Penza davlat universiteti

O'zgartirilgan Garvard arxitekturasi
Xotiraga kirishni amalga oshirish uchun tegishli sxema mavjud Bir aniq kamchilik - bu yuqori narx. Ajratish paytida
protsessor chipidagi buyruqlar va ma'lumotlarni uzatish uchun kanallar, ikkinchisida deyarli ikki baravar ko'p pin bo'lishi kerak, chunki manzil shinasi. ma’lumotlar shinasi esa mikroprotsessor chiqishining asosiy qismini tashkil qiladi. Ushbu muammoni hal qilish yo'li barcha tashqi ma'lumotlar va ichki ma'lumotlar uchun umumiy ma'lumotlar avtobusi va manzil shinasidan foydalanish g'oyasi edi protsessor ma'lumotlar shinasi, buyruq avtobusi va ikkita manzil avtobusidan foydalanish uchun. Ushbu kontseptsiya o'zgartirilgan Garvard arxitekturasi deb nomlandi. Ushbu yondashuv zamonaviy signal protsessorlarida qo'llaniladi. Ular
bitta chipli kompyuterlar - mikrokontrollerlarni yaratishda xarajatlarni kamaytirish yo'lidan yanada ko'proq borishdi. Ularda buyruqlar va ma'lumotlar uchun bitta shi kristall ichida ham qo'llaniladi. O'zgartirilgan Garvard strukturasida shinalarni ajratish

alohida nazorat signallari yordamida amalga oshiriladi: o'qish, yozish yoki xotira maydonini tanlash.

Fon Neyman arxitekturasi bilan gibrid modifikatsiyalar
Afzalliklarni birlashtirgan gibrid arxitekturalar mavjud
Garvard va fon Neyman arxitekturasi. Zamonaviy CISC protsessorlari ko'rsatmalar va ma'lumotlar uchun alohida 1-darajali keshga ega, bu ularga imkon beradi

buyruq va uning bajarilishi uchun ma'lumotlarni olish. Ya'ni, protsessor yadrosi, rasmiy ravishda, Garvard, lekin

sakkiz
Machine Translated by Google

dasturiy jihatdan, bu fon Neumann bo'lib, dasturlarni yozishni soddalashtiradi. Odatda, bu protsessorlarda bitta avtobus ishlatiladi
buyruqni uzatish va dizaynni soddalashtiradigan ma'lumotlarni uzatish uchun tizimlari. Bunday protsessorlarning zamonaviy variantlari ba'zan mumkin
bir vaqtning o'zida bir nechta turli xil o'rnatilgan kontrollerlarni o'z ichiga oladi
har xil turdagi xotiralar bilan ishlash uchun shinalar - masalan, DDR RAM va Flash. Biroq, bu holda, avtobuslar odatda buyruqlarni uzatish uchun ham, ma'lumotlarni ajratmasdan uzatish uchun ishlatiladi, bu esa ushbu protsessorlarni fonga yanada yaqinroq qiladi.

Neumann arxitekturasi Garvard arxitekturasining afzalliklarini saqlab qolgan holda.

9
Machine Translated by Google

2. 
   bob RISC arxitekturasi
   

RISC (inglizcha cheklangan (qisqartirilgan) ko'rsatmalar to'plamidan kompyuter - qisqartirilgan ko'rsatmalar to'plamiga ega kompyuter) - soddalashtirish orqali unumdorligini oshiradigan protsessor arxitekturasi. ularni dekodlash osonroq bo'lishi uchun ko'rsatmalar va vaqt
bajarilishi qisqaroq. Birinchi RISC protsessorlarida hatto ko'paytirish va bo'lish ko'rsatmalari ham yo'q edi. Bundan tashqari, u overclock qilishni osonlashtiradi va superscalar yanada samaraliroq qiladi.
(bir nechta ijro birliklari o'rtasidagi ko'rsatmalarni parallellashtirish).

