Mikroprocesor - nie zawsze znaczy to samo_1.pdf - MSP430 - sq9nip

P O D Z E S P O Ł Y

„Mikroprocesor”

nie zawsze znaczy to samo

Zaczniemy od bana³u: technika mikroprocesorowa

opanowa³a juø niemal wszystkie dziedziny øycia. Bana³

drugi: zdecydowana wiÍkszoúÊ elektronikÛw ma na swoim

koncie choÊby najprostsze opracowania mikroprocesorowe.

Bana³ trzeci: wiÍkszoúÊ z†nich (nas) zna tylko jedn¹ lub

co najwyøej dwie ich rodziny, s¹dz¹c przy tym czÍsto, øe

ich budowa jest zgodna z†powszechnie obowi¹zuj¹cymi

zwyczajami i†stanowi niepodwaøalny standard.

Na koniec wstÍpu nie-bana³: rÛønorodnoúÊ dostÍpnych na

rynku rozwi¹zaÒ i†pomys³owoúÊ ich konstruktorÛw s¹

doprawdy imponuj¹ce, co powoduje, øe wspÛ³czesny

konstruktor nie powinien pozwoliÊ sobie na marazm

i†tkwienie w†ciep³ej ìdolinceî przyzwyczajeÒ. Postaramy

siÍ nieco w†tym pomÛc.

Von Neumann vs Harvard

W†historycznie najstarszych proto-

plastach wspÛ³czesnych komputerÛw,

opartych g³Ûwnie na technologii prze-

kaünikowej, stosowana by³a najbar-

dziej oczywista koncepcja architekto-

niczna, w†ktÛrej przetwarzane dane

oraz ci¹g rozkazÛw - tworz¹cy pro-

gram - by³y rozdzielone i†przechowy-

wane na odrÍbnych noúnikach infor-

macji. Przyk³adowo w†najbardziej doj-

rza³ej konstrukcji Niemca Konrada

Zusego ( fot. 1 ) V4 ( Versuchsmodell 4 )

z†1945 roku program by³ umieszczo-

ny na perforowanej taúmie filmowej

(ze wzglÍdu na jej wiÍksz¹ trwa³oúÊ

mechaniczn¹ niø taúmy papierowej)

