Лекции по Вычислительным системам, сетям и телекоммуникациям   

2. Структура и принципы функционирования процессора вычислительной системы

2.2. Структура процессорного ядра

Основными характеристиками, определяющими производительность процессорного ядра МК, являются:

-       набор регистров для хранения промежуточных данных;

-       система команд процессора;

-       способы адресации операндов в пространстве памяти;

-       организация процессов выборки и исполнения команды.

С точки зрения системы команд и способов адресации операндов процессорное ядро современных один из двух принципов построения процессоров:

-       процессоры с CISC-архитектурой, реализующие так называемую полную систему команд(Complicated Instruction Set Computer);

-       процессоры с RISC-архитектурой, реализующие сокращенную систему команд(Reduced Instruction Set Computer).

CISC-процессоры выполняют большой набор команд с развитыми возможностями адресации, давая разработчику возможность выбрать наиболее подходящую команду для выполнения необходимой операции. Выборка команды на исполнение осуществляется побайтно в течение нескольких циклов работы. Время выполнения команды может составлять от 1 до 12 циклов. При этом система команд, как правило, не ортогональна, то есть не все команды могут использовать любой из способов адресации применительно к любому из регистров процессора. К МП с CISC-архитектурой относятся МП фирмы Intel, МП семейств НС05, НС08 и НС11 фирмы Motorola и ряд других.

В процессорах с RISC-архитектурой набор исполняемых команд сокращен до минимума. Для реализации более сложных операций приходится комбинировать команды. При этом все команды имеют формат фиксированной длины (например, 12, 14 или 16 бит), выборка команды из памяти и ее исполнение осуществляется за один цикл (такт) синхронизации. Система команд RISC-процессора предполагает возможность равноправного использования всех регистров процессора. Это обеспечивает дополнительную гибкость при выполнении ряда операций. К МК с RISC-процессором относятся МК AVR фирмы Atmel, МК PIC16 и PIC17 фирмы Microchip и другие.

В общем случае RISC-процессоры имеют более высокую производительность по сравнению с CISC МП при одной и той же тактовой частоте внутренней магистрали.

Однако на практике вопрос оценки быстродействия сложен и неоднозначен.

Во-первых, оценка производительности МК по времени выполнения команд различных систем (RISC и CISC) не совсем корректна. Обычно производительность МП и МК принято оценивать числом операций пересылки "регистр-регистр", которые могут быть выполнены в течение одной секунды. В МК с CISC-процессором время выполнения операции "регистр-регистр" составляет от 1 до 3 циклов, что, казалось бы, уступает производительности МК с RISC-процессором. Однако стремление к сокращению формата команд при сохранении ортогональности системы команд RISC-процессора приводит к вынужденному ограничению числа доступных в одной команде регистров. Таким образом, операция пересылки содержимого одного из доступных регистров в другой (не источник операнда и не рабочий) потребует использования двух команд. Такая необходимость часто возникает при пересылке содержимого одного из регистров общего назначения (РОН) в один из портов МК. В то же время, в системе команд большинства CISC-процессоров присутствуют команды пересылки содержимого РОН в один из портов ввода/вывода. То есть более сложная система команд иногда позволяет реализовать более эффективный способ выполнения операции.

Во-вторых, оценка производительности МК по скорости пересылки "регистр-регистр" не учитывает особенностей конкретного реализуемого алгоритма управления. Так, при разработке быстродействующих устройств автоматизированного управления основное внимание следует уделять времени выполнения операций умножения и деления при реализации уравнений различных передаточных функций. Поэтому в критических ситуациях, требующих высокого быстродействия, следует оценивать производительность на множестве тех операций, которые преимущественно используются в алгоритме управления и имеют ограничения по времени выполнения.

В-третьих, необходимо еще учитывать, что указанные в справочных данных на МК частоты синхронизации обычно соответствуют частоте подключаемого кварцевого резонатора, в то время как длительность цикла центрального процессора определяется частотой обмена по ВКМ. Соотношение этих частот индивидуально для каждого МК и должно быть принято в расчет при сравнении производительности различных моделей контроллеров.

С точки зрения организации процессов выборки и исполнения команды в современных МП применяется одна из двух уже упоминавшихся архитектур:

-       фон-неймановская (принстонская);

-       гарвардская.

Основной особенностью фон-неймановской архитектуры является использование общей памяти для хранения программ и данных, как показано на рис. 2.2. Основное преимущество архитектуры Фон-Неймана – упрощение устройства МП, так как реализуется обращение только к одной общей памяти. Кроме того, использование единой области памяти позволяло оперативно перераспределять ресурсы между областями программ и данных, что существенно повышало гибкость МПС с точки зрения разработчика программного обеспечения. Размещение стека в общей памяти облегчало доступ к его содержимому. Неслучайно поэтому фон-неймановская архитектура стала основной архитектурой универсальных компьютеров, включая персональные компьютеры.

Основной особенностью гарвардской архитектуры является использование раздельных адресных пространств для хранения команд и данных, как показано на рис. 2.3.

Структура МПС с фон-неймановской архитектурой.

Структура МПС с гарвардской архитектурой.

Рисунок 2.2 – Структура МПС с фон-неймановской архитектурой

Рисунок 2.3 – Структура МПС с гарвардской архитектурой



*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.