Assembler tilida yoki to'g'ridan-to'g'ri dasturlarni qo'lda yozishni osonlashtirish uchun oldingi arxitekturalarda ko'rsatmalar to'plami mahalliy kodda va kompilyatorlarni amalga oshirishni soddalashtirish uchun imkon qadar ko'proq ish qildi. To'plamlarda yuqori darajadagi til konstruktsiyalarini to'g'ridan-to'g'ri qo'llab-quvvatlash bo'yicha ko'rsatmalar bo'lishi odatiy hol emas edi. Ushbu to'plamlarning yana bir xususiyati shundaki, ko'pgina ko'rsatmalar, qoida tariqasida, barcha mumkin bo'lgan adreslash usullariga ruxsat berdi - masalan, operandlar ham, arifmetik

operatsiyalarning natijasi ham nafaqat registrlarda, balki to'g'ridan-to'g'ri orqali ham ma adreslash va bevosita xotirada. Keyinchalik bunday arxitekturalar CISC
(kompleks ko'rsatmalar to'plami kompyuteri) deb atala boshlandi. Biroq, ko'pgina kompilyatorlar to'liq foydalana olmadilar
bunday ko'rsatmalar to'plami va murakkab adreslash usullarini oladi
sekin xotiraga qo'shimcha kirishlar tufayli ko'p vaqt. Agar bu protsessorni soddalashtirsa va undagi ko'proq registrlar uchun joy qoldirsa, bunday funktsiyalarni oddiyroq buyruqlar ketma-ketligi bilan bajarish yaxshiroq ekanligi ko'rsatilgan.
bu orqali siz xotiraga kirish sonini kamaytirishingiz mumkin. Dastlabki RISC arxitekturalarida dekodlashni soddalashtirish bo'yicha ko'rsatmalarning aksariyati bir xil uzunlikdagi va
shunga o'xshash tuzilish, arifmetik operatsiyalar faqat registrlar bilan ishlaydi va xotira bilan ishlash alohida yuklash va saqlash ko'rsatmalaridan o'tadi. Bu xususiyatlar yaxshiroq qilish imkonini berdi
quvurlarni o'tkazish bosqichlarini muvozanatlash, RISC quvurlarini ancha samaraliroq qilish va yuqori soat tezligini ta'minlash.

1970-yillarning o'rtalarida. turli tadqiqotchilar (xususan, IBM kompaniyasi) ko'pgina ko'rsatmalar kombinatsiyasi va turli xil adreslash usullari ko'pchilik pro-sofda qo'llanilmaganligini ko'rsatdi.

o'n
Machine Translated by Google

o'sha davrning kompilyatorlari tomonidan yaratilgan grammlar. Bundan tashqari, ba'zi arxitekturalarda murakkab operatsiyalar ko'pincha sodir bo'lishi aniqlandi bir xil harakatlarni bajaradigan oddiy operatsiyalar ketma-ketligiga qaraganda sekinroq edi. Bu, xususan, bunga bog'liq edi
ko'plab arxitekturalar shoshildi va faqat ishlatilgan ko'rsatmalarning mikrokodi yaxshi optimallashtirildi

odatdagidan kura ko'proq.

Ko'pgina haqiqiy dasturlar eng ko'p sarflaganligi sababli

Ko'pgina tadqiqotchilar oddiy operatsiyalarni bajarishga vaqt ajratishgan

imkon qadar tezroq. Protsessorning soat tezligi cheklangan

protsessor har qanday buyruqni qayta ishlash jarayonida eng sekin qadamlarni bajarishga sarflagan vaqt; pasayish
bunday qadamlarning davomiyligi chastotaning umumiy o'sishini beradi, shuningdek ko'pincha ko'proq tufayli boshqa ko'rsatmalarning bajarilishini tezlashtiradi samarali quvur liniyasi. Oddiy ko'rsatmalarga e'tibor ko'rsatmalar yaratishga qaratilgan RISC arxitekturasiga olib keladi
shunchalik soddaki, ular osonlikcha quvurlarga o'rnatilishi mumkin va yuqori soatlarda quvur liniyasining har bir bosqichida bir soatdan ko'proq vaqtni sarflamaydi. tota.
Keyinchalik eng muhim xususiyat ekanligi qayd etildi
RISC ma'lumotlarni qayta ishlash va kirish bo'yicha ko'rsatmalarni ajratishda xotira - xotiraga faqat yuklash va saqlash ko'rsatmalari orqali kirish mumkin, qolgan barcha ko'rsatmalar esa ichki registrlar bilan chegaralanadi. Bu protsessorlar arxitekturasini soddalashtirdi: bu ko'rsatmalarning belgilangan
uzunlikka, soddalashtirilgan quvurlarga va izolyatsiyaga ega bo'lishiga imkon berdi. faqat ikkita ko'rsatmalarda xotiraga kirish kechikishlari bilan bog'liq mantiq.
Ko'pincha "qisqartirilgan ko'rsatmalar to'plami" so'zlari tushuniladi

