1. Классификация микропроцессоров

Микропроцессор— процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем.

Структура простейшего МП:

Бурное развитие техники микропроцессорных систем привело к расширению типов МП и требований, предъявляемых к ним. Сформировалось несколько типов микропроцессорных систем и микропроцессоров, различающихся назначением, мощностью, универсальностью, быстродействием и структурными отличиями.

По назначению МП можно разделить на универсальные и специализированные. Универсальные МП характеризуются алгоритмическим универсальным набором команд, с помощью которого можно реализовать практически любой алгоритм, и используются для решения широкого круга задач. Производительность таких МП ввиду избыточности набора команд и универсальности не высока и слабо зависит от специфики решаемой задачи,однако, цена МП из-за огромной популярности и высоких тиражей производства достаточно быстро снижается. Специализированные МП предназначены для решения какой-то отдельной задачи или группы близких задач, определенного круга задач, их особенность – малая потребляемая мощность, компактность, быстродействие, надежность. Система команд таких МП имеет минимально необходимый набор, позволяющий эффективно решать поставленные задачи. Это обеспечивает более простую архитектуру и высокое быстродействие. Область применения – управляющие микроконтроллеры для работы во встроенных системах реального времени, специализированные устройства для сложной обработки видео-, аудио- информации, математической обработки и т.п. Ярким примером специализированного МП может служить (микро)процессор для цифровой обработки сигналов (ПЦОС) – DSP (Digital Signal Processor) [3]. Особенностью работы DSP является поточный характер обработки больших объемов данных в реальном масштабе времени и, как правило, с интенсивным обменом данных с внешними устройствами.

По сложности архитектуры и набору команд можно разделить мп с cisc- и risc-архитектурой.

RISC – Reduced (Restricted) Instruction Set Computer - процессоры (компьютеры) с сокращенной системой команд. Эти процессоры обычно имеют набор однородных регистров универсального назначения, причем их число может быть большим. Система команд отличается относительной простотой, коды инструкций имеют четкую структуру, как правило, с фиксированной длиной. В результате аппаратная реализация такой архитектуры позволяет с небольшими затратами декодировать и выполнять эту инструкцию за минимальное (в пределе 1) число тактов синхронизации. CISC – Complete Instruction Set Computer - процессоры (компьютеры) с полным набором инструкций, к которым относится и семейство х86. Состав и назначение их регистров существенно неоднородны, широкий набор команд усложняет декодирование инструкций, на что расходуются аппаратные ресурсы. Возрастает число тактов, необходимое для выполнения инструкций. Процессоры х86 имеют самую сложную в мире систему команд.

По количеству кристаллов (СБИС) МП могут быть выполнены на одном кристалле и многокристальные. Однокристальные МП в своей структуре могут содержать одно ядро или несколько ядер, в последнем случае появляется возможность распараллелить вычислительный процесс и организовать конвейеризацию при обработке данных, что повышает производительность МП. Многокристальные МП реализуются на базе на 2-х и более СБИС. Этот подход целесообразен при требовании к определенному числу разрядов обрабатываемых данных в МС, не кратной степени двойки, тогда из определенного количества секций МП набирается нужная разрядность МС. По способу управления МП могут иметь аппаратно-реализованное устройство управления (жесткая логика) и микропрограммное управление. Первые – имеют неизменяемую систему команд, как правило, это универсальные однокристальные МП. По возможности прерывания МП могут не иметь прерываний, иметь одно единственное прерывание, или может быть реализовано многоуровневое прерывание. Многоуровневые прерывания используются в системах реального времени, прерывания разделяются по приоритету и допустимо вложение прерываний.

4. Архитектура микропроцессорных систем. Структура памяти.

Архитектура микропроцессорной системы отражает принципы построения, логическую организацию, программное управление и взаимодействие основных узлов: 1.структура памяти;2. способы доступа к памяти и внешним устройствам; 3.возможность изменения конфигурации МС;4. система команд центрального МП;

5.форматы данных; 6.организация интерфейса.

Таким образом, архитектура – это программно-аппаратная модель МС. Под микроархитектурой понимается внутренняя реализация этой модели. Для одной и той же архитектуры разными фирмами и в разных поколениях применяются существенно различные микроархитектурные реализации, при этом, естественно, стремятся к максимальному повышению производительности (скорости исполнения программ).

5. Структура микропроцессора. Арифметико-логическое устройство. Регистры процессора.

Арифметико-логическое устройство предназначено для обработки информации в соответствии с полученной процессором командой. Примерами обработки могут служить логические операции (типа логического "И", "ИЛИ", "Исключающего ИЛИ" и т.д.) то есть побитные операции над операндами, а также арифметические операции (типа сложения, вычитания, умножения, деления и т.д.). Над какими кодами производится операция, куда помещается ее результат – определяется выполняемой командой. Если команда сводится всего лишь к пересылке данных без их обработки, то АЛУ не участвует в ее выполнении. Рассмотрим порядок исполнения инструкций обработки данных – выполнения арифметических или логических функций. Во многих случаях инструкция работает с парой операндов – операндом назначения dest (destination) и операндом-источником src (source). Традиционная схема действия инструкции: dest = F (dest, srс), где F - некоторая функция от двух переменных. Это означает, что при выполнении инструкции процессор извлекает из указанных в инструкции мест (регистр, память, константа в самой инструкции) пару двоичных чисел, и результат действия над ними записывает на место одного из них (dest). Для выполнения той же функции над следующей парой чисел требуется повторное исполнение инструкции, но уже с другой парой операндов. Быстродействие АЛУ во многом определяет производительность процессора. Причем важна не только частота тактового сигнала, которым тактируется АЛУ, но и количество тактов, необходимое для выполнения той или иной команды. Для повышения производительности разработчики стремятся довести время выполнения команды до одного такта, а также обеспечить работу АЛУ на возможно более высокой частоте. Один из путей решения этой задачи состоит в уменьшении количества выполняемых АЛУ команд, создание процессоров с уменьшенным набором команд (так называемые RISC-процессоры). Другой путь повышения производительности процессора – использование нескольких параллельно работающих АЛУ.

Что касается операций над числами с плавающей точкой и других специальных сложных операций, то в системах на базе первых процессоров их реализовали последовательностью более простых команд, специальными подпрограммами, однако затем были разработаны специальные вычислители – математические сопроцессоры, которые заменяли основной процессор на время выполнения таких команд. В современных микропроцессорах математические сопроцессоры входят в структуру как составная часть.Регистры процессора представляют собой по сути ячейки очень быстрой памяти и служат для временного хранения различных кодов: данных, адресов, служебных кодов. Операции с этими кодами выполняются предельно быстро, поэтому, в общем случае, чем больше внутренних регистров, тем лучше. Кроме того, на быстродействие процессора сильно влияет разрядность регистров. Именно разрядность регистров и АЛУ называется внутренней разрядностью процессора, которая может не совпадать с внешней разрядностью. По отношению к назначению внутренних регистров существует два основных подхода. Первого придерживается, например, компания Intel, которая каждому регистру отводит строго определенную функцию. С одной стороны, это упрощает организацию процессора и уменьшает время выполнения команды, но с другой – снижает гибкость, а иногда и замедляет работу программы. Например, некоторые арифметические операции и обмен с устройствами ввода/вывода проводятся только через один регистр – аккумулятор, в результате чего при выполнении некоторых процедур может потребоваться несколько дополнительных пересылок между регистрами. Второй подход состоит в том, чтобы все (или почти все) регистры сделать равноправными, как, например, в 16-разрядных процессорах Т-11 фирмы DEC. При этом достигается высокая гибкость, но необходимо усложнение структуры процессора.