القسم 1 هندسة الحوسبة المعالجات الدقيقة

الموضوع 1.1 بنية المعالجات الدقيقة

يخطط:

1 بنية المعالجات الدقيقة تصنيف

تكنولوجيا المعالجات الدقيقة (MPT) يتضمن الأجهزة والبرامج المستخدمة لبناء أنظمة المعالجات الدقيقة المختلفة والأجهزة وأجهزة الكمبيوتر الشخصية الصغيرة.

نظام المعالجات الدقيقة (MPS) هو منتج متكامل وظيفيًا يتكون من جهاز واحد أو أكثر، يعتمد أساسًا على المعالجات الدقيقة: معالج دقيق و/أو وحدة تحكم دقيقة.

جهاز المعالجات الدقيقة (MPU) هو منتج كامل وظيفيًا وهيكليًا، ويتكون من عدة دوائر دقيقة، والتي تشمل معالجًا دقيقًا؛ وهي مصممة لأداء مجموعة محددة من الوظائف: استقبال المعلومات ومعالجتها ونقلها وتحويلها وإدارتها.

المعالج الدقيق (MP) هو جهاز يتم التحكم فيه بواسطة البرنامج وينفذ عملية معالجة المعلومات الرقمية والتحكم فيها، وهو مبني، كقاعدة عامة، على LSI واحد.

يتم توحيد أعضاء MP أو MK المختلفين في عائلات من خلال كل من تقنية "microkernel"، وهي نواة المعالج التي تتفاعل مع الأجهزة الطرفية من مختلف الأنواع، والمبادئ المتأصلة في الأنظمة المفتوحة: التوافق (التوافق )، قابلية التوسع (قابلية التوسع )، قابلية التنقل (قابلية التنقل ) وتفاعل التطبيق (إمكانية التشغيل البيني).

يتم تقسيم المعالجات الدقيقة المصنعة إلى فئات منفصلة وفقًا لبنيتها وبنيتها ووظيفتها. تتمثل الاتجاهات الرئيسية لتطوير المعالجات الدقيقة في زيادة أدائها وتوسيع وظائفها، وهو ما يتم تحقيقه من خلال زيادة مستوى تكنولوجيا الإلكترونيات الدقيقة المستخدمة في إنتاج المعالجات الدقيقة، ومن خلال استخدام خيارات معمارية وهيكلية جديدة لتنفيذها.

يوضح الشكل 1 تصنيف المعالجات الدقيقة الحديثة حسب الوظيفة.

الشكل 1 - تصنيف المعالجات الدقيقة الحديثة حسب الوظيفة

المعالجات الدقيقة للأغراض العامة تم تصميمها لحل مجموعة واسعة من مشاكل معالجة مجموعة متنوعة من المعلومات. مجالات استخدامها الرئيسية هي أجهزة الكمبيوتر الشخصية ومحطات العمل والخوادم والأنظمة الرقمية الأخرى للاستخدام الشامل.

المعالجات الدقيقة المتخصصة تركز على حل مشاكل محددة لإدارة الكائنات المختلفة. تحتوي على دوائر دقيقة إضافية (واجهات) توفر تطبيقات متخصصة. لديهم تصميم خاص، وزيادة الموثوقية.

المتحكمات الدقيقة هي معالجات دقيقة متخصصة تركز على تنفيذ أجهزة التحكم المدمجة في مجموعة متنوعة من المعدات. من السمات المميزة لهيكل وحدات التحكم الدقيقة وضع الذاكرة الداخلية ومجموعة كبيرة من الأجهزة الطرفية على نفس الشريحة مع المعالج المركزي.

معالجات الإشارة الرقمية (DSP) تمثل فئة من المعالجات الدقيقة المتخصصة التي تركز على المعالجة الرقمية للإشارات التناظرية الواردة. من السمات المحددة لخوارزميات معالجة الإشارات التناظرية الحاجة إلى تنفيذ سلسلة من أوامر الضرب والإضافة بشكل تسلسلي مع تراكم نتيجة وسيطة في سجل المجمع. لذلك، تركز بنية DSP على تنفيذ عمليات من هذا النوع بسرعة. تحتوي مجموعة التعليمات الخاصة بهذه المعالجات على تعليمات خاصة MAC (الضرب مع التراكم). ) التي تنفذ هذه العمليات.

بنية المعالج هو مجمع الأجهزة والبرامج المقدمة للمستخدم. يتضمن هذا المفهوم العام مجموعة من السجلات والأجهزة التنفيذية (التشغيلية) التي يمكن الوصول إليها بالبرمجيات، ونظام الأوامر الأساسية وطرق العنونة، وحجم وبنية الذاكرة القابلة للعنونة، وأنواع وطرق معالجة المقاطعة.

عند وصف بنية المعالج وتشغيله، عادةً ما يتم استخدام تمثيله في شكل مجموعة من السجلات التي يمكن الوصول إليها بواسطة البرامج والتي تشكل يسجلأو نموذج البرمجيات. تحتوي هذه السجلات على البيانات المعالجة (المعاملات) ومعلومات التحكم. وبناء على ذلك، يتضمن نموذج التسجيل مجموعة تسجيل للأغراض العامة, الموظفين لتخزين المعاملات، والمجموعة سجلات الخدمة, توفير التحكم في تنفيذ البرنامج ووضع تشغيل المعالج، وتنظيم الوصول إلى الذاكرة (حماية الذاكرة، وتنظيم المقاطع والصفحات، وما إلى ذلك).

سجلات الأغراض العامة من RRAM - ذاكرة التسجيل الداخلية للمعالج. يتم تحديد تكوين وعدد سجلات الخدمة من خلال بنية المعالجات الدقيقة. عادة ما تشمل:

عداد البرنامجالكمبيوتر الشخصي (أو CS + IP في هندسة المعالجات الدقيقةشركة انتل)؛

سجل الحالةريال (أو EFLAGS)؛

سجلات التحكم في وضع المعالج CR (سجل التحكم)؛

السجلات التي تنفذ تنظيم ذاكرة المقطع والصفحة؛

السجلات التي توفر تصحيح أخطاء البرامج واختبار المعالج.

بالإضافة إلى ذلك، تحتوي نماذج المعالجات الدقيقة المختلفة على عدد من السجلات المتخصصة الأخرى.

يتم تحديد تكوين الأجهزة والكتل الموجودة في هيكل المعالج الدقيق والآليات المنفذة لتفاعلها من خلال الغرض الوظيفي ونطاق المعالج الدقيق.

ترتبط بنية وهيكل المعالج الدقيق ارتباطًا وثيقًا. يتطلب تنفيذ بعض الميزات المعمارية إدخال الأجهزة اللازمة (الأجهزة والكتل) في هيكل المعالجات الدقيقة وتوفير الآليات المناسبة لعملها المشترك. يتم تنفيذ خيارات البنية التالية في المعالجات الدقيقة الحديثة.