i†z†niej kolejno by³y wczytywane

i†wykonywane instrukcje. Miejscem

przechowywania przetwarzanych da-

nych by³y 1024 rejestry przekaüniko-

Elektronika Praktyczna 12/2003

P O D Z E S P O Ł Y

10 sekund. Mimo tego

MARK-I by³ przez wiele lat

bardzo intensywnie wyko-

rzystywany, g³Ûwnie w†ame-

rykaÒskim programie atomo-

wym, pracuj¹c czÍsto po 24

godziny na dobÍ. Rozwi¹za-

nia konstrukcyjne stosowa-

ne w maszynach przekaüni-

kowych by³y pierwowzorem

wspÛ³czesnego modelu

architektonicznego, w ktÛ-

rym pamiÍci programu i da-

nych s¹ rozdzielone fizycz-

nie (czyli maj¹ oddzielne

magistrale i/lub sygna³y

steruj¹ce) oraz logicznie

(obs³ugiwane s¹ rÛønymi

instrukcjami). O tego typu

komputerach czy mikrokon-

trolerach mÛwi siÍ, øe maj¹

architekturÍ harwardzk¹,

wszakøe tylko wtedy, gdy

Rys. 3. Schemat blokowy komputera o architekturze

harwardzkiej

Fot. 1. Konrad Zuse przy

jednym ze swoich kompu−

terów

ra zaproponowa³ genialny

matematyk amerykaÒski po-

chodzenia wÍgierskiego,

John von Neumann. W ma-

szynie von Neumanna za-

rÛwno program, jak i dane

umieszczone s¹ w jednej

tylko, wspÛlnej pamiÍci. Te

dwa rodzaje informacji staj¹

siÍ wobec tego fizycznie

nierozrÛønialne, a ich iden-

tyfikacja nastÍpuje jedynie

poprzez miejsce, w ktÛrym

z†za³oøenia przeznaczo-

nym dla danych. Pozwala

to na dynamiczn¹

(ìw†bieguî) wymianÍ frag-

mentÛw†programu pod-

czas normalnej pracy

komputera, ³atwe jest teø

uruchamianie i†testowanie

nowych programÛw. Nie

ma ograniczenia na objÍ-

toúÊ kaødego z†blokÛw pa-

miÍci, istnieje tylko ogra-

niczenie globalne wynika-

j¹ce z†ca³kowitej pojem-

noúci pamiÍci. W†tej sa-

mej pamiÍci moøna albo

umieúciÊ wiÍkszy pro-

gram, operuj¹cy na nie-

wielkiej liczbie danych,

albo teø mniejszy program

i†duøo danych.

- Sta³e programowe (np.

tablica z†generatorem zna-

kÛw alfanumerycznych,

definiuj¹cym kszta³t zna-

kÛw na wyúwietlaczu)

mog¹ byÊ bez øadnych

problemÛw umieszczane

i†odczytywane (a†takøe

czasami modyfikowane)

z†pamiÍci programu przy

wykorzystaniu standardo-

wych rozkazÛw.

- W†najbardziej klasycznej

formie rejestry obs³uguj¹ce

urz¹dzenia wejúcia/wyjúcia

mog¹ byÊ traktowane jak

normalne komÛrki pamiÍ-

ci, z†pe³n¹ dostÍpnoúci¹

wszystkich rozkazÛw

i†trybÛw adresowania jed-

nostki centralnej.

- Budowa systemu, z†poje-

dynczymi magistralami

we o†d³ugoúci 32 bitÛw kaø-

dy. Maszyna Zusego po

wielu wojennych i†powo-

jennych perypetiach juø ja-

ko Z4 ( fot. 2 ) trafi³a do

Szwajcarii, gdzie j¹ z†powo-

dzeniem eksploatowano aø

do lat szeúÊdziesi¹tych.

Rozwi¹zania konstrukcyj-

ne zastosowanego przez Zu-

sego by³y efektywne tylko

w†powolnych urz¹dzeniach

przekaünikowych, w†ktÛrych

czas realizacji rozkazu by³

porÛwnywalny, czy teø na-

wet d³uøszy, od czasu

wczytywania go z†mecha-

nicznego noúnika. W†najbar-

dziej znanym i†pierwszym

w†USA komputerze przekaü-

nikowym MARK-I, zbudo-

wanym na Uniwersytecie

Harvarda i†oddanym do eks-

ploatacji w†1944 roku, czas

wykonania dodawania

2†liczb wynosi³ jedn¹ trze-

ci¹ sekundy, a†dzielenia aø

Klasyczne architektury komputerów

Komputery, w których pamięci programu

i danych są rozdzielone fizycznie (czyli mają

oddzielne magistrale i/lub sygnały sterujące)

oraz logicznie (obsługiwane są różnymi

instrukcjami) są nazywane komputerami

o architekturze harvardzkiej.

Z kolei architektura von Neumanna

charakteryzuje się tym, że zarówno program,

jak i dane umieszczone są w jednej, wspólnej

pamięci.

z†obu pamiÍciami moøliwa

jest rÛwnoczesna komunika-

cja. Koncepcja taka jest

obecnie czÍsto spotykana,

chociaø, poza niew¹tpliwy-

mi zaletami, wykazuje takøe

pewne wady.

W 1945 roku zupe³nie no-

watorsk¹ strukturÍ kompute-

we wspÛlnej pamiÍci s¹

umieszczone, a wiÍc przez

adres. W pocz¹tkowym

okresie idea von Neumanna

by³a doúÊ trudna realizacyj-

nie, wymagaj¹c znacznej

pojemnoúci pamiÍci, nieco

pÛüniej jednak dziÍki

swoim niew¹tpliwym zale-

tom opanowa³a na wiele lat

technikÍ komputerow¹. Tym

niemniej od kilku lat daje

siÍ zaobserwowaÊ doúÊ

wyraüne odejúcie od kla-

sycznej wersji koncepcji

von Neumanna oraz zwrot

w kierunku architektury

harwardzkiej.

Jakie s¹ wobec tego naj-

waøniejsze cechy kaødego

z††rozwi¹zaÒ?

