В основе архитектуры микроконтроллера лежит архитектура компьютера. С учетом этого обстоятельства в данной главе рассматривается архитектура и рабочий ритм некоего обобщенного компьютера.
С исторической точки зрения электронные цифровые вычислительные машины в том виде, в котором мы их сегодня знаем, являются косвенным результатом Второй мировой войны. В то время были созданы различные опытные образцы компьютеров, причем некоторые из них действительно работали. Как правило, эти вычислительные машины представляли собой специализированные устройства, предназначенные для выполнения какой-либо конкретной задачи при различных входных данных. Алгоритм функционирования некоторых из таких машин можно было менять, но при этом требовалась их частичная переделка.
С исторической точки зрения электронные цифровые вычислительные машины в том виде, в котором мы их сегодня знаем, являются косвенным результатом Второй мировой войны. В то время были созданы различные опытные образцы компьютеров, причем некоторые из них действительно работали. Как правило, эти вычислительные машины представляли собой специализированные устройства, предназначенные для выполнения какой-либо конкретной задачи при различных входных данных. Алгоритм функционирования некоторых из таких машин можно было менять, но при этом требовалась их частичная переделка.
Рис. 6.1. Элементарная фон-неймановская вычислительная машина
Поскольку принципиальный вопрос возможности создания таких вычислительных систем был уже решен, основным достижением группы инженеров, работавших с Джоном фон Нейманом, было осознание того факта, что программа может храниться в памяти вместе с данными.
Концепция компьютера, разработанная американским ученым венгерского происхождения Джоном фон Нейманом, основывалась на следующих принципах:
1. Компьютер должен состоять из следующих модулей: управляющий блок (контроллер), арифметический блок, память, блоки ввода/вывода.
2. Строение компьютера не должно зависеть от решаемой задачи (это как раз относится к ENIAC), программа должна храниться в памяти.
3. Инструкции и их операнды (то есть данные) должны также храниться в той же памяти (гарвардская концепция компьютеров, основанная на концепции фон Неймана, предполагала отдельную память для программы и данных).
4. Память делится на ячейки одинакового размера, порядковый номер ячейки считается ее адресом (1 ячейка эквивалентна 1 байту).
5. Программа состоит из серии элементарных инструкций, которые обычно не содержат значения операнда (указывается только его адрес), поэтому программа не зависит от обрабатываемых данных (это уже прототип переменных). Инструкции выполняются одна за другой, в том порядке, в котором они находятся в памяти (к слову, современные микропроцессоры позволяют параллельное выполнение нескольких инструкций).
6. Для изменения порядка выполнения инструкций используются инструкции условного или безусловного JUMP) перехода.
7. Инструкции и данные (то есть операнды, результаты или адреса) представляются в виде двоичных сигналов и в двоичной системе счисления.
Основным преимуществом такого подхода является его гибкость, так как для изменения программы достаточно просто загрузить новый код в соответствующую область памяти. По существу, фон-неймановская архитектура, показанная наРис. 4.1, состоит из центрального процессора (ЦПУ), памяти и общей шины (называемой также магистралью), по которой в обоих направлениях пересылаются данные. На практике ЦПУ также должен взаимодействовать и с окружающим миром. При этом данные к/от соответствующих интерфейсных портов передаются поодной общей шине данных.
Рис. 6.2. Элементарная гарвардская вычислительная машина
Огромным преимуществом фон-неймановской архитектуры является ее простота, поэтому данная концепция легла в основу большинства компьютеров общего назначения. Однако, использование обшей шины означает, что в любой момент времени может выполняться только одна операция. Соответственно, пересылка данных между ЦПУ и памятью данных не может осуществляться одновременно с выборкой команды из памяти программ. Эту особенность иногда называют фон-неймановским узким местом.
В первое послевоенное десятилетие в Гарвардском университете было создано несколько компьютеров семейства «Марк», от «Марк 1» до «Марк 4», в которых память программ была полностью отделена от памяти данных(в машинах «Марк 1» и «Марк 2» программа считывалась с бумажной перфоленты). Такая концепция была более эффективной, чем фон-неймановская архитектура, поскольку код программы мог считываться из памяти программ одновременно с обменом между ЦПУ и памятью данных или с операциями ввода/вывода.