سيسك ( معقدتعليماتتعيينحاسوب) - يتم تنفيذ البنية في العديد من أنواع المعالجات الدقيقة التي تنفذ مجموعة كبيرة من التعليمات متعددة التنسيقات باستخدام طرق معالجة عديدة. وهي تنفذ أكثر من 200 تعليمات متفاوتة التعقيد، والتي يتراوح حجمها من 1 إلى 15 بايت وتوفر أكثر من 10 طرق معالجة مختلفة. تتيح هذه المجموعة المتنوعة من الأوامر المنفذة وطرق المعالجة للمبرمج تنفيذ الخوارزميات الأكثر فعالية لحل المشكلات المختلفة.

ريسك ( مخفضتعليماتتعيينحاسوب) - تتميز البنية باستخدام مجموعة محدودة من الأوامر ذات التنسيق الثابت. حديثريسك - تنفذ المعالجات عادة حوالي 100 تعليمات ذات تنسيق ثابت يبلغ طوله 4 بايت. كما تم أيضًا تقليل عدد طرق المعالجة المستخدمة بشكل كبير. عادة فيريسك -المعالجون، يتم تنفيذ جميع أوامر معالجة البيانات فقط من خلال التسجيل أو العنونة المباشرة.

VLIW ( جداًكبيرتعليماتكلمة) - ظهرت الهندسة المعمارية مؤخرًا نسبيًا - في التسعينيات. وتتمثل خصوصيتها في استخدام أوامر طويلة جدًا (تصل إلى 128 بت أو أكثر)، حيث تحتوي حقولها الفردية على رموز تتيح تنفيذ عمليات مختلفة. وبالتالي، يؤدي أمر واحد إلى تنفيذ عدة عمليات بالتوازي في أجهزة التشغيل المختلفة المضمنة في بنية المعالج الدقيق.

بالإضافة إلى مجموعة الأوامر التي سيتم تنفيذها وطرق المعالجة، هناك ميزة معمارية مهمة للمعالجات الدقيقة وهي تنفيذ الذاكرة المستخدمة وتنظيم جلب الأوامر والبيانات. وفقا لهذه الخصائص، تختلف المعالجات ذات بنية برينستون وهارفارد.

العمارة برينستون , والتي تسمى غالبًا بنية Von Neumann، وتتميز باستخدام ذاكرة الوصول العشوائي المشتركة لتخزين البرامج والبيانات وأيضًا لتنظيم المكدس. للوصول إلى هذه الذاكرة، يتم استخدام ناقل النظام المشترك، الذي من خلاله تدخل كل من الأوامر والبيانات إلى المعالج. تتمتع هذه البنية بعدد من المزايا المهمة. يتيح لك وجود الذاكرة المشتركة إعادة توزيع حجمها بسرعة لتخزين صفائف منفصلة من الأوامر والبيانات وتنفيذ المكدس، اعتمادًا على المهام التي يتم حلها.

الهندسة المعمارية في جامعة هارفارد تتميز بالفصل المادي لذاكرة التعليمات (البرامج) وذاكرة البيانات. استخدمت نسخته الأصلية أيضًا مكدسًا منفصلاً لتخزين محتويات عداد البرنامج، مما يوفر القدرة على تنفيذ الإجراءات الفرعية المتداخلة. يتم توصيل كل ذاكرة بالمعالج بواسطة ناقل منفصل، مما يسمح بقراءة البيانات وكتابتها في وقت واحد أثناء تنفيذ الأمر الحالي لجلب الأمر التالي وفك تشفيره. بفضل هذا الفصل بين تدفقات الأوامر والبيانات والجمع بين عمليات الجلب الخاصة بها، يتم تحقيق أداء أعلى مقارنةً باستخدام بنية برينستون.

خاتمة:

ومن هنا يمكننا أن نستنتج أن المعالجات الدقيقة تصنف وفقا للخصائص الوظيفية، وتنظيم البنى، وتنظيم البيانات وذاكرة البرنامج، ومجموعة الأوامر القابلة للتنفيذ وطرق العنونة، فضلا عن سعة البيانات والعنونة والتحكم.

­ أسئلة التحكم:

1 ما هو المعالج الدقيق؟

2 كيف يتم تصنيف المعالجات الدقيقة الحديثة حسب وظيفتها؟

3 قم بإدراج الخيارات الخاصة ببنيات المعالج.

4 شرح الميزاتسيسك بنيات المعالج.

5 شرح مميزات بنية معالج RISC.

الأدب

1. د. جيفوني، ر. روسر. المعالجات الدقيقة والحواسيب الصغيرة. دورة تمهيدية. الترجمة من الإنجليزية. - م: مير، 1983.

2. د. كورفرون. الوسائل التقنية لأنظمة المعالجات الدقيقة. دورة عملية. الترجمة من الإنجليزية. - م: مير، 1983.

3. إس.تي. ذيل الحصان، ن. فارلينسكي، إ.أ. بوبوف. المعالجات الدقيقة والحواسيب الصغيرة في أنظمة التحكم الآلي. الدليل. – ل.: الهندسة الميكانيكية 1987.

4. ر. توكهايم. المعالجات الدقيقة: دورة وتمارين. الترجمة من الإنجليزية، أد. ف.ن. جراسفيتش - م: إنرجواتوميزدات، 1988.

1. أجهزة الكمبيوتر والحواسيب الصغيرة. معلومات عامة.

أجيال أجهزة الكمبيوتر.

في عام 1949 تم إنشاء أول كمبيوتر يستخدم المصابيح. وفي عام 1951، تم إنشاء أول كمبيوتر صناعي (Univac I). وفي نفس العام، ظهر أول كمبيوتر لجلوشكوف في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية في كييف. كانت هذه سيارات الجيل الأول.

يعتمد الجيل الثاني على الترانزستورات وأشباه الموصلات (برومين، دنيبر، مينسك).

في عام 1959 اخترع الدوائر المتكاملة.

في عام 1965 تم إنشاء أول كمبيوتر صغير. (في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية - M6000، M40-30، BESM، مركبات سلسلة الاتحاد الأوروبي). لم تعد الحواسيب الصغيرة تقتصر على معالجة البيانات وحل المشكلات؛ بدأ إدراجها كمكونات في الأنظمة التي تتطلب اتخاذ قرارات سريعة - أنظمة الوقت الحقيقي .

مع ظهوره في عام 1971 بدأت المعالجات الدقيقة عصر المنطق القابل للبرمجة.

المعالج الدقيق هو جهاز منطقي قابل للبرمجة تم تصنيعه باستخدام تقنية LSI. يوفر تصميم المعالجات الدقيقة مرونة كبيرة. في حد ذاته، لا يمكنه حل هذه المشكلة المحددة أو تلك. لحل مشكلة ما، يجب برمجتها وتوصيلها بأجهزة أخرى. وتشمل هذه ذاكرة وأجهزة الإدخال / الإخراج.

بشكل عام، تسمى مجموعة من أجهزة النظام المترابطة، بما في ذلك المعالج الدقيق والذاكرة وأجهزة الإدخال / الإخراج، التي تهدف إلى أداء بعض الوظائف المحددة جيدًا نظام المعالجات الدقيقة أو الحواسيب الصغيرة.

هيكل الكمبيوتر النموذجي.

يشتمل الكمبيوتر النموذجي على خمس كتل وظيفية: جهاز الإدخال والذاكرة وجهاز الحساب وجهاز التحكم وجهاز الإخراج.