Fot. 2. Komputer Z4

Von Neumann

- Program moøe byÊ

umieszczony (i†urucho-

miony) w†dowolnym ob-

szarze pamiÍci, takøe

Rys. 4. Schemat blokowy

komputera o architekturze

von Neumanna

Elektronika Praktyczna 12/2003

P O D Z E S P O Ł Y

obs³uguj¹cymi obie pa-

miÍci, staje siÍ zdecydo-

wanie prostsza, a†uk³ady

scalone maj¹ mniej wy-

prowadzeÒ.

- Wykonanie pojedynczego

rozkazu wymaga zwykle

wykonania kilku operacji

na pamiÍci.

wskazuje, czÍúÊ operacyjna

okreúla rodzaj operacji, jak¹

ma dany rozkaz wykonaÊ

(np. dodanie dwÛch argu-

mentÛw albo przes³anie za-

wartoúci jednej z†komÛrek

pamiÍci do innej). Liczba

stosowanych w†praktyce

operacji nie jest zbyt duøa,

rzÍdu kilkudziesiÍciu, i†bez

problemÛw da siÍ zakodo-

waÊ na niewielkiej liczbie

bitÛw. Pojedynczy bajt, czy-

li uporz¹dkowanych 8†bi-

tÛw, wystarcza zazwyczaj

z†zapasem. Rozkazy dzia³aj¹

jednak na jakichú argumen-

tach i†w†wyniku ich realiza-

cji powstaj¹ wyniki (argu-

menty i†wyniki nosz¹ na-

zwÍ operandÛw). Wieloargu-

mentowe operacje zawsze

moøna sprowadziÊ do ci¹gu

operacji co najwyøej dwuar-

gumentowych, dlatego, ze

wzglÍdu na d¹ønoúÊ do

maksymalnej prostoty przy

zachowaniu dostatecznej

uniwersalnoúci, niezmiernie

rzadko (ale jednak) spotyka-

ne s¹ instrukcje operuj¹ce

na liczbie argumentÛw

wiÍkszej od dwÛch. Tak

wiÍc w†najbardziej ogÛlnym

przypadku rozkaz powinien

zawieraÊ kod operacji KO

( rys. 5 ) oraz adresy wszyst-

kich operandÛw, a†zatem

adres pierwszego argumentu

AS1, adres drugiego argu-

mentu AS2 oraz adres ko-

mÛrki pamiÍci, do ktÛrej

naleøy wys³aÊ wynik AD.

Takie maszyny nazywane

s¹ trzyadresowymi. Nawia-

sem mÛwi¹c, istnieje jesz-

cze bardziej ogÛlna struktu-

ra rozkazu, zawieraj¹ca ko-

lejne pole adresowe: adres

komÛrki pamiÍci programu,

z†ktÛrej ma zostaÊ pobrany

i†wykonany nastÍpny roz-

kaz. Koncepcja taka naleøy

na razie do egzotycznych.

Powszechnie s¹ stosowane

raczej znacznie prostsze

maszyny sekwencyjne,

a†wiÍc takie, w†ktÛrych na-

Harvard

- D³ugoúci s³owa pamiÍci

programu i†danych mog¹

byÊ i†zazwyczaj bywaj¹

rÛøne - np. dane s¹ 8-bi-

towe, a†s³owo pamiÍci

programu 16-bitowe.

- Istnieje potencjalna moøli-

woúÊ rÛwnoczesnej komu-

nikacji jednostki centralnej

z†obu pamiÍciami.

To w³aúnie ta ostatnia za-

leta nabiera ostatnio decy-

duj¹cego znaczenia. Jeøeli

konstrukcja jednostki cent-

ralnej pozwala na odczyt

nowego rozkazu z†pamiÍci

programu jeszcze podczas

transferu operandÛw nie-

zbÍdnego dla realizacji po-

przedniej instrukcji, wyko-

nanie programu jest zdecy-

dowanie szybsze, szczegÛl-

nie, gdy kompletny rozkaz

mieúci siÍ w†pojedynczym

s³owie pamiÍci. Wada zwi¹-

zana z†niemoønoúci¹ prze-

chowywania sta³ych i†tablic

w†pamiÍci programu bywa

eliminowana przez wprowa-

dzenie specjalnych rozka-

zÛw przenoszenia danych,

operuj¹cych na pamiÍci

programu.

