Классификация микропроцессоров. Краткая характеристика каждого класса.
1. По виду архитектуры
1.1. По форматам используемых команд (инструкций)
1.1.1 CISC – архитектура
1.1.2. RISC – архитектура
1.1.3. VLIW – архитектура
1.2. По способу организации выборки команд и данных
1.2.1. Принстонская архитектура или архитектура фон-Неймана
1.2.2. Гарвардская архитектура
2. По назначению
2.1. Микропроцессоры общего назначения или универсальные
2.2. Специализированные микропроцессоры
3. По виду обрабатываемых входных сигналов
3.1 Аналоговые
3.2. Цифровые
4. По количеству выполняемых программ
4.1. Однопрограммные
4.2. Мультипрограммные
5. По числу