أرز. 1.1. مبدأ تنظيم الكمبيوتر

المعدات قادرة على أداء مجموعة محدودة فقط من العمليات الأولية. يتم تحقيق جميع وظائف الكمبيوتر الأخرى برمجيا.

برنامج هي مجموعة من العمليات الآلية الأولية المنظمة بطريقة معينة تسمى فرق ، والتي يتم من خلالها معالجة المعلومات والبيانات.

يتم تجميع البرنامج والبيانات أولاً في الذاكرة، حيث يتم استقبالها من خلال جهاز الإدخال. ثم يتم إرسال أوامر البرنامج الفردية، واحدًا تلو الآخر، تلقائيًا إلى جهاز التحكم، الذي يقوم بفك تشفيرها وتنفيذها. لإجراء عملية ما، من الضروري عادة أن تدخل البيانات إلى وحدة حسابية تحتوي على جميع الدوائر الإلكترونية اللازمة لمعالجتها. أثناء عملية الحساب أو بعد اكتمالها، يتم إرسال النتائج التي تم الحصول عليها إلى جهاز الإخراج. عادة ما يتم استدعاء الوحدة الحسابية ووحدة التحكم معًا وحدة معالجة مركزية (وحدة المعالجة المركزية) أو المعالج المركزي (وحدة المعالجة المركزية). المعالج المركزي مصنوع على شكل LSI المعالج الدقيق .

ذاكرة

يحدث حفظ وتخزين كميات كبيرة من المعلومات في الذاكرة، وبشكل أكثر دقة في جهاز التخزين . وتنقسم الذكريات إلى كتل فرعية تسمى السجلات كل منها قادر على تخزين كلمة آلية واحدة. تسمى مجموعة من الأرقام الثنائية التي تتم معالجتها في وقت واحد بكلمات الآلة ، ويتم استدعاء عدد الأرقام الثنائية التي تشكل الكلمة طول كلمة . تحتوي الحواسيب الصغيرة النموذجية على كلمة بطول 4، 8، 12، 16 بت ثنائي. نظرًا لانتشارها بشكل خاص، فإن الكلمة التي يبلغ طولها 8 بت لها اسم خاص - بايت .

كل سجل في الذاكرة، أو خلية الذاكرة، له عنوانه الخاص. عنوان هو ببساطة عدد صحيح يحدد الخلية بشكل فريد. تسمى الكلمة المخزنة في الخلية محتوى هذه الخلية.

جهاز حسابي(أستراليا)

تتم معالجة البيانات بشكل رئيسي في الاتحاد الأفريقي. تتضمن هذه المعالجة كلا من العمليات الحسابية والمنطقية - فهي أساسية جدًا (جمع رقمين، أو الطرح، أو المقارنة، أو تحويل أحدهما بالنسبة إلى الآخر، أو العكس، أو الضرب المنطقي، أو حذف OR).

السجل الرئيسي في الاتحاد الأفريقي هو بطارية .

يحتوي AC على العديد من سجلات العمل للتخزين قصير المدى لنتائج الحسابات.

الاتحاد الأفريقي يحتوي أيضا إرشادية أجزاء - خانات الاختيار . تحتوي الأعلام على معلومات تميز حالة المعالج ونتائج مقارنة الأرقام. يتم تخزين حالة الأعلام، بالإضافة إلى معلومات مهمة أخرى حول حالة الكمبيوتر، في سجل خاص - حالة كلمة البرنامج (PSW - كلمة حالة البرنامج).

جهاز التحكم(UU)

تتحكم وحدة التحكم في تشغيل الكمبيوتر. فهو يتلقى تلقائيًا الأوامر من الذاكرة واحدًا تلو الآخر، ويفك تشفير كل منها ويولد الإشارات اللازمة لتنفيذها.

يقع UU عداد البرنامج للإشارة إلى عنوان الأمر التالي. عند تلقي أمر في وحدة التحكم، تتم زيادة محتويات العداد تلقائيًا بمقدار 1.

يتم تسجيل الأوامر التي تصل إلى مركز التحكم سجل الأوامر . يحتوي كل أمر رمز المعاملة أو البيانات أو العنوان . كود التشغيل عبارة عن مجموعة من الأرقام الثنائية التي تحدد بشكل فريد العملية التي يتم إجراؤها أثناء تفسير الأوامر. يشير جزء العنوان من الأمر (إذا كان موجودًا) إلى المواقع (على سبيل المثال، في الذاكرة) التي يجب الوصول إليها عند تنفيذ الأمر.

ضروري عنوان الخلايا لتمييزها محتوى ولا تخلط بين هذه المفاهيم.

الوظيفة التالية لوحدة التحكم هي مزامنة تشغيل كتل الكمبيوتر الفردية. يتم تنفيذها باستخدام مولد الساعة . تستغرق معالجة الأمر عدة فترات زمنية. بشكل عام، يتم أولاً جلب التعليمات إلى الكمبيوتر من الذاكرة، ثم يتم فك تشفيرها، ثم تنفيذها. يتم تقسيم أخذ العينات وفك التشفير والتنفيذ إلى عدة فترات زمنية. كل فترة من هذه الفترات، بما في ذلك فترة ساعة واحدة أو أكثر، تسمى دورة الآلة . إجمالي الوقت اللازم لجلب التعليمات وفك تشفيرها وتنفيذها هو دورة الأوامر أو حلقة تنفيذ الأمر.

جهاز الإدخال/الإخراج(الأشعة فوق البنفسجية)

من خلال جهاز الإدخال/الإخراج، يتصل الكمبيوتر بالعالم الخارجي. وهي بمثابة مخازن مؤقتة لتحويل المعلومات من تلك اللغات والمستويات والسرعات التي يعمل بها الكمبيوتر، إلى تلك التي يدركها الشخص أو أي نظام آخر متعلق بالكمبيوتر. UVVs هي أجهزة طرفية للكمبيوتر. تسمى نقاط الاتصال بين الجهاز المحمول جواً والكمبيوتر بمنافذ الإدخال/الإخراج.

بنية المعالجات الدقيقة.

الحواسيب الصغيرة

الكمبيوتر الصغير هو نظام به ناقل تنظيمي يتكون من وحدات أو كتل يتم تنفيذها على شكل LSI. تقوم هذه الوحدات بمعالجة المعلومات، والتحكم في تدفق الأوامر وتفسيرها، والتحكم في تشغيل الناقل، وتخزين المعلومات، والتفاعل بين الكمبيوتر الصغير وبيئته. يتم تنفيذ هذا التفاعل بواسطة كتل تسمى منافذ الإدخال / الإخراج. كل منفذ من هذا القبيل هو واجهة بين المعالج الدقيق وبعض الأجهزة الخارجية (على سبيل المثال، محطة طرفية، ذاكرة خارجية، أداة قياس، وما إلى ذلك). يتم التفاعل بين الكتل باستخدام ثلاثة أنواع من الناقلات: حافلات العناوين، وحافلات البيانات، وحافلات التحكم.