W†praktyce czÍsto spoty-

kane s¹ architektury miesza-

ne, niebÍd¹ce øadn¹ z†po-

przednich w†stanie ìczys-

tymî. Typowym przyk³adem

jest mikrokontroler 8051.

Maszyny jedno-,

dwu- oraz

trzyadresowe i†tryby

adresowania

Kaødy rozkaz komputera

musi zawieraÊ kompletny

zestaw informacji pozwala-

j¹cy na jego poprawn¹ in-

terpretacjÍ i†wykonanie. In-

formacje te dzieli siÍ na

dwie zasadnicze czÍúci:

czÍúÊ†operacyjn¹ i†czÍúÊ ad-

resow¹. Jak sama nazwa

Rys. 5. Format rozkazu

trzyadresowego i jego

pola informacyjne

Elektronika Praktyczna 12/2003

P O D Z E S P O Ł Y

stÍpny w†kolejnoúci realiza-

cji rozkaz pobierany jest po

prostu z†nastÍpnej komÛrki

pamiÍci programu - dodat-

kowy adres staje siÍ wtedy

zbÍdny (wyj¹tek stanowi¹

tylko specjalne rozkazy sko-

kÛw). Warto jednak zauwa-

øyÊ, øe w†systemach wielo-

procesorowych odejúcie od

sekwencyjnoúci pozwala na

wyraüne poprawienie efek-

tywnoúci realizacji ca³ego

programu, jednakøe kosztem

zdecydowanego powiÍksze-

nia trudnoúci w†tworzeniu

oprogramowania. Maszyny

trzyadresowe pozwalaj¹ na

uzyskanie zwartego progra-

mu, w†szczegÛlnoúci niemal

zbÍdne staje siÍ stosowanie

instrukcji przenoszenia da-

nych. Wykazuj¹ jednak is-

totn¹ wadÍ - czÍúÊ adreso-

wa staje siÍ bardzo d³uga,

rozkaz zajmuje w†pamiÍci

duøo miejsca, a†jego skom-

pletowanie i†wykonanie po-

ch³ania sporo czasu. Wyjaú-

niÊ to moøe przyk³ad pros-

tego hipotetycznego mikro-

procesora trzyadresowego,

o†8-bitowym s³owie pa-

miÍciowym i†16-bitowym

adresie. Pojedynczy rozkaz

dwuargumentowy musi

sk³adaÊ siÍ z†7†bajtÛw

(1†bajt to kod operacji,

a†6†bajtÛw to 3†adresy), jego

pobranie wymaga zatem

7†dostÍpÛw do pamiÍci. Do

jego wykonania jest jeszcze

konieczny odczyt 2†argu-

mentÛw oraz zapis wyniku

do pamiÍci, czyli dodatko-

we 3†cykle komunikacji

z†pamiÍci¹ - razem aø 10.

Z†tego powodu maszyny 3-

adresowe spotykane s¹ bar-

dzo rzadko wúrÛd prostych

mikroprocesorÛw, stanowi¹

natomiast naturalne rozwi¹-

zane w†duøych maszynach,

w†ktÛrych ca³y, d³ugi roz-

kaz mieúci siÍ w†jednym

lub co najwyøej 2†s³owach

pamiÍciowych.

Aby skrÛciÊ czÍúÊ adreso-

w¹, moøna zmniejszyÊ licz-

bÍ pÛl adresowych, ograni-

czyÊ w†jakiú sposÛb ich

d³ugoúÊ albo teø zastosowaÊ

oba rozwi¹zania rÛwnoczeú-

nie. Najproúciej usun¹Ê

trzeci adres (wyniku). W†re-

zultacie wynik jest transfe-

rowany do domyúlnego,

z†gÛry okreúlonego miejsca.

