Архитектура MISC. Примеры исполнения ЭВМ

Колпакова_Реферат.doc

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования 
«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ» 
(ОмГУПС (ОмИИТ))

 

 

 

 

 

Кафедра «Информатика, прикладная математика и механика»

 

 

 

 

Архитектура MISC. Примеры исполнения ЭВМ.

 

Тематический  реферат 
по разделу «Технические средства реализации информационных процессов»

 

 

 

 

 

 

 

Студентка группы 53Т    Колпакова Е.С.

 

 

 

(дата)

 

Руководитель

  Русакова Л.П.

(должность)  

 
(дата)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Омск 2013

 

Содержание.

 

 

 

Введение.

 

Сегодня мир  без компьютера — это немыслимое явление. А ведь мало кто задумывается об устройстве этих "существ". И уж точно никто не знает, насколько умными стали данные аппараты за последние 50 лет. Для многих людей искусственный интеллект и компьютер, который стоит на вашем столе, — это одно и тоже. Но как люди просвещенные, мы знаем, что до разума человека, или даже собаки любой, даже самой умной, машине еще далеко. А ведь отличие все-таки есть: в мозге живых существ идет параллельная обработка видео, звука, вкуса, ощущений, и т. д., не говоря уже о такой элементарной вещи, как мыслительный процесс, который сопровождает многих от рождения и до самой смерти. Сегодня любой прорыв в информационных технологиях встречается как нечто особо выдающееся. Люди хотят создать себе младшего брата, который, если еще не думает, то хотя бы соображает быстрее их. Понятно, что никакими гигагерцами не измеришь уникум человеческого мозга, но никто и не измеряет, и мы проведем краткую экскурсию в недалекое прошлое и, конечно, в непонятное настоящее развития главной части компьютера, его микропроцессора. В данный момент эта тема очень актуальна, т.к. современные технологии развиваются стремительно, особенно процессоры. Цель моего реферата познакомиться с архитектурой MISC и примерами исполнения ЭВМ.

В настоящее  время не существует процессора, способного удовлетворить требованиям всех производителей и пользователей ЭВМ и вряд ли задача создания такового разрешима. Этим, по-видимому, и объясняется тот факт, что на определенных стадиях развития технологии возникают многочисленные дискуссии на тему, каким быть компьютеру, а вместе с ним и процессору будущего - RISC (Reduced Instruction Set Computer), CISC (Complex Instruction Set Computer) или MISC (Minimal Instruction Set Computer). Чтобы разобраться в этом, рассмотрим концепции RISC, CISC и MISC более подробно.

 

1.Типы микропроцессоров.

 

Микропроцессором называется программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления этим процессом, реализованное в виде одной или нескольких БИС (СБИС).

Для МП на БИС или СБИС характерны:

• простота производства (по единой технологии);
• низкая стоимость (при массовом производстве;
• малые габариты (пластина площадью несколько квадратных сантиметров или кубик со стороной несколько миллиметров);
• высокая надежность;
• малое потребление энергии;

Микропроцессор  выполняет следующие функции:

• чтение и дешифрацию команд из основной памяти;
• чтение данных из ОП и регистров адаптеров на обслуживание ВУ;
• обработку данных и запись их в ОП и регистры адаптеров ВУ;
• выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.

Основные характеристики МП.

1. Под разрядностью МП понимается стандартная длина слова, с которым оперируют составные части МП.
2. По разрядности МП бывают с фиксированной и с изменяемой разрядностью слова. При фиксированной разрядности наиболее распространены МП с длиной слова 8 и 16 бит. Во втором случае возможно построение 8-, 16-, 24-, 32-разрядных МП из секций разрядностью 2,4 и 8.
3. Производительность МП определяется временем решения ряда тестовых задач и зависит от быстродействия выполнения простых операций, разрядности, числа регистров общего назначения, структуры схем ввода-вывода и др. факторов.
4. Система команд является отличительным признаком для любого МП. Она отражает функциональные возможности устройства. Система команд МП может содержать как малое число команд (восемь), так и большое число (до 200) основных команд. Состав команд не является нормализованным. Система команд МП объединяет арифметические, логические, передачи данных, вызова подпрограмм, возврата из подпрограмм, команды ветвления, сдвигов и др.
5. Объем адресуемой памяти характеризует информационные возможности МП и к настоящему времени достигает сотен Мбайт, что ранее было доступно только универсальным ЭВМ.

