1. Классификация, назначение и основные характеристики микропроцессоров.

Классификация микропроцессоров

Мп могут классифицироваться: по технологии изготовления кристалла, функц-ному назначению, быстродействию, разрядности, типу корпуса, архитектурным особенностям и т.д. Наиболее всеобъемлющей и наглядной представляется классификация по функциональному назначению и архитектур­ным особенностям (рис. 1.1).

1.Универсальные микропроцессоры

Универсальные микропроцессоры предназначены для при­менения в вычислительных системах, персональных ЭВМ, рабочих станциях, в массово-параллельных су­перЭВМ. Основной их характеристикой является наличие развитых устройств для эффективной реализации операций с плаваю­щей точкой над 64-разрядными и более длинными операндами. Предназначаются в основном для проведения научно-техничес­ких расчетов.

Как видно из рис. 1.1, среди универсальных различают МП с фиксированной системой команд и разрядностью и секциони­рованные МП с микропрограммным управлением. Подавляющее большинство современных МП относятся к первой категории. В свою очередь, МП с фиксированной системой команд по особенностям своей организации подразделяются на процессоры RISC и CISC.

RISC - Reduced (Restricted) Instruction Set Computer -

процессоры (компьютеры) с сокращенной системой команд. В этих процессорах используются отдельные наборы команд для работы с памятью и отдельные наборы команд для преобразова­ния информации в регистрах процессора. Каждая такая команда единообразно разбивается на небольшое количество этапов с одинаковым временем исполнения (выборка команды, дешифрация команды, исполнение, запись результата), что позволяет строить эффективный конвейер процессора, способный каждый такт выдавать результат исполнения очередной команды.

После обособления RISC-процессоров в отдельный класс процессоры с традиционными наборами команд стали называться CISC-процессорами. CISC - Complex Instruction Set Computing - процессоры с полным набором инструк­ций, к которым относится и семейство Intel х86. Как правило, в этих процессорах команды имеют много разных форматов и требуют для своего представления различного числа ячеек памя­ти. Это обусловливает определение типа команды в ходе ее де­шифрации при исполнении, что усложняет устройство управле­ния процессора и препятствует повышению тактовой частоты до уровня, достижимого в RISC-процессорах на той же эле­ментной базе.

Очевидно, что RISC-процессоры эффективны в тех облас­тях применения, в которых можно продуктивно использовать структурные способы уменьшения времени доступа к оператив­ной памяти. Если программа генерирует произвольные последо­вательности адресов обращения к памяти и каждая единица дан­ных используется только для выполнения одной команды, то фактически производительность процессора определяется вре­менем обращения к основной памяти. В этом случае использова­ние сокращённого набора команд только ухудшает эффектив­ность, так как требует пересылки операндов между памятью и регистром вместо выполнения команд типа «память, память - память».

Если программа будет написана так, что данные будут разме­щены хаотично и из каждого пересылаемого блока данных бу­дет использоваться только небольшая их часть, то скорость об­работки замедлится в несколько раз - до скорости работы ос­новной памяти.

Общими особенностями большинства современных уни­версальных МП являются:

• высокоскоростная обработка 64-разрядных операндов с фиксированной и плавающей точками;

• сложная схемотехника функциональных узлов, обуслов­ленная использованием большого числа транзисторов (до не­скольких десятков миллионов штук);

• большое число слоев металлизации (до 10);

• производительность, приближающаяся или превышаю­щая миллиард операций в секунду.

Общей тенденцией является также сочетание в одном кри­сталле особенностей RISC- и CISC-архитектур.

До последнего времени лидерами по производительности среди всех универсальных МП являлись микропроцессоры Alpha фирмы DEC. Однако с появлением на рынке микропроцессоров Itanium фирм Intel и Hewlett-Packard лидерство перешло к ним.

Секционированные МП без фиксированной системы команд предназначены для построения широкого класса быст­родействующих средств вычислительной техники - от микро­контроллеров до высокопроизводительных ЭВМ. Микропро- граммируемость и возможность разрядного расширения позво­ляют эмулировать практически любую систему команд, что де­лает данную архитектуру очень гибкой.

2. Сигнальные микропроцессоры (МП цифровой обработки сигналов)

Цифровые сигнальные процессоры рассчитаны на обра­ботку в реальном времени потоков данных, образованных пу­тем оцифровывания аналоговых сигналов. К их особенностям относятся:

- малоразрядная (40 разрядов и менее) обработка чисел с плавающей точкой;

- преимущественное использование чисел с фиксированной точкой разрядности (32 и менее);

- ориентация на несложную обработку больших массивов данных.