أرز. 2.1. هيكل الكمبيوتر الصغير مع تنظيم الحافلات

هيكل المعالجات الدقيقة

أرز. 2.2. النائب الافتراضي

في المعالج الدقيق الافتراضي الموضح:

· يتم استخدام عداد البرنامج (عداد البرنامج) ومكدس الأوامر وسجل الأوامر لمعالجة الأوامر.

· ALU، مشغل الحمل، السجلات العامة، يتم استخدام سجل عنوان البيانات لمعالجة البيانات.

· المكونات المتبقية - وحدة فك تشفير الأوامر، BUS - تتحكم في تشغيل المعالج الدقيق ككل.

يتم تفاعل المكونات عبر قنوات نقل البيانات الداخلية. يتواصل MP مع الكتل الأخرى (أجهزة التخزين والإدخال/الإخراج) عبر ناقل العناوين وناقل البيانات وناقل التحكم.

يعمل المعالج الدقيق مع كلمات مكونة من 8 بتات تسمى بايت.

ناقل عنوان MP أحادي الاتجاه، وناقل البيانات ثنائي الاتجاه. يتكون ناقل التحكم من 5 خطوط تؤدي إلى وحدة التحكم والمزامنة و8 خطوط تخرج منها. تنقل هذه الخطوط إشارات التحكم والتوقيت بين مكونات المعالج الدقيق وبين MP ووحدات الحواسيب الصغيرة الأخرى.

عداد البرنامج يتكون من 16 بت ويحتوي على عنوان بايت الأمر التالي الذي سيتم قراءته من الذاكرة. تتم زيادته تلقائيًا بمقدار واحد بعد قراءة كل بايت. إحدى وظائف المكدس هي تخزين عنوان الإرجاع الخاص بالروتين الفرعي. يمكن للمكدس أيضًا تخزين البيانات من السجلات العامة الثلاثة العليا وقلب الحمل.

في حين أن كلمة البيانات تكون دائمًا بايت واحد، يمكن أن يكون الأمر 1 أو 2 أو 3 بايت. يأتي البايت الأول لأي أمر من الذاكرة عبر ناقل البيانات إلى سجل الأوامر . يتم توفير هذا البايت الأول كمدخل فك التشفير الأوامر التي تحدد معناها. وعلى وجه التحديد، تحدد وحدة فك الترميز ما إذا كان الأمر عبارة عن أمر أحادي البايت أو ما إذا كان يتكون من عدد كبير من البايتات. في الحالة الأخيرة، يتم نقل البايتات الإضافية من الذاكرة عبر ناقل البيانات ويتم استلامها إما في سجل عنوان البيانات أو في أحد السجلات العامة.

سجل عنوان البيانات يحتوي على عنوان المعامل للتعليمات التي تصل إلى الذاكرة، أو عنوان المنفذ لتعليمات الإدخال/الإخراج، أو عنوان التعليمة التالي لتعليمات الانتقال السريع.

خمسة عشر 8 بت السجلات العامةتحتوي على معاملات لجميع التعليمات التي تعمل على البيانات. يتم تحديد هذه السجلات باستخدام رموز 4 بت من 0000 إلى 1110. يتم استدعاء السجل 0000 بطارية(أك)ويشارك في جميع العمليات الحسابية والمنطقية (يحتوي AK على أحد المعاملات قبل بدء العملية، ويتم تحميل النتيجة إلى AK بعد تنفيذها). عادة ما يتم الوصول إلى السجلات المشتركة باستخدام محدد R أو محدد R. يسمح لك محدد R بالوصول إلى أي سجل، بينما يمكن الوصول إلى السجلات الثلاثة الأولى فقط من خلال محدد R.

من السمات المهمة لـ MP هي المعالجة غير المباشرة. يتم استخدام إعداد السجل العام غير الموجود 1111 كإشارة إلى أنه يجب الوصول إلى بايت من الذاكرة على عنوان 16 بت، والذي يتم الحصول عليه من خلال الجمع بين محتويات سجلين عامين ثابتين. البتات الثمانية الأكثر أهمية في العنوان هي من السجل 0001، والبتات الثمانية التالية هي من السجل 0010 (غالبًا ما تسمى هذه السجلات H وL، على التوالي).

يتم تنفيذ جميع العمليات الحسابية والمنطقية وحدة المنطق الحسابية(ألو). مدخلات ALU عبارة عن ناقلين 8 بت. أحدهما يأتي من المجمع (تسجيل 0000)، والآخر يأتي من محدد R، الذي يختار إما أحد سجلات الأغراض العامة من 0000 إلى 1110، أو خلية ذاكرة إذا تم تحديد معالجة غير مباشرة. يأتي خط إدخال آخر إلى ALU من مشغل النقل C والتي تدخل في بعض العمليات الحسابية والمنطقية. يتم نقل نتائج وحدة ALU إلى المجمع عبر ناقل إخراج 8 بت. هناك خطان آخران ينتقلان من وحدة ALU إلى وحدة التحكم والمزامنة؛ أنها تنقل معلومات حول وجود أو عدم وجود شرطين خاصين: يحتوي المجمع على أصفار (السطر Z) والرقم الأكثر أهمية في المجمع هو 1 (السطر N). يُطلق على قلاب الحمل وخطي حالة ALU Z و N علامات ويتم استخدامهما في تعليمات القفز المشروط.

العنصر الأخير من النائب هو وحدة التحكم والمزامنة(حافلة). يتلقى إشارات من وحدة فك ترميز الأوامر، التي تقوم بتحليل الأمر. يستقبل الناقل إشارات من وحدة ALU ومن مشغل النقل، والتي تحدد شروط عمليات نقل التحكم. تتلقى جميع المكونات الأخرى لـ MP من الناقل إشارات التحكم والمزامنة اللازمة لتنفيذ الأمر. باستخدام 13 خطًا خارجيًا، يتفاعل جهاز التحكم مع وحدات الكمبيوتر الصغيرة الأخرى.

بنية المعالجات الدقيقة- هذه مجموعة من المعلومات حول تكوين مكوناتها وتنظيم معالجة المعلومات فيها وتبادل المعلومات مع أجهزة الكمبيوتر الخارجية، وكذلك وظيفة المعالج الدقيق الذي ينفذ أوامر البرنامج.

هيكل المعالجات الدقيقة- هذه معلومات فقط عن تكوين مكوناتها، والروابط بينها، وضمان تفاعلها. وبالتالي فإن الهندسة المعمارية هي مفهوم أكثر عمومية يتضمن بالإضافة إلى الهيكل أيضًا فكرة التفاعل الوظيفي لمكونات هذا الهيكل مع بعضها البعض ومع البيئة الخارجية.

أساس أي MP (الشكل 14) هو الجهاز المنطقي الحسابي ALU، الذي يقوم بمعالجة المعلومات - العمليات الحسابية والمنطقية على البيانات المصدر ووفقًا للأوامر. البيانات نفسها (النتيجة الأولية والمتوسطة والنهائية) موجودة في سجلات البيانات RD، والأوامر موجودة في سجل الأوامر RK. يتم التحكم في جميع عمليات إدخال وإخراج المعلومات والتفاعل بين ALU وRD وRC بواسطة جهاز التحكم متعدد الوظائف CU. يتم إرسال البيانات والأوامر وإشارات التحكم عبر ناقل VS الداخلي.

