Для того, чтобы МПС могла выполнять задачи обработки данных, ее необходимо снабдить соответствующим программным обеспечением (ПО), которое подразделяется на две части: системное и прикладное. Основой системного ПО служит, как правило, некоторая операционная система, которая включается в состав МПС при ее поставке потребителю. Прикладное ПО содержит комплекс программ, соответствующих специфике области применения системы. И системное, и прикладное ПО создаются с помощью подходящих языков программирования, включая язык Ассемблера данной МПС и языки высокого уровня.

Составляя программу для МПС (или микроЭВМ) в машинных кодах или на языке Ассемблера, программист абстрагируется от всего многообразия элементов МПС и имеет дело лишь с системой команд и ограниченным числом ее регистров, называемых программно-доступными регистрами. Эти регистры характеризуются тем, чти их имена или условные обозначения (номера) могут применяться в машинных командах, а содержимое регистров может быть изменено, прочитано или использовано с помощью соответствующих команд по желанию программиста. Программно-доступные регистры обычно составляют лишь небольшую часть всех регистров MП. Никакие другие элементы МП, кроме его программно-доступных регистров, не находят отражения в программах, написанных в кодах системы или на языке Ассемблера. Следовательно, с точки зрения программиста МП МПС представляет собой совокупность программно-доступных регистров, которые каким-то образом связаны с остальными компонентами и элементами процессора с целью выполнения операций, соответствующих системе команд данного МП. Можно, таким образом, полагать, что набор программно-доступных регистров и система команд – это главное, что нужно знать программисту о микропроцессоре, чтобы приступить к написанию программы.

4.3. Обзор перспективных проектов МПС на основе однокристальных комплектов БИС

В данном подразделе рассматриваются проекты МПС, созданные в 80-90х годах и послужившие основой для современных МПС на основе однокристальных МП.

В рассматриваемых классах МПС были применены новейшие достижения как технологий, так и новых принципов организации архитектур самих МП и МПС в целом.

МПС на основе 32-разрядного МП NS32032 представляет собой результат развития разработок фирмы National Semuiconductor в области МП, для которых характерна 32-разрядная внутренняя архитектура при 8- или16-разрядных шинах данных и интерфейса. Структура МПС на основе МП NS32032 представлена на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Структура МПС на основе МП NS32032

МПС кроме МП NS32032 содержит следующие вспомогательные микросхемы:

- устройство управления временными состояниями(УУВС) NS32201;

- устройство управления памятью (УУП) NS32082;

- устройство обработки с плавающей запятой (УОПЗ) NS32081;

- устройство управления прерываниями (УУПр) NS32202;

В отличие от ситуаций с сопроцессорами, которые не способны декодировать свои собственные команды, при работе со вспомогательными процессорами УОПЗ и УУП центральный МП (ЦПУ) декодирует коды операций и останавливается на время пересылки команд и данных в эти процессоры, причем дополнительные строки программы на это не затрачиваются.

МПС на основе МП 80386 (рис. 4.5), представляющего собой 32-разрядную версию 16-разрядного МП 80286, содержит также сопроцессор математической обработки 80387, внутриплатную кэш-память с прямым отображением и двух- портовый контроллер памяти, обеспечивающий ЦПУ и системной шине возможность доступа к памяти через расширитель 32-разрядной локальной шины. В данной МПС реализуется обработка данных всех типичных видов (16-и 32-разрядных целых чисел, битовых команд, цепочек байтов, двоично-десятичных чисел), а если в состав системы включен сопроцессор 80387 – обработка 32-, 64- и 80-разрядных действительных чисел.

Рис. 4.5. Структура МПС на основе МП 80386

МПС на основе МП NCR/32 (рис. 4.6). Данный МП обладает уникальной способностью, заключающейся в возможности микропрограммного управления им с целью эмуляции набора команд других МП или МПС с использованием внешнего ППЗУ.

Рис. 4.6. Структура МПС NCR/32.

ЦПУ имеет две независимые мультиплексированные шины: 32-разрядную шину процессор-память, служащую для интерфейса основной памяти, портов ввода-вывода и других устройств, обеспечивающих работу системы, и 16-разрядную шину устройства хранения команд, которая осуществляет интерфейс с ППЗУ микропрограмм. Диапазон адресации составляет 16Мбайт прямо адресуемой реальной памяти и 128Кбайт прямо адресуемой памяти микрокоманд. Скорость пересылки данных по шине процессор-память превышает 50Мбайт/с. Доступном к шине управляет устройство арбитража приоритетов.

Устройство преобразования адресов выполняет функции управления при работе с реальной и виртуальной памятью, ведения учета астрономического времени, а также обнаружения и коррекции ошибок в системной памяти. Диапазон адресации виртуальной памяти составляет 4Гбайта. Устройство расширенной арифметики располагает полным набором арифметических операций ЭВМ класса IBM.

МПС ARM фирмы Accorn (Англия) предназначена для решения задач искусственного интеллекта и работы с языками высокого уровня и обладает наиболее характерными признаками компьютеров с сокращенным набором команд: небольшой аппаратно-реализованный набор команд; конвейеризация в архитектуре процессора; небольшие размеры СБИС; высокая пропускная способность памяти. МПС ARM (рис. 4.7) имеет 26-разрядную адресную шину и отдельную 32-разрядную шину данных с пропускной способностью памяти 18 Мбайт/c (при использовании пакетного режима скорость пересылки данных увеличивается на 30 %). Диапазон адресации составляет 64 Мбайт.

Рис. 4.7. Структура МПС ARM

Пересылками данных управляет ряд отдельных блоков, а не ПЗУ микропрограмм; дешифратор команд – программируемая логическая матрица. Благодаря широкому использованию конвейерных принципов обработки и налично группового сдвигателя производительность МПС достигает 3 млн. оп/с. Набор команд – это основные 44 команды пяти типов: “регистр-регистр”, арифметика и логика, загрузки и записи в память содержимого одиночного регистра и множества регистров, переходов.

МПС на основе МП μРD7281 NEC. ЦПУ данной МПС представляет собой конвейерный МП для обработки цифровых сигналов, специально предназначенный для этого вида обработки (восстановление, заполнение, сжатие, распознавание образов), а также для реализации быстрых преобразований Фурье и числовой обработки.

Этот МП является СБИС, в которой впервые воплощена потоковая архитектура. За счет применения ленточного принципа управления прохождением потоков и конвейерной архитектуры в МП достигается скорость обработки 5 млн. оп/с и при последовательном соединении нескольких МП производительность МПС возрастает почти линейно. Внутренний круговой конвейер состоит (рис. 4.8) из таблицы связей, функциональной таблицы, памяти данных, очередей и процессорного устройства.