1) быстродействием процессора. Быстродействие измеряется в мегагерцах (МГц); 1МГц равен миллиону тактов в секунду. Чем выше быстродействие, тем лучше (тем быстрее процессор).
Быстродействие компьютера во многом зависит от тактовой частоты, обычно измеряемой в мегагерцах (МГц). Она определяется параметрами кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под воздействием электрического напряжения в кристалле кварца возникают колебания электрического тока с частотой, определяемой формой и размером кристалла. Частота этого переменного тока и называется тактовой частотой. Микросхемы обычного компьютера работают на частоте нескольких млн. герц. (Герц - одно колебание в секунду.) Быстродействие измеряется в мегагерцах, т.е. в миллионах циклов в секунду. На рис. 7.6 показан график синусоидального сигнала.
Рис. 7.6. Вид сигнала
Наименьшей единицей измерения времени (квантом) для процессора как логического устройства является период тактовой частоты, или просто такт. На каждую операцию затрачивается минимум один такт. Например, обмен данными с памятью процессор Pentium II выполняется за три такта плюс несколько циклов ожидания. (Цикл ожидания - это такт, в котором ничего не происходит; он необходим только для того, чтобы процессор не «убегал» вперед от менее быстродействующих узлов компьютера.)
Время, затрачиваемое на выполнение команд, также непостоянно. В процессорах 8086 и 8088 на выполнение одной команды уходит около 12 тактов. В процессорах 286 и 386 этот показатель уменьшился в среднем до 4,5 тактов на операцию, а в 486 - до 2 тактов. Использование в процессоре Pentium двух параллельных конвейеров и других ухищрений позволило сократить время выполнения среднестатистической команды до одного такта. В современных процессорах Pentium Pro, Pentium II/III, Celeron и Хеон за один такт выполняется как минимум три команды.
Различное количество тактов, необходимых для выполнения команд, затрудняет сравнение производительности компьютеров, основанное только на их частоте (т.е. количестве тактов в секунду). Почему при одной и той же тактовой частоте один из процессоров работает быстрее, чем другой? Причина кроется в производительности.
Процессор 486 обладает более высоким быстродействием по сравнению с 386-м, так как на выполнение команды ему требуется в среднем в два раза меньше тактов, чем 386-му. А процессору Pentium - в два раза меньше тактов, чем 486-му. Таким образом, процессор 486 с тактовой частотой 133 МГц (типа AMD 5x86-133) работает даже медленнее, чем Pentium с тактовой частотой 75 МГц! Это происходит потому, что при одной и той же частоте Pentium выполняет вдвое больше команд, чем процессор 486. Pentium II и Pentium III -приблизительно на 50% быстрее процессора Pentium, работающего на той же частоте, потому что они могут выполнять значительно больше команд за то же самое количество циклов.
2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.
Разрядность МП обозначается m/n/k/ и включает: m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров; 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. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.
Микроархитектура микропроцессора - это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.
Макроархитектура - это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.
В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных.
7.4. Шинная структура связей
Для достижения максимальной универсальности и упрощения протоколов обмена информацией в микропроцессорных системах применяется так называемая шинная структура связей между отдельными устройствами, входящими в систему. Суть шинной структуры связей сводится к следующему (рис. 7.7).
Рис. 7.7. Классическая структура связей
При классической структуре связей все сигналы и коды между устройствами передаются по отдельным линиям связи. Каждое устройство, входящее в систему, передает свои сигналы и коды независимо от других устройств. При этом в системе получается очень много линий связи и разных протоколов обмена информацией.
При шинной структуре связей (рис. 7.8) все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (это называется
Рис. 7.8. Шинная структура связей
мультиплексированной передачей). Причем передача по всем линиям связи может осуществляться в обоих направлениях (так называемая двунаправленная передача). В результате количество линий связи существенно сокращается, а правила обмена (протоколы) упрощаются. Группа линий связи, по которым передаются сигналы или коды как раз и называется шиной (англ. bus).
Понятно, что при шинной структуре связей легко осуществляется пересылка всех информационных потоков в нужном направлении, например, их можно пропустить через один процессор, что очень важно для микропроцессорной системы. Однако при шинной структуре связей вся информация передается по линиям связи последовательно во времени, по очереди, что снижает быстродействие системы по сравнению с классической структурой связей.
Большое достоинство шинной структуры связей состоит в том, что все устройства, подключенные к шине, должны принимать и передавать информацию по одним и тем же правилам (протоколам обмена информацией по шине). Соответственно, все узлы, отвечающие за обмен с шиной в этих устройствах, должны быть единообразны, унифицированы.
Существенный недостаток шинной структуры связан с тем, что все устройства подключаются к каждой линии связи параллельно. Поэтому любая неисправность любого устройства может вывести из строя всю систему, если она портит линию связи. По этой же причине отладка системы с шинной структурой связей довольно сложна и обычно требует специального оборудования.
В системах с шинной структурой связей применяют все три существующие разновидности выходных каскадов цифровых микросхем:
· стандартный выход или выход с двумя состояниями (обозначается 2С, 2S, реже ТТЛ, TTL);
· выход с открытым коллектором (обозначается ОК, OC);
· выход с тремя состояниями или (что то же самое) с возможностью отключения (обозначается 3С, 3S).
Упрощенно эти три типа выходных каскадов могут быть представлены в виде схем на рис. 7.9.
