Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Архитектура вычислительных систем

Введение

Так уж исторически сложилось, что поначалу совершенствование процессоров было направлено на то, чтобы сконструировать по возможности более функциональный компьютер, который позволил бы выполнять как можно больше разных инструкций. Во-первых, так было удобнее для программистов (компиляторы языков высокого уровня еще только начинали развиваться, и все по-настоящему важные программы писались на ассемблере), а во-вторых, использование сложных инструкций зачастую позволяло сильно сократить размеры написанной на ассемблере программы. А где меньше инструкций - меньше и затраченное на исполнение программы время.

Надо признать, что достигнутые на этом пути успехи действительно впечатляли - в последних версиях ЭВМ выразительность ассемблерного листинга зачастую не уступала выразительности программы, написанной на языке высокого уровня. Одной-единственной машинной инструкцией можно было сказать практически все, что угодно. К примеру, такие машины, как DEC VAX, аппаратно поддерживали инструкции «добавить элемент в очередь», «удалить элемент из очереди» и даже «провести интерполяцию полиномом» (!); а знаменитое семейство процессоров Motorola 68k почти для всех инструкций поддерживало до двенадцати (!) режимов адресации памяти, вплоть до взятия в качестве аргумента инструкции «данных, записанных по адресу, записанному вон в том регистре, со смещением, записанным вот в этом регистре». Отсюда и общее название соответствующих архитектур: CISC - Complex Instruction Set Computers («компьютеры с набором инструкций на все случаи жизни»).

1. CISC и RISC архитектура процессора

Итак, рассмотрим и дадим краткое определение рассматриваемым процессорам:

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. В применении к 8-разрядным МК процессор с CISC-архитектурой может иметь однобайтовый, двухбайтовый и трехбайтовый (редко четырехбайтовый) формат команд. Время выполнения команды может составлять от 1 до 12 циклов. К МК с CISC-архитектурой относятся МК фирмы Intel с ядром MCS-51, которые поддерживаются в настоящее время целым рядом производителей, МК 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.

На первый взгляд, МК с RISC-процессором должны иметь более высокую производительность по сравнению с CISC МК при одной и той же тактовой частоте внутренней магистрали. Однако на практике вопрос о производительности более сложен и неоднозначен.

С точки зрения организации процессов выборки и исполнения команды в современных 8-разрядных МК применяется одна из двух уже упоминавшихся архитектур МПС: фон-неймановская (принстонская) или гарвардская.

Основное преимущество архитектуры Фон-Неймана - упрощение устройства МПС, 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.

Гарвардская архитектура почти не использовалась до конца 70-х годов, пока производители МК не поняли, что она дает определенные преимущества разработчикам автономных систем управления.

Дело в том, что, судя по опыту использования МПС для управления различными объектами, для реализации большинства алгоритмов управления такие преимущества фон-неймановской архитектуры как гибкость и универсальность не имеют большого значения. Анализ реальных программ управления показал, что необходимый объем памяти данных МК, используемый для хранения промежуточных результатов, как правило, на порядок меньше требуемого объема памяти программ. В этих условиях использование единого адресного пространства приводило к увеличению формата команд за счет увеличения числа разрядов для адресации операндов. Применение отдельной небольшой по объему памяти данных способствовало сокращению длины команд и ускорению поиска информации в памяти данных.

Кроме того, гарвардская архитектура обеспечивает потенциально более высокую скорость выполнения программы по сравнению с фон-неймановской за счет возможности реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды. Этот метод реализации операций позволяет обеспечивать выполнение различных команд за одинаковое число тактов, что дает возможность более просто определить время выполнения циклов и критичных участков программы.

Большинство производителей современных 8-разрядных МК используют гарвардскую архитектуру. Однако гарвардская архитектура является недостаточно гибкой для реализации некоторых программных процедур. Поэтому сравнение МК, выполненных по разным архитектурам, следует проводить применительно к конкретному приложению.

В настоящее время наиболее яркими представителями микроконтроллеров CISC и RISC, имеющих соответственно фон-неймановскую и гарвардскую архитектуры являются микроконтроллеры i8051 и AVR - микроконтроллеры фирмы Atmel, которые по ряду характеристик превзошли очень известные PIC - микроконтроллеры. Поэтому рассмотрим организацию и устройство вышеперечисленных представителей.

2. CISC или RISC?

архитектура процессор команда компьютерный

Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники, являются архитектуры CISC и RISC. Основоположником CISC-архитектуры - архитектуры с полным набором команд (CISC - Complete Instruction Set Computer) можно считать фирму IBM с ее базовой архитектурой IBM/360, ядро которой используется с 1964 г. и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах, как IBM ES/9000.