ko'rsatmalar to'plamidagi ko'rsatmalar sonini minimallashtirish. Aslida

Aslida, nomdagi "kamaytirilgan" atamasi har bir alohida ko'rsatma tomonidan bajariladigan ish miqdori (va vaqti) qisqarishini (ko'pi bilan bitta xotiraga kirish tsikli sifatida) tavsiflaydi.
murakkab CISC ko'rsatmalarini bajarish uchun yuzlab xotiraga kirish davrlarini talab qilishi mumkin.
RISC tizimi deb atash mumkin bo'lgan birinchi tizim bu atama paydo bo'lishidan o'n yil oldin, 1964 yilda yaratilgan CDC 6600 superkompyuteridir. CDC 6600 faqat ikkita manzillash rejimiga ega RISC arxitekturasiga ega edi ("qayta

o'n bir

Machine Translated by Google
hyster+register” va “register+darhol qiymat”) va 74 ta buyruq kodlari (8086 protsessorida esa 400 ta buyruq kodlari mavjud edi).
Biroq, eng mashhur RISC tizimlari ishlab chiqilgan
DARPA VLSI dasturi tomonidan moliyalashtirilgan universitet tadqiqot dasturlari doirasida. UC Berkeleydagi RISC loyihasi 1980 yilda Devid
Patterson va Karlo Sequin boshchiligida boshlangan. Tadqiqot quvurlarni qayta ishlash va agressiv foydalanishga asoslangan edi

ro'yxatga olish oynasi texnikasidan foydalanish. An'anaviy protsessorda registrlar soni kam va dastur istalgan vaqtda istalgan registrdan foydalanishi mumkin. Registr oynasi texnologiyalaridan foydalanadigan protsessor juda ko'p registrlarga ega (masalan, 128), lekin dasturlar faqat cheklangan sondan foydalanishi mumkin (masalan, bir vaqtning o'zida faqat 8 ta).

Har bir protsedura bo'yicha atigi sakkiz registr bilan cheklangan dastur juda tez protsedura chaqiruvlarini amalga oshirishi mumkin: "oyna" shunchaki kerakli protseduraning 8 registrli blokiga o'tadi va protseduradan qaytganida u chaqiruvchi protsedura registrlariga qaytadi. . (An'anaviy protsessorda ko'pchilik protseduralar

chaqirilganda, ular ba'zi registrlarning qiymatlarini saqlashga majbur bo'lishadi protsedurani bajarishda ushbu registrlardan foydalanish uchun stek. Jarayon qaytib kelganda, registr qiymatlari stekdan tiklanadi.) RISC loyihasi 1982 yilda RISC-I protsessorini ishlab chiqargan

44 420 tranzistorlar mavjud edi (taqqoslash uchun: CISC protsessorlarida ularning 100 000 ga yaqini bor edi). RISC-I-da atigi 32 ta ko'rsatma bor edi, lekin har qanday bitta chipli protsessordan tezroq edi

o'sha vaqt. Bir yil o'tgach, 1983 yilda RISC-II chiqarildi, u 40 760 tranzistordan iborat bo'lib, 39 ta ko'rsatmalardan foydalangan va
RISC-I dan uch baravar
tezroq. Deyarli bir vaqtning o'zida, 1981 yilda, Jon Hennessy boshlandi Stenford universitetida "MIPS Architecture" deb nomlangan shunga o'xshash loyiha. MIPS yaratuvchisi deyarli butunlay quvurlarni qayta ishlashga e'tibor qaratdi va "hamma narsani siqib chiqarishga" harakat qildi.
bu texnologiya. Quvurlarni o'tkazish boshqa joylarda qo'llanilgan mahsulotlar, MIPS-da amalga oshirilgan ba'zi g'oyalar ishlab chiqilgan chipning analoglarga qaraganda tezroq ishlashiga imkon berdi. Ko'pchilik protsessorning har qanday ko'rsatmalarini bir soat siklida bajarish talabi muhim edi. Bu talab konveyerning ishlashiga imkon berdi
ancha yuqori ma'lumotlar uzatish tezligi va muhim olib keldi

12
Machine Translated by Google

Protsessorning tezlashishi. Boshqa tomondan, ishlash
Ushbu talab ko'rsatmalar to'plamidan ko'paytirish kabi foydali operatsiyalarni olib tashlashning salbiy ta'siriga ega edi.
yoki bo'linish.
Dastlabki yillarda RISC arxitekturasini ishlab chiqishga urinishlar yaxshi ma'lum edi, ammo ularni yaratgan universitet tadqiqot laboratoriyalari doirasida qoldi. Kompyuterda ko'p
sanoat korxonalari RISC protsessorlarining afzalliklari murakkab ko'rsatmalarning xotira samaradorligi pastligi sababli haqiqiy mahsulotlarda qo'llanilganda
amalga oshmaydi, deb ishonishgan. Biroq, beri
1986 RISC tadqiqot loyihalari birinchisini ishlab chiqara boshladi ishlaydigan mahsulotlar.
1990-yillarning boshida ma'lum bo'lishicha, RISC arxitekturasi imkon beradi ajratish tufayli, shuningdek, soat chastotasining jiddiy o'sishi va maydonni bo'shatish bilan kristalning soddalashtirilishi tufayli CISC-ga qaraganda
yaxshiroq ishlashga erishing.
kesh xotirasi uchun, katta sig'imlarga erishish. Shuningdek, RISC arxitekturalari tranzistorlar sonini kamaytirish orqali protsessorning quvvat sarfini sezilarli darajada kamaytirishga imkon berdi.
Dastlab, RISC arxitekturalari bozor tomonidan deyarli qabul qilinmadi ular uchun dasturiy ta'minotning etishmasligi tufayli. Bu muammo
UNIX-ga o'xshash operatsion tizimlarni portlash orqali hal qilindi (SunOS) RISC arxitekturasida.
Hozirgi vaqtda ko'plab protsessor arxitekturalari mavjud
ARM, DEC Alpha, SPARC, AVR, MIPS, POWER va PowerPC kabi RISC-ga o'xshashlar. Ish stolida eng ko'p qo'llaniladi
Kompyuterlarda x86 arxitektura protsessorlari ilgari CISC protsessorlari edi, lekin Intel 486DX dan boshlab yangiroq protsessorlar RISC yadroli CISC protsessorlaridir. Ular x86 protsessorlarining CISC ko'rsatmalarini bajarishdan oldin darhol o'zgartiradilar
ichki RISC ko'rsatmalarining oddiyroq to'plami. X86 arxitekturasidan so'ng protsessorlar tarjima qilindi
superskalar RISC arxitekturasida aytishimiz mumkinki, hozirda mavjud bo'lgan
protsessorlarning aksariyati arxitekturaga asoslangan. RISC.

13
Machine Translated by Google

2. 
   bob Umumiy tavsif AVR mikrokontrollerlari
   

AVR - bu kompaniyaning sakkiz bitli mikrokontrollerlar oilasi
Atmel, birinchi marta 1996 yilda chiqarilgan. Ular kuchli vosita, zamonaviy yaratish uchun universal asosdir
tejamkor o'rnatilgan ko'p maqsadli tizimlar.
Yangi RISC yadrosini ishlab chiqish g'oyasi Norvegiya Fan va Texnologiya Universitetining (Trondxaym) ikki talabasi, Alf-Egil Bogen va Vegard Vollenga tegishli. 1995 yilda Bogen va Uollen Amerikaning Atmel korporatsiyasiga yangi 8-bitli RISC mikrokontrollerini ishlab chiqarish va uni hisoblash yadroli bitta chipdagi dasturlar uchun Flash xotira bilan jihozlashni taklif qilishga qaror qilishdi.

G'oya Atmel korporatsiyasi tomonidan ma'qullangan va 1996 yil oxirida qabul qilingan AT90S1200 eksperimental mikrokontrolleri chiqarildi va 1997 yilning ikkinchi yarmida Atmel korporatsiyasi ommaviy ishlab chiqarishni boshladi. mikrokontrollerlarning yangi oilasi. Yangi

yadro patentlangan va AVR deb nomlangan. Ushbu qisqartmaning bir nechta talqinlari mavjud. Kimdir bu Advanced Virtual RISC, deb da'vo qilsa, boshqalari bu Alf Egil Bogen Vegard Wollan RISC ishlab chiqaruvchilarining bosh harflarisiz bo'lmaganiga ishonishadi.

AVR mikrokontrollerlari Garvard arxitekturasiga ega (dastur va ma'lumotlar turli manzil maydonlarida joylashgan) va RISC mafkurasiga yaqin buyruqlar tizimiga ega. AVR protsessorida registrga birlashtirilgan 32 ta 8 bitli umumiy maqsadli registrlar mavjud

fayl. "Ideal" RISC dan farqli o'laroq, registrlar mutlaqo teng emas: ÿ uchta "ikki" 16 bitli ko'rsatkichli registrlar X (r26:r27), Y (r28:r29) va Z (r30:r31); ÿ ba'zi
buyruqlar faqat r16...r31 registrlari bilan ishlaydi; - ko'paytirish natijasi (modul mavjud bo'lgan modellarda

ko'paytirish) har doim r0:r1 ga joylashtiriladi.