Однако такие машины были намного сложнее и дороже в изготовлении. А с учетом уровня технического развития 50-х годов, да еще и после проигрыша в конкурсе на создание компьютера для контроля сети континентальных радиолокационных станций, устроенного Министерством обороны США, они и вовсе не получили широкого распространения.
Однако с развитием сложных интегральных схем эта гарвардская архитектура снова оказалась в центре внимания.
НаРис.6.2 показаны две физически разделенные шины, используемые для передачи информации между ЦПУ и этими неперекрывающимися областями памяти. Каждая память имеет собственную шину адреса, поэтому адрес ячейки памяти программ никоим образом не связан с адресом ячейки памяти данных. В таком случае говорят, что обе области памяти находятся вразличных адресных пространствах.
Центральный процессор
Центральный процессор состоит из связки АЛУ/рабочий регистр и соответствующей управляющей логики. По сигналам схемы управления команды программы выбираются из памяти, дешифруются и исполняются. Данные, которые получаются или используются во время выполнения программы, также располагаются в памяти. Этот цикл «выборка — исполнение» образует рабочий ритм вычислительной машины и повторяется непрерывно в течение всего времени, когда система находится в активном состоянии.
Память
Во всех вычислительных устройствах память используется для хранения как кода программы, так и данных. Память с произвольным доступом характеризуется содержимым, хранящимся в группе ячеек, и расположением (адресом) каждой ячейки. В случае фон-неймановской архитектуры и программа, и данные располагаются в одной области памяти, тогда как при использовании гарвардской архитектуры эти объекты располагаются в совершенно разных областях. Данные, хранящиеся в памяти, передаются в ЦПУ по шине данных. При этом ЦПУ выставляет на шину адреса код адреса той ячейки, к которой он собирается обратиться.
В системах с гарвардской архитектурой каждая область памяти имеет собственные шины адреса и данных(Рис. 4.4). В запоминающих устройствах с произвольным доступом длительность операции чтения или записи любой из ячеек не зависит от положения этой ячейки в адресном пространстве.
В большинстве компьютеров используется долговременная память больших объемов, в которой время доступа к ячейке зависит от ее физического расположения в памяти. Помимо этого недостатка, присущего памяти с последовательным доступом, такие устройства, как правило, слишком медленны для использования их в качестве основной памяти. Поэтому они используются для резервного хранения больших объемов данных (например, ответов на экзаменационные билеты) или программ, которые перед выполнением необходимо подгружать в основную память.
В памяти программ хранится двоичный код, составляющий программу; или программное обеспечение (Software). В идеале память, в которой находится программа, должна быть такой же быстрой, как и ЦПУ, поэтому для данных целей обычно используется полупроводниковая память, созданная при помощи технологий, подобных рассмотренным в предыдущей главе.
В памяти данных хранятся данные, используемые во время работы программы. И опять же быстродействие этой памяти обычно сравнимо с быстродействием ЦПУ. Также в адресном пространстве памяти данных могут располагаться специальные регистры, например порты ввода/вывода.
Интерфейсные порты
Независимо от своего назначения компьютер должен иметь возможность взаимодействовать с окружающим миром. Хотя обычно вспоминаются такие устройства, как клавиатура и монитор, можно считывать и изменять состояние практически любого физического устройства. Так, данные об объеме топлива, впрыскиваемого в цилиндр двигателя, в совокупности со значением скорости вращения вала могут использоваться для управления моментом зажигания искры в камере сгорания бензинового двигателя.
Шина данных
Все элементы фон-неймановского компьютера соединяются между собой однойобщей магистралью передачи данных, или шиной. Вся информация передается по этим общим линиям в обоих направлениях, при этом ЦПУ играет роль главного контроллера. В компьютере с гарвардской архитектурой память программ имеет отдельную шину данных, что позволяет осуществлять выборку команд одновременно с действиями на шине данных памяти данных. Другие шины используются для передачи адресов различным областям памяти, а также управляющей информации и информации о состоянии (см.Рис. 6.3).