Рис. 7.9. Три типа выходов цифровых микросхем
У выхода 2С два ключа замыкаются по очереди, что соответствует уровням логической единицы (верхний ключ замкнут) и логического нуля (нижний ключ замкнут). У выхода ОК замкнутый ключ формирует уровень логического нуля, разомкнутый — логической единицы. У выхода 3С ключи могут замыкаться по очереди (как в случае 2С), а могут размыкаться одновременно, образуя третье, высокоимпедансное, состояние. Переход в третье состояние (Z-состояние) управляется сигналом на специальном входе EZ.
Выходные каскады типов 3С и ОК позволяют объединять несколько выходов микросхем для получения мультиплексированных (рис. 7.10) или двунаправленных (рис. 7.11) линий.
Рис. 7.10. Мультиплексированная линия
Рис. 7.11. Двунаправленная линия
При этом в случае выходов 3С необходимо обеспечить, чтобы на линии всегда работал только один активный выход, а все остальные выходы находились бы в это время в третьем состоянии, иначе возможны конфликты. Объединенные выходы ОК могут работать все одновременно, без всяких конфликтов.
Типичная структура микропроцессорной системы приведена на рис. 7.12. Она включает в себя три основных типа устройств:
Рис. 7.12. Структура микропроцессорной системы
· процессор;
· память, включающую оперативную память (ОЗУ, RAM — Random Access Memory) и постоянную память (ПЗУ, ROM —Read Only Memory), которая служит для хранения данных и программ;
· устройства ввода/вывода (УВВ, I/O — Input/Output Devices), служащие для связи микропроцессорной системы с внешними устройствами, для приема (ввода, чтения, Read) входных сигналов и выдачи (вывода, записи, Write) выходных сигналов.
Все устройства микропроцессорной системы объединяются общей системной шиной (она же называется еще системной магистралью или каналом). Системная магистраль включает в себя четыре основные шины нижнего уровня:
· шина адреса (Address Bus);
· шина данных (Data Bus);
· шина управления (Control Bus);
· шина питания (Power Bus).
Шина адреса служит для определения адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому устройству (кроме процессора), каждой ячейке памяти в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес. Когда код какого-то адреса выставляется процессором на шине адреса, устройство, которому этот адрес приписан, понимает, что ему предстоит обмен информацией. Шина адреса может быть однонаправленной или двунаправленной.
Шина данных — это основная шина, которая используется для передачи информационных кодов между всеми устройствами микропроцессорной системы. Обычно в пересылке информации участвует процессор, который передает код данных в какое-то устройство или в ячейку памяти или же принимает код данных из какого-то устройства или из ячейки памяти. Но возможна также и передача информации между устройствами без участия процессора. Шина данных всегда двунаправленная.
Шина управления в отличие от шины адреса и шины данных состоит из отдельных управляющих сигналов. Каждый из этих сигналов во время обмена информацией имеет свою функцию. Некоторые сигналы служат для стробирования передаваемых или принимаемых данных (то есть определяют моменты времени, когда информационный код выставлен на шину данных). Другие управляющие сигналы могут использоваться для подтверждения приема данных, для сброса всех устройств в исходное состояние, для тактирования всех устройств и т.д. Линии шины управления могут быть однонаправленными или двунаправленными.
Наконец, шина питания предназначена не для пересылки информационных сигналов, а для питания системы. Она состоит из линий питания и общего провода. В микропроцессорной системе может быть один источник питания (чаще +5 В) или несколько источников питания (обычно еще –5 В, +12 В и –12 В). Каждому напряжению питания соответствует своя линия связи. Все устройства подключены к этим линиям параллельно.
Если в микропроцессорную систему надо ввести входной код (или входной сигнал), то процессор по шине адреса обращается к нужному устройству ввода/вывода и принимает по шине данных входную информацию. Если из микропроцессорной системы надо вывести выходной код (или выходной сигнал), то процессор обращается по шине адреса к нужному устройству ввода/вывода и передает ему по шине данных выходную информацию.
Если информация должна пройти сложную многоступенчатую обработку, то процессор может хранить промежуточные результаты в системной оперативной памяти. Для обращения к любой ячейке памяти процессор выставляет ее адрес на шину адреса и передает в нее информационный код по шине данных или же принимает из нее информационный код по шине данных. В памяти (оперативной и постоянной) находятся также и управляющие коды (команды выполняемой процессором программы), которые процессор также читает по шине данных с адресацией по шине адреса. Постоянная память используется в основном для хранения программы начального пуска микропроцессорной системы, которая выполняется каждый раз после включения питания. Информация в нее заносится изготовителем раз и навсегда.
Таким образом, в микропроцессорной системе все информационные коды и коды команд передаются по шинам последовательно, по очереди. Это определяет сравнительно невысокое быстродействие микропроцессорной системы. Оно ограничено обычно даже не быстродействием процессора (которое тоже очень важно) и не скоростью обмена по системной шине (магистрали), а именно последовательным характером передачи информации по системной шине (магистрали).
Важно учитывать, что устройства ввода/вывода чаще всего представляют собой устройства на «жесткой логике». На них может быть возложена часть функций, выполняемых микропроцессорной системой. Поэтому у разработчика всегда имеется возможность перераспределять функции системы между аппаратной и программной реализациями оптимальным образом. Аппаратная реализация ускоряет выполнение функции, но имеет недостаточную гибкость. Программная реализация значительно медленнее, но обеспечивает высокую гибкость. Аппаратная реализация функций увеличивает стоимость системы и ее энергопотребление, программная — не увеличивает. Чаще всего применяется комбинирование аппаратных и программных функций.
Иногда устройства ввода/вывода имеют в своем составе процессор, то есть представляют собой небольшую специализированную микропроцессорную систему. Это позволяет переложить часть программных функций на устройства ввода/вывода, разгрузив центральный процессор системы.
