RISC (Reduced Instruct Set Computers- компьютеры с сокращенной системой команд)

Лекция 1. Архитектуры микроконтроллеров .

 

Понятие микроконтроллера как устройства.

Микроконтроллер – это самостоятельная компьютерная система, которая содержит процессор, вспомогательную схему и устройства ввода/вывода данных, размещения в общем корпусе.

Для программирования микроконтроллеров необходимо:

1. Локальная сеть;

2. Персональный компьютер;

3. Логический анализатор;

4. Эмулятор ПЗУ;

5. Программатор;

6. Схемный эмулятор.

 

Однокристальный микроконтроллер отличается от многокристальных МК тем что может работать без внешней памяти. Он содержит регистры , АЛУ, ОЗУ и ПЗУ а также таймер и аналого-цифровой преобразователь. Однокристальный МК особенно полезен для специализированных систем , которые предназначены для конкретных приложений.

Архитектуры, применяемые в микроконтроллерах.

Для создания набора команд для ПК необходимо учитывать не только конструкцию машинного языка, но и требования предъявляемые языками программирования высокого уровня.

Существуют два подхода к решению задачи повышения производительности ПК.

1. Принстонская архитектура, CISC , архитектура Фон Неймана

CISC(Complex Instruction Set Computers- компьютеры со сложной системой команд).

РИС 1.1

 

 

Рис 1.1

 

CISC- процессоры выполняют большой набор команд с развитыми возможностями адресации, давая разработчику возможность выбрать наиболее подходящую команду для выполнения необходимой операции.

Способ повышения производительности заложенный в данную архитектуру заключается в использовании сложных команд на уровне машинных кодов с тем чтобы упростить трансляцию с языков высокого уровня.

Принцип работы: В первом цикле выбирается команда (чтение) . о втором цикле считываются данные и размещаются в аккумулятор.

В CISC – процессорах условный переход обычно реализуется в соответствии с определенным значением бита в регистре состояния

В архитектуре блок интерфейса с памятью выполняет арбитраж запросов к памяти или внутренних регистрах. Однако во многих процессорах с Принстонской архитектурой проблема блока интерфейса является наиболее узким местом между процессором и памятью решается путем выборки следующей команды во время выполнения предыдущей. Такая операция называется предварительной выборкой и она реализуется в большинстве процессоров с такой архитектурой.

Основные характеристики Принстонской архитектуры CISC

Большое число команд до 250

Наличие команд , которые предназначены для выполнения специализированных заданий и которые применяются очень редко.

Использование от 5 до 20 различных режимов адресации

Применение команд с переменной длиной команды

Наличие специализированных команд , которые предназначены для выполнения некоторых процедур высокоуровневых языков и позволяют сократить машинный код

Применение команд управления операндов в памяти

Выполнение команд микрокода.

 

В Принстонской CISC архитектуре блок интерфейса с памятью выполняет арбитраж запросов памяти, обеспечивая выборку команд , чтение запись данных, размещаемых в памяти или внутренних регистрах.

Основным преимуществом Принстонской архитектуры, CISC , является то, что удается упростить устройство процессора так как реализуется обращение к общей памяти (предпочтительно при ненадежной элементной базе лампы транзисторы). Содержимое ОЗУ используется как для хранения данных так и для хранения программ. Это позволяет предоставлять большую гибкость для разработчика программного обеспечения (операционных систем реального времени) Программа имеет возможность обращаться к содержимому стека.

 

Слабым местом данной архитектуры является блок интерфейса между процессором и памятью , поскольку требуется одновременно выбирать из памяти команду и данные.

Этот недостаток решается путем выборки следующей команды во время выполнения предыдущей (операция предварительная выборка)

Другие недостатки Принстонской архитектуры, CISC ,

Не возможности добиться реализации параллельных операций.

Требуется остановка процессора на время выборки команды

Различные команды выполняются за различное число тактов.

 

RISC (Reduced Instruct Set Computers- компьютеры с сокращенной системой команд).

Гарвардская архитектура RISC архитектура с сокращенным набором команд начала применятся с конца 70 годов. Гарвардский университет представил разработку компьютера, в котором для хранения программ, данных и стека использовались отдельные банки памяти.

 

Принцип работы в первом цикле завершается выполнение предыдущей команды чтения и осуществляется выполнение следующей команды

В RISC-процессорах набор выполняемых команд сокращен до минимума. При этом разработчик должен комбинировать команды, чтобы реализовать более сложные операции. Возможность равноправного использования всех регистров процессора называется «ортогональностью» или»симметричностью» процессора. Это обеспечивает дополнительную гибкость при выполнении некоторых операций.. В RISC – процессорах условный переход может происходить с определенным значением бита, который находится в любом месте памяти. Это значительно упрощает операции с флагами и выполнение программ, использующих эти флаги.

 

Применение параллелизма позволяет выполнять команды за одинаковое количество тактов что позволяет легко определять время выполнения циклов и критических участков программы..( для приложений со строгим обеспечением временного выполнения.) Любая команда микроконтроллера PIC выполняется за 4 такта или один цикл что упрощает реализацию позволяет отказаться от симуляторов и аппаратных эмуляторов.

Основные характеристики

Простой формат и небольшое количество команд

Небольшое количество адресных режимов

Регистровая адресация

Непосредственная

относительная (косвенная)

большое количество регистров, что позволяет обрабатывать операции внутри пространства регистров микропроцессора

перекрывающиеся окна регистров

Беспрепятственное обращение к памяти (ограничения только на загрузку и запись команд

выполнение одной команды за один такт с использованием конвейеризации

аппаратное а не микрокомандное управление.

 

Конвейерная обработка это способ увеличения скорости обработки команд путем разделения задания на некоторое число сегментов выполняемых параллельно. Применяется для арифметических операций.

недостатки

недостаточно гибкая для операционных систем реального времени ОСРВ

Успех при использование RISC-процессоров обеспечивается благодаря тому, что их более простые команды требуют для выполнения значительно меньшее число машинных циклов. Таким образом достигается существенное повышение производительности, что позволяет RISC-процессорам эффективно решать чрезвычайно сложные задачи

 

Идея RISC архитектуры попытаться уменьшить время исполнения команд добиться исполнения одной операции за один такт путем упрощения набора команд.