Вопрос 1. Характеристики микропроцессоров

Процессор, реализованный в виде одной или нескольких БИС, называется микропроцессором.

q Микропроцессор (МП) - функционально законченное программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки данных и управления процессом этой обработки, выполненное в виде одной или нескольких БИС.

q Микропроцессорная система (МС) - цифровое устройство или цифровая система (система обработки данных, контроля и управления), построенная на базе одного или нескольких МП.

q Микропроцессорная БИС - интегральная микросхема, выполняющая функцию МП или его части. По существу - это БИС с процессорной организацией, разработанная для построения микросистем. МП БИС относятся к особому классу микросхем, одной из особенностей которого является возможность программного управления БИС с помощью определенного набора команд.

Кроме МП БИС существуют также интегральные схемы, выполняющие функции памяти и интерфейсов периферийных устройств. Следовательно, микроЭВМ можно представить в виде БИС микропроцессора, памяти и периферийных устройств (рис. 1). Такая ЭВМ называется микроЭВМ.

Рис. 1

q МикроЭВМ - система обработки данных, содержащая одну или несколько МП БИС, кристаллы памяти (ПЗУ и ОЗУ), интерфейсов периферийных устройств, а также некоторые другие схемы.

q Микропроцессорный комплект (семейство, набор) (МПК) - совокупность МП и других микросхем, совместимых по конструктивно-технологическому исполнению и предназначенных для совместного применения при построении МП, микроЭВМ и микросистем.

Все устройства микроЭВМ (ЦП, память, интерфейсы) можно объединить в один чип. Такая микроЭВМ называется однокристальной.

q Однокристальная микроЭВМ - микроЭВМ, выполненная в виде одной БИС.

Однокристальные микроЭВМ широко используются для управления различной аппаратурой и оборудованием, например в бытовых приборах. Такие микроЭВМ называются микроконтроллерами.

q Микроконтроллер - однокристальная микроЭВМ с небольшими вычислительными ресурсами и упрощенной системой команд, ориентированная на выполнение процедур логического управления различным оборудованием (а не на производство вычислений). Особенностью микроконтроллеров является расширенная реализация периферийных средств на кристалле.

Размещая на одной плате несколько кристаллов, можно получить микроЭВМ с достаточно большими вычислительными ресурсами. Такая микроЭВМ называется одноплатной микроЭВМ.

q Одноплатная микроЭВМ - микроЭВМ, выполненная в виде одной печатной платы и предназначенная для встраивания в различную радиоэлектронную аппаратуру.

q Микропроцессорные средства - МПК БИС, однокристальные и одноплатные микроЭВМ.

Архитектура МП ориентирована на достижение универсальности применения, высокой производительности и технологичности.

Универсальность (возможность разнообразного применения) МП определяется их широкими функциональными возможностями и обеспечивается

q программным управлением, позволяющим производить программную настройку МП на выполнение определенных функций;

q гибкой системой команд и разнообразием способов адресации;

q магистрально-модульным принципом построения;

q специальными аппаратно-логическими средствами: регистровая память, виртуальная память, многоуровневая система прерываний, прямой доступ к памяти и т.п.

Относительно высокая производительность МП достигается использованием для их построения быстродействующих БИС и СБИС и специальных архитектурных решений, таких как регистровая память, кэш-память, конвейерная обработка, суперскалярная архитектура, предсказание переходов, механизм динамического выполнения команд и т.п.

Технологичность микропроцессорных средств обеспечивается модульным принципом конструирования, который предполагает реализацию этих средств в виде набора функционально законченных БИС, просто объединяемых в соответствующие вычислительные устройства, машины и системы.

Кроме перечисленных выше трех основных особенностей, исключительно широкое применение МП в различных цифровых устройствах и системах обеспечивается также

q низкой стоимостью;

q небольшими размерами;

q малой мощностью потребления;

q высокой надежностью и большой устойчивостью к неблагоприятным внешним воздействиям.

МП характеризуется очень большим числом параметров и качеств, поскольку он, с одной стороны функционально является сложным программно-управляемым цифровым процессором, т.е. устройством ЭВМ, а с другой - БИС, т.е. электронным прибором. Поэтому для МП важны такие качества и параметры, как

q тип микроэлектронной технологии, проектные нормы и число слоев металлизации (проектные нормы определяют минимальные топологические размеры элементов, что, в свою очередь, определяет количество транзисторов, размещаемых на кристалле МП, и максимальную рабочую частоту МП);

q количество кристаллов, образующих МП;

q площадь кристалла и количество транзисторов на кристалле;

q тип корпуса;

q разрядность МП;

q быстродействие МП (рабочая частота; число одновременно декодируемых инструкций; число команд, запускаемых на выполнение за один такт; время выполнения команд);

q размер адресуемой памяти;

q наличие и размер кэш-памяти;

q наличие арифметического сопроцессора

q число входящих в микропроцессорный набор дополнительных БИС и выполняемые ими функции;

q система команд (количество команд, выполняемые операции, способы адресации, наличие команд обработки бит, чисел с плавающей запятой, десятичной арифметики);

q форматы данных;

q типы и число уровней прерывания;

q возможность прямого доступа к памяти;

q пропускная способность интерфейса ввода - вывода (частота и разрядность системной шины);

q количество и уровни питающих напряжений;

q требования к синхронизации;

q параметры используемых сигналов;

q потребляемая мощность;

q помехоустойчивость;

q нагрузочная способность;

q надежность и т.д.

