Типы архитектур процессоров

Смешанное микропрограммирование

Вертикальное микропрограммирование

Горизонтальное микропрограммирование

Способы формирования управляющий функциональный сигналов

Существует горизонтальное микропрограммирование, вертикальное и смешанного типа.

V1

V2

…

V_m

Адресная часть

микрооперация

В этом случае каждому разряду операционной части ставится в соответствие определённый управляющий сигнал. Если в разряде стоит единица, то микрооперация подлежит выполнению независимо от значений других разрядов. Длина операционной часть будет равна количеству микроопераций. Главный недостаток: большая длина микрооперации. Главное достоинство: можно одновременно выполнить несколько микрокоманд в одном такте.

…

Адресная часть

Код микрокоманды

В этом случае микрооперация описывается двоичным кодом, содержащимся в операционной части микрокоманды. Отдельный код задаёт отсутствие микрооперации. Главное достоинство: короткая микрокоманда. Главный недостаток: требуется сложный дешифратор, в одном такте может быть выполнена только одна микрокоманда.

Поскольку оба способа имеют достоинства и недостатки, их объединил. Учитывая, что ряд микроопераций нельзя выполнить в одном такте, систему микрокоманд можно разбить на подмножества или поля. Микрооперации внутри одного подмножества кодируются одинаково (либо горизонтальным, либо вертикальным способами). Нужно знать код подмножества (дешифратор должен быть усложнён).

Вывод: микропрограммное управление эффективно применять для обработки сложных и специфичных команд, вероятность исполнения которых невелика.

Классификация:

1. С точки зрения взаимодействия операционного и управляющего блоков:

a. Регистровая. Предполагает наличие большого регистрового файла внутри БИС процессора, поле памяти с произвольной записью и выборкой информации. Количество регистра общего назначения может достигать 512 штук.

Достоинства: малая длина команд, очень мало обращений к оперативной памяти, большая скорость работы (при решении задач определенного класса).

Недостаток: при частой смене программ в мультипрограммном режиме эффективность использования снижается, потому что необходимо бесконечно перегружать содержимое регистра общего назначения. Трудно расположить на кристалле большое количество регистров.

b. Стековая. Использует поле памяти с упорядоченной последовательностью записи и выборки информации. Данная архитектура как самостоятельная не используется, только служит дополнением к другим видам архитектур.

Достоинство: эффективность при работе с подпрограммами.

Недостаток: стек мал и быстро переполняется.

c. Типа память-память (или ориентированная на память). В этом случае и регистр общего назначения, и стек размещаются в оперативной памяти. То есть операнды после их обработки в АЛУ заносятся в память, а не сохраняются в регистрах внутри процессора. Если ОЗУ расположена на одном кристалле с процессором и имеет высокое быстродействие, эффективность использования архитектуры высока. Если ОЗУ вне кристалла – использования нет смысла.

Достоинства: неограниченная свобода в расположении данных, быстрое контекстное переключение (при мультипрограммном режиме).

Недостатки: большая длина команды, ОЗУ ТОЛЬКО на одном кристалле с процессором.

d. Ортогональная регистровая. Является развитием регистровой архитектуры. Все регистры делятся на блоки, и каждый блок служит для сохранения одного состояния процессора.

Чем больше ортогональных направлений (разных), тем быстрее происходит переключение между задачами в многозадачном режиме.

2. С точки зрения взаимного расположения команд и данных:

a. Фон Неймана. Изначально архитектура предложена фон Нейманом. Команды и данные располагаются в одном поле памяти, и нет указания на то, какой именно тип информации в ячейке памяти. Распознанием занимает интерпретатор (чаще всего это сам процессор).

b. Гарвардская. Команды и данные находятся в разных сегментах памяти (адресные пространства): DSEG и CSEG. Основное достоинства: повышенное быстродействие (можно параллельно обращаться к командам и данным), каждое поле имеет свои механизмы внутренние.

c. Смешанная (На примере организации КЕШ-памяти).

МП

ОП

Кэш

МП

ОП

Кэш команд

Кэш данных

3. С точки зрения набора команд:

a. CISC (с полным набором команд)

b. RISC (сокращенный набор команд)

c. VLIW (со сверхдлинным командным словом)

21022012 Лекция 4

Современные технологии программирования ориентированы на языки высокого уровня. Основной целью является облегчение процесса программирования. Однако сложные операторы языков высокого уровня существенно отличаются от простых машинных команд. Данная проблема имеет название – «проблема семантического разрыва». Следствие проблемы становится недостаточно эффективное выполнение программ на вычислительной машине. Поэтому для преодоления проблемы СР предложено три подхода: CISC, RICS, VLIW.

CISC (X86)

В вычислительных машинах с этой архитектурой проблема СР решается за счёт расширения набора команд и дополнения сложными командами. Основоположником CISC архитектуры является фирма IBM (начиная от IBM-360). Для Intel – это процессоры 8086 и Pentium.

Основные характерные черты:

1. Небольшое количество регистров общего назначения (8 или 16).

2. Большое количество машинных команд (256 и выше). Некоторые команды аппаратно реализуют сложные операторы ЯВУ.

3. Разнообразие способов адресации операндов (порядка 10-12: прямая, стековая, регистровая, непосредственная, …)

4. Множество форматов команд различной разрядности (одно-, двух-, трех-, четырех-, без- адресные).

5. Усложнение аппаратуры процессора (в первую очередь устройства управления, чаще всего микропрограммным способом).

6. Наличие команд, где обработка совмещается с обращением к памяти.

При этом доля команд особенно сложных не превышает 10-20%, а иногда 0,2%. Ёмкость памяти микропрограмм при поддержке сложных команд может увеличиваться на 60%.

Дата добавления: 2014-01-06