin được lưu trong pin tới bộ nhớ dữ liệu. Mã của chữ “A” được truyền qua SD và ghi vào ô 200 của bộ nhớ này. Lệnh thứ hai đã được thực thi. Quá trình ghi nhớ không phá hủy nội dung của pin. Nó vẫn chứa mã cho chữ "A". 12. MP truy cập ô nhớ 104 để chọn lệnh tiếp theo và chuyển bộ nhớ chương trình sang chế độ đọc. 13. Mã lệnh đầu ra dữ liệu được gửi qua SD tới MP, MP sẽ đặt nó vào thanh ghi lệnh, giải mã nó và xác định rằng cần có một toán hạng. 14. MP cấp địa chỉ 105 cho SHA và đặt bộ nhớ chương trình ở chế độ đọc. 15. Từ bộ nhớ chương trình qua SD, mã toán hạng “Tới cổng 10” được MP nhận, sau đó được đặt vào thanh ghi lệnh. 16. MP giải mã toàn bộ lệnh “Xuất dữ liệu ra cổng 10”. Với sự trợ giúp của ShA và ShU kết nối nó với thiết bị đầu ra, MP mở cổng 10 và gửi mã chữ “A” (vẫn nằm trong pin) qua ShD. Chữ “A” được hiển thị qua cổng 10 trên màn hình hiển thị.
Trong hầu hết các hệ thống vi xử lý (MPS), thông tin được truyền theo cách tương tự như cách đã thảo luận ở trên. Sự khác biệt đáng kể nhất có thể xảy ra ở khối đầu vào và đầu ra.
Chúng tôi xin nhấn mạnh một lần nữa rằng bộ vi xử lý là cốt lõi của hệ thống và điều khiển mọi hoạt động. Công việc của ông thể hiện việc triển khai tuần tự các vi quy trình lấy mẫu-giải mã-thực thi. Tuy nhiên, trình tự hoạt động thực tế trong MPS được xác định bởi các lệnh được ghi trong bộ nhớ chương trình.
Vì vậy, trong MPS, bộ vi xử lý thực hiện các chức năng sau: - tìm nạp các lệnh chương trình từ bộ nhớ chính; - giải mã lệnh; - thực hiện các phép tính số học, logic và các phép toán khác được mã hóa bằng lệnh; - kiểm soát việc truyền thông tin giữa các thanh ghi và bộ nhớ chính, giữa các thiết bị đầu vào/đầu ra; - xử lý tín hiệu từ các thiết bị đầu vào/đầu ra, bao gồm cả việc thực hiện các ngắt từ các thiết bị này; - Quản lý và điều phối công việc của các đơn vị chính của MP.
Kiến trúc vi xử lý
Khái niệm vi xử lý
Sự xuất hiện của công nghệ mạch tích hợp - Giai đoạn mới trong giai đoạn phát triển công nghệ máy tính. Do sự phát triển của bộ xử lý dựa trên chip, kích thước và hình dạng của máy tính kỹ thuật số đã giảm đáng kể.
Bộ vi xử lý (MP) là phần mềm thiết bị được điều khiển, được dùng để xử lý thông tin số và kiểm soát quá trình xử lý này và được thực hiện dưới dạng một hoặc nhiều mạch tích hợp lớn (LSI).
Khái niệm lớn mạch tích hợp hiện chưa được xác định rõ ràng. Trước đây, người ta tin rằng lớp này nên bao gồm các vi mạch chứa hơn 1000 phần tử trên một con chip. Thật vậy, bộ vi xử lý đầu tiên phù hợp với các thông số này. Ví dụ, phần bộ xử lý 4 bit của bộ vi xử lý K584, được sản xuất vào cuối những năm 1970, chứa khoảng 1.500 phần tử. Bây giờ, khi bộ vi xử lý chứa hàng chục triệu bóng bán dẫn và số lượng của chúng không ngừng tăng lên, khi nói đến LSI, chúng tôi muốn nói đến một mạch tích hợp phức tạp về mặt chức năng.
Mức độ tích hợp mạch (trong GOST):
Mạch tích hợp tích hợp thấp<10 транзисторов;
Mạch tích hợp trung bình< 100 транзисторов;
Mạch tích hợp lớn (LSI) > 100 bóng bán dẫn (~1000 bóng bán dẫn)
Hệ thống bộ vi xử lý (MPS) là một sản phẩm hoàn chỉnh về mặt chức năng bao gồm một hoặc nhiều thiết bị, cơ sở của nó là bộ vi xử lý.
Bộ vi xử lý được đặc trưng một lượng lớn các tham số và thuộc tính, vì một mặt nó phức tạp về mặt chức năng thiết bị tin học, và mặt khác - thiết bị điện tử, một sản phẩm của ngành công nghiệp điện tử.
Các loại kiến trúc vi xử lý
Là một phương tiện công nghệ tính toán, bộ vi xử lý được đặc trưng chủ yếu bởi kiến trúc, nghĩa là một tập hợp các thuộc tính phần mềm và phần cứng được cung cấp cho người dùng. Điều này bao gồm hệ thống hướng dẫn, loại và định dạng của dữ liệu được xử lý, chế độ địa chỉ, số lượng và phân bổ các thanh ghi, nguyên tắc tương tác với RAM và các thiết bị bên ngoài (đặc điểm của hệ thống ngắt, truy cập bộ nhớ trực tiếp, v.v.).
Dựa trên kiến trúc của chúng, bộ vi xử lý được chia thành nhiều loại (Hình 3).
Cơm. 3. Phân loại bộ vi xử lý
Bộ vi xử lý đa năng
Bộ vi xử lý đa năngđược thiết kế để giải quyết vấn đề xử lý số nhiều loại khác nhau thông tin từ tính toán kỹ thuật đến làm việc với cơ sở dữ liệu, không bị ràng buộc bởi những hạn chế nghiêm ngặt về thời gian hoàn thành nhiệm vụ. Lớp vi xử lý này được biết đến rộng rãi nhất. Nó bao gồm các bộ vi xử lý nổi tiếng như dòng Pentium MP của Intel và dòng MP Athlon của AMD.
Đặc điểm của bộ vi xử lý phổ quát:
Dung lượng bit: được xác định bằng dung lượng tối đa của dữ liệu số nguyên được xử lý trong 1 chu kỳ xung nhịp, thực chất là dung lượng của đơn vị logic số học (ALU);
Các loại và định dạng của dữ liệu được xử lý;
Hệ thống lệnh, chế độ đánh địa chỉ toán hạng;
Dung lượng RAM có thể định địa chỉ trực tiếp: được xác định bởi độ rộng bit của bus địa chỉ;
Tính thường xuyên đồng bộ hóa bên ngoài. Đối với tần số đồng bộ hóa, giá trị tối đa có thể có của nó thường được chỉ định, tại đó hoạt động của mạch được đảm bảo. Đối với chức năng mạch phức tạp, bao gồm bộ vi xử lý, đôi khi cũng chỉ ra tần số đồng bộ hóa tối thiểu có thể. Việc giảm tần số xuống dưới giới hạn này có thể dẫn đến hỏng mạch. Đồng thời, trong các ứng dụng MP không yêu cầu hiệu suất cao, việc giảm tần số đồng bộ hóa là một trong những lĩnh vực tiết kiệm năng lượng. Trong một số bộ vi xử lý hiện đại, khi tần số giảm, nó sẽ chuyển sang “chế độ ngủ”, trong đó nó vẫn giữ nguyên trạng thái. Tần số xung nhịp trong cùng một kiến trúc cho phép bạn so sánh hiệu suất của bộ vi xử lý. Nhưng các quyết định kiến trúc khác nhau ảnh hưởng đến hiệu suất nhiều hơn là tần suất;
Hiệu suất: được xác định bằng cách sử dụng các thử nghiệm đặc biệt và bộ thử nghiệm được chọn theo cách mà chúng bao gồm, nếu có thể, các đặc điểm khác nhau của vi kiến trúc bộ xử lý ảnh hưởng đến hiệu suất.
