Автор работы: Пользователь скрыл имя, 25 Декабря 2014 в 14:46, реферат
С момента, когда человек изобрел цифровую передачу данных, сложно представить себе нашу жизнь без компьютеров. Глобальная компьютеризация проникла во все сферы нашей жизни: медицину, развлечения, индустрию, науку. Куда бы не пошел - всюду компьютеры. Все это создает впечатление, что вычислительные машины правят миром.
Министерство образования и науки РФ
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Кафедра электронных средств автоматизации и управления (ЭСАУ)
ТЕМАТИЧЕСКИЙ РЕФЕРАТ
По дисциплине: «Микропроцессорные средства автоматизации и управления»
Микропроцессоры архитектуры ARM.
Подготовила студентка гр. 531
_______ Корх В.
«___» ________ 2014 г.
Проверил доцент кафедры ЭСАУ
_______ Шаропин Ю.Б.
«___» _________ 2014 г.
Томск 2014
СОДЕРЖАНИЕ
С момента, когда человек изобрел цифровую передачу данных, сложно представить себе нашу жизнь без компьютеров. Глобальная компьютеризация проникла во все сферы нашей жизни: медицину, развлечения, индустрию, науку. Куда бы не пошел - всюду компьютеры. Все это создает впечатление, что вычислительные машины правят миром. С появлением компьютера, возникли и соответственные специалисты - те, которые так сказать программируют компьютер делать то, что нужно в конкретный период. Это программисты. Если коротко - это те люди, которые настраивают тех, кто "правит" миром.
Существуют программисты узкоспециального и широкого спектра услуг. Соответственно, существуют специальные и общие языки программирования.
Прежде чем изучать историю развития микропроцессоров, определимся, что же это такое. Микропроцессором1 называется программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления этим процессом, в настоящее время, обычно реализованное в виде одной или нескольких БИС2 (СБИС3). Отвечает за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде.
В 1959 г. инженеры фирмы “Texas Instruments” разработали способ, как разместить внутри одного полупроводникового кристалла несколько транзисторов и соединить их между собой – родилась первая интегральная микросхема4 (ИМС). По сравнению с функционально теми же устройствами, собранными из отдельных транзисторов, резисторов и т.п., ИМС обладает значительными преимуществами: меньшими габаритами, более высокой надежностью и т.д. Неудивительно, что количество выпускаемых микросхем стало быстро возрастать, а их ассортимент неуклонно расширяться. Последнее обстоятельство создавало ряд трудностей для потребителей. Важно даже не столько то, что стремительно возраставшее количество типов ИМС затрудняло ориентацию в море наименований. Значительным недостатком была узкая специализация ИМС, из-за которой объем их выпуска не мог быть большим, а значит, стоимость одной микросхемы оставалась высокой. Улучшить ситуацию позволило бы создание универсальной логической ИМС, специализация которой определялась бы не заложенной на заводе внутренней структурой, а заданной непосредственно самим потребителем программой работы. Таким образом, оказывается, что первые микропроцессоры (МП) появились совсем не для миниатюризации ЭВМ, а в целях создания более дешевой логической микросхемы, легко адаптируемой к потребностям пользователя.
История создания первого в мире микропроцессора достаточно поучительна. Летом 1969 г. японская компания “Busicom”, разрабатывавшая новое семейство калькуляторов, обратилась за помощью в фирму “Intel”. К тому времени “Intel” просуществовала всего около года, но уже проявила себя созданием самой емкой на тот момент микросхемы памяти. Фирме “Busicom” как раз и требовалось изготовить микросхемы, содержащие несколько тысяч транзисторов. Для реализации совместного проекта был привлечен инженер фирмы “Intel” М.Хофф. Он познакомился с разработками “Busicom” и предложил альтернативную идею: вместо 12 сложных специализированных микросхем создать одну программируемую универсальную – микропроцессор. Проект Хоффа победил и фирма “Intel” получила контракт на производство первого в мире микропроцессора.
Практическая реализация идеи оказалась непростым делом. В начале 1970 г. к работе подключился Ф.Фаджин, который за 9 месяцев довел процессор от описания до кристалла (позднее Ф.Фаджин основал фирму “Zilog”, создавшую замечательный 8-разрядный процессор Z80, который успешно работал во многих домашних компьютерах). 15 ноября 1971 г. “Intel 4004” – так назвали процессор – был представлен общественности.
Поскольку для хранения одной цифры калькулятору требуется 4 бита (именно столько необходимо для изображения десятичных цифр “8” и “9”), “Intel 4004” был четырехразрядным процессором. Следующий микропроцессор предназначался для установки в терминал и должен был обрабатывать символьную информацию. Поскольку каждый символ кодируется одним байтом, следующая модель “Intel 8008” стала 8-разрядной; она появилась в апреле 1972 г. По-прежнему этот процессор был заменой “аппаратной логики”, но отдельные энтузиасты уже пытались собрать на нем компьютер. Результаты были скорее демонстрационными, нежели полезными, но микрокомпьютерная революция уже началась.