الشكل 14: مخطط كتلة MP النموذجي

كل معالج دقيق له لغته الداخلية الخاصة التي تسمى المجموعة التعليمات الدقيقةأو تكوين فريق- هذه مجموعة من الأوامر التي يفهمها المعالج الدقيق ويمكنه تنفيذها.

خلال كل دورة قيادة وحدة المعالجة المركزيةينفذ العديد من وظائف التحكم:

1) يضع عنوان الأمر على ناقل عنوان الذاكرة؛

2) يتلقى أمرًا من ناقل إدخال البيانات ويقوم بفك تشفيره؛

3) يختار العناوين والبيانات الواردة في الأمر؛ يمكن أن تكون العناوين والبيانات في الذاكرة أو في السجلات؛

4) ينفذ العملية المحددة في كود الأمر. يمكن أن تكون العملية دالة حسابية أو منطقية، أو نقل بيانات، أو وظيفة تحكم؛

5) يراقب إشارات التحكم مثل المقاطعات ويستجيب وفقًا لذلك؛

6) يولد إشارات الحالة والتحكم والوقت الضرورية للتشغيل العادي للجهاز والذاكرة المحمولة جواً.

وبالتالي، فإن وحدة المعالجة المركزية هي "العقل" الذي يحدد تصرفات الكمبيوتر.

الشكل 15: دورة أوامر المعالج

بناءً على طبيعة الكود القابل للتنفيذ وتنظيم جهاز التحكم، يتم التمييز بين عدة أنواع من البنى:

- المعالج مع مجموعة تعليمات معقدة، إنجليزي CISC - مجموعة التعليمات المعقدة للكمبيوتر. تتميز هذه البنية بعدد كبير من التعليمات المعقدة، ونتيجة لذلك، جهاز تحكم معقد. تتميز الإصدارات المبكرة من معالجات CISC ومعالجات التطبيقات المضمنة بأوقات تنفيذ طويلة للتعليمات (من عدة دورات على مدار الساعة إلى مئات)، يتم تحديدها بواسطة الرمز الصغير لجهاز التحكم. تتميز المعالجات السلمية الفائقة عالية الأداء بالتحليل العميق للبرامج وتنفيذ العمليات بشكل خارج عن الترتيب.

- المعالج مع مجموعة تعليمات مبسطة، إنجليزي RISC - كمبيوتر مجموعة التعليمات المخفض. تحتوي هذه البنية على جهاز تحكم أبسط بكثير. تحتوي معظم تعليمات معالج RISC على نفس العدد الصغير من العمليات (1، وأحيانًا 2-3)، وكلمات الأوامر نفسها في الغالبية العظمى من الحالات لها نفس العرض (PowerPC، ARM)، على الرغم من وجود استثناءات (Coldfire). تحتوي معالجات Superscalar على أبسط مجموعة من التعليمات دون تغيير ترتيب التنفيذ.

- معالج متوازي بشكل واضح، إنجليزي EPIC - كمبيوتر التعليمات الموازية بشكل صريح (-عمل، مصطلح ® إنتل، HP). وهو يختلف عن الآخرين في المقام الأول في أن تسلسل وتوازي تنفيذ العمليات وتوزيعها بين الأجهزة الوظيفية يحددها البرنامج بوضوح. يمكن أن تحتوي هذه المعالجات على عدد كبير من الأجهزة الوظيفية دون تعقيد كبير لجهاز التحكم وفقدان الكفاءة. عادة، تستخدم هذه المعالجات كلمة تعليمات واسعة تتكون من عدة مقاطع لفظية تحدد سلوك كل وحدة وظيفية خلال دورة الساعة.

- الحد الأدنى من معالج مجموعة التعليمات، إنجليزي MISC - الحد الأدنى من مجموعة التعليمات للكمبيوتر. يتم تحديد هذه البنية في المقام الأول من خلال عدد صغير جدًا من التعليمات (عدة عشرات)، وجميعها تقريبًا ذات معامل صفري. هذا الأسلوب يجعل من الممكن حزم التعليمات البرمجية بإحكام شديد، وتخصيص من 5 إلى 8 بتات لتعليمة واحدة. عادة ما يتم تخزين البيانات المتوسطة في مثل هذا المعالج على المكدس الداخلي، ويتم تنفيذ العمليات على القيم الموجودة في الجزء العلوي من المكدس. ترتبط هذه البنية ارتباطًا وثيقًا بإيديولوجية البرمجة باللغة الرابعة وعادةً ما تُستخدم لتنفيذ البرامج المكتوبة بهذه اللغة.

- معالج مجموعة التعليمات المتغيرة، إنجليزي WISC - مجموعة التعليمات القابلة للكتابة للكمبيوتر. بنية تسمح لك بإعادة برمجة نفسك عن طريق تغيير مجموعة التعليمات وتعديلها بما يتناسب مع المشكلة التي يتم حلها.

- معالج يتم التحكم فيه بالنقل، إنجليزي TTA - هندسة تشغيل Transort. تفرعت البنية في البداية عن EPIC، ولكنها تختلف جوهريًا عن غيرها من حيث أن تعليمات هذا المعالج تقوم بتشفير العمليات الوظيفية، وما يسمى بعمليات النقل - نقل البيانات بين الأجهزة الوظيفية والذاكرة بترتيب عشوائي.

بناءً على طريقة تخزين البرامج، هناك معماريتان:

- عمارة فون نيومان. تستخدم معالجات هذه البنية ناقلًا واحدًا وجهاز إدخال/إخراج واحد للوصول إلى البرامج والبيانات.

- الهندسة المعمارية في جامعة هارفارد. في معالجات هذه البنية، توجد ناقلات منفصلة وأجهزة إدخال/إخراج لاسترداد البرامج وتبادل البيانات. في المعالجات الدقيقة المدمجة ووحدات التحكم الدقيقة ومزودي خدمات الإشارة، يحدد هذا أيضًا وجود جهازي تخزين مستقلين لتخزين البرامج والبيانات. في وحدات المعالجة المركزية، يحدد هذا وجود تعليمات منفصلة وذاكرة تخزين مؤقت للبيانات. خلف ذاكرة التخزين المؤقت، يمكن دمج الحافلات في واحدة من خلال تعدد الإرسال.

بناءً على تنظيم ملف تسجيل FU، يمكن تمييز الأنواع التالية من المعالجات.

- تسجيل الهندسة المعمارية- يتميز بحرية الوصول إلى السجلات لاختيار جميع الحجج وكتابة النتيجة. يتم ترميز العمليات الحسابية المنطقية الأولية في مثل هذه المعالجات في تعليمات ثنائية أو ثلاثة معاملات (تسجيل + تسجيل → تسجيل، وأحيانًا يتزامن سجل النتائج مع مصدر إحدى الوسائط).

- بنية البطارية- يتم تخصيص أحد سجلات المجمع العديدة من السجلات. السجل التراكمي هو مصدر إحدى الوسائط ومتلقي نتيجة الحساب. عادةً ما يتم ترميز العمليات في تعليمات ذات معامل فردي (مركم + معامل → مركم). تعتبر هذه البنية نموذجية للعديد من معالجات CISC (مثل Z80).

