§5.2 Ортогональность архитектуры микропроцессоров.

По­лупроводниковая память в виде набора быстродействую­щих регистров на кристалле микропроцессора оказала непосредственное влияние на различные уровни архитекту­ры за счет увеличения числа реализуемых регистров. В мик­ро-ЭВМ, рассчитанных, например, на многопрограммную работу, наличие многочисленных общих регистров поз­воляет ускорить контекстные переключения. Когда осуще­ствляется переключение с программы на программу, содер­жимое соответствующего блока регистров не обязательно переписывать в оперативную память и перезагружать в не­го содержимое для новой программы. Вместо этого каждой программе выделяется собственный блок регистров (БРг).

Именно эти возможности определяют важную отличи­тельную особенность микропроцессоров — их многоуров­невую ортогональную архитектуру, порождаемую элементами аппаратурной избыточности в структуре микропро­цессора и рассматриваемую как основа для сохранения его «ортогональных» состояний при переключениях программ.

Каждый вектор состояния некоторых МП имеет свои собственные ресурсы, независимые от ресурсов других век­торов состояния, поэтому трансформации одного состояния не влияют на трансформации других состояний. При этом в значительной степени минимизируются или практически устраняются затраты времени на сохранение состояния МП при возникновении запроса на прерывание и его удов­летворение, а также на восстановление состояния микро­процессора после выполнения прерывающей программы. Избыточные ресурсы МП позволяют при переключениях оставить «на месте» текущий вектор состояния процессора и переключиться на другие ресурсы или перейти на следую­щий уровень архитектуры.

На рис. 5.2, а показана структура двухуровневых ре­сурсов рабочих регистров микропроцессора МП\, на рис 5.2, б — структура традиционного одноуровнего ре­гистрового микропроцессора МПу. Эти микропроцессоры имеют одинаковые регистровые файлы ФРг, но их коли­чество в микропроцессоре МП\ удвоено. Каждый из ортогональных регистровых файлов микропроцессора МП\ может обслуживать свою программу прерывания. Если задана и используется только одноуровневая система пре­рывания микропроцессора МП\, то при переключениях вместо осуществления подпрограммы сохранения в мик­ропроцессоре МПч в микропроцессоре МП\ происходит переключение рабочего файла регистров установкой но­вого состояния внутреннего регистра вектора состоя­ния РгВ.

Регистры общего назначения микропроцессора адре­суются программным образом для различных целей. По­этому возможно задание изменяемого количества ортого­нальных состояний в микропроцессоре с развитым регист­ровым файлом, что позволяет повысить эффективность мультипрограммной работы. Регистры общего назначения, например внутреннего файла 16 регистров микропроцессо­ров, могут применяться в качестве рабочих или индексных регистров, счетчиков команд СчК, указателей рабочих об­ластей УРО данных ОЗУ. При работе с прерываниями этот файл используется в качестве счетчика команд и регистров указателей рабочих областей для определенных внешних процессов прерывания. Структура рассматриваемых ми­кропроцессоров позволяет использовать различное число уровней прерываний (до восьми) и допускает применение регистров для осуществления различных функций между двумя крайними вариантами, представленными на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Одноуровневые (а) и восьмиуровневые (б) ресурсы рабочих регистров микропроцессора

В первом случае архитектура микропроцессора представ­лена арифметически-логическим блоком АЛБ с регистром результата РгР, счетчиком команд СчК и файлом 16 рабо­чих регистров ФРг. Во втором случае файл рабочих регист­ров разбит на 8 групп, в каждой из которых определен счетчик команд СчК и регистр-указатель рабочей области УРО.

Практически неограниченное число уровней «ортого­нальных» состояний задается в микропроцессоре с архи­тектурой типа «память — память», поскольку расположе­ние рабочих регистров в ОЗУ дает возможность иметь ре­сурсы регистров для целей прерываний в пределах полной информационной емкости ОЗУ.