Вопрос 2. Классификация микропроцессоров

По числу кристаллов, образующих МП, различают МП

q однокристальные с фиксированной разрядностью и системой команд;

q многокристальные с фиксированной разрядностью и системой команд;

q многокристальные с разрядно-модульной организацией (секционные микропрограммируемые).

Однокристальные МП получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (на одном кристалле).

Многокристальный МП получается путем разбиения структуры процессора на функционально законченные части и реализации их в виде отдельных БИС или СБИС (нескольких кристаллов). Функциональная законченность БИС многокристального МП означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно, а для построения полного процессора не требуется организации большого количества новых связей и каких-либо других микросхем. Например, все аппаратные блоки процессора ЭВМ можно распределить между тремя основными функциональными частями: операционной, управляющей и интерфейсной и реализовать МП в виде трех кристаллов (рис. 2, а).

Многокристальные разрядно-модульные МП получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями (рис. 2, б). Многоразрядный МП реализуется параллельным включением микропроцессорных секций с помощью дополнительных средств стыковки. При этом требуется большое количество дополнительных аппаратных средств, не реализуемых в доступных БИС. Поэтому, как правило, логическую структуру МП разбивают еще горизонтальными плоскостями. В результате микропроцессорная секция - это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных (как правило 2, 4, 8) или выполнения определенных управляющих операций. Секционность МП определяет возможность наращивания разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройства управления МП при параллельном включении большого числа БИС. Для обеспечения заданной разрядности обрабатываемых слов микропроцессор составляется из соответствующего количества одинаковых кристаллов МП секций, объединенных микропрограммным управляющим блоком, реализованным на отдельных БИС. Микропрограммируемые многокристальные МП обеспечивают большую гибкость в достижении нужных пользователю характеристик проектируемого МП устройства или системы, предоставляя возможность задавать специализированную систему команд, ориентированную на определенное применение, даже на определенные процедуры обработки данных. Однако при этом пользователь должен разработать микропрограммы, реализующие эти команды, и занести их в управляющую память МП. Использование микропрограммируемых МП связано с определенными трудностями, требует от разработчика довольно высокой квалификации в вопросах проектирования вычислительных средств. Поэтому наиболее широко распространенными микропроцессорами являются различные варианты МП с фиксированной разрядностью и системой команд.

а) б)

Рис. 2

По назначению различают МП

q универсальные;

q специализированные.

Универсальные МП - такие МП, в архитектуре набора команд которых заложена алгоритмическая универсальность. Алгоритмическая универсальность означает, что выполняемый МП набор команд позволяет получить преобразование информации в соответствии с любым заданным алгоритмом. Универсальные МП могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной ориентации решаемых задач.

Специализированные МП предназначены для решения определенного класса задач или одной конкретной задачи. Проблемная ориентация таких МП направлена на ускоренное выполнение определенных функций и позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач. Примером таких МП являются процессоры для цифровой обработки сигналов – DSP процессоры (Digital Signal Processor) или ЦСП (цифровые сигнальные процессоры).

По типу набора команд (по типу архитектуры набора команд) различают МП

q реализованные на базе архитектуры, называемой компьютером со сложным (полным, расширенным) набором команд (CISC – Complex Instruction Set Computer) - МП с CISC-архитектурой или CISC-микропроцессоры;

q реализованные на базе архитектуры, называемой компьютером с сокращенным набором команд (RISC – Reduced Instruction Set Computer) - МП с RISC-архитектурой или RISC-микропроцессоры.

CISC-процессоры поддерживают широкий набор реализованных аппаратно (жестко «зашитых») инструкций, включая сложные команды. Многие из них, например команду умножения, принципиально трудно «прошивать»: для их реализации требуется большое количество транзисторов, а для выполнения - значительное число тактов. Состав и назначение регистров таких МП существенно неоднородны, широкий набор команд усложняет декодирование инструкций, на что расходуются дополнительные аппаратные ресурсы и такты. В результате в CISC-процессорах число тактов, необходимое для выполнения команд, относительно велико.

RISC-процессоры - это МП, имеющие меньший и более простой набор команд. В архитектуре данного типа отсутствуют сложные инструкции. Сложные инструкции создаются из более простых, реализуются не в аппаратном, а в программном обеспечении с помощью компилятора, который преобразует программу на языке высокого уровня в программу, состоящую из простых команд. В результате уменьшается количество аппаратных средств, необходимых для декодирования и реализации сложных команд, что позволяет снизить сложность процессора и его стоимость, повысить эффективность его работы, скорость выполнения программы.

Отличительными чертами RISC-архитектуры являются:

· сокращенный набор относительно простых команд;

· однородный набор регистров универсального назначения;

· уменьшенный фиксированный формат команды;

· большинство операций имеет характер регистр-регистр, а обращения к памяти происходят только для выполнения простых операций загрузки в регистры и занесения в память;

· относительная простота процессора делает возможным размещение на кристалле большего числа регистров;

· высокая степень конвейеризации вычислений, что позволяет выполнять большинство команд набора за один такт.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают МП

q цифровые;

q аналоговые.

Сами МП - цифровые устройства, однако они могут иметь встроенные аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи. В этом случае входные аналоговые сигналы передаются в МП через АЦП в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования ЦАП в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие МП представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми МП.

По характеру временной организации работы различают МП

q синхронные;

q асинхронные.

В синхронных МП начало и конец выполнения операций задаются устройством управления с помощью сигналов тактовой частоты. В асинхронных МП начало выполнения каждой следующей операции определяется по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.

Дата добавления: 2014-01-13