Отличительной особенностью задач цифровой обработки сигналов является поточный характер обработки больших объе­мов данных в реальном масштабе времени, требующий от тех­нических средств высокой производительности и обеспечения возможности интенсивного обмена с внешними устройствами. Соответствие данным требованиям достигается в настоящее время благодаря специфической архитектуре сигнальных про­цессоров, проблемно ориентированной системе команд.

Для сигнальных процессоров характерным является нали­чие аппаратного умножителя, позволяющего выполнять умно­жение двух чисел за один командный такт. В универсальных процессорах умножение обычно реализуется за несколько тактов как последовательность операций сдвига и сложения. Другой особенностью сигнальных процессоров является включение в систему команд таких операций, как умножение с накоплением MAC (С := А, ■ Bj + С) с указанным в команде числом выполне­ний в цикле и с правилом изменения индексов i и j используемых элементов массивов А и В), инверсия бит адреса, разнообразные битовые операции. В сигнальных процессорах реализуется аппа­ратная поддержка программных циклов, кольцевых буферов. Один или несколько операндов извлекаются из памяти в цикле исполнения команды.

Реализация однотактного умножения и команд, исполь­зующих в качестве операндов содержимое ячеек памяти, обу­словливает сравнительно низкие тактовые частоты работы этих процессоров. Специализация не позволяет поднимать произво­дительность за счет быстрого выполнения коротких команд типа R,R —> R, Этих команд просто нет в программах обработки сигналов.

Сигнальные процессоры различных компаний-производителей образуют два класса, существенно различающихся по це­не: менее дорогие микропроцессоры с обработкой данных в формате с фиксированной точкой и более дорогие микропро­цессоры, аппаратно поддерживающие операции над данными в формате с плавающей точкой.

Использование в сигнальной обработке данных в формате с плавающей точкой обусловлено несколькими причинами. Для многих задач, связанных с выполнением интегральных и диффе­ренциальных преобразований, особую значимость имеет точ­ность вычислений, обеспечить которую позволяет экспоненци­альный формат представления данных. Алгоритмы компрессии, декомпрессии, адаптивной фильтрации в цифровой обработке сигналов связаны с определением логарифмических зависимо­стей и весьма чувствительны к точности представления данных в широком динамическом диапазоне.

Работа с данными в формате с плавающей точкой сущест­венно упрощает и ускоряет обработку, повышает надежность программы, поскольку не требует выполнения операций округ­ления и нормализации данных, отслеживания ситуаций потери значимости и переполнения.

Платой за эти дополнительные «комфорт и скорость» явля­ется высокая сложность функциональных устройств, выпол­няющих обработку данных в формате с плавающей точкой, не­обходимость использования более сложных технологий произ­водства микросхем, больший процент отбраковки изделий и, как следствие, дороговизна микропроцессоров.

В настоящее время стал популярен и другой подход к полу­чению высокой производительности. Большое количество тран­зисторов на кристалле может быть использовано для создания симметричной мультипроцессорной системы с более простыми процессорами, обрабатывающими целочисленные операнды. Примерами таких, так называемых медийных, процессоров слу­жат Mediaprocessor компании MicroUnity, Trimedia компании Philips, Mpact Media Engine компании Chromatic Research, Nvl компании Nvidia, MediaGx компании Cyrix.

В связи с более простой схемотехникой по сравнению с универсальными сигнальными процессорами стоимость ме­дийных процессоров достаточно низкая (порядка 100 долл.), а значение показателя «производительность / стоимость» на два- три порядка больше. Пиковое значение производительности ме­дийных процессоров составляет несколько миллиардов целочис­ленных операций в секунду.

В числе наиболее распространенных сигнальных процессо­ров можно назвать изделия следующих компаний: Motorola (56002, 96002), Intel (i960), Texas Instruments (TMS320Cxx), Ana­log Devices (21xx, 210xx).

Выбор того или иного процессора для реализации конкретного проекта - многокритериальная задача. Например, для приложений, требующих больших объемов вычислений, следует использовать более производительные МП Analog Devices, а для работ, предполагающих интенсивный обмен информации с внешними устройствами, стоит использовать МП Texas Instruments, обладающие высокоскоростными интерфейсными подсистемами.

3. Медийные микропроцессоры

Медийные процессоры представляют собой законченные системы для обработки аудио и видеоинформации.