Bộ vi xử lý phổ thông thường được chia thành bộ vi xử lý CISC và RISC. Bộ vi xử lý CISC (tính toán tập lệnh đã hoàn thành) hệ thống hoàn chỉnh command) bao gồm toàn bộ tập lệnh cổ điển với các chế độ đánh địa chỉ toán hạng được phát triển rộng rãi. Ví dụ, chính lớp này thuộc về bộ vi xử lý kiểu Pentium. Đồng thời, bộ vi xử lý RISC (tính toán tập lệnh giảm) sử dụng, như định nghĩa sau, giảm số lượng lệnh và chế độ địa chỉ. Ở đây, trước hết chúng ta nên nêu bật các bộ vi xử lý như Alpha 21x64 và Power PC. Số lượng lệnh trong tập lệnh là rõ ràng nhất, nhưng ngày nay nó không phải là điểm khác biệt quan trọng nhất trong các hướng phát triển của bộ vi xử lý phổ thông này. Chúng tôi sẽ xem xét những khác biệt khác khi nghiên cứu các đặc điểm kiến trúc của chúng.
1.6.1 Các khái niệm cơ bản
Sự phát triển của công nghệ cho phép tạo ra trên chip ngày càng nhiều thành phần hoạt động - bóng bán dẫn, có thể được sử dụng để triển khai các giải pháp kiến trúc và cấu trúc mới giúp tăng hiệu suất và mở rộng chức năng của bộ vi xử lý
Công nghệ vi xử lý bao gồm kỹ thuật và phần mềm, được sử dụng để xây dựng các hệ thống vi xử lý, thiết bị và máy vi tính cá nhân khác nhau.
Bộ vi xử lý (MP) – một thiết bị được điều khiển bằng phần mềm thực hiện quá trình xử lý và kiểm soát thông tin số và được xây dựng, theo quy định, trên một LSI duy nhất.
Hệ thống vi xử lý (MPS) là một sản phẩm hoàn chỉnh về mặt chức năng bao gồm một hoặc nhiều thiết bị, chủ yếu dựa trên bộ vi xử lý: bộ vi xử lý và/hoặc bộ vi điều khiển.
Thuật ngữ "vi điều khiển" (MK) đã thay thế thuật ngữ “máy vi tính chip đơn” được sử dụng trước đó. Bằng sáng chế đầu tiên cho máy vi tính một chip được cấp vào năm 1971 cho M. Kochren và G. Boon. Chính họ đã đề xuất đặt trên một con chip không chỉ bộ vi xử lý mà còn cả bộ nhớ và các thiết bị đầu vào/đầu ra. Sự ra đời của máy vi tính đơn chip gắn liền với sự khởi đầu của kỷ nguyên tự động hóa máy tính trong lĩnh vực điều khiển. Rõ ràng, hoàn cảnh này đã định nghĩa thuật ngữ "vi điều khiển" (điều khiển- sự quản lý).
Tuy nhiên, sau đó, việc mở rộng phạm vi sử dụng bộ vi điều khiển kéo theo sự phát triển kiến trúc của chúng do việc đặt các thiết bị (mô-đun) trên chip phản ánh đặc thù của các nhiệm vụ được giải quyết bằng chức năng của chúng. Những thiết bị bổ sung như vậy được gọi là thiết bị ngoại vi. Vì vậy, không phải ngẫu nhiên mà một thuật ngữ khác mới được đưa ra gần đây - "bộ xử lý tích hợp" (IP) , định nghĩa một loại thiết bị chip đơn có chức năng mới với thành phần mô-đun khác nhau. Theo số lượng và thành phần thiết bị ngoại vi IP kém hơn MK và chiếm vị trí trung gian giữa MP và MK. Vì lý do tương tự, không chỉ các họ MK hợp nhất các MK liên quan (có cùng hệ thống chỉ huy, độ sâu bit) xuất hiện mà cả các loại MK phụ cũng bắt đầu được phân biệt: giao tiếp, kiểm soát, v.v.
Vi điều khiển (MK) – máy tính đơn chip hoặc bộ vi xử lý điều khiển.
MP hiện chủ yếu được sử dụng để sản xuất máy tính cá nhân, còn MK và IP là cơ sở để tạo ra các hệ thống nhúng, thiết bị viễn thông và di động khác nhau, v.v.
Kiến trúc bộ xử lý là sự phức tạp của phần cứng và phần mềm được cung cấp cho người dùng. Khái niệm chung này bao gồm một tập hợp các thanh ghi và thiết bị điều hành (vận hành) có thể truy cập bằng phần mềm, một hệ thống các lệnh cơ bản và phương pháp đánh địa chỉ, khối lượng và cấu trúc của bộ nhớ có thể định địa chỉ, v.v.
Ngành kiến trúc liên quan chặt chẽ đến kết cấu , cung cấp sự hiện diện của các thành phần để thực hiện các chức năng của bộ xử lý.
1.6.2 Các biến thể của kiến trúc vi xử lý
Tùy từtập hợp các lệnh được thực thi và các phương thức đánh địa chỉ
CISC ( Tổ hợp Chỉ dẫn Bộ Máy tính ) - ngành kiến trúc được thực hiện trong nhiều loại bộ vi xử lý thực hiện bộ lớn lệnh đa định dạng bằng cách sử dụng nhiều phương pháp đánh địa chỉ.
Ví dụ, bộ vi xử lý thuộc họ Pentium. Chúng thực thi hơn 200 lệnh có độ phức tạp khác nhau, có kích thước từ 1 đến 15 byte và cung cấp hơn 10 phương thức đánh địa chỉ khác nhau).
Một loạt các lệnh được thực thi và phương pháp đánh địa chỉ cho phép lập trình viên thực hiện các thuật toán hiệu quả nhất để giải quyết các vấn đề khác nhau. Tuy nhiên, đồng thời, cấu trúc của bộ vi xử lý, đặc biệt là thiết bị điều khiển của nó, trở nên phức tạp hơn đáng kể, dẫn đến kích thước và giá thành của tinh thể tăng lên cũng như giảm hiệu suất. Đồng thời, nhiều lệnh và phương pháp đánh địa chỉ được sử dụng khá hiếm. Vì vậy, bắt đầu từ những năm 1980, sự phát triển mạnh mẽ đã bắt đầu kiến trúc bộ xử lý giảm tập lệnh ( RISC -bộ xử lý).
RISC ( Giảm Chỉ dẫn Bộ Máy tính ) - ngành kiến trúc được đặc trưng bởi việc sử dụng một tập hợp lệnh giới hạn có định dạng cố định và số lượng phương thức đánh địa chỉ giảm. Kết quả là cấu trúc của bộ vi xử lý được đơn giản hóa đáng kể, kích thước và giá thành của nó giảm xuống và năng suất tăng lên đáng kể.
Bộ xử lý RISC hiện đại thường thực hiện khoảng 100 lệnh, có định dạng cố định có độ dài 4 byte. Số lượng các phương pháp đánh địa chỉ được sử dụng cũng giảm đi đáng kể. Thông thường, trong bộ xử lý RISC, tất cả các lệnh xử lý dữ liệu chỉ được thực thi bằng địa chỉ thanh ghi hoặc địa chỉ tức thời. Hơn nữa, để giảm số lượng truy cập bộ nhớ, bộ xử lý RISC tăng dung lượng lưu trữ thanh ghi nội bộ - từ 32 lên vài trăm thanh ghi, trong khi ở bộ xử lý CISC, số lượng thanh ghi mục đích chung thường là 8-16. Truy cập bộ nhớ trong bộ xử lý RISC chỉ được sử dụng trong các hoạt động tải dữ liệu vào REU hoặc truyền kết quả từ REU sang bộ nhớ. Trong trường hợp này, một số ít nhất những cách đơn giảnđịa chỉ: thanh ghi gián tiếp, chỉ mục và một số thứ khác.
Ưu điểm của kiến trúc RISC đã dẫn đến thực tế là nhiều bộ xử lý CISC hiện đại sử dụng lõi RISC để thực hiện xử lý dữ liệu. Trong trường hợp này, các lệnh phức tạp và đa định dạng đến sẽ được chuyển đổi trước thành một chuỗi các thao tác RISC đơn giản được lõi bộ xử lý này thực thi nhanh chóng.
Ví dụ, đây là cách hoạt động của các mẫu bộ vi xử lý Pentium và K7 mới nhất, theo các chỉ số bên ngoài thuộc về bộ xử lý CISC. Việc sử dụng kiến trúc RISC là tính năng đặc trưng nhiều bộ vi xử lý hiện đại.
VLIW ( Rất Lớn Chỉ dẫn Từ ) – một đặc điểm của kiến trúc là sử dụng các lệnh rất dài (tối đa 128 bit trở lên), các trường riêng lẻ chứa mã đảm bảo thực thi hoạt động khác nhau. Do đó, một lệnh khiến nhiều thao tác được thực hiện song song theo các cách khác nhau. thiết bị điều hành, được bao gồm trong cấu trúc của bộ vi xử lý.
Ngành kiến trúc xuất hiện tương đối gần đây - vào những năm 1990.
Tùy về việc triển khai bộ nhớ được sử dụng và tổ chức tìm nạp lệnh và dữ liệu Các tùy chọn kiến trúc sau đây được triển khai trong các bộ vi xử lý hiện đại:
Kiến trúc Princeton , thường được gọi là kiến trúc Von Neumann, được đặc trưng bởi việc sử dụng RAM dùng chung để lưu trữ chương trình và dữ liệu. Để truy cập bộ nhớ này, một bus hệ thống chung được sử dụng, qua đó cả lệnh và dữ liệu đều đi vào bộ xử lý.
Thuận lợi ngành kiến trúc:
a) Sự hiện diện của bộ nhớ dùng chung cho phép bạn nhanh chóng phân phối lại âm lượng của nó để lưu trữ các mảng lệnh và dữ liệu riêng biệt, tùy thuộc vào các tác vụ đang được giải quyết. Điều này đảm bảo khả năng sử dụng hiệu quả lượng RAM sẵn có trong từng trường hợp sử dụng bộ vi xử lý cụ thể;
b) việc sử dụng một bus chung để truyền lệnh và dữ liệu giúp đơn giản hóa rất nhiều việc gỡ lỗi, kiểm tra và giám sát liên tục hoạt động của hệ thống và tăng độ tin cậy của nó.
Nhược điểm chính kiến trúc là nhu cầu lấy mẫu tuần tự các lệnh và dữ liệu đã xử lý trên một bus hệ thống chung. Trong trường hợp này, bus thông thường trở thành “nút thắt cổ chai”, làm hạn chế hiệu suất của hệ thống kỹ thuật số.
kiến trúc Harvard được đặc trưng bởi sự tách biệt vật lý giữa bộ nhớ lệnh (chương trình) và bộ nhớ dữ liệu. Mỗi bộ nhớ được kết nối với bộ xử lý bằng một bus riêng, cho phép đọc và ghi dữ liệu đồng thời trong khi thực hiện lệnh hiện tại để tìm nạp và giải mã lệnh tiếp theo.
Phẩm giá Kiến trúc có hiệu suất cao hơn so với sử dụng kiến trúc Princeton, do sự tách biệt giữa các luồng lệnh và dữ liệu cũng như sự kết hợp các hoạt động tìm nạp của chúng.
sai sót kiến trúc gắn liền với nhu cầu về số lượng xe buýt lớn hơn, cũng như với lượng bộ nhớ cố định được phân bổ cho các lệnh và dữ liệu, mục đích của chúng không thể được phân phối lại nhanh chóng theo yêu cầu của vấn đề đang được giải quyết.
Do đó, cần phải sử dụng bộ nhớ lớn hơn, tốc độ sử dụng bộ nhớ này khi giải các bài toán khác nhau sẽ thấp hơn so với các hệ thống có kiến trúc Princeton. Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ vi điện tử đã giúp khắc phục được phần lớn những nhược điểm này.
GarKiến trúc Vardianđược sử dụng rộng rãi trong cấu trúc bên trong của bộ vi xử lý hiệu suất cao hiện đại, sử dụng bộ nhớ đệm riêng để lưu trữ hướng dẫn và dữ liệu. Đồng thời, các nguyên tắc của Kiến trúc Princeton.
Cấu trúc điển hình của một hệ thống vi xử lý
Hầu hết các hệ thống vi xử lý đều có cấu trúc mô-đun xương sống, trong đó thiết bị riêng lẻ(mô-đun) có trong hệ thống trao đổi thông tin thông qua đường trục hệ thống chung (Hình 1.7).
Mô-đun chính của hệ thống là bộ vi xử lý, bao gồm
sắp xếp sự quản lý (UU) ,
thiết bị điều hành ,
đăng ký miệng lưu trữ họp lại (RZU) – bộ nhớ trong, được thực hiện như một tập hợp các thanh ghi.
Opera thiết bị lưu trữ tích cực (ĐẬP) dùng để lưu trữ chương trình thực thi (hoặc các đoạn của nó) và dữ liệu cần xử lý. Trong các hệ thống vi xử lý đơn giản nhất, dung lượng RAM là hàng chục và hàng trăm byte, còn trong các máy tính cá nhân, máy chủ và máy trạm hiện đại, nó đạt tới hàng trăm MB trở lên. Vì việc truy cập RAM qua bus hệ thống đòi hỏi một lượng thời gian đáng kể nên hầu hết các bộ vi xử lý hiệu suất cao hiện đại đều giới thiệu thêm bộ nhớ trung gian tốc độ cao (cache) khối lượng hạn chế (từ vài KB đến hàng trăm KB).
Bộ nhớ chỉ đọc (ROM) được sử dụng để lưu trữ các hằng số và các chương trình tiêu chuẩn (không thay đổi). ROM thường lưu trữ các chương trình khởi tạo (khởi động) hệ thống ban đầu, kiểm tra và chương trình chẩn đoán và các phần mềm dịch vụ khác không thay đổi trong quá trình hệ thống vận hành. Các hệ thống vi xử lý điều khiển một số đối tượng nhất định bằng các chương trình cố định hoặc hiếm khi thay đổi cũng thường sử dụng ROM (ROM) để lưu trữ chúng. bộ nhớ ROM– Bộ nhớ chỉ đọc) hoặc ROM có thể lập trình lại (bộ nhớ EEPROM – Bộ nhớ chỉ đọc hoặc bộ nhớ flash có thể lập trình được xóa bằng điện).
Chôn cất thiết bị khuôn mặt (FD) dùng để kết nối với bus các thiết bị khác bên ngoài hệ thống. IU thực hiện các giao thức truyền thông song song hoặc nối tiếp nhất định. Các thiết bị bên ngoài có thể là bàn phím, màn hình, thiết bị lưu trữ ngoài (ESD) sử dụng linh hoạt hoặc từ cứngđĩa, đĩa quang (CD-ROM), băng từ và các loại phương tiện lưu trữ khác, cảm biến và bộ chuyển đổi thông tin (tương tự sang số hoặc từ số sang tương tự), các bộ truyền động khác nhau (chỉ báo, máy in, động cơ điện, rơle và các thiết bị khác ).