- بنية المكدس- يتم تحديده من خلال تنظيم ملف التسجيل على شكل مكدس، والعنونة غير المباشرة للسجلات من خلال مؤشر المكدس، والذي يحدد موضع الجزء العلوي من المكدس، ويتم تنفيذ العمليات على القيم في الجزء العلوي من المكدس ويتم وضع النتيجة أيضًا في الأعلى. يتم ترميز العمليات الحسابية في تعليمات ذات معامل صفري. تعد بنية المكدس جزءًا لا يتجزأ من معالجات MISC.

بنية المعالجات الدقيقة

أوضاع المعالجة

للتفاعل مع الوحدات المختلفة، يجب أن يكون لدى الكمبيوتر وسيلة لتحديد خلايا الذاكرة الخارجية وخلايا الذاكرة الداخلية وسجلات MP وسجلات جهاز الإدخال/الإخراج. ولذلك، يتم تعيين عنوان لكل خلية من خلايا التخزين، أي. مزيج بت لا لبس فيه. يحدد عدد البتات عدد الخلايا التي سيتم تحديدها. عادة، يحتوي الكمبيوتر على مساحات عناوين مختلفة للذاكرة وسجلات MP، وأحيانًا - مساحات عناوين منفصلة لسجلات أجهزة الإدخال/الإخراج والذاكرة الداخلية. بالإضافة إلى ذلك، تقوم الذاكرة بتخزين البيانات والتعليمات. ولذلك، تم تطوير العديد من الطرق للوصول إلى الذاكرة، والتي تسمى أوضاع العنونة، لأجهزة الكمبيوتر.

وضع عنونة الذاكرة هو إجراء أو مخطط لتحويل معلومات عنوان المعامل إلى عنوان التنفيذ الخاص به.

يمكن تقسيم جميع طرق معالجة الذاكرة إلى:
1) مباشر، عندما يتم أخذ العنوان التنفيذي مباشرة من الأمر أو حسابه باستخدام القيمة المحددة في الأمر ومحتويات أي سجل (عنونة مباشرة، سجل، قاعدة، فهرس، إلخ)؛
2) غير مباشر، والذي يفترض أن الأمر يحتوي على قيمة العنوان غير المباشر، أي. عناوين خلية الذاكرة التي يوجد بها عنوان التنفيذ النهائي (عنونة غير مباشرة).

يقوم كل كمبيوتر صغير بتنفيذ بعض أوضاع العنونة فقط، والتي يتم تحديد استخدامها، كقاعدة عامة، من خلال بنية الكمبيوتر الصغير.

أنواع العمارة

هناك عدة طرق لتصنيف المعالجات الدقيقة حسب نوع البنية. وبالتالي، هناك MPs مع بنية CISC (كمبيوتر مجموعة التعليمات الكاملة)، التي تتميز بمجموعة كاملة من التعليمات، وهندسة RISC (تقليل مجموعة التعليمات الحاسوبية)، التي تحدد نظامًا يحتوي على مجموعة منخفضة من الأوامر من نفس التنسيق، ويتم تنفيذها في دورة ساعة واحدة MP.

تحديد عمق البت باعتباره السمة الرئيسية لـ MP، يتم تمييز الأنواع التالية من بنية MP:
- مع عمق بت ثابت وقائمة الأوامر (شريحة واحدة)؛
- مع قدرة قابلة للتوسيع (مقطعية) والتحكم في البرامج الدقيقة.

من خلال تحليل مساحات العناوين الخاصة بالبرامج والبيانات يتم تحديد MP مع معمارية فون نيومان (ذاكرة البرنامج وذاكرة البيانات في نفس المساحة ولا توجد علامات تشير إلى نوع المعلومات في خلية الذاكرة) وMP مع جامعة هارفارد بنية المختبر (ذاكرة البرنامج وذاكرة البيانات منفصلة، ​​ولها مساحات عنوان خاصة بها وطرق الوصول إليها).

سننظر بمزيد من التفصيل في الأنواع الرئيسية للحلول المعمارية، مع تسليط الضوء على العلاقة مع أساليب معالجة الذاكرة.
1. يتم تحديد بنية السجل من خلال وجود ملف تسجيل كبير بما فيه الكفاية داخل MP. التعليمات قادرة على الوصول إلى المعاملات الموجودة في أحد وسائط التخزين: ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) أو السجلات. عادةً ما يكون حجم السجل ثابتًا ويطابق حجم الكلمة المطبقة فعليًا في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). يمكن الوصول إلى أي سجل مباشرة، حيث يتم تمثيل السجلات كمصفوفة من عناصر التخزين - ملف السجل. من المعتاد إجراء العمليات الحسابية فقط في السجل، حيث تحتوي التعليمات على معاملين (كلا المعاملين في السجل، أو معامل واحد في السجل والآخر في ذاكرة الوصول العشوائي).

ينتمي المعالج الدقيق Zilog إلى هذا النوع من الهندسة المعمارية. معالج Z80، من بنات أفكار Zilog، بالإضافة إلى نظام تعليمات موسع، ومعدل طاقة واحد والقدرة على تنفيذ البرامج المكتوبة لـ i8080، كان له مميزات معمارية.

الشكل 2.5. المعالج الدقيق Z80 من شركة Zilog.

بالإضافة إلى المجموعة الرئيسية من RONs، تم تنفيذ مجموعة ثانية من السجلات المماثلة في البلورة. أدى هذا إلى تبسيط العمل إلى حد كبير عند استدعاء الإجراءات الفرعية أو إجراءات خدمة المقاطعة، حيث يمكن للمبرمج استخدام مجموعة بديلة من السجلات لها، مع تجنب تخزين محتويات RONs للبرنامج الرئيسي على المكدس باستخدام عمليات PUSH. بالإضافة إلى ذلك، تم تضمين عدد من التعليمات الخاصة في نظام التعليمات، والتي تركز على معالجة البتات الفردية، ولدعم التجديد الديناميكي للذاكرة، تم إدخال الأجهزة المناسبة في دائرة المعالج. تم استخدام Z80 في آلات Sinclair ZX وSinclair Spectrum وTandy TRS80.

الخيار النهائي هو بنية مع معالجة عبر المجمعات (مجموعة أصغر من الأوامر).

يتمتع MP من Motorola بعدد من المزايا المهمة. بادئ ذي بدء، تتطلب بلورة MC6800 معدل طاقة واحدًا للتشغيل، وتبين أن نظام الأوامر شفاف جدًا بالنسبة للمبرمج. تحتوي بنية MP أيضًا على عدد من الميزات.

الشكل 2.6. المعالج الدقيق MC6800 من موتورولا.

يحتوي المعالج الدقيق MC 6800 على بطاريتين، ويمكن وضع نتيجة عملية ALU في أي منهما. لكن الميزة الأكثر قيمة في هيكل MC 6800 كانت الحفظ التلقائي لمحتويات جميع سجلات المعالج على المكدس عند معالجة المقاطعات (يتطلب Z80 عدة أوامر PUSH لهذا الغرض). تم أيضًا تنفيذ إجراء استعادة RON من المكدس في الأجهزة.

2. تتيح بنية المكدس إمكانية إنشاء حقل ذاكرة بتسلسل منظم لتسجيل المعلومات واسترجاعها.
بشكل عام، يتم توجيه الأوامر ضمنيًا إلى عنصر المكدس الموجود أعلى المكدس، أو إلى عنصري المكدس العلويين.
3. تضمن بنية MP، الموجهة نحو ذاكرة الوصول العشوائي (نوع الذاكرة إلى الذاكرة)، سرعة تشغيل عالية وسعة معلومات كبيرة لسجلات العمل والمكدس عندما يتم تنظيمها في ذاكرة الوصول العشوائي.
لا يحدد هذا النوع من الهندسة المعمارية بشكل صريح المجمع أو سجلات الأغراض العامة أو المكدس؛ جميع معاملات التعليمات موجهة إلى منطقة الذاكرة الرئيسية.

من وجهة نظر الأهمية بالنسبة للمستخدم المبرمج، تُفهم الهندسة المعمارية بشكل عام على أنها مجموعة من المكونات والخصائص التالية:
- عمق البت للعناوين والبيانات؛
- تكوين وأسماء والغرض من السجلات التي يمكن الوصول إليها بالبرمجيات؛
- التنسيقات وأنظمة الأوامر؛
- أوضاع معالجة الذاكرة؛
- طرق التمثيل الآلي للبيانات بمختلف أنواعها؛
- معالجة الهياكل الفضائية؛
- طريقة معالجة الأجهزة الخارجية ووسائل إجراء عمليات الإدخال والإخراج؛
- فئات المقاطعة، وميزات بدء المقاطعة ومعالجتها.

يركز هذا الفصل على السمات المعمارية للمعالجات الدقيقة. ويقدم معلومات عامة عن المعالجات الدقيقة، ويناقش مبادئ التنظيم الهيكلي والوظيفي)، وأنواع البيانات، وذاكرة التسجيل، وطرق العنونة ونظام التعليمات للمعالجات الدقيقة. يتم توضيح المواد المقدمة على أبسط معالجات 8 و 16 بت.

مفاهيم أساسية

المعالج الدقيقهو جهاز يتم التحكم فيه بواسطة البرنامج على شكل دائرة متكاملة (LSI أو VLSI) مصممة لمعالجة المعلومات الرقمية. وبما أن جميع المعالجات الدقيقة الحديثة متكاملة، فقد أصبح مصطلح المعالج مرادفًا للمعالج الدقيق.

متحكمهو معالج متخصص مصمم لتنفيذ وظائف التحكم (التحكم).

(xtypo_quote)معالج الإشارات الرقمية (DSP) هو معالج متخصص مصمم لمعالجة الإشارات الرقمية. (/xtypo_quote)
نظام المعالجات الدقيقة هو منتج متكامل وظيفيًا يتكون من عدة أجهزة رقمية، بما في ذلك المعالج. يوحد هذا المفهوم مجموعة واسعة من المنتجات النهائية، بدءًا من وحدات التحكم الدقيقة المصنوعة على دوائر متكاملة، وينتهي بأنظمة الكمبيوتر، وهي عبارة عن مجموعة من الأجهزة الهيكلية الفردية (وحدة النظام، لوحة المفاتيح، الشاشة، إلخ). فيما يلي، سنتناول أبسط أنظمة المعالجات الدقيقة (أحادية الشريحة) التي تحتوي، بالإضافة إلى المعالج، على الذاكرة الرئيسية وأجهزة الإدخال/الإخراج. يمكن تصنيف أنظمة المعالجات الدقيقة هذه على أنها معالجات دقيقة.

تحت منظمة المعالجفهم مجمل العقد الخاصة بها (الأجهزة والكتل والوحدات النمطية)، والاتصالات بين العقد وخصائصها الوظيفية. تحدد المنظمة تنظيم أجهزة المعالج، أي تكوين أجهزته وتفاعلها. هناك مستويان من التنظيم:

● التنظيم المادي في شكل رسم تخطيطي للدائرة.

● التنظيم المنطقي على شكل مخطط هيكلي ووظيفي.

وفيما يلي نتناول تنظيم المعالجات الدقيقة على المستوى المنطقي، أو التنظيم الهيكلي والوظيفي للمعالجات.

تحت بنية المعالجسوف نفهم مجمل برامجها وأجهزتها التي تضمن معالجة المعلومات الرقمية (تنفيذ البرنامج)، أي مجمل جميع الأدوات المتاحة للبرنامج (أو المستخدم). يتضمن هذا المفهوم الأكثر عمومية مقارنة بمفهوم التنظيم مجموعة من السجلات وأجهزة التشغيل التي يمكن الوصول إليها بواسطة البرامج، ونظام الأوامر الأساسية وطرق العنونة، وحجم وتنظيم الذاكرة القابلة للعنونة، وأنواع وطرق معالجة البيانات (التبادل، والانقطاعات، الوصول إلى الذاكرة، وما إلى ذلك).

(xtypo_quote) على سبيل المثال، تحتوي المعالجات الحديثة 32 بت x86 ذات بنية IA-32 (هندسة Intel - 2 بت) على مجموعة قياسية من السجلات، ونظام مشترك للتعليمات الأساسية، ونفس أساليب تنظيم الذاكرة ومعالجتها، وحماية الذاكرة و خدمة المقاطعة. لاحظ أن مفهوم الهندسة المعمارية يميز خصائص النظام بدرجة أكبر من خصائص الجهاز. (/xtypo_quote)

الأنواع الرئيسية للهندسة المعمارية

من خلال تنسيقات الأوامر (التعليمات) المستخدمة يمكننا التمييز بين:

● بنية CISC، والتي تشير إلى المعالجات (أجهزة الكمبيوتر) التي تحتوي على مجموعة كاملة من التعليمات (Complete Instruction Set Computer — CISC). يتم تنفيذه في العديد من أنواع المعالجات الدقيقة (على سبيل المثال، بنتيوم)، والتي تنفذ مجموعة كبيرة من التعليمات متعددة التنسيق باستخدام العديد من طرق العنونة.

يمكن أن يحتوي نظام تعليمات المعالجات ذات بنية CISC على عدة مئات من الأوامر ذات التنسيقات المختلفة (من 1 إلى 15 بايت)، أو درجات التعقيد، واستخدام أكثر من 10 طرق عنونة مختلفة، مما يسمح للمبرمج بتنفيذ الخوارزميات الأكثر فعالية لحل المشكلة. مشاكل مختلفة .