Первый микропроцессор был выпущен в 1971 г . фирмой Intel (США) – МП 4004. В настоящее время  выпускается несколько сотен  различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и Intel -подобные.

 

Все микропроцессоры можно разделить на три группы:

• МП типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором команд ;
• МП типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набором команд ;
• МП типа MISC ( Minimum Instruction Set Computing ) с минимальным набором команд и весьма высоким быстродействием (в настоящее время эти модели находятся в стадии разработки).

Микропроцессоры типа CISC

Особенности:

- предусматривается возможность  работы в вычислительной сети;

- имеется возможность  многозадачной работы (многопрограммность) и сопутствующая ей защита памяти;

- микропроцессоры могут работать  в двух режимах: реальном ( Real mode ) и защищенном ( Protected mode ). В реальном режиме имитируется (эмулируется) работа МП 8086, естественно, однозадачная. В защищенном режиме возможна многозадачная работа с непосредственным доступом к расширенной памяти и с защитой памяти, отведенной задачам, от посторонних обращений;

Микропроцессоры типа RISC

Микропроцессоры типа RISC содержат набор  только простых, чаще всего встречающихся  в программах команд. При необходимости  выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из простых. В этих МП на выполнение каждой простой команды за счет их наложения и параллельного выполнения тратится 1 машинный такт (на выполнение даже самой короткой команды из системы CISC обычно тратится 4 такта).

Функционально МП состоит из двух частей:

-операционной, содержащей устройство управления, арифметико-логическое устройство и микропроцессорную память (за исключением нескольких адресных регистров);

-интерфейсной, содержащей адресные регистры МПП, блок регистров команд, схемы управления шиной и портами.

Современные микропроцессоры имеют  несколько групп регистров в  микропроцессорной части, работающих с различной степенью опережения, что позволяет выполнять операции в конвейерном режиме. Такая организация МП дает возможность значительно повысить его эффективное быстродействие.

2.Логическая структура MISC.

Собственно микропроцессор должен состоять как минимум из двух частей (микросхем). Первая, основная, часть (host) – это RISC-процессор, но несколько расширенный так, что при подключении второй части, которая является практически исключительно ПЗУ микропрограммного управления, этот процессор превращается в CISC. Таким образом, выполнение 4-5 десятков команд, присущих обычно RISC-процессорам, возлагается на логику host-процессора, а любые команды, не принадлежащие к их числу, преобразуются в адрес соответствующей микропрограммы. В отсутствие ПЗУ MISC-процессор работает, как чистый RISC. Все команды исполняются им за один такт. При наличии же ПЗУ, он эквивалентен процессору со сложным набором команд, хотя 40…50 простых команд, характерных для RISC, по-прежнему выполняются не более чем за один такт.  
 
Каковы же преимущества у такого подхода? Один из основных недостатков RISC-процессора заключается в том, что любой компилятор с языка высокого уровня вынужден фактически генерировать микрокод. Библиотеки стандартных функций (некоторые из них CISC-процессоры выполняют одной, хотя и сложной командой) для RISC-процессоров занимают много места в памяти. В предлагаемой архитектуре библиотеки функций располагаются в микропрограммном ПЗУ. Для команд микропрограммы не требуется время на выборку из системной памяти и дешифрацию, так как фактически - это уже дешифрованная последовательность RISC-команд, видимая программистом как единая CISC-команда.  
 
Зафиксировав протокол взаимодействия host-процессора со своим ПЗУ или логическим устройством, а также со всеми сопроцессорами, можно получить реализацию процессора с открытой архитектурой, а это значит:  
С развитием технологии появляется возможность практически неограниченно расширять набор команд/программ (движение к концепции CISC) при сохранении полной преемственности в отношении старого ПО, а также совершенствовать и оптимизировать уже созданные команды заменой только микросхемы ПЗУ.  
В дальнейшем ПЗУ может быть заменено на логическое устройство (движение в сторону концепции RISC), которое, получая входной адрес от host-процессора, будет выполнять соответствующую стандартную функцию за меньшее по сравнению с микропрограммой число тактов, сильно увеличивая быстродействие при сохранении совместимости. В свою очередь, команды, не реализованные в таком логическом устройстве, могут быть отданы на исполнение следующему ПЗУ.  
Для простых приложений, в которых необходимо быстрое выполнение небольшого набора простых логических команд, можно использовать только host-процессор.  