А в апреле 1974 г. компания “Intel” совершила новый качественный скачок: ее изделие с маркой “Intel 8080” стало первым в мире процессором, походившим на “настоящую” вычислительную машину. Отметим любопытную деталь: хотя процессор. и обрабатывал 8-разрядные данные, но адрес ОЗУ был двухбайтовым. Таким образом, 8080 мог иметь до 64 килобайт памяти, что по тем временам казалось программистам недостижимым пределом.
Дальнейшее развитие событий происходило можно сказать с фантастической скоростью, даже если сравнивать с темпами динамично развивающейся вычислительной техники. За десятилетие был пройден путь от изобретения 4-разрядного МП до достаточно сложной 32-разрядной архитектуры. Было ликвидировано отставание микропроцессорной техники от обычных ЭВМ и началось интенсивное вытеснение последних. Для иллюстрации укажем, что первый МП 4004 содержал 2200 транзисторов, МП 8080 – 4800, МП “Intel 80486” – около 1,2 миллиона, а уже “Pentium” – около 3 миллионов.
Пионер в создании процессорных микросхем фирма “Intel” по-прежнему сохраняет свои лидирующие позиции в этой области. Ее программно-совместимое семейство последовательно усложняющихся МП (16-разрядные 8086, 80286 и 32-разрядные 80386, 80486, “Pentium”, а затем и 64 - разрядные) являются “мозгом” значительной части использующихся компьютеров [1].
Микропроцессор характеризуется:
1) Тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ5;
2) Разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.
Разрядностть МП обозначается m/n/k/ и включает:
m - разрядность внутренних
n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;
k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;
3) Архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. С точки зрения важности для пользователя-программиста под архитектурой в общем случае понимают совокупность следующих компонентов и характеристик:
- разрядности адресов и данных;
- состава, имен и назначения
программно-доступных
- форматов и системы команд;
- режимов адресации памяти;
- способов машинного
- структуры адресного
- способа адресации внешних
устройств и средств
- классов прерываний, особенностей
инициирования и обработки
Существует несколько подходов к классификации микропроцессоров по типу архитектуры. Так, выделяют МП с CISC6 (Complete Instruction Set Computer) архитектурой, характеризуемой полным набором команд, и RISC7 (Reduced Instruction Set Computer) архитектурой, которая определяет систему с сокращенным набором команд одинакового формата, выполняемых за один такт МП. Далее в пунктах 4.1 и 4.2 рассмотрим более подробно особенности каждого типа архитектуры микропроцессора.
Традиционная архитектура вычислительных ядер развивалась по принципу объединения часто используемых последовательностей элементарных машинных команд в одну сложную микрооперацию. В результате сформировался набор команд, состоящий как из простых машинных команд, так и из набора более сложных микроопераций, объединяющей в одной машинной команде операции чтения/записи данных и арифметические действия над данными. Из-за большого количества способов адресации данных количество сложных микроопераций в несколько раз превысило количество элементарных машинных команд. Подобная архитектура, как было отмечено ранее, носит название CISC-архитектура.
По мнению разработчиков CISC-архитектуры, аппаратная поддержка выполнения сложных машинных команд должна была увеличить производительность программ, использующих сложные микрооперации, по сравнению с программами, написанными с использованием элементарных машинных команд.
Однако на практике все обстояло несколько иначе. Проведенные в 1970-х годах исследования показали, что наиболее часто при написании программ программисты использовали ограниченный набор микроопераций, количество которых составляло всего 20% от полного набора машинных команд CISC-архитектуры, остальные же микрооперации практически игнорировались.
Причиной такого дисбаланса явились:
Кроме того, составные микрооперации, призванные увеличить быстродействие вычислений, начали проигрывать в быстродействии последовательностям элементарных машинных команд. Это явилось результатом того, что в процессе эволюции вычислительных ядер основная работа велась над оптимизацией выполнения наиболее часто используемых элементарных машинных команд. Кроме того, из-за ограниченного набора специализированных регистров в CISC-архитектуре, большинство вычислений велось по схеме: чтение операндов из оперативной памяти в регистры, выполнение арифметического действия над операндами, запись полученного результата из регистра в оперативную память. Так как скорость чтения данных из оперативной памяти в регистр и записи данных из регистра в оперативную память на порядок ниже скорости пересылки данных между регистрами, по этой причине интенсивная работа с оперативной памятью, свойственная CISC-архитектуре снижала производительность программ.
Еще одним недостатком CISC-архитектуры была различная длинна машинных команд и разное время их выполнения, это затрудняло расчет времени, необходимого на выполнения программы, но кроме того не позволяло реализовать конвейерную обработку машинных команд [3].
Для решения проблем, присущих CISC-архитектуре была разработана новая RISC-архитектура с сокращенным набором машинных команд. В набор команд RISC-архитектуры вошли только основные элементарные микрооперации, что позволило унифицировать формат команд вычислительного ядра, упростить конструкцию и снизить стоимость изготовления вычислительных ядер. Разработчиками было принято решение сравнять время выполнения всех машинных команд, что упростило расчет времени выполнения программ, а самое главное позволило реализовать конвейерную обработку инструкций.
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 RAM8 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:
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.
Аппаратные блоки в RISC-архитектуре: