Микропроцессорные системы - Александров Е.К.
ISBN 5-7325-0516-4
Скачать (прямая ссылка):
архитектуру, а некоторые из них содержат несколько исполнительных
конвейеров, образующих суперскалярную структуру.
Цифровые процессоры сигналов (ЦПС) представляют класс специализированных
микропроцессоров, ориентированных на цифровую обработку поступающих
аналоговых сигналов. Специфической особенностью алгоритмов обработки
аналоговых сигналов является необходимость последовательного выполнения
ряда команд умножения-сложения с накоплением промежуточного результата в
регистре-аккумуляторе. Поэтому архитектура ЦПС ориентирована на
реализацию быстрого выполнения операций такого рода. Набор команд этих
процессоров содержит специальные команды MAC (Multiplication with
Accumlation), реализующие эти операции.
Значение поступившего сигнала может быть представлено в виде числа с
фиксированной или с "плавающей" точкой. В соответствии с этим ЦПС делятся
на процессоры, обрабатывающие числа с фиксированной или плавающей точкой.
Более простые и дешевые ЦПС с фиксированной точкой обычно обрабатывают
16-разрядные операнды, представленные в виде правильной дроби. Однако
ограниченная разрядность в ряде случаев не позволяет обеспечить
необходимую точность преобразования. Поэтому в ЦПС с фиксированной
точкой, выпускаемых компанией "Motorola", принято 24-разрядное
представление операндов. Наиболее высокая точность обработки
обеспечивается в случае представления данных в формате с "плавающей"
точкой. В ЦПС, обрабатывающих данные с "плавающей" точкой, обычно
используется 32-разрядный формат их представления.
Для повышения производительности при выполнении специфических операций
обработки сигналов в большинстве ЦПС реализуется Гарвардская архитектура
с использованием нескольких шин для передачи адресов, команд и данных. В
ряде ЦПС нашли применение также некоторые черты VLIW-архитектуры:
совмещение в одной команде нескольких операций, обеспечивающих обработку
имеющихся данных и одновременную загрузку в исполнительный конвейер новых
данных для последующей обработки.
1.2. ОБЩАЯ СТРУКТУРА И ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ
СИСТЕМ
Большинство микропроцессорных систем имеет магистрально-модульную
структуру (рис. 1.4), в которой отдельные устройства (модули), входящие в
состав системы, обмениваются информацией по общей системной шине -
магистрали.
Основным модулем системы является микропроцессор, который содержит
устройство управления (УУ), операционное устройство (ОУ) и регистровое
запоминающее устройство (РЗУ) - внутреннюю память, реализованную в виде
набора регистров. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) служит для
хранения выполняемой программы (или ее фрагментов) и данных, подлежащих
обработке. В простейших микропроцессорных системах объем ОЗУ составляет
десятки и сотни байт, а современных персональных компьютерах, серверах и
рабочих станциях он достигает сотен Мбайт и более. Так как обращение к
ОЗУ по системной шине требует значительных затрат времени, в большинстве
современных высокопроизводительных микропроцессоров дополнительно
вводится быстродействующая промежуточная память (кэш-память)
ограниченного объема (от нескольких Кбайт до сотен Кбайт).
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) служит для хранения констант и
стандартных (неизменяемых) программ. В ПЗУ обычно записываются программы
начальной инициализации (загрузки) систем, тестовые и диагностические
программы и другое служебное программное обеспечение, которое не меняется
в процессе эксплуатации систем. В микропроцессорных системах, управляющих
определенными объектами с исполь-
19
ОСНОВЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ
зованием фиксированных или редко изменяемых программ, для их хранения
также обычно используется ПЗУ (память ROM - Read-Only Memory) или
репрограммируемое ПЗУ (память EEPROM - Electrically Erased Programmable
Read-Only Memory или флэш-память).
Остальные устройства являются внешними и подключаются к системе с помощью
интерфейсных устройств (ИУ), реализующих определенные протоколы
параллельного или последовательного обмена. Такими внешними устройствами
могут быть клавиатура, монитор, внешние запоминающие устройства (ВЗУ),
использующие гибкие или жесткие магнитные диски, оптические диски (CD-
ROM), магнитные ленты и другие виды носителей информации, датчики и
преобразователи информации (аналого-цифровые или цифроаналоговые),
разнообразные исполнительные устройства (индикаторы, принтеры,
электродвигатели, реле и другие). Для реализации различных режимов работы
к системе могут подключаться дополнительные устройства - контроллеры
прерываний, прямого доступа к памяти и другие, реализующие необходимые
специальные функции управления.
Данная структура соответствует архитектуре Фон-Неймана, предложенной этим
ученым в 1940-х годах для реализации первых моделей цифровых ЭВМ. Ниже
будут рассмотрены и другие варианты процессорных архитектур.
Системная шина содержит несколько десятков (в сложных системах более 100)
проводников, которые в соответствии с их функциональным назначением