Để thực hiện các chế độ vận hành khác nhau, các thiết bị bổ sung có thể được kết nối với hệ thống - bộ điều khiển ngắt, bộ điều khiển truy cập bộ nhớ trực tiếp và các thiết bị khác thực hiện các chức năng điều khiển đặc biệt cần thiết.
Cấu trúc này tương ứng với kiến trúc Von Neumann được nhà khoa học này đề xuất vào những năm 1940 để triển khai những mô hình máy tính kỹ thuật số đầu tiên.
УУ – thiết bị điều khiển
Hệ điều hành - thiết bị điều hành
RZU – đăng ký thiết bị lưu trữ
RAM - bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên
ROM – bộ nhớ chỉ đọc
IU – thiết bị giao diện
Hình 1.7 – Cấu trúc điển hình hệ thống vi xử lý
Xe buýt hệ thống chứa vài chục dây dẫn (trong các hệ thống phức tạp hơn 100), theo mục đích chức năng của chúng, được chia thành các bus riêng biệt:
xe buýt địa chỉ A, dùng để truyền địa chỉ được tạo bởi bộ vi xử lý và cho phép bạn chọn ô nhớ RAM (ROM) cần thiết hoặc DI cần thiết khi truy cập thiết bị bên ngoài;
xe buýt dữ liệuD, được sử dụng để truy xuất các lệnh đến từ RAM hoặc ROM đến bộ điều khiển của bộ vi xử lý và để truyền dữ liệu (toán hạng) đã xử lý giữa bộ vi xử lý và RAM hoặc thiết bị (thiết bị bên ngoài);
xe buýt điều khiển C, dùng để truyền nhiều loại tín hiệu điều khiển xác định chế độ hoạt động của bộ nhớ (ghi hoặc đọc), thiết bị giao diện (đầu vào hoặc đầu ra thông tin) và bộ vi xử lý (khởi động, yêu cầu thiết bị bên ngoài về dịch vụ, thông tin về chế độ hiện hành làm việc) và các tín hiệu khác.
- GIỚI THIỆU
- 1. đặc điểm chung kiến trúc bộ xử lý
- 1.1 Cấu trúc cơ bản hệ thống vi xử lý
- 1.2 Khái niệm về kiến trúc bộ vi xử lý
- 1.3 Tổng quan các loại hiện có kiến trúc vi xử lý
- 2. Thiết bị điều khiển
- 3. Tính năng điều khiển phần mềm và firmware
- 4. Chế độ đánh địa chỉ
- Phần kết luận
- Thư mục
- GIỚI THIỆU
- Quá trình tương tác của con người với máy tính đã diễn ra được hơn 40 năm. Cho đến gần đây, chỉ có các chuyên gia - kỹ sư, nhà toán học - lập trình viên, nhà điều hành - mới có thể tham gia vào quá trình này. TRONG những năm trướcĐã có những thay đổi đáng kể trong lĩnh vực điện toán. Nhờ sự phát triển và ứng dụng của bộ vi xử lý trong cấu trúc máy tính, những chiếc máy tính cá nhân cỡ nhỏ, thân thiện với người dùng đã xuất hiện. Tình hình đã thay đổi; vai trò của người dùng không chỉ có thể là chuyên gia máy tính mà còn có thể là bất kỳ người nào, có thể là học sinh hay bà nội trợ, bác sĩ hay giáo viên, công nhân hay kỹ sư. Hiện tượng này thường được gọi là hiện tượng máy tính cá nhân. Hiện tại, đội máy tính cá nhân toàn cầu đã vượt quá 20 triệu.
- Tại sao hiện tượng này lại xảy ra? Câu trả lời cho câu hỏi này có thể được tìm thấy nếu chúng ta xác định rõ ràng máy tính cá nhân là gì và các tính năng chính của nó là gì. Cần phải nhận thức đúng định nghĩa “cá nhân”; điều đó không có nghĩa là máy tính thuộc về con người với tư cách là một Tài sản cá nhân. Định nghĩa về “cá nhân” nảy sinh bởi vì một người có cơ hội giao tiếp với máy tính mà không cần sự trung gian của một lập trình viên chuyên nghiệp, một cách độc lập, cá nhân. Tuy nhiên, không cần thiết phải biết ngôn ngữ đặc biệt MÁY TÍNH. Phần mềm hiện có trong máy tính sẽ cung cấp một hình thức đối thoại “thân thiện” thuận lợi giữa người dùng và máy tính.
- Hiện nay một trong những máy tính phổ biến mô hình thép IBM PC và phiên bản hiện đại hóa IBM PC XT, trong kiến trúc, phần mềm, thiết kế bên ngoài được xem xét Mô hình cơ bản máy tính cá nhân.
- Cơ sở của một máy tính cá nhân là đơn vị hệ thống. Nó tổ chức công việc, xử lý thông tin, tính toán và đảm bảo liên lạc giữa con người và máy tính. Người dùng không bắt buộc phải hiểu kỹ cách thức hoạt động của đơn vị hệ thống. Đây là dành cho các chuyên gia. Nhưng anh ta phải biết máy tính bao gồm những khối chức năng nào. Chúng ta chưa có ý tưởng rõ ràng về nguyên lý hoạt động của các khối chức năng bên trong của các đồ vật xung quanh mình - tủ lạnh, bếp ga, Máy giặt, ô tô nhưng họ phải biết đâu là cơ sở hoạt động của các thiết bị này, khả năng của các khối cấu thành của chúng là gì.
Giới thiệu
1.3 Đánh giá các loại kiến trúc bộ vi xử lý hiện có
2. Thiết bị điều khiển
3. Tính năng điều khiển phần mềm và firmware
4. Chế độ đánh địa chỉ
Phần kết luận
Quá trình tương tác của con người với máy tính đã diễn ra được hơn 40 năm. Cho đến gần đây, chỉ có các chuyên gia - kỹ sư, nhà toán học - lập trình viên, nhà điều hành - mới có thể tham gia vào quá trình này. Trong những năm gần đây, đã có những thay đổi đáng kể trong lĩnh vực điện toán. Nhờ sự phát triển và ứng dụng của bộ vi xử lý trong cấu trúc máy tính, những chiếc máy tính cá nhân cỡ nhỏ, thân thiện với người dùng đã xuất hiện. Tình hình đã thay đổi; vai trò của người dùng không chỉ có thể là chuyên gia máy tính mà còn có thể là bất kỳ người nào, có thể là học sinh hay bà nội trợ, bác sĩ hay giáo viên, công nhân hay kỹ sư. Hiện tượng này thường được gọi là hiện tượng máy tính cá nhân. Hiện tại, đội máy tính cá nhân toàn cầu đã vượt quá 20 triệu.
Tại sao hiện tượng này lại xảy ra? Câu trả lời cho câu hỏi này có thể được tìm thấy nếu chúng ta xác định rõ ràng máy tính cá nhân là gì và các tính năng chính của nó là gì. Chúng ta phải nhận thức đúng định nghĩa về “cá nhân”; điều đó không có nghĩa là máy tính thuộc về con người như tài sản cá nhân. Định nghĩa về “cá nhân” nảy sinh bởi vì một người có cơ hội giao tiếp với máy tính mà không cần sự trung gian của một lập trình viên chuyên nghiệp, một cách độc lập, cá nhân. Không cần thiết phải biết một ngôn ngữ máy tính đặc biệt. Phần mềm hiện có trong máy tính sẽ cung cấp một hình thức đối thoại “thân thiện” thuận lợi giữa người dùng và máy tính.
Hiện nay, một trong những máy tính phổ biến nhất là mẫu PC IBM và phiên bản hiện đại hóa của nó là IBM PC XT, được coi là mẫu cơ bản của máy tính cá nhân về kiến trúc, phần mềm và thiết kế bên ngoài.
