Класифікація та базова архітектура мікропроцесорів

Практично в усіх сучасних мікропроцесорах виділяють окрему область пам'яті під так званий “стек”, що використовується, в загальному випадку, для передачі параметрів процедурам і збереження адрес повернення з них.

Стек може бути розташований усередині мікропроцесора або поза ним. Він може займати частину адресного простору DSEG або RSEG, а може бути розташований і окремо від них. В останньому випадку говорять про т. з. “апаратний стек”. Передача функцій акумулятора вершині стека призводить до т. з. “стекової архітектури”. Стекова організація дає можливість використовувати безадресні команди, код яких має найменшу довжину.

Безадресні команди оперують даними, такими, що знаходяться на вершині стека і безпосередньо під ним. При виконанні операції початкові операнди витягуються зі стеку, а результат передається на вершину стека. Стекова архітектура володіє високою обчислювальною ефективністю. Існує спеціальна мова високого рівня FORTH, побудована на основі безадресних команд. Така архітектура використовується в спеціалізованих процесорах високої продуктивності і, зокрема в RISC-процессорах.

RISC-процесори (Reduced Instruction Set Computing – обчислення зі скороченим набором команд). Архітектура процесорів, побудована на основі скороченого набору команд. Характеризується наявністю команд фіксованої довжини, великої кількості регістрів, операцій типу регістр-регістр, а також відсутністю непрямої адресації. Концепція RISC розроблена Джоном Коком (John Cocke) з IBM Research, назва придумана Девідом Паттерсоном (David Patterson).

Найпоширеніша реалізація цієї архітектури представлена процесорами серії PowerPC, включаючи G3, G4 і G5. Досить відома реалізація даної архітектури – процесори серіїв MIPS і Alpha.

Варто згадати ще про два типи процесорів.

CISC-процесори (Complex Instruction Set Computing – обчислення з складним набором команд). Процесорна архітектура, заснована на ускладненому наборі команд. Типовими представниками CISC є сімейство мікропроцесорів Intel x86 (хоча вже багато років ці процесори є CISC тільки по зовнішній системі команд).

MISC-процесори (Minimum Instruction Set Computing – обчислення з мінімальним набором команд). Подальший розвиток ідей команди Чака Мура, який вважає, що принцип простоти, початковий для RISC процесорів, дуже швидко відійшов на задній план. У запалі боротьби за максимальну швидкодію, RISC наздогнав і перегнав багато CISC процесори по складності. Архітектура MISC будується на стековій обчислювальній моделі з обмеженим числом команд (приблизно 20-30 команд)., що розглядалася вище.

Службові регістри, розташовані усередині мікропроцесора, призначені для різних функцій управління його роботою та індикації стану його складових частин. Їх склад і організація залежать від конкретної архітектури процесора і розрізняються у кожному конкретному випадку. Регістрами спеціальних функцій, що найчастіше зустрічаються, є “програмний лічильник” РС (Program Counter), “покажчик стека” SP (Stack Pointer) і “слово стану програми” PSW (Program Status Word). Програмний лічильник РС в кожен конкретний момент часу містить адресу команди, наступної в CSEG за тією, яка на даний момент виконується. Покажчик стека SP зберігає поточну адресу вершини стека. Слово стану програми PSW містить набір поточних ознак результату виконання операції. З кожною ознакою результату зв'язується однорозрядна змінна-прапорець, відповідна певному біту PSW. До типових прапорців-ознак належать:

- CF (Carry Flag) – прапорець перенесення зі старшого розряду АЛП. Рівний 1, якщо в результаті виконання арифметичної операції або операції зрушення відбулося перенесення зі старшого розряду результату;

- ZF (Zero Flag) – прапорець ознаки нуля. Рівний 1, якщо результат операції рівний 0;

- SF (Sign Flag) – прапорець знаку результату. Дублює знаковий розряд результату операції;

- AF (Auxilinary Carry Flag) – прапорець додаткового перенесення. Рівний 1, якщо в результаті виконання арифметичної операції або операції зсуву відбулося перенесення з молодшої тетради результату в старшу. Часто використовується в двійково-десятковій арифметиці;

- OF (Owerfow Flag) – прапорець переповнювання. Рівний 1, якщо в результаті виконання арифметичної операції відбулося переповнювання розрядної сітки результату;

- PF (Parity Flag) – прапорець парності. Рівний 1, якщо число 1 в результаті операції непарно і навпаки.

- IF (Interrupt Flag) – прапорець дозволу переривання. Відображає, чи дозволені переривання в системі.

Під методом адресації розуміється метод кодування адреси операнда або результату операції в коді команди.

У загальному випадку код команди мікропроцесора можна представити в наступному вигляді

 

де КОП – код операції; Аоп1 – поле адреси першого операнда; Аоп2 – поле адреси другого операнда; АР – поле адреси результату.

Наявність окремих полів, окрім КОП, визначається конкретною командою і типом мікропроцесора. Інформація в полях АОП і АР визначається конкретним методом адресації, що використовується в даній команді.

Найбільш поширеними методами адресації, що використовуються в сучасних моделях мікропроцесорів є:

Регістрова адресація. Операнд знаходиться в регістрі. Адреса регістра включена в код операції. Поле адреси в команді відсутнє;

Пряма адресація. Фізична адреса операнда розташована у відповідному полі адреси.

Безпосередня адресація. Безпосереднє значення операнда