Лидером в разработке микропроцессоров с полным набором команд считается компания Intel с микропроцессорами X86 и Pentium. Это практически стандарт для рынка микропроцессоров.

Сегодня разница в производительности между RISC и CISC наиболее очевидна в вычислениях с плавающей точкой, где на микропроцессор падает большая математическая нагрузка. Высокая производительность RISC в вычислениях с плавающей точкой используется в финансово-торговых системах и сложных инженерных приложениях. Однако для большинства приложений бизнес-серверов высокой производительности вычислений с плавающей точкой не требуется. Им нужна производительность усложненных вычислений. Целые вычисления работают с целыми числами, для представления которых требуется меньшее число бит. Следовательно, они требуют меньше процессорных действий. Большинство бизнес-приложений, которые обеспечивают число заказанных изделий или вычисляют количество товаров на складе, используют главным образом усложненные вычисления.

Простота архитектуры RISC-процессора обеспечивает его компактность, практическое отсутствие проблем с охлаждением кристалла, чего нет в процессорах фирмы Intel, упорно придерживающейся пути развития архитектуры CISC. Формирование стратегии CISC-архитектуры произошло за счет технологической возможности перенесения «центра тяжести» обработки данных с программного уровня системы на аппаратный, так как основной путь повышения эффективности для CISC-компьютера виделся, в первую очередь, в упрощении компиляторов и минимизации исполняемого модуля. На сегодняшний день CISC-процессоры почти монопольно занимают на компьютерном рынке сектор персональных компьютеров, однако RISC-процессорам нет равных в секторе высокопроизводительных серверов и рабочих станций.

Основные черты RISC-архитектуры с аналогичными по характеру чертами CISC-архитектуры отображаются следующим образом (табл.):

Основные черты архитектуры

CISC - архитектура	RISC-архитектура
Многобайтовые команды	Однобайтовые команды
Малое количество регистров	Большое количество регистров
Сложные команды	Простые команды
Одна или менее команд за один цикл процессора	Несколько команд за один цикл процессора
Традиционно одно исполнительное устройство	Несколько исполнительных устройств
Несколько (часто специализирванных) регистров	Много регистров общего назначения
Доступ к памяти - как часть команд различных типов	Доступ к памяти выполняется только специальными командами.

Одним из важных преимуществ RISC-архитектуры является высокая скорость арифметических вычислений. RISC-процессоры первыми достигли планки наиболее распространенного стандарта IEEE 754, устанавливающего 32-разрядный формат для представления чисел с фиксированной точкой и 64-разрядный формат «полной точности» для чисел с плавающей точкой. Высокая скорость выполнения арифметических операций в сочетании с высокой точностью вычислений обеспечивает RISC-процессорам безусловное лидерство по быстродействию в сравнении с CISC-процессорами.

Другой особенностью RISC-процессоров является комплекс средств, обеспечивающих безостановочную работу арифметических устройств: механизм динамического прогнозирования ветвлений, большое количество оперативных регистров, многоуровневая встроенная кэш-память.

Организация регистровой структуры - основное достоинство и основная проблема RISC. Практически любая реализация RISC-архитектуры использует трехместные операции обработки, в которых результат и два операнда имеют самостоятельную адресацию - R1: = R2, R3. Это позволяет без существенных затрат времени выбрать операнды из адресуемых оперативных регистров и записать в регистр результат операции. Кроме того, трехместные операции дают компилятору большую гибкость по сравнению с типовыми двухместными операциями формата «регистр - память» архитектуры CISC. В сочетании с быстродействующей арифметикой RISC-операции типа «регистр - регистр» становятся очень мощным средством повышения производительности процессора.

Вместе с тем опора на регистры является ахиллесовой пятой RISC-архитектуры. Проблема в том, что в процессе выполнения задачи RISC-система неоднократно вынуждена обновлять содержимое регистров процессора, причем за минимальное время, чтобы не вызывать длительных простоев арифметического устройства. Для CISC-систем подобной проблемы не существует, поскольку модификация регистров может происходить на фоне обработки команд формата «память - память».

Существуют два подхода к решению проблемы модификации регистров в RISC-архитектуре: аппаратный, предложенный в проектах RISC-1 и RISC-2, и программный, разработанный специалистами IВМ и Стэндфордского университета. Принципиальная разница между ними заключается в том, что аппаратное решение основано на стремлении уменьшить время вызова процедур за счет установки дополнительного оборудования процессора, тогда как программное решение базируется на возможностях компилятора и является более экономичным с точки зрения аппаратуры процессора.

Вечный вопрос - что лучше?