تطوير CISC التقليدية

أدت معماريات المعالجات الدقيقة، على طول طريق توسيع الوظائف وتقليل تكاليف البرمجة، إلى زيادة عدد التعليمات في المجموعة وعدد التعليمات الدقيقة في الفريق. وكانت نتيجة ذلك تعقيد الدوائر المتكاملة وانخفاض سرعة تنفيذ البرنامج. إحدى الطرق الممكنة للقضاء على أوجه القصور هذه هي استخدام مجموعة مخفضة من الأوامر، والتي يخضع تنظيمها لزيادة سرعة تنفيذها؛

● بنية RISC، والتي تشير إلى المعالجات (أجهزة الكمبيوتر) ذات مجموعة تعليمات مخفضة (Reduced Instruction Set Computer - RISC). تم تحديد ظهور بنية RISC من خلال حقيقة أن العديد من أوامر CISC وأساليب المعالجة نادرًا ما يتم استخدامها. السمة الرئيسية لبنية RISC هي أن نظام التعليمات يتكون من عدد صغير من التعليمات المستخدمة بشكل متكرر بنفس التنسيق، والتي يمكن تنفيذها في دورة أوامر واحدة (دورة) للمعالج المركزي. يتم تنفيذ أوامر أكثر تعقيدًا ونادرة الاستخدام على مستوى البرنامج. ومع ذلك، نظرًا للزيادة الكبيرة في سرعة تنفيذ التعليمات، قد يكون متوسط ​​أداء معالجات RISC أعلى من أداء المعالجات ذات بنية CISC.

(xtypo_quote)تتضمن معظم التعليمات الموجودة على معالجات RISC عمليات التسجيل للتسجيل. إن أبسط العمليات للوصول إلى الذاكرة من وجهة نظر استهلاك الوقت هي عمليات التحميل في السجلات والكتابة إلى الذاكرة. (/xtypo_quote)

تقوم معالجات RISC الحديثة بتنفيذ حوالي 100 تعليمات ذات تنسيق ثابت يبلغ طوله 4 بايت، وتستخدم عددًا صغيرًا من أبسط طرق العنونة (التسجيل والفهرس وبعض الطرق الأخرى).

لتقليل عدد مرات الوصول إلى ذاكرة الوصول العشوائي الخارجية، تحتوي معالجات RISC على عشرات إلى مئات من سجلات الأغراض العامة (GPR)، بينما في سيسك-معالجاتفقط 8-16 السجلات. يتم استخدام الوصول إلى الذاكرة الخارجية في معالجات RISC فقط في عمليات تحميل البيانات إلى RON أو نقل النتائج من RON إلى الذاكرة. من خلال تقليل الأجهزة المطلوبة لفك تشفير وتنفيذ الأوامر المعقدة، يتم تبسيط الدوائر المتكاملة لمعالج RISC بشكل كبير وتقليل تكلفتها. وبالإضافة إلى ذلك، تم تحسين الإنتاجية بشكل ملحوظ. بفضل هذه المزايا، العديد من الحديثة
تستخدم معالجات CI SC (أحدث طرازات Pentium وK7) نواة RISC. في هذه الحالة، يتم تحويل أوامر CI SC المعقدة مسبقًا إلى سلسلة من عمليات RISC البسيطة ويتم تنفيذها بسرعة بواسطة نواة RISC؛

● بنية VLIW، والتي تشير إلى المعالجات الدقيقة التي تستخدم تعليمات طويلة جدًا (كلمة تعليمات كبيرة جدًا — VLIW). تحتوي حقول الأوامر الفردية على رموز تؤدي عمليات مختلفة. يمكن لأمر VLIW واحد تنفيذ عدة عمليات في وقت واحد في عقد مختلفة للمعالجات الدقيقة. يتم تنفيذ أوامر VLIW "الطويلة" بواسطة المترجم المناسب عند ترجمة البرامج المكتوبة بلغة عالية المستوى.

(xtypo_quote)VLIW -بنيانيتم تنفيذها في بعض أنواع المعالجات الدقيقة الحديثة وهي واعدة جدًا لإنشاء جيل جديد من المعالجات فائقة الأداء. (/xtypo_quote)

وفقًا لطريقة تنظيم اختيار الأوامر والبيانات، يتم التمييز بين نوعين من البنى:

● عمارة برينستون، أو عمارة فون نيومان، ومن مميزاتها (الشكل 2.1.1) استخدام:

الذاكرة الرئيسية المشتركة (الوصول العشوائي) لتخزين البرامج والبيانات، والتي تتيح لك إعادة توزيع حجمها بسرعة وكفاءة اعتمادًا على المهام التي يتم حلها في كل حالة محددة لاستخدام المعالج الدقيق؛

ناقل مشترك يتم من خلاله إرسال الأوامر والبيانات إلى المعالج، ويتم كتابة النتائج إلى ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، مما يبسط إلى حد كبير تصحيح الأخطاء والاختبار والمراقبة المستمرة لعمل النظام، ويزيد من موثوقيته. لفصل التعليمات عن البيانات، يتم دائمًا استلام رمز العملية التي يتم تنفيذها من الذاكرة أولاً، تليها البيانات. افتراضيًا، يتم تحميل رمز العملية في سجل الأوامر، ويتم تحميل البيانات في كتلة التسجيل (الشكل 2.1.1). نظرًا للعدد المحدود من الأطراف الخارجية، يعمل الناقل المشترك عادةً في وضع تعدد الإرسال الزمني، أي يتم فصل الاتجاهات المعاكسة لتبادل البيانات بين المعالج الدقيق أو الذاكرة أو الأجهزة الخارجية الأخرى في الوقت المناسب.

مساوئ الهندسة المعمارية برينستون

إن استخدام ناقل مشترك لنقل الأوامر والبيانات يحد من أداء النظام الرقمي؛

● هندسة هارفارد (المبدع هوارد أيكن)، ومن سماتها الفصل المادي لذاكرة التعليمات (البرامج) وذاكرة البيانات (الشكل 2.1.2). يحدث هذا الظرف بسبب الطلبات المتزايدة باستمرار على أداء أنظمة المعالجات الدقيقة. يتم توصيل ذاكرة الأوامر وذاكرة البيانات بالمعالج عبر ناقلات منفصلة. بفضل الفصل بين تدفقات الأوامر والبيانات، بالإضافة إلى الجمع بين عمليات الاسترجاع (وتسجيل نتائج المعالجة)، يتم ضمان أداء أعلى من استخدام بنية برينستون.

عيوب الهندسة المعمارية بجامعة هارفارد

زيادة تعقيد التصميم بسبب استخدام ناقلات منفصلة للأوامر والبيانات؛ مقدار ثابت من الذاكرة للأوامر والبيانات؛ زيادة في الحجم الإجمالي للذاكرة بسبب استحالة إعادة التوزيع الأمثل بين الأوامر والبيانات. تستخدم بنية هارفارد على نطاق واسع في وحدات التحكم الدقيقة - المعالجات الدقيقة المتخصصة للتحكم في الكائنات المختلفة، وكذلك في الهيكل الداخلي للمعالجات الدقيقة الحديثة عالية الأداء في ذاكرة التخزين المؤقت مع تخزين منفصل للتعليمات والبيانات.

وفي الوقت نفسه، يتم تطبيق مبادئ بنية برينستون في الهيكل الخارجي لمعظم أنظمة المعالجات الدقيقة.

لاحظ أن بنية المعالج الدقيق ترتبط ارتباطًا وثيقًا ببنيته. يتطلب تنفيذ بعض الميزات المعمارية إدخال الأجهزة المناسبة في بنية المعالج الدقيق وتوفير آليات لعملها المشترك.