 

3.Система команд.

Формат команды MISC-процессора должен обеспечивать возможность реализации всех существующих режимов адресации и формирования новых. Сложность режимов адресации, как и самих команд, будет возрастать по мере увеличения длины команды. Рассмотрим пример построения системы команд MISC.

Для наиболее эффективной реализации, как самой системы команд, так и правил её расширения представляется наиболее целесообразной система команд, организованная в виде дерева. Корень дерева состоит из базисной системы команд (RISC-команды host-процессора), а также префиксов для вхождения в более сложные команды. На уровне базисной системы команд все команды однобайтовые. В случае набора из 63 команд возможны четыре режима адресации. При этом 64-я команда в различных режимах адресации резервируется как четыре префикса для входа в более сложные команды. Процесс исполнения такого префикса host-процессором заключается в дешифрации следующего за ним байта как адреса микропрограммы ПЗУ, а набор двухбайтовых команд (кодов операций) может состоять, например, из 127 команд в восьми режимах адресации, 128-ая команда резервируется под восемь префиксов трехбайтовых команд. Набор трехбайтовых команд будет состоять из 127 команд в 16 режимах адресации или из 255 команд в восьми режимах и т.д. 

Для каждого  из наборов команд (двух-, трехбайтовые и т.д.) необходима своя микросхема ПЗУ микропрограмм или логического устройства. Все они соединяются друг с другом цепочкой, так же как host-процессор с первым ПЗУ (см. рисунок А и Б), т.е. всякое логическое устройство (ЛУ), стоящее перед очередным ПЗУ, является для него host-процессором.

На рисунке  ниже вы можете увидеть примеры простой (А) и расширенных (Б,В) конфигураций. ЛУ содержит реализации двухбайтовых команд, реализации трехбайтовых команд находятся в ПЗУ (Б) и системном ОЗУ (В).

 

Заключение.

Таким образом  мы узнали, что накопление опыта в создании ПО, выражающееся в стандартизации и унификации функционально законченных модулей программ, а также рост степени интеграции микросхем приводят к постепенному перемещению программных наработок в аппаратуру. Этот объективный процесс вызывает часто необходимость отказа от традиционных архитектур, что, в свою очередь, приводит к несовместимости с ранее написанным ПО. Открытая архитектура в отличие от консерва¬тивных традиционных могла бы стать мощным инструментом совершенствования как аппаратных, так и программных средств.

 

Список литературы.

1. Информатика: Учебник для вузов / В.А.Острейковский – 2е изд., стер – М.: Высш. Шк., 2004. – 511 с.
2. Информатика для юристов и экономистов, Симонович и др. – СПб.: Питер, 2006. – 688 с.
3. Информатика для ссузов: учебное пособие / П.П.Беленький. – М.: КНОРУС,2005. – 448 с.
4. Экономическая информатика и вычислительная техника: Учебник/Под ред. В.П.Косарева, А.Ю.Королева. – Изд.2-е, перераб. И доп. – М.: Финансы и статистика, 2009. – 336с
5. Ершова Н.Ю., Ивашенков О.Н., Курсков С.Ю. Микропроцессоры.[Электронный ресурс] Режим доступа:

http://dfe3300.karelia.ru/koi/posob/microcpu/index.html

 

 

Предметный указатель.

 

Тестовые вопросы.

1. Вся информация может обрабатываться компьютером, если она представлена:

1. в двоичной знаковой системе*
2. в десятичной знаковой системе
3. в виде символов и чисел
4. только в виде символов латинского алфавита

 

2. Данные – это:

1. информация, которая обрабатывается компьютером в двоичном компьютерном коде*
2. последовательность команд, которую выполняет компьютер в процессе обработки данных
3. числовая и текстовая информация
4. звуковая и графическая информация

 

3. Программа – это:
1. информация, которая обрабатывается компьютером в двоичном компьютерном коде
2. последовательность команд, которую выполняет компьютер в процессе обработки данных*
3. числовая и текстовая информация
4. звуковая и графическая информация

 

4. Обрабатывает данные в соответствии с заданной программой:
1. процессор*
2. устройства ввода
3. оперативная память
4. устройства вывода

 

5. В процессе обработки программа и данные должны быть загружены:
1. в оперативную память*
2. в постоянную память
3. в долговременную память