Ответ зависит от конкретных условий. Технология RISC не всегда подходит для применения в тех случаях, когда набор задач ограничен. Например, для сетевого оборудования встроенные вычислительные средства RISC, как правило, не подходят, поскольку большинство ситуаций, в которых вы можете оказаться, можно предвидеть, а использование для их решения множества небольших команд замедляет работу устройства. Технология CISC предпочтительна при решении большинства задач, так или иначе относящихся к серверам (например, совместное использование файлов и принтеров), поскольку требования к процессорам в данном случае легко предвидеть. С другой стороны, технология RISC предпочтительна в «непредсказуемых» случаях, например, при обслуживании баз данных и приложений.

3. CISC-архитектура

К типу CISC можно отнести практически все ВМ, выпускавшиеся до середины 80-х годов и значительную часть из выпускаемых в настоящее время.

Характерные для CISC способы решения проблемы семантического разрыва, вместе с тем ведут к усложнению архитектуры ВМ, главным образом устройства управления, что, в свою очередь, негативно сказывается на производительности в целом. Кроме того, в CISC очень сложно организовать эффективный конвейер команд, который, как уже отмечалось, является одним из наиболее перспективных путей повышения производительности ВМ. Все это заставило более внимательно проанализировать программы, получаемые после компиляции с ЯВУ. Был предпринят комплекс исследований [128,158,177,178,209], в результате которых обнаружились интересные закономерности:

- Реализация сложных команд, эквивалентных операторам ЯВУ, требует увеличения емкости управляющей памяти в микропрограммном УУ. Микропрограм-как их доля в общем объеме программы зачастую не превышает 0,2%.

- В откомпилированной программе операторы ЯВУ реализуются в виде процедур (подпрограмм), поэтому на операции вызова процедуры и возврата из нее приходится от 15 до 45% вычислительной нагрузки.

- При вызове процедуры вызывающая программа передает этой процедуре некоторое количество аргументов. Согласно [209], в 98% случаев число передаваемых аргументов не превышает шести. Примерно такое же положение сложилось и с параметрами, которые процедура возвращает вызывающей программе. Более 80% переменных, используемых программой [177,178], являются локальными, то есть создаются при входе в процедуру и уничтожаются при выходе из нее. Количество локальных переменных, создаваемых отдельной процедурой, в 92% случаев не превышает шести [209].

- Почти половину операций в ходе вычислений составляет операция присваива

ния, сводящаяся к пересылке данных между регистрами, ячейками памяти или регистрами и памятью.

Чтобы машинный код CISC-компьютеров из-за сложных инструкций не разрастался до огромного размера, машинные инструкции в большинстве этих архитектур имели неоднородную структуру (разное расположение и размеры кода операции и ее операндов) и сильно отличающуюся длину (в x86, например, длина инструкций варьируется от 1 до 15 байт). Еще одной проблемой стало то, что при сохранении приемлемой сложности процессора многие инструкции оказалось принципиально невозможно выполнить «чисто аппаратно», и поздние CISC-процессоры были вынуждены обзавестись специальными блоками, которые «на лету» заменяли некоторые сложные команды на последовательности более простых. В результате все CISC-процессоры оказались весьма трудоемкими в проектировании и изготовлении. Но что самое печальное, к моменту расцвета CISC-архитектур стало ясно, что все эти конструкции изобретались в общем-то зря - исследования программного обеспечения того времени, проведенные IBM, наглядно показали, что даже программисты, пишущие на ассемблере, все эти «сверхвозможности» почти никогда не использовали, а компиляторы языков высокого уровня - и не пытались использовать.

К началу восьмидесятых годов классические CISC полностью исчерпали себя. Расширять набор инструкций в рамках этого подхода дальше не имело смысла, наоборот - технологи столкнулись с тем, что из-за высокой сложности CISC-процессоров оказалось трудно наращивать их тактовую частоту, а из-за «тормознутости» оперативной памяти тех времен зашитые в память процессора расшифровки сложных инструкций зачастую работают медленнее, чем точно такие же цепочки команд, встречающиеся в основной программе. Короче говоря, стало очевидным, что CISC-процессоры нужно упрощать - и на свет появился RISC, Reduced Instruction Set Computer.

4. RISC-архитектура

В 70-е годы XX века ученые выдвинули революционную по тем временам идею создания микропроцессора, «понимающего» только минимально возможное количество команд.

Замысел RISC - процессора (Reduced Instruction Set Computer, компьютер с сокращенным набором команд) родился в результате практических исследований частоты использования команд программистами, проведенных в 70-х годах в США и Англии. Их непосредственный итог - известное «правило 80/20»: в 80% кода типичной прикладной программы используется лишь 20% простейших машинных команд из всего доступного набора.

Первый «настоящий» RISC-процессор с 31 командой был создан под руководством Дэвида Паттерсона из Университета Беркли, затем последовал процессор с набором из 39 команд. Они включали в себя 20-50 тыс. транзисторов. Плодами трудов Паттерсона воспользовалась компания Sun Microsystems, разработавшая архитектуру SPARC с 75 командами в конце 70-х годов. В 1981 г. в Станфордском университете стартовал проект MIPS по выпуску RISC-процессора с 39 командами. В итоге была основана корпорация Mips Computer в середине 80-х годов и сконструирован следующий процессор уже с 74 командами.

По данным независимой компании IDC, в 1992 году архитектура SPARC занимала 56% рынка, далее следовали MIPS - 15% и PA-RISC - 12,2%

Примерно в то же время Intel разработала серию 80386, последних «истинных» CISC-процессоров в семействе IA-32. В последний раз повышение производительности было достигнуто только за счет усложнения архитектуры процессора: из 16-разрядной она превратилась в 32-разрядную, дополнительные аппаратные компоненты поддерживали виртуальную память, и добавился целый ряд новых команд.

Основные особенности RISC-процессоров:

· Сокращенный набор команд (от 80 до 150 команд).

· Большинство команд выполняется за 1 такт.

· Большое количество регистров общего назначения.

· Наличие жестких многоступенчатых конвейеров.

· Все команды имеют простой формат, и используются немногие способы адресации.

· Наличие вместительной раздельной кэш-памяти.

· Применение оптимизирующих компиляторов, которые анализируют исходный код и частично меняют порядок следования команд.

RISC-процессоры 3-го поколения

Самыми крупными разработчиками RISC-процессоров считаются Sun Microsystems (архитектура SPARC - Ultra SPARC), IBM (многокристальные процессоры Power, однокристальные PowerPC - PowerPC 620), Digital Equipment (Alpha - Alpha 21164), Mips Technologies (семейство Rxx00 - R 10000), а также Hewlett-Packard (архитектура PA-RISC - PA-8000).

Все RISC-процессоры третьего поколения:

· являются 64-х разрядными и суперскалярными (запускаются не менее 4-х команд за такт);

· имеют встроенные конвейерные блоки арифметики с плавающей точкой;

· имеют многоуровневую кэш-память. Большинство RISC-процессоров кэшируют предварительно дешифрованные команды;

· изготавливаются по КМОП-технологии с 4 слоями металлизации.

Для обработки данных применяется алгоритм динамического прогнозирования ветвлений и метод переназначения регистров, что позволяет реализовать внеочередное выполнение команд.

Повышение производительности RISC-процессоров достигается за счет повышения тактовой частоты и усложнения схемы кристалла. Представителями первого направления являются процессоры Alpha фирмы DEC, наиболее сложными остаются процессоры компании Hewlett-Packard.

Уменьшение набора машинных команд в RISC-архитектуре позволило разместить на кристалле вычислительного ядра большое количество регистров общего назначения. Увеличение количества регистров общего назначения позволило минимизировать обращения к медленной оперативной памяти, оставив для работы с RAM только операции чтения данных из оперативной памяти в регистр и запись данных из регистра в оперативную память, все остальные машинные команды используют в качестве операндов регистры общего назначения.

Основными преимуществами RISC-архитектуры является наличие следующих свойств:

· Большое число регистров общего назначения.

· Универсальный формат всех микроопераций.

· Равное время выполнения всех машинных команд.

· Практически все операции пересылки данных осуществляются по маршруту регистр - регистр.

· Равное время выполнения всех машинных команд позволяют обрабатывать поток командных инструкций по конвейерному принципу, т.е. выполняется синхронизация аппаратных частей с учетом последовательной передачи управления от одного аппаратного блока к другому.

Современные RISC-процессоры характеризуются следующим:

- упрощенным набором команд;

- используются команды фиксированной длины и фиксированного формата,

простые способы адресации, что позволяет упростить логику декодирования команд;

- большинство команд выполняются за один цикл процессора;

- логика выполнения команд с целью повышения производительности ориентирована на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию, отсутствуют макрокоманды, усложняющие структуру процессора и уменьшающие скорость его работы;

- взаимодействие с оперативной памятью ограничивается операциями

пересылки данных;

- для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки;

- создан конвейер команд, позволяющий обрабатывать несколько из них одновременно;

- наличие большого количества регистров;

- используется высокоскоростная память.

Заключение

В данной курсовой работе рассмотрены микроконтроллеры с RISC и CISC архитектурой, особенности архитектур, их основные отличия.

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, процессоров - микроконтроллеры.

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.

Список использованной литературы

1. Каган Б.М. «Электронно-вычислительные машины и системы» Москва «Радио и связь» 1991 г.

2. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. «Основы микропроцессорной техники». 2006

3. Смирнов А.Д. «Архитектура вычислительных систем» Москва «Радио и связь» 1990 г.

4. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. «Организация ЭВМ и систем». Спб.: Питер 2006.

Размещено на Allbest.ru

...