На сегодня можно выделить два класса микропроцессо­ров, обеспечивающих поддержку мультимедиа на аппаратном уровне:

-универсальные процессоры с мультимедийным расшире­нием набора команд; (В тех областях использования, где доля числовой обработки велика)

- мультимедийные микропроцессоры. ( Там где мультимедийные операции доминируют над традиционными чи­словыми операциями)

К первому классу можно отнести микропроцессоры Ultra­SPARC компании Sun Microsystem, процессоры с мультимедий­ным расширением системы команд (ММХ) компаний Intel - Pen­tium ММХ, Pentium II, III, IV, AMD - Кб, Athlon, Duron и др.

Второй класс представляет собой некоторый гибрид архи­тектурных решений, характерных для традиционных DSP (Digital Signal Processor) - процессоров и универсальных микро­процессоров. Микропроцессоры данного класса - медиапроцес- соры, предназначенные для обработки аудиосигналов, графики, видеоизображений, а также для решения ряда коммуникацион­ных задач в мультимедиа ПК, в игровых приставках, бытовой технике. Наибольшее внимание привлекают сегодня микропро­цессоры:

• Mediaprocessor компании MicroUnity;

• Trimedia компании Philips;

• Mpact Media Engine компании Chromatic Research;

• NVI компании Nvidia.

4. Встраиваемые микроконтроллеры

Встраиваемые микроконтроллеры предназначены для ис­пользования во встроенных системах управления, в том числе в бытовых приборах. Они отличаются наибольшей специализа­цией и разнообразием функций. Общее число типов кристаллов с различными системами команд превышает 500.

Однокристальные (однокорпусные) микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде большой интегральной схемы (БИС) и включающие в себя все составные части «голой» микроЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой.

Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности при столь низкой стоимости (во многих приме­нениях система может состоять только из одной БИС микрокон­троллера), что микроконтроллерам, видимо, нет разумной аль­тернативной элементной базы для построения управляющих и/или регулирующих систем.

Родоначальником МП данного класса является восьмираз­рядный МП Intel 8048. Среди отечественных МП к этому классу можно отнести: 4-битные микроконтроллеры серий 1814, 1820, 1829 и 1013; 8-битные микроконтроллеры серии 1816; микро­контроллеры сигнальные (аналоговые микропроцессоры) серии 1813.

Архитектурными особенностя­ми микроконтроллеров являются:

• незначительная емкость памяти;

• физическое и логическое разделение памяти программ (постоянное запоминающее устройство - ПЗУ) и памяти данных (оперативное запоминающее устройство - ОЗУ);

-упрощенная и ориентированная на задачи управления система команд;

• примитивные методы адресации команд и данных;

• специфическая организация ввода/вывода информации.

Микроконтроллеры не являются машинами классического

«фон-неймановского» типа, так как физическая и логическая разделенность памяти программ и памяти данных исключает возможность модификации и/или замены (перегрузки) приклад­ных программ микроконтроллеров во время работы, что сильно затрудняет их использование в качестве универсальных средств обработки данных.

5. Транспьютеры

Транспьютер - это микропроцессор с собственной внут­ренней памятью и линками (каналами) для соединения с другими транспьютерами.

Термин «транспьютер», произошедший в результате объе­динения слов «транзистор» и «компьютер», отражает основную область его применения - массово-параллельные вычислитель­ные системы, в которых он играет роль базового вычислительно­го элемента.

Вполне возможно, что стремительное развитие микроэлектрони­ки не позволит термину «транспьютер» устояться, и он будет по­глощен более общим «микропроцессор», так как отличительный признак транспьютера - встроенные межпроцессорные интер­фейсы - появляется в том или ином виде у всех современных микропроцессоров.

Первый транспьютер (Т414) был представлен фирмой In­mos, Inc. (Бристоль, Великобритания) в 1983 г.

Высокая степень «функциональной самостоятельности» транспьютера, простота интеграции и наличие периферийных устройств позволяют в короткие сроки создавать системы на их основе. Особенностью транспьютеров является то, что их ком­муникационные каналы могут осуществлять обмен данными од­новременно с вычислениями, практически не снижая производи­тельности процессора. Благодаря этому качеству транспьютеров, системы на их основе обладают хорошей масштабируемостью и высоким значением показателя эффективности - производитель­ность / стоимость.

В настоящее время фирма Inmos прекратила выпуск своих транспьютеров, однако продолжают серийно выпускаться транспьютероподобные сигнальные микропроцессоры TMS320C4X и ADSP 2106Х.