Разновидности архитектур микропроцессоров

Программные инструкции (команды) и данные хранятся и извлекаются из памяти ВС. Если одна и та же память используется для команд и данных, говорят, что ВС имеет Фон Неймановскую архитектуру, в честь Джона Фон Неймана, имя которого связывается с появлением первого компьютера, хранившего программу. Большинство универсальных ВС имеет такую архитектуру. ВС, которая использует одну память для команд и отдельную память для данных, имеет Гарвардскую архитектуру. Многие микроконтроллеры входят в эту категорию. Кроме того, многие быстродействующие процессоры используют такую архитектуру, так как в этом случае команда и данные могут быть доступными параллельно. Структурные схемы систем с Фон Неймановской и Гарвардской архитектурой представлены на рис. 7.

Рис. 7. Структура систем с Фон Неймановской, а и Гарвардской архитектурой, б

Дадим определение использованному выше термину «архитектура». Одно из определений слова архитектура (от греч. Architekton – строитель) – это художественный характер, стиль постройки. С понятием архитектуры обычно отождествляется и понятие архитектоника, означающее выражение закономерности строения, органическое сочетание частей в одно стройное целое, их расположение, композицию. Говоря об архитектуре вычислительных систем, следует отметить, что, хотя это понятие и условно, оно прочно вошло в «вычислительный лексикон».

Под архитектурой микропроцессора понимают принцип его внутренней организации, общую структуру, конкретную логическую структуру отдельных устройств, совокупность команд и взаимодействие между аппаратной частью (устройствами, входящими в состав микропроцессора) и программами обработки информации системой, выполненной на основе микропроцессора. Иначе говоря, архитектуру микропроцессора определяют как совокупность его свойств и характеристик, рассматриваемую с позиции пользователя.

Рассмотрим кратко назначение и структуру других частей системы.

Основная память системы (внешняя по отношению к процессору) состоит из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) и оперативного запоминающего устройства (ОЗУ).

Постоянное запоминающее устройство – это устройство, в котором хранится программа (и при необходимости совокупность констант), и доступ к нему возможен только для чтения данных. При выключении питания информация в ПЗУ сохраняется.

Содержимое ПЗУ не может быть стерто. Оно используется как память программы, составленной заранее изготовителем в соответствии с требованиями ее пользователей. В таких случаях говорят, что программа жестко «зашита» в запоминающем устройстве. Чтобы осуществить иную программу, необходимо применить другое ПЗУ или его часть. Из ПЗУ можно только выбирать хранимые там слова, но нельзя вносить новые, стирать и заменять записанные слова другими. Оно подобно напечатанной таблице: можно лишь считывать имеющиеся там числа, но заменять их или вносить новые невозможно. Помимо ПЗУ используются также ППЗУ и РППЗУ. Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) отличается от ПЗУ тем, что пользователь может самостоятельно запрограммировать ПЗУ (ввести в него программу) с помощью специального устройства – программатора, но только один раз (после введения программы содержимое памяти уже нельзя изменить).

Репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (РППЗУ), называемое также стираемым ПЗУ, имеет такую особенность: хранимая информация может стираться несколько раз (при этом она разрушается). Иначе говоря, РППЗУ допускает перепрограммирование, осуществляемое с помощью программатора. Это облегчает исправление обнаруженных ошибок и позволяет изменять содержимое памяти.

Оперативное запоминающее устройство – это память доступная как для чтения так и для записи информации. При выключении электропитания такой памяти информация в ней разрушается.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое иначе называют запоминающим устройством с произвольной выборкой (ЗУПВ) или произвольным доступом (ЗУПД), служит памятью данных, подлежащих обработке, и результатов вычислений, а также программ, которые часто меняются.

Память (как ПЗУ так и ОЗУ) построены как массивы однородных запоминающих ячеек. Запоминающая ячейка – минимальный доступный элемент памяти – представляет собой многоразрядный регистр (чаще всего 8 разрядный) в котором хранится число в двоичном коде. Все ячейки памяти пронумерованы, чтобы можно было обратиться к каждой из них отдельно.

Уникальный (единственный) номер ячейки памяти называется ее адресом.

Емкостью адресуемой памяти называется наибольшее количество ячеек памяти, которое может быть обслужено данным процессором, и этот объем определяется разрядностью адресной шины. Характерное свойство памяти заключается в том, что время, требуемое для доступа к любой из ячеек памяти, не зависит от адреса этой ячейки.

ОЗУ допускает как запись, так и считывание слов. По отношению к этому запоминающему устройству приемлема аналогия с классной доской, на которой мелом записаны числа: их можно многократно считывать, не разрушая, а при необходимости – стереть число и записать на освободившемся месте новое. Следует иметь в виду, что информация, содержащаяся в ОЗУ, исчезает, стирается, если прерывается напряжение питания.

Информация передается между компьютером и внешним миром через различные устройства ввода/ вывода. Программы обычно передаются в память компьютера из таких внешних устройств как магнитные или оптические устройства хранения. Данные, которые должны использоваться программой, могут передаваться в память с клавиатур, сканеров, магнитных дисков, аналого-цифровых преобразователей, и других входных устройств. Программа может выводить данные в различные типы периферийных устройств. Электронно-лучевые трубки и жидкокристаллические панели часто используются чтобы отобразить результаты вычислений и различные типы принтеров используются чтобы распечатать результаты. Цифро-аналоговые преобразователи, графопостроители, магнитные диски и другие устройства постоянного хранения информации также могут быть использованы в качестве устройств связи с объектом управления.