Cơ sở của một máy tính cá nhân là đơn vị hệ thống. Nó tổ chức công việc, xử lý thông tin, tính toán và đảm bảo liên lạc giữa con người và máy tính. Người dùng không bắt buộc phải hiểu kỹ cách thức hoạt động của đơn vị hệ thống. Đây là dành cho các chuyên gia. Nhưng anh ta phải biết máy tính bao gồm những khối chức năng nào. Chúng ta chưa có ý tưởng rõ ràng về nguyên lý hoạt động của các khối chức năng bên trong của các đồ vật xung quanh mình - tủ lạnh, bếp gas, máy giặt, ô tô, nhưng chúng ta phải biết đâu là cơ sở hoạt động của các đồ vật đó. những thiết bị này, khả năng của các khối cấu thành của chúng là gì.
1. Đặc điểm chung của kiến trúc bộ xử lý
1.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống vi xử lý
Nhiệm vụ quản lý hệ thống được giao cho bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ xử lý trung tâm được kết nối với bộ nhớ và hệ thống đầu vào/đầu ra thông qua các kênh bộ nhớ và đầu vào/đầu ra tương ứng. CPU đọc các hướng dẫn từ bộ nhớ tạo nên chương trình và giải mã chúng. Theo kết quả của lệnh giải mã, nó lấy dữ liệu từ bộ nhớ của các cổng đầu vào, xử lý và gửi trở lại bộ nhớ hoặc cổng đầu ra. Ngoài ra còn có khả năng nhập/xuất dữ liệu từ bộ nhớ tới các thiết bị bên ngoài và ngược lại, bỏ qua CPU. Cơ chế này được gọi là truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA).
Theo quan điểm của người dùng, khi chọn bộ vi xử lý, nên có một số đặc điểm tổng quát toàn diện về khả năng của bộ vi xử lý. Nhà phát triển chỉ cần hiểu và hiểu những thành phần của bộ vi xử lý được phản ánh rõ ràng trong các chương trình và phải được tính đến khi phát triển các mạch và chương trình cho hoạt động của hệ thống. Những đặc điểm như vậy được xác định bởi khái niệm kiến trúc bộ vi xử lý.
1.2 Khái niệm về kiến trúc bộ vi xử lý
Kiến trúc của một hệ thống tính toán dựa trên máy vi tính nhỏ điển hình được thể hiện trong hình 2. 1. Một máy vi tính như vậy chứa tất cả 5 khối chính của máy kỹ thuật số: thiết bị nhập thông tin, bộ điều khiển (CU), bộ logic số học (ALU) (có trong bộ vi xử lý), thiết bị lưu trữ (SRAM) và bộ phận thông tin. thiết bị đầu ra.
Cơm. 1. Kiến trúc của một bộ vi xử lý điển hình.
Bộ vi xử lý điều phối hoạt động của tất cả các thiết bị của hệ thống kỹ thuật số bằng bus điều khiển (CB). Ngoài SHU, còn có bus địa chỉ 16 bit (ABA), được sử dụng để chọn một ô nhớ, cổng đầu vào hoặc cổng đầu ra cụ thể. Bus thông tin 8 bit hoặc bus dữ liệu (SD) thực hiện truyền dữ liệu hai chiều đến và từ bộ vi xử lý. Điều quan trọng cần lưu ý là MP có thể gửi thông tin đến bộ nhớ máy vi tính hoặc đến một trong các cổng đầu ra, cũng như nhận thông tin từ bộ nhớ hoặc từ một trong các cổng đầu vào.
Bộ nhớ chỉ đọc (ROM) trong máy vi tính chứa một chương trình nhất định (trong thực tế là chương trình khởi tạo máy tính). Các chương trình có thể được tải vào bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) và từ thiết bị lưu trữ ngoài (ERM). Đây là những chương trình người dùng.
Để làm ví dụ minh họa hoạt động của máy vi tính, hãy xem xét một quy trình triển khai mà bạn cần thực hiện chuỗi các thao tác cơ bản sau:
1. Nhấn phím chữ “A” trên bàn phím.
2. Đặt chữ “A” vào bộ nhớ máy vi tính.
3. Hiển thị chữ “A” trên màn hình hiển thị.
Đây là một quy trình đầu vào-lưu trữ-đầu ra điển hình, việc xem xét quy trình này giúp giải thích các nguyên tắc sử dụng một số thiết bị có trong máy vi tính.
Trong bộ lễ phục. Hình 2 thể hiện sơ đồ chi tiết về việc thực hiện quy trình đầu vào-lưu trữ-đầu ra. Lưu ý rằng các lệnh đã được tải vào sáu vị trí bộ nhớ đầu tiên. Chương trình được lưu trữ chứa chuỗi lệnh sau:
1. Nhập dữ liệu từ cổng đầu vào 1.
2. Lưu trữ dữ liệu ở vị trí bộ nhớ 200.
3. Gửi dữ liệu đến cổng đầu ra 10.
Chỉ có ba lệnh trong chương trình này, mặc dù trong Hình. 2 có vẻ như có sáu lệnh được lưu trong bộ nhớ chương trình. Điều này là do nhóm thường được chia thành nhiều phần. Phần đầu tiên của lệnh 1 trong chương trình trên là lệnh nhập dữ liệu. Phần thứ hai của lệnh 1 chỉ định dữ liệu sẽ được nhập từ đâu (từ cổng 1). Phần đầu tiên của lệnh chỉ định một hành động cụ thể được gọi là mã hoạt động (OPC) và phần thứ hai được gọi là toán hạng. Mã hoạt động và toán hạng được đặt ở các vị trí bộ nhớ chương trình riêng biệt. Trong bộ lễ phục. 2 COP được lưu trong ô 100 và mã toán hạng được lưu trong ô 101 (cổng 1); cái sau cho biết thông tin nên được lấy từ đâu.
Trong MP trong hình. 2, hai khối mới nữa được đánh dấu - các thanh ghi: bộ tích lũy và thanh ghi lệnh.
Cơm. 2. Sơ đồ thực hiện quy trình nhập-ghi nhớ-xuất
Hãy xem xét việc truyền các lệnh và dữ liệu bên trong máy vi tính bằng cách sử dụng các vòng tròn được đánh số trên sơ đồ. Hãy nhớ lại rằng bộ vi xử lý là nút trung tâm điều khiển chuyển động của tất cả dữ liệu và thực hiện các hoạt động.
Vì vậy, khi thực hiện quy trình đầu vào-lưu trữ-đầu ra điển hình trong máy vi tính, chuỗi hành động sau sẽ xảy ra:
1. MP cấp địa chỉ 100 cho bus địa chỉ. Một tín hiệu được gửi qua bus điều khiển để đặt bộ nhớ chương trình (một vi mạch cụ thể) sang chế độ đọc.
2. Bộ nhớ chương trình gửi lệnh đầu tiên (“Nhập dữ liệu”) dọc theo bus dữ liệu và MP nhận được thông báo được mã hóa này. Lệnh được đặt trong thanh ghi lệnh. MP giải mã (thông dịch) lệnh nhận được và xác định rằng lệnh đó yêu cầu toán hạng.
3. MP cấp địa chỉ 101 cho ShA; Phòng điều khiển được sử dụng để chuyển bộ nhớ chương trình sang chế độ đọc.
4. Toán hạng “Từ cổng 1” được gửi từ bộ nhớ chương trình tới SD. Toán hạng này nằm trong bộ nhớ chương trình ở ô 101. Mã toán hạng (chứa địa chỉ của cổng 1) được truyền qua SD đến MP và gửi đến thanh ghi lệnh. MP hiện giải mã lệnh đầy đủ ("Nhập dữ liệu từ cổng 1").
5. MP sử dụng SHA và SHU kết nối với thiết bị đầu vào sẽ mở cổng 1. Mã kỹ thuật số của chữ “A” được truyền đến pin bên trong MP và được lưu trữ. Điều quan trọng cần lưu ý là khi xử lý Mỗi lệnh chương trình, MP hoạt động theo vi thủ tục lấy mẫu-giải mã-thực thi.
6. MP truy cập ô 102 thông qua ShA. Phòng điều khiển được sử dụng để chuyển bộ nhớ chương trình sang chế độ đọc.
7. Mã lệnh “Ghi nhớ dữ liệu” được gửi đến SD và gửi đến MP, nơi nó được đặt trong thanh ghi lệnh.
8. MP giải mã lệnh này và xác định rằng nó yêu cầu toán hạng. MP truy cập ô nhớ 103 và kích hoạt đầu vào để đọc chip bộ nhớ chương trình.
9. Mã thông báo “Trong ô nhớ 200” được gửi từ bộ nhớ chương trình tới SD. MP lấy toán hạng này và đặt nó vào thanh ghi lệnh. Lệnh hoàn chỉnh "Lưu trữ dữ liệu ở vị trí bộ nhớ 200" được chọn từ bộ nhớ chương trình và được giải mã.
10. Bây giờ quá trình thực thi lệnh bắt đầu. MP chuyển tiếp địa chỉ 200 tới SHA và kích hoạt đầu vào ghi liên quan đến bộ nhớ dữ liệu.
11. MP chuyển tiếp thông tin được lưu trong pin tới bộ nhớ dữ liệu. Mã của chữ “A” được truyền qua SD và ghi vào ô 200 của bộ nhớ này. Lệnh thứ hai đã được thực thi. Quá trình ghi nhớ không phá hủy nội dung của pin. Nó vẫn chứa mã cho chữ "A".
12. MP truy cập ô nhớ 104 để chọn lệnh tiếp theo và chuyển bộ nhớ chương trình sang chế độ đọc.
13. Mã lệnh đầu ra dữ liệu được gửi qua SD tới MP, MP sẽ đặt nó vào thanh ghi lệnh, giải mã nó và xác định rằng cần có một toán hạng.
14. MP cấp địa chỉ 105 cho SHA và đặt bộ nhớ chương trình ở chế độ đọc.
15. Từ bộ nhớ chương trình qua SD, mã toán hạng “Tới cổng 10” được MP nhận, sau đó được đặt vào thanh ghi lệnh.
16. MP giải mã toàn bộ lệnh “Xuất dữ liệu ra cổng 10”. Với sự trợ giúp của ShA và ShU kết nối nó với thiết bị đầu ra, MP mở cổng 10 và gửi mã chữ “A” (vẫn nằm trong pin) qua ShD. Chữ “A” được hiển thị qua cổng 10 trên màn hình hiển thị.
Trong hầu hết các hệ thống vi xử lý (MPS), thông tin được truyền theo cách tương tự như cách đã thảo luận ở trên. Sự khác biệt đáng kể nhất có thể xảy ra ở khối đầu vào và đầu ra.
Chúng tôi xin nhấn mạnh một lần nữa rằng bộ vi xử lý là cốt lõi của hệ thống và điều khiển mọi hoạt động. Công việc của ông thể hiện việc triển khai tuần tự các vi quy trình lấy mẫu-giải mã-thực thi. Tuy nhiên, trình tự hoạt động thực tế trong MPS được xác định bởi các lệnh được ghi trong bộ nhớ chương trình.
Do đó, trong MPS, bộ vi xử lý thực hiện các chức năng sau:
Lấy lệnh chương trình từ bộ nhớ chính;
Giải mã các lệnh;
Thực hiện các phép tính số học, logic và các phép toán khác được mã hóa bằng lệnh;
Kiểm soát việc truyền thông tin giữa các thanh ghi và bộ nhớ chính, giữa các thiết bị vào/ra;
Xử lý tín hiệu từ các thiết bị đầu vào/đầu ra, bao gồm cả việc thực hiện các ngắt từ các thiết bị này;
Quản lý, điều phối công việc của các đơn vị chủ chốt của MP.
Có một số cách tiếp cận để phân loại bộ vi xử lý theo loại kiến trúc. Do đó, có các MP có kiến trúc CISC (Máy tính tập lệnh hoàn chỉnh), được đặc trưng bởi một bộ hướng dẫn đầy đủ và kiến trúc RISC (Giảm thiểu máy tính tập lệnh), xác định một hệ thống với một tập hợp lệnh rút gọn có cùng định dạng, được thực thi trong một chu kỳ xung nhịp MP.
Xác định độ sâu bit là đặc điểm chính của MP, các loại kiến trúc MP sau đây được phân biệt:
Với độ sâu bit cố định và danh sách các lệnh (chip đơn);
Với khả năng mở rộng (cắt) và điều khiển vi chương trình.
Bằng cách phân tích không gian địa chỉ của chương trình và dữ liệu, xác định được một MP có kiến trúc von Neumann (bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu nằm trong cùng một không gian và không có dấu hiệu nào cho biết loại thông tin trong ô nhớ) và MP có kiến trúc Harvard. Kiến trúc phòng thí nghiệm (bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu được tách biệt, có không gian địa chỉ riêng và cách truy cập chúng).
Chúng ta hãy xem xét chi tiết hơn các loại giải pháp kiến trúc chính, làm nổi bật mối liên hệ với các phương pháp đánh địa chỉ bộ nhớ.
1. Cấu trúc thanh ghi được xác định bởi sự hiện diện của tệp thanh ghi đủ lớn bên trong MP. Các lệnh có thể truy cập các toán hạng nằm ở một trong hai phương tiện lưu trữ: RAM hoặc các thanh ghi. Kích thước thanh ghi thường cố định và khớp với kích thước của từ được triển khai vật lý trong RAM. Bất kỳ thanh ghi nào cũng có thể được truy cập trực tiếp, vì các thanh ghi được biểu diễn dưới dạng một mảng các phần tử lưu trữ - một tệp thanh ghi. Thông thường, chỉ thực hiện các phép toán số học trong một thanh ghi, với lệnh chứa hai toán hạng (cả hai toán hạng trong một thanh ghi hoặc một toán hạng trong thanh ghi và toán hạng kia trong RAM).
Bộ vi xử lý Zilog thuộc loại kiến trúc này. Bộ xử lý Z80, sản phẩm trí tuệ của Zilog, ngoài hệ thống hướng dẫn mở rộng, một mức công suất và khả năng thực thi các chương trình được viết cho i8080, còn có những điểm nổi bật về kiến trúc.
Cơm. 3. Bộ vi xử lý Z80 của Zilog.
Ngoài bộ RON chính, bộ thanh ghi tương tự thứ hai đã được triển khai trong tinh thể. Điều này giúp đơn giản hóa đáng kể công việc khi gọi các chương trình con hoặc các chương trình dịch vụ ngắt, vì người lập trình có thể sử dụng một bộ thanh ghi thay thế cho chúng, tránh lưu trữ nội dung của RON cho chương trình chính trên ngăn xếp bằng các thao tác PUSH. Ngoài ra, một số lệnh đặc biệt được đưa vào hệ thống hướng dẫn, tập trung vào việc xử lý các bit riêng lẻ và để hỗ trợ tái tạo bộ nhớ động, phần cứng thích hợp đã được đưa vào mạch xử lý. Z80 đã được sử dụng trong các máy Sinclair ZX, Sinclair Spectrum, Tandy TRS80.
Tùy chọn cuối cùng là một kiến trúc có địa chỉ thông qua bộ tích lũy (tập lệnh nhỏ hơn).
MP của Motorola có một số lợi thế đáng kể. Trước hết, tinh thể MC6800 yêu cầu một mức công suất để hoạt động và hệ thống lệnh hóa ra rất minh bạch đối với người lập trình. Kiến trúc MP cũng có một số tính năng.
Hình 4. Bộ vi xử lý MC6800 của Motorola.
Bộ vi xử lý MC 6800 chứa hai pin và kết quả của hoạt động ALU có thể được đặt trong một trong hai pin. Nhưng tính năng có giá trị nhất của cấu trúc MC 6800 là tự động lưu nội dung của tất cả các thanh ghi bộ xử lý trên ngăn xếp khi xử lý các ngắt (Z80 yêu cầu một số lệnh PUSH cho việc này). Quy trình khôi phục RON từ ngăn xếp cũng được thực hiện bằng phần cứng.
2. Kiến trúc ngăn xếp cho phép tạo trường bộ nhớ với trình tự ghi và truy xuất thông tin được sắp xếp.
Nói chung, các lệnh được ngầm định địa chỉ tới phần tử ngăn xếp ở đầu ngăn xếp hoặc tới hai phần tử ngăn xếp trên cùng.
3. Kiến trúc MP, hướng tới RAM (loại bộ nhớ tới bộ nhớ), đảm bảo tốc độ hoạt động cao và dung lượng thông tin lớn của các thanh ghi làm việc và ngăn xếp khi chúng được tổ chức trong RAM.
Kiểu kiến trúc này không xác định rõ ràng bộ tích lũy, thanh ghi mục đích chung hoặc ngăn xếp; Tất cả các toán hạng lệnh được đánh địa chỉ vào vùng bộ nhớ chính.
Từ quan điểm quan trọng đối với người lập trình người dùng, kiến trúc thường được hiểu là một tập hợp các thành phần và đặc điểm sau:
Kích thước bit của địa chỉ và dữ liệu;
Thành phần, tên và mục đích của các thanh ghi có thể truy cập được bằng phần mềm;
Các định dạng và hệ thống lệnh;
Chế độ đánh địa chỉ bộ nhớ;
Các phương pháp biểu diễn máy các loại dữ liệu khác nhau;
Cấu trúc không gian địa chỉ;
Phương pháp đánh địa chỉ các thiết bị bên ngoài và phương tiện thực hiện các thao tác I/O;
Các lớp ngắt, đặc điểm khởi tạo và xử lý ngắt.
2. Thiết bị điều khiển
Mã hoạt động của các lệnh chương trình, được bộ phận điều khiển của bộ vi xử lý nhận biết, được giải mã và chuyển đổi trong đó, cung cấp thông tin về những hoạt động nào cần được thực hiện, vị trí của dữ liệu trong bộ nhớ, nơi kết quả sẽ được gửi và nơi tiếp theo. lệnh được thực thi được đặt.
Thiết bị điều khiển có đủ phương tiện để sau khi nhận biết và giải thích thông tin nhận được trong lệnh, đảm bảo chuyển đổi (kích hoạt) tất cả các bộ phận chức năng cần thiết của máy, cũng như cung cấp dữ liệu cho chúng và nhận biết kết quả thu được. Đó là sự truyền động, tức là thay đổi trạng thái của các phần tử logic nhị phân sang trạng thái ngược lại, cho phép, thông qua các cổng chuyển đổi, thực hiện các phép toán logic và số học cơ bản, cũng như chuyển các toán hạng cần thiết sang các bộ phận chức năng của máy vi tính.
Thiết bị điều khiển, theo trình tự nghiêm ngặt trong đồng hồ và các khoảng thời gian tuần hoàn của hoạt động của bộ vi xử lý (chu kỳ là khoảng thời gian hoạt động tối thiểu trong đó một hành động cơ bản được thực hiện; chu kỳ là khoảng thời gian trong đó một hoạt động của máy được thực hiện): lệnh lựa chọn; diễn giải nó nhằm mục đích phân tích định dạng, đặc điểm dịch vụ và tính toán địa chỉ của toán hạng (toán hạng); thiết lập danh pháp và trình tự thời gian của tất cả các tín hiệu điều khiển chức năng; tạo ra các xung điều khiển và truyền chúng tới các bus điều khiển của các bộ phận chức năng của máy vi tính và các van giữa chúng; phân tích kết quả của thao tác và thay đổi trạng thái của nó để xác định vị trí (địa chỉ) của lệnh tiếp theo.
Bộ vi xử lý sử dụng hai phương pháp để tạo ra một tập hợp các tín hiệu điều khiển chức năng: phần mềm và vi chương trình.
Việc thực hiện các hoạt động trong máy bao gồm các phép biến đổi thông tin cơ bản (truyền thông tin giữa các nút trong khối, dịch chuyển thông tin trong các nút, thao tác logic theo bit, kiểm tra điều kiện, v.v.) trong các phần tử logic, nút và khối dưới tác động của tín hiệu điều khiển chức năng quản lý khối (thiết bị). Các phép biến đổi cơ bản không thể phân tách thành các phép biến đổi đơn giản hơn được thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp của tín hiệu đồng bộ hóa và được gọi là vi thao tác.
Trong các thiết bị điều khiển (mạch) phần cứng, mỗi thao tác có một bộ mạch logic riêng tạo ra các tín hiệu chức năng nhất định để thực hiện các thao tác vi mô tại một số thời điểm nhất định. Với phương pháp chế tạo thiết bị điều khiển này, việc thực hiện các thao tác vi mô được thực hiện thông qua các mạch logic sau khi được kết nối với nhau, do đó máy tính có thiết bị điều khiển phần cứng được gọi là máy tính có logic điều khiển cứng nhắc. Khái niệm này đề cập đến việc cố định hệ thống chỉ huy trong cấu trúc kết nối máy tính và có nghĩa là thực tế không thể có bất kỳ thay đổi nào trong hệ thống chỉ huy máy tính sau khi được sản xuất.
Khi một thiết bị điều khiển được triển khai theo chương trình vi mô, một bộ nhớ sẽ được đưa vào thiết bị sau, mỗi bit của mã đầu ra sẽ xác định sự xuất hiện của một tín hiệu điều khiển chức năng cụ thể. Do đó, mỗi vi xử lý được gán mã thông tin riêng - một vi lệnh. Một tập hợp các lệnh vi mô và trình tự thực hiện chúng đảm bảo thực hiện bất kỳ thao tác phức tạp nào. Một tập hợp các hoạt động vi mô được gọi là vi chương trình. Một phương pháp điều khiển hoạt động bằng cách đọc và giải thích tuần tự các lệnh vi mô từ bộ nhớ (thông thường, ma trận logic lập trình tốc độ cao được sử dụng dưới dạng bộ nhớ vi chương trình), cũng như sử dụng mã vi lệnh để tạo tín hiệu điều khiển chức năng được gọi là vi chương trình, và một máy vi tính có phương pháp điều khiển này là logic điều khiển được lập trình vi mô hoặc được lưu trữ (linh hoạt).
Các vi chương trình phải tuân theo các yêu cầu về tính hoàn thiện về mặt chức năng và sự tối giản. Yêu cầu đầu tiên là cần đảm bảo khả năng phát triển các chương trình vi mô cho bất kỳ hoạt động nào của máy và yêu cầu thứ hai gắn liền với mong muốn giảm lượng thiết bị sử dụng. Tính đến yếu tố tốc độ sẽ dẫn đến việc mở rộng các chương trình vi mô, vì sự phức tạp của vi chương trình giúp giảm thời gian thực hiện các lệnh chương trình.
Việc chuyển đổi thông tin được thực hiện trong đơn vị logic số học phổ quát của bộ vi xử lý. Nó thường được xây dựng trên cơ sở các mạch logic tổ hợp.
