Основные типы архитектур микропроцессорных систем

Под организацией МС понимают состав компонентов (аппаратных или программных средств), связи между ними и их функциональные характеристики.

МС имеет многоуровневую иерархическую организацию со своими составными компонентами на каждом уровне:

1) нижний уровень − уровень физических компонентов − физическая организация (представляется в виде принципиальной схемы);

2) уровень реализуемых в ЭВМ функций − логическая (функциональная) организация (представляется в виде функциональной схемы);

3) верхний уровень − уровень аппаратуры (состав, функциональные связи и характеристики аппаратных модулей) − структурная организация (представляется в виде структурной схемы).

Все компоненты микропроцессорной системы представляются для процессора в виде набора ячеек памяти или портов ввода/вывода, которые образуют два основных пространства: соответственно пространство памяти и пространство ввода/вывода.

Фон-неймановская (принстонская) и гарвардская архитектуры. В большинстве современных микропроцессорных систем для хранения программ и данных используется общая область памяти. Такая организация получила название архитектуры принстонского или фон-неймановского типа, по имени Дж. фон Неймана, предложившего кодирование программ в формате, соответствующем формату данных. В МС этого типа области памяти для хранения программ (Program Space – PS) и данных (Data Space – DS) образуют единое пространство и могут размещаться в любом месте общей памяти. При этом нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти. Содержимое ячейки интерпретируется процессором, и задача программиста − следить за тем, чтобы данные и программа обрабатывались по-разному. Фон-неймановская архитектура характерна для универсальных МП.

В специализированных МП и микроконтроллерах используется другая схема, известная как архитектура Гарвардской лаборатории или гарвардская архитектура. В таких системах память программ и память данных разделены и имеют свои собственные адресные пространства и способы доступа к ним, что позволяет полностью совмещать во времени выборку и исполнение команд. Программа находится всегда в одной памяти, а данные − в другой. Такое разделение позволяет повысить быстродействие и упростить схемотехническую реализации микропроцессорной системы.

Дальнейшее совершенствование архитектур обоих типов состояло в выделении специального пространства данных небольшого объема, которое представляет собой набор программно-доступных регистров (Register Space). В отличие от памяти и портов ввода/вывода регистры располагаются всегда внутри МП вместе с АЛУ, что обеспечивает быстрый физический доступ к информации, хранящейся в них. В некоторые интервалы времени программа наиболее интенсивно работает лишь с небольшим объемом данных. Для временного хранения этих данных и предназначена регистровая область – набор программно доступных регистров.

Регистровая область может быть, как полностью изолирована от пространства данных DS, так и частично пересекаться с ним, что дает возможность рассматривать отдельные регистры МП как обычные ячейки памяти данных. Такая организация является целесообразной, если в МП поддерживается быстрый доступ ко всей или хотя бы к некоторой части памяти данных.

Все современные МП имеют регистровые области независимо от того, к какому типу они принадлежат: принстонскому или гарвардскому. Внутренняя логическая организация регистровой области очень разнообразна и зависит от типа МП.

Пространство ввода/вывода представляет набор адресуемых буферных схем и регистров, которые называются портами и через которые осуществляется связь с внешними и внутренними аппаратными средствами микропроцессорной системы.

В микропроцессорной системе может использоваться два варианта организации пространства ввода-вывода:

- изолированный ввод-вывод. Порты ввода/вывода размещены в специальном пространстве ввода/вывода (Input/Output Space – IOS), изолированном от других пространств данных. В этом случае МП имеет специальный набор команд ввода/вывода.

- совмещенный ввод-вывод или ввод-вывод с отображением на память. В этом случае изолированное пространство ввода/вывода отсутствует, а в пространстве памяти данных DS выделяются области, в которых размещаются порты. Организация доступа к портам в такой микропроцессорной системе ничем не отличается от процесса обращения к данным в памяти.

На рисунке 14.2 представлены четыре типовых способа организации областей для хранения программ и данных.

 

 

Рисунок 14.2 – Варианты организации пространства памяти МП

 

В отличие от регистровой области пространства памяти программ PS и данных DS, а также область ввода-вывода IOS организованы проще. Память представляет собой линейно упорядоченный набор n-разрядных ячеек с произвольным доступом (одномерный массив) − линейная память. Все ячейки пронумерованы, таким образом каждой ячейке набора соответствует число, называемое ее адресом. Все адреса занимают целочисленный диапазон от 0 до 2m-1 (m − разрядность адреса), который образует адресное пространство памяти. В большинстве случаев процессор может адресоваться к памяти с точностью до одного байта, т.е. наименьшей адресуемой единицей является байт и память имеет байтовую организацию.