Виды архитектур микропроцессоров

Термин «архитектура» носит двойной смысл. В первом случае под архитектурой понимается архитектура набора команд, исполняемых микропроцессором. Во втором случае архитектура охватывает понятие организации системы, включающее структу-ру памяти, системной шины, организацию ввода/вывода и т.п. Применительно к вычислительным системам термин «архитекту-ра» может быть определен как распределение функций, реали-зуемых системой, между ее уровнями.
Так, например, архитектура первого уровня определяет, какие функции по обработке данных выполняются МП в целом, а какие возлагаются на внешний мир (пользователей, операторов, администраторов баз данных и т.д.). МП взаимодействует с внешним миром через набор интерфейсов: языков (оператора, программирования, описания, манипулирования базой данных, управления заданиями) и системных программ (служебных, ре-дактирования, сортировки, сохранения и восстановления инфор-мации).
Архитектура второго уровня может разграничивать опре-деленные уровни внутри программного обеспечения. Например, уровень управления логическими ресурсами может включать реа-лизацию таких функций, как управление базой данных, файлами, виртуальной памятью, сетевой телеобработкой. К уровню управ-ления физическими ресурсами относятся функции управления внешней и оперативной памятью, управления процессами, выпол-няющимися в системе.
Следующий, третий, уровень отражает основную линию разграничения системы, а именно границу между системным про-граммным обеспечением и аппаратурой. Эту идею можно развить и дальше и говорить о распределении функций между отдельными частями физической системы. Например, некоторый интерфейс определяет, какие функции реализуют центральные процессоры, а какие - процессоры ввода/вывода.
Архитектура четвертого уровня определяет разграничение функций между процессорами ввода/вывода и контроллерами внешних устройств. В свою очередь можно разграничить функции, реализуемые контроллерами и самими устройствами ввода/вывода (терминалами, модемами, накопителями на магнитных дисках и лентах). Архитектура таких уровней часто называется архитекту-рой физического ввода/вывода.
При создании МП используются три наиболее широко при-меняемых вида архитектур, созданных за время их развития: реги-стровая, стековая и ориентированная на оперативную память.
Регистровая архитектура (архитектура типа «регистр - ре-гистр») микропроцессора определяет наличие достаточно боль-шого набора регистров внутри больших интегральных схем (БИС) микропроцессора. Этот набор регистров образует поле сверхбыст-рой оперативной памяти (СОЗУ) с произвольной записью и вы-боркой информации.
В микропроцессорах с регистровой архитектурой рабочие области регистров размещаются в логических частях процессоров. Однако малая плотность логических схем по сравнению с плотностью схем памяти ограничивает возможность регистровой архи-тектуры. МП с архитектурой, ориентированной на память, обеспе-чивают быстрое подключение к рабочим областям, когда необхо-димо заменять контексты. Смена контекстов осуществляется из-менением векторов трех регистров - счетчика команд, регистров состояния и указателя рабочей области. Достоинство этой архи-тектуры в отношении смены контекстов связано с выполнением только одной команды для передачи полного вектора контекста.
Микропроцессоры с регистровой архитектурой имеют вы-сокую эффективность решения научно - технических задач, по-скольку высокая скорость работы СОЗУ позволяет эффективно использовать скоростные возможности арифметик - логического блока. Однако при переходе к решению задач управления эффек-тивность таких микропроцессоров падает, так как при переключе-ниях программ необходимо разгружать и загружать регистры СО-ЗУ.
Стековая архитектура микропроцессора дает возможность создать поле памяти с упорядоченной последовательностью запи-си и выборки информации. Эта архитектура эффективна для орга-низации работы с подпрограммами, когда возникает постоянная необходимость перехода от текущей программы к подпрограмме, обслуживающей какое - либо ВУ, и возврат в текущую програм-му. Хранение адресов возврата позволяет организовать в стеке эф-фективную обработку последовательностей вложенных подпро-грамм.
Основным недостатком МП этого типа является то, что стек, реализованный на кристалле микропроцессора, как правило имеет малую информационную емкость. При работе он быстро переполняется, приводя к возможности нарушения работы систе-мы. Построение же стека большой емкости требует значительных ресурсов кристалла. Поэтому наилучшими характеристиками об-ладают МП, в которых стек реализуется вне микропроцессора - в оперативной памяти (оперативном запоминающем устройстве –ОЗУ).
Архитектура микропроцессора, ориентированная на оперативную память, обеспечивает высокую скорость работы и большую информационную емкость рабочих регистров и стека при их организации в ОЗУ. В МП с такой архитектурой все об-рабатываемые числа после операции в микропроцессоре выводят-ся из микропроцессора и вновь возвращаются в память, что и дало ей такое название.
При оценке быстродействия МП типа «память - память» не-обходимо учитывать физическую реализацию как элементов, так и связей между ними. Высокая скорость срабатывания логических элементов интегральных схем не всегда может обеспечить высо-кую скорость работы МП, поскольку большие значения индуктив-но - емкостных параметров связей на печатных платах не позво-ляют передавать сигналы без искажения. Высокий уровень техно-логии современных МП до долей микрон существенно уменьшило размеры БИС, снизило паразитные параметры связей. Поэтому стало возможным физически отделить блок регистров и стек от арифметико-логического блока и обеспечить при этом их высоко-скоростную совместную работу. При создании однокристальных МП регистровые СОЗУ и ОЗУ МПС имеют практически одни и те же параметры. Повышение скорости работы ОЗУ позволяет уда-лить набор регистров и стек из кристалла микропроцессора и ис-пользовать освободившиеся ресурсы для развития системы ко-манд, средств прерывания, многоразрядной обработки. Организа-ция рабочих регистров и стека в ОЗУ ведет к уменьшению скоро-сти передачи информации, однако при этом повышается общая эффективность такого решения за счет большой информационной емкости полей регистровой и стековой памяти, а также возможно-сти развития системы команд и прерываний.
Архитектура микропроцессора, ориентированная на опера-тивную память, обеспечивает экономию площади кристалла МП. В этом случае на кристалле размещается только регистр - указа-тель начального файла набора регистров. Адресация остальных ре-гистров осуществляется указанием в команде специальным указа-телем - кодом смещения. Доступ к рабочим регистрам в этом слу-чае замедляется, поскольку приходится совершать сопряженное с затратами времени кольцевое «путешествие» из процессора во внекристальную память, где размещаются рабочие регистры. Од-нако контекстное переключение в микропроцессоре с такой архи-тектурой происходит быстро, поскольку при прерывании необходимо только изменить значение содержимого регистра - указате-ля рабочей области памяти.
Другая отличительная особенность архитектуры МП, ори-ентированной на оперативную память - двухадресный формат ко-манд. В этих МП нет специального накапливающего регистра, вы-полняющего функции подразумеваемой ячейки результата для всех двухоперандных команд. Результат формируется в соответст-вии с алгоритмом, приведенном для примера на рис. 1,а, где опе-рация сложения содержимого двух ячеек памяти с номерами X и Y осуществляется по команде «сложить XY».
Поскольку в архитектуре типа «память - память» любая ячейка памяти может содержать либо исходный операнд, либо операнд-результат, то эта операция выполняется по одной коман-де. В то же время в процессорах с одноадресной регистровой ар-хитектурой для достижения той же самой цели приходится ис-пользовать две команды:
- команду пересылки операнда Y во внутренний регистр Рг,
- команду сложения содержимого внутреннего регистра Рг с содержимым ячейки памяти X и пересылки результата в ячейку X (рис. 1,б).

Рис. 1

В первом случае при компиляции программ для компилято-ров высокоуровневых языков существенно упрощается задача присвоения значений переменным и, благодаря этому, получаются более короткие модули объектных программ.
Использование возможностей быстрой смены контекстов и фактически неограниченной рабочей области в МП с архитекту-рой, ориентированной на оперативную память, позволяет им легко находить применение в МПС, работающим в реальном масшта-бе времени.
К достоинствам архитектуры МП, ориентированной на опе-ративную память, относится возможность развития системы, по-зволяющая снизить время разработки ПО. Здесь под развитием понимается способность систем внедрять в виде функциональных модулей программные, программно - аппаратурные и даже аппа-ратурные средства, которые можно использовать в системе по ме-ре совершенствования аппаратурных средств и накопления опыта.
Распределенные системы управления часто требуют приме-нения полуавтономных контроллеров, которые должны вписы-ваться в определенные иерархические структуры. При этом архи-тектура МП, ориентированная на память, обеспечивает естествен-ный и эффективный интерфейс между контроллерами, располо-женными на одном иерархическом уровне, и процессорами управ-ления, расположенными на более высоком иерархическом уровне, а структура связей между контроллерами может быть обеспечена за счет развитых информационных магистралей.