Để tăng tốc độ thực hiện một số hoạt động nhất định, các đơn vị vận hành đặc biệt bổ sung được giới thiệu (ví dụ: bộ chuyển đổi tuần hoàn). Ngoài ra, các đơn vị hoạt động chuyên biệt của bộ mở rộng số học được đưa vào bộ vi xử lý (MPC) của LSI.
Khả năng hoạt động của bộ vi xử lý có thể được mở rộng bằng cách tăng số lượng thanh ghi. Nếu không có sự phân công các chức năng thanh ghi trong bộ đệm thanh ghi thì chúng có thể được sử dụng để lưu trữ dữ liệu và lưu trữ địa chỉ. Các thanh ghi vi xử lý như vậy được gọi là các thanh ghi mục đích chung (GPR). Khi công nghệ phát triển, việc sản xuất 16, 32 thanh ghi trở lên trong bộ vi xử lý đã thực sự được thực hiện.
Nhìn chung, nguyên tắc điều khiển vi chương trình (PMC) bao gồm các mục sau:
1) mọi hoạt động được thực hiện bởi thiết bị đều là một chuỗi các hành động cơ bản - hoạt động vi mô;
2) các điều kiện logic được sử dụng để kiểm soát thứ tự của các hoạt động vi mô;
3) Quá trình thực hiện các thao tác trong thiết bị được mô tả dưới dạng thuật toán, được trình bày dưới dạng vi thao tác và điều kiện logic, gọi là vi chương trình;
4) phần sụn được sử dụng như một dạng thể hiện chức năng của thiết bị, trên cơ sở đó xác định cấu trúc và thứ tự hoạt động của thiết bị theo thời gian.
PMU cung cấp tính linh hoạt của hệ thống vi xử lý và cho phép định hướng vấn đề theo định hướng của máy vi tính và máy tính mini.
4. Chế độ đánh địa chỉ
Để tương tác với các mô-đun khác nhau, máy tính phải có phương tiện xác định các ô nhớ ngoài, ô nhớ trong, thanh ghi MP và thanh ghi thiết bị đầu vào/đầu ra. Do đó, mỗi ô lưu trữ được gán một địa chỉ, tức là sự kết hợp bit rõ ràng. Số lượng bit xác định số lượng ô được xác định. Thông thường, một máy tính có các không gian địa chỉ khác nhau cho các thanh ghi bộ nhớ và MP, và đôi khi - các không gian địa chỉ riêng biệt cho các thanh ghi của thiết bị đầu vào/đầu ra và bộ nhớ trong. Ngoài ra, bộ nhớ lưu trữ cả dữ liệu và hướng dẫn. Vì vậy, nhiều cách truy cập bộ nhớ, gọi là chế độ đánh địa chỉ, đã được phát triển cho máy tính.
Chế độ đánh địa chỉ bộ nhớ là một thủ tục hoặc sơ đồ để chuyển đổi thông tin địa chỉ của toán hạng thành địa chỉ thực thi của nó.
Tất cả các phương pháp đánh địa chỉ bộ nhớ có thể được chia thành:
1) trực tiếp, khi địa chỉ điều hành được lấy trực tiếp từ lệnh hoặc được tính bằng cách sử dụng giá trị được chỉ định trong lệnh và nội dung của bất kỳ thanh ghi nào (địa chỉ trực tiếp, thanh ghi, cơ sở, chỉ mục, v.v.);
2) gián tiếp, giả định rằng lệnh chứa giá trị của địa chỉ gián tiếp, tức là địa chỉ của ô nhớ chứa địa chỉ thực thi cuối cùng (địa chỉ gián tiếp).
Mỗi máy vi tính chỉ thực hiện một số chế độ đánh địa chỉ, việc sử dụng chế độ này thường được xác định bởi kiến trúc máy vi tính.
Phần kết luận
Số lượng máy tính cá nhân trên thế giới và đặc biệt là ở Nga đang tăng lên nhanh chóng; Thị trường PC là thị trường hứa hẹn và sinh lợi nhất trong số các thị trường máy tính khác. Ở Bắc Mỹ và Tây Âu, tỷ lệ hộ gia đình sở hữu PC là gần 30. Không còn nghi ngờ gì nữa, ngày nay mọi người nên học và hiểu về máy tính không chỉ về mặt lý thuyết mà quan trọng nhất là thực tế.
Phân tích các giải pháp mới để xây dựng cấu trúc máy tính cho thấy bộ xử lý, bộ nhớ, thiết bị đầu vào và đầu ra tạo thành nền tảng của bất kỳ máy tính nào. Hãy xem xét sơ đồ cấu trúc phổ biến nhất làm nền tảng cho các mẫu máy tính phổ biến nhất, đặc biệt là các mẫu máy tính cá nhân.
Trong hầu hết các trường hợp, một máy tính hiện đại có thể được biểu diễn bằng sơ đồ khối đơn giản, trong đó các phần trung tâm và ngoại vi được phân biệt. Phần trung tâm bao gồm bộ xử lý và bộ nhớ trong, phần ngoại vi bao gồm các thiết bị vào/ra và bộ nhớ ngoài. Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóa dựa trên các nguyên tắc kết nối, mô đun hóa và khả năng lập trình vi mô.
Người ta không nên hy vọng rằng sự phát triển của công nghệ máy tính bằng cách nào đó sẽ thay đổi hoàn toàn sự tồn tại của chúng ta. Máy tính không hơn (nhưng không kém) một trong những động cơ tiến bộ mạnh mẽ (như năng lượng, luyện kim, hóa học, cơ khí), đảm nhận “đôi vai sắt” của nó một chức năng quan trọng như quy trình xử lý thông tin. Thói quen này luôn luôn và ở mọi nơi đồng hành cùng những chuyến bay cao nhất của tư tưởng con người. Chính trong thói quen này, những quyết định táo bạo mà máy tính không thể tiếp cận thường bị chết đuối. Vì vậy, điều quan trọng là phải “giảm tải” các hoạt động thường ngày vào máy tính để giải phóng một người cho mục đích thực sự của anh ta - khả năng sáng tạo.
Tương lai của công nghệ vi xử lý ngày nay được kết nối với hai hướng mới - công nghệ nano và hệ thống điện toán lượng tử. Những nghiên cứu này, chủ yếu vẫn là lý thuyết, liên quan đến việc sử dụng các phân tử và thậm chí cả các hạt hạ nguyên tử làm thành phần của mạch logic: cơ sở tính toán không phải là các mạch điện như hiện nay, mà là vị trí của từng nguyên tử hoặc hướng quay của các electron. Nếu máy tính "vi mô" được tạo ra, chúng sẽ vượt qua máy móc hiện đại về nhiều mặt.
Thư mục
1. Balashov E.P., Grigoriev V.L., Petrov G.A. Máy tính siêu nhỏ và mini. – St. Petersburg: Energoatomizdat, 2004.
2. Eremin E.A. Các bài giảng phổ biến về thiết kế máy tính. – St. Petersburg: BHV-Petersburg, 2003.
3. Ibrahim K.F. Thiết bị và thiết lập PC / Per. từ tiếng Anh – M.: Binom, 2004..
4. Kosarev V.P., Surkov E.M., Bakova I.V. Phương tiện kỹ thuật của hệ thống điều khiển. - M.: Nhà xuất bản "Tài chính và Thống kê", 2006.
5. Leontyev V.P. Bách khoa toàn thư mới nhất về máy tính cá nhân 2003. – M.: OLMA-PRESS, 2004.
6. Stallings W. Tổ chức kết cấu và kiến trúc của hệ thống máy tính. – M.: Williams, 2002.
7. Wynn L. Roche. Kinh Thánh để nâng cấp máy tính cá nhân của bạn. – M.: Tivali-Style, 2005.
8. Figurnov V.E. IBM PC cho người dùng, ấn bản thứ 6, được sửa đổi và mở rộng. – M.: INFRA-M, 1996.