NajczÍúciej jest wpisywany

w†miejsce jednego z†argu-

mentÛw powoduj¹c†tym sa-

mym jego zniszczenie. Zwy-

czajowo jest to pierwszy

z†argumentÛw, ale spotyka-

ne s¹ teø rozwi¹zania,

w†ktÛrych argument zastÍ-

powany wynikiem moøna

wybieraÊ. W†takiej sytuacji

poza kodem operacji i†dwo-

ma adresami argumen-

tÛw†w†rozkazie musi poja-

wiÊ siÍ ta dodatkowa infor-

UsuniÍcie kolejnego pola

adresowego z†rozkazu pro-

wadzi do maszyny jednoad-

resowej, w†ktÛrej w†rozka-

zie wskazaÊ moøna tylko

jeden z†argumentÛw opera-

cji. ZarÛwno drugi argu-

ment jak i†wynik musz¹

byÊ adresowane w†sposÛb

domyúlny (implikowany).

W†tym celu wprowadza siÍ

specjalny, wyrÛøniony re-

jestr zwi¹zany z†jednostk¹

arytmetyczno-logiczn¹, zwa-

ny akumulatorem, ktÛry za-

wiera drugi argument ope-

racji i†do ktÛrego wpisywa-

ny jest wynik po jej wyko-

maj¹ jednak przy tym nie-

zaprzeczaln¹ zaletÍ - s¹

bardzo proste, a†przez to

i†tanie. Pewn¹, doúÊ wyraü-

n¹ poprawÍ funkcjonalnoú-

ci moøna uzyskaÊ, jeøeli is-

tnieje moøliwoúÊ wyboru

umieszczania wyniku albo

w†akumulatorze, albo

w†miejscu adresowanego

argumentu. Takie mikropro-

cesory nazywane bywaj¹

pÛ³toraadresowymi. Przy-

k³adem mog¹ byÊ tu mikro-

kontrolery PIC. Z†kolei

doúÊ typowym przyk³adem

mikrokontrolera jednoadre-

sowego z†nieznacznym od-

chyleniem w†stronÍ pÛ³to-

raadresowoúci jest '51.

Inn¹ moøliwoúÊ ograni-

czenia d³ugoúci czÍúci adre-

sowej rozkazu stwarza skra-

canie pÛl adresowych, przy

zachowaniu oczywistej zasa-

dy jednoznacznego wskazy-

wania po³oøenia operandu

w†pamiÍci. Osi¹ga siÍ to

poprzez stosowanie rÛønych

trybÛw adresowania.

Najbardziej oczywistym

trybem adresowania jest

adresowanie bezpoúrednie

( rys. 6 ), w†ktÛrym pole ad-

resowe rozkazu zawiera po

prostu adres operandu. Jed-

n¹ z†wad tego trybu, poza

d³ugoúci¹†pola adresowego,

jest fakt, øe adres ten jest

sta³y i†nie moøna go w†pro-

gramie zmieniaÊ (nie moøe

byÊ zatem wyliczany). Jeøe-

li - przyk³adowo - naleøy

zwiÍkszyÊ o†jeden zawar-

toúÊ 100 kolejnych komÛrek

pamiÍci, to w†takim trybie

adresowania naleøy w†pro-

gramie 100-krotnie umieú-

ciÊ instrukcjÍ inkrementa-

Symetria i ortogonalność jednostki

centralnej

Przez symetrię rozumiane jest równoupraw−

nienie wszystkich rejestrów jednostki

centralnej i ich dostępność dla wszystkich

funkcji.

Ortogonalność to dostępność wszystkich

zaimplementowanych w danej jednostce

centralnej trybów adresowania we wszystkich

instrukcjach i dla wszystkich operandów.

macja, nazywana modyfika-

torem adresu. OgÛlnie rzecz

ujmuj¹c, modyfikator adresu

determinuje sposÛb inter-

pretacji przez jednostkÍ

centraln¹ czÍúci adresowej

rozkazu. Maszyny dwuadre-

sowe pod wzglÍdem funk-

cjonalnym s¹ niemal rÛw-

nowaøne trzyadresowym,

przy wyraünie krÛtszej czÍú-

ci adresowej. Jest to obec-

nie najczÍúciej stosowane

rozwi¹zanie w†mikroproce-

sorach i†mikrokontrolerach

úredniej, ale jednak nie naj-

wyøszej klasy.

naniu. D³ugoúÊ rozkazu

ulega radykalnemu skrÛce-

niu, ale w†programie poza

rozkazami zwi¹zanymi bez-

poúrednio z†realizacj¹ algo-

rytmu obliczeÒ pojawiaj¹

siÍ bardzo liczne rozkazy

transferu operandÛw po-

miÍdzy akumulatorem i†pa-

miÍci¹. Powoduje to wzrost

stopnia komplikacji progra-

mu, powiÍksza jego roz-

miar i†wyd³uøa czas wyko-

nania, a†intensywnie wyko-

rzystywany akumulator

tworzy w¹skie ìgard³oî.

