Суперскалярная архитектура

Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности.

 

CISC-процессоры

Complex Instruction Set Computer — вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).

 

RISC-процессоры

Reduced Instruction Set Computer — вычисления с сокращённым набором команд. Архитектура процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

Среди первых реализаций этой архитектуры были процессоры MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. В мобильных устройствах широко используются ARM-процессоры.

 

MISC-процессоры

Minimum Instruction Set Computer — вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд).

 

 

Микроконтроллер

Микроконтроллер (MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить во многих современных приборах, таких, как телефоны, стиральные машины и т. п. Большая часть выпускаемых в мире процессоров — микроконтроллеры.

Термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микро-ЭВМ». Первый же патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам Texas Instruments. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только микропроцессор, но и память, устройства ввода-вывода. С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, это обстоятельство и определило термин «микроконтроллер» (control — управление). В 1979 году НИИ ТТ разработали однокристальную 16-разрядную ЭВМ К1801ВЕ1, архитектура которой называлась «Электроника НЦ». В 1980 году фирма Intel выпускает микроконтроллер i8048. Чуть позже в этом же году Intel выпускает следующий микроконтроллер: i8051. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер i8051 являлся для своего времени очень сложным изделием — в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре i8086.

На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, шестнадцатибитные MSP430 фирмы TI, а также ARM, архитектуру которых разрабатывает фирма ARM и продаёт лицензии другим фирмам для их производства.

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д.

В то время как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие больши́ ми вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры.

Ограничения по цене и энергопотреблению сдерживают также рост тактовой частоты контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания. Во многих моделях микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт контроллеру возможность работать на меньших частотах и даже не терять данные при полной остановке тактового генератора. Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль.

Большое распространение получили микроконтроллеры с RISC-архитектурой. Сокращенный набор команд позволяет выполнять большинство инструкций за один такт, что обеспечивает высокое быстродействие даже при относительно низкой тактовой частоте.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти. В отличие от процессоров общего назначения, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.

Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке ассемблера или Си, хотя существуют компиляторы для других языков, например, Форта. Используются также встроенные интерпретаторы Бейсика. Для отладки программ используются программные симуляторы (специальные программы для персональных компьютеров, имитирующие работу микроконтроллера), внутрисхемные эмуляторы (электронные устройства, имитирующие микроконтроллер, которые можно подключить вместо него к разрабатываемому встроенному устройству) и интерфейс JTAG.

Архитектура AVR

Рассмотрим в качестве примера архитектуру типового микроконтроллера AVR компании ATMEL. Внутри контроллера находится система из вычислительного блока (ALU), регистров, оперативной памяти, памяти программ и периферийных устройств. Во многих современных контроллерах также есть EEPROM - это энергонезависимая память, наподобие flash памяти, только допускает куда больше циклов перезаписи. Все это завязано общей шиной, собрано на одном кристалле и залито компаундом.

ALU занимается всеми операциями процессора, сложениями, вычитаниями, сдвигами и прочим. Это математическое ядро контроллера. Операнды на вход ALU поступают из регистров общего назначения (РОН), а результат появляется на шине и обрабатывается в соответствии с текущей командой.

Блок регистров (РОН), он же регистровый файл. Это пачка из 32 ячеек памяти по 8 бит каждая. Отличаются самой быстрой скоростью работы, а также с ними производятся почти все процессорные операции.

Память программ, она же flash, она же ROM память. Это место, где хранится код программы, а также разные статичные данные, например таблицы или строки текста. Особенность контроллеров AVR (впрочем как и многих других микроконтроллеров) в том, что память программ и память данных у них жестко разделены и находятся в разных адресных пространствах.

Оперативная память, или память данных состоит из восьмиразрядных ячеек, способных содержать любое значение. Так же тут находится специальная область памяти - стек. Эта память в основном хранит в себе адреса возвратов из подпрограмм, а при использовании высокоуровневых языков, то через стек передаются еще и аргументы для вызываемых функций.

 

Стеком пользоваться надо осторожно, т.к. чрезмерно разросшийся стек может заместить переменные, сохраненные в памяти. Кроме того, неправильное обращение со стеком чревато тем, что вызванная процедура потеряет дорогу обратно и работа программы собьется.

EEPROM или энергонезависимая память. Представляет из себя восьми разрядные ячейки  памяти, способных сохранять свое значение после выключения питания процессора и хранить его много лет. Используется, например, для записи логов или другой какой собранной информации. Можно использовать как оперативную память, но запись в нее осуществляется довольно медленно, а главное число циклов перезаписи порядка 100 000 раз, что не слишком много, если пользоваться ей десятки и сотни раз в секунду.

Периферийные устройства. Это в первую очередь порты, как последовательные, так и параллельные через которые микроконтроллер общается с внешним миром. Также сюда относятся таймеры, счетчики, генераторы сигналов, аналого-цифровые преобразователи и отладочные средства вроде JTAG. Важная особенность периферийных устройств в том, что они работают независимо от центрального ядра. Более подробно работа периферийных устройств описана далее.

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: