2. Mikroprocesoriai. Pagrindinės techninės charakteristikos

Mikroprocesorius yra pagrindinis SVS elementas, kuris koordinuoja atskirų sistemos elementų darbą ir vykdo bendrąją valdymo funkciją. MP veikia pagal programą, kuri saugoma atmintyje. Programa susideda iš nuoseklios komandų (instrukcijų) sekos. Kiekvienas MP turi tik jam būdingą komandų rinkinį (komandų sistemą), kiekviena iš kurių atmintyje gali turėti nuo 1 iki 5 baitų ilgį. MP skaito komandas iš eilės, jas dešifruoja, kuria valdymo signalus, kurie naudojami vidiniams MP ir išoriniams sistemos elementams valdyti. MP valdo visus duomenų mainus ir atlieka aritmetines bei logines operacijas.

MP charakterizuojamas šiomis pagrindinėmis techninėmis charakteristikomis:

1. MP tipas (vienkristaliai, daugiakristaliai).

2. MP gamybos technologija. Nuo jos priklauso MP greitaeigiškumas, suderinamumas su kitų tipų MP ir DIG, MP kaip DIG elementų integracijos laipsnis (elementų kiekis kristale), suvartojamos elektros energijos kiekis (išsiskiria šilumos pavidale).

3. MP informacinio (duomenų) žodžio ilgis. Tai dvejetainio kodo bitų (skilčių) skaičius, kurį vienu metu gali apdoroti MP. Gali būti: 2, 4, 8, 16, 32, 64. MPS plačiai naudojamį 8 skilčių (1 baitas) MP. Vienkristaliams MP informacinio žodžio ilgis fiksuotas, sekcijiniams gali būti keičiamas.

4. MP adresų magistralės linijų (skilčių) skaičius. Ši charakteristika nustato atminties ląstelių arba įvesties ir išvesties įrenginių skaičių, kurį gali naudoti MP: M= 2^m, čia M – atminties ląstelių ar įvesties ir išvesties įrenginių skaičių; m – adresų magistralės linijų (skilčių) skaičius. Dažniausiai m = 16, tada M = 2¹⁶ = 65536 arba M = 64K, čia K=1024.

5. MP greitaveika matuojamas:

• paprasčiausios operacijos (pvz.duomenų persiuntimo iš vieno registro į kitą) laiku;

• operacijų skaičiumi, atliekamu per 1sek.

MP greitaveika priklauso nuo gamybos technologijos, taktinio dažnio ir architektūros. Kiekvienam MP nurodomas ribinis taktinis dažnis.

6. Maitinimo įtampa ir suvartojama galia. Ši charakteristika parodo kiek ir kokių įtampų reikia MP maitinti, kokia galią sunaudoja MP. Pvz.: I8080 naudoja -5V, +5V, +12V (3 šaltiniai), o I8085 – tik +5V (1 šaltinis). Suvartojama galia neviršija 2W.

7. MP darbo aplinkos sąlygos: temperatūrų diapazonas (-60°C ... +125°C); drėgmė (santykinė drėgmė procentais); vibracijų diapazonas (matuojamas pagreičiu g = 9,8 m/s²), atsparumas įvairioms spinduliuotėms.

Viena iš svarbiausiųjų šiuolaikinių SVS vystymosi tendencijų yra greitaveikos didėjimas. Greitaveika didinama, tobulinant technines ir programines priemones.

Svarbiausiojo elemento MP greitaveikai didinti naudojama [2, 4]:

• konvejerinis apdorojimas;

• atsargos (keš) atmintis;

• persidengiantys registrų langai;

• valdymas ir sinchronizacija.

Konvejerinis apdorojimas tai būdas komandų veikimui spartinti, skaidant veiksmą į atskirus segmentus, kurie vykdomi lygiagrečiai. Kiekvienas segmentas dažniausiai sudarytas iš loginės kombinacinės grandinės, atskirtos nuo kitų schemų registru. Šis apdorojimo būdas taikomas komandoms (komandų konvejeris) ir aritmetinėms operacijoms (aritmetinis konvejeris).

Komandų konvejerio atveju, skaitant komandas iš atminties kartu tuo pat metu vykdomos kituose segmentuose anksčiau skaitytos komandos. Todėl sutapatinamos komandos išrinkimo (skaitymo) (angl. fetch) ir vykdymo (angl. execute) fazės ir viena komanda atliekama per vieną taktą.

Atsargos (angl. cache) atmintis – tai operatyviosios atminties rūšis žymiai greitesnė už įprastinę, esanti MP arba atskirame įrenginyje. Šioje atmintyje saugomos komandos ir duomenys apdorojami daug greičiau, nes kreipimosi laikas į tokią atmintį mažesnis (apie 7 kartus). Pvz. MP Motorola firmos 68030 turi keš atmintį komandoms ir duomenims, kiekvienai po 256 baitus.

Persidengiančius registrų langus sudaro MP išplėstas (didelis) registrų kiekis, sudarantis registrų laikmeną (failą), kuriame registrai suskirstyti į persidengiančias grupes (langus) pagal paskirtį:

• jungtiniai (globalieji) registrai, skirti globaliesiems kintamiesiems saugoti;

• vietiniai (lokalieji) registrai, skirti lokaliesiems kintamiesiems saugoti;

• bendrosios paskirties registrai, skirti paprogramių faktiniams parametrams ir duomenims (rezultatams) perduoti, nenaudojant operatyviosios atminties.

Naudojant tokią persidengiančių registrų langų atminties organizaciją sumažėja kreipimusi į operatyviąją atmintį (lėtesnę, lyginant su registrų atmintimi) skaičius ir paspartėja MP darbas.

MP veikia, valdant sinchronizuotai jo atskirų mazgų darbą taktiniais impulsais, kuriuos generuoja taktinių impulsų generatorius. MP naudojami šie pagrindiniai valdymo organizavimo būdai:

• aparatūrinis (techninis);

• mikroprograminis.

Aparatūrinio valdymo MP turi kombinacinę loginę valdymo grandinę, kuri sinchronizuojama impulsais, patenkančiais iš skaitiklio. Toks valdymas yra labai greitas, tačiau tinka tik, esant paprastoms komandoms, turinčioms fiksuotą ilgį.

Mikroprograminiame valdyme naudojama mikroprograma saugoma pastoviojoje atmintyje. Kiekvieną į MP patenkančią išorinę komandą atitinka tam tikra mikrokomandų seka, kuri skaitoma iš mikrokomandų pastoviosios atminties. Mikrokomanda patenka į valdantyjį duomenų registrą, kuris formuoja vidinius ir išorinius valdymo signalus reikalingus komandai vykdyti. Šis valdymo būdas dažniausiai taikomas MP, turintiems sudėtingas kintamo ilgio komandas.

Kiekvienas MP turi tam tikrą apibrėžtą komandų rinkinį (komandų sistemą), kurių komandas jis gali vykdyti. Pagal komandų sistemoje naudojamų komandų sudėtingumą ir kiekį MP būna:

• pilno komandų rinkinio (MP CISC architektūros, angl. Complete Instruction Set Computer);

• sumažinto komandų rinkinio (MP RISC architektūros, angl. Reduce Instruction Set Computer ).

CISC architektūros MP būdingos sudėtingos komandos, kurios greitina duomenų apdorojimą. Svarbiausios CISC MP charakteristikos yra:

• didelis komandų kiekis (iki 250);

• didelis adresavimo būdų skaičius (nuo 5 iki 20);

• komandos turi skirtingą ilgį (nuo 1 iki 5 baitų);

• specialiosios komandos, kurios vartojamos gana retai;

• komandos, kurios valdo operandus atmintyje;

• specializuotosios komandos, kurios atlieka kai kurias aukšto lygio kalbų procedūras ir leidžia sumažinti mašinos kodo apimtis;

• mikroprograminis (mikrokomandinis) valdymas.

RISC architektūros MP turi supaprastintą komandų rinkinį ir dauguma komandų atliekama per vieną taktą, todėl pagreitėja MP darbas. Pagrindinės RISC MP chatakteristikos:

• nedidelis komandų kiekis ir paprastas jų formatas;

• mažas adresavimo būdų skaičius (tiesioginis ir netiesioginis registrų, betarpiškas);

• didelis MP vidinių registrų kiekis;

• persidengiantys registrų langai;

• kreipiamasi į atmintį tik skaitant komandas ar rašant duomenis;

• viena komanda vykdoma per vieną taktą, naudojant konvejerinį apdorojimą;

• aparatūrinis valdymas.