Maszyny jednoadresowe

Rys. 6. Adresowanie bezpośrednie Rys. 7. Adresowanie pośrednie

Elektronika Praktyczna 12/2003

P O D Z E S P O Ł Y

cji, za kaødym razem ope-

ruj¹c¹ na innym adresie.

Aø siÍ prosi, aby pojedyn-

cz¹ instrukcjÍ powtarzaÊ

w†pÍtli 100 razy, zmienia-

j¹c przy tym wraz z†kolej-

nymi obiegami pÍtli adres

argumentu. Czas wykonania

takiego fragmentu programu

co prawda siÍ nie zmniej-

szy (a nawet wyraünie po-

wiÍkszy), ale program bÍ-

dzie zawiera³ tylko kilka

instrukcji zamiast stu.

Wyliczanie adresu ope-

randu umoøliwia adresowa-

nie poúrednie ( rys. 7 ),

w†ktÛrym pole adresowe

rozkazu nie zawiera bezpo-

úrednio adresu operandu,

a†jest jedynie poúrednim

wskaünikiem miejsca,

w†ktÛrym tego adresu nale-

øy poszukiwaÊ (jest to wiÍc

jakby adres adresu). Miejs-

cem tym moøe byÊ pamiÍÊ

(rzadziej, raczej w†rozwi¹-

zaniach wyøszej klasy) albo

wyrÛøniony rejestr jednost-

ki centralnej. W†tym ostat-

nim, dominuj¹cym w†pros-

tych mikroprocesorach

przypadku, uzyskuje siÍ

przy okazji radykalne

zmniejszenie d³ugoúci pola

adresowego, bo rejestrÛw

s³uø¹cych do adresowania

poúredniego jest zazwyczaj

niewiele i†do ich rozrÛønie-

nia wystarcza kilka bitÛw.

W†mikrokontrolerach '51 do

adresowania poúredniego 8-

bitowego s³uø¹ wy³¹cznie

rejestry R0 i†R1 (pole adre-

sowe skraca siÍ zatem do

jednego bitu), a†do adreso-

wania 16-bitowego przezna-

czono tylko jeden rejestr

DPTR (pole adresowe

w†ogÛle znika, ale pozosta-

je oczywiúcie modyfikator

adresu!). W†PIC-ach do ad-

resowania poúredniego

przeznaczono tylko jeden

rejestr-fantom. W†AVR-ach

s¹ to trzy pary rejestrÛw X,

Y, Z. W†MSP430 kaødy

z†rejestrÛw moøe byÊ

wskaünikiem adresowym.

Z†punktu widzenia progra-

misty im wiÍcej istnieje re-

jestrÛw†do adresowania po-

úredniego, tym lepiej.

Z†punktu widzenia kon-

struktora mikroprocesora

jest dok³adnie odwrotnie.

Adresowanie poúrednie

znalaz³o bardzo szerokie za-

stosowanie w†technice kom-

puterowej i†ma liczne od-

miany. Moøe teø byÊ ³¹czo-

ne z†innymi trybami adreso-

wania, w†szczegÛlnoúci

wzglÍdnym. Zalet¹ - poza

moøliwoúci¹ wyliczania ad-

resu - jest krÛtkie pole ad-

resowe rozkazu. Jeøeli rejes-

try adresowe maj¹ wystar-

czaj¹c¹ d³ugoúÊ, to moøliwe

jest zaadresowanie dowolnej

komÛrki pamiÍci. Wad¹ jest

to, øe†do rejestru naleøy

Elektronika Praktyczna 12/2003

Mikroprocesor - nie zawsze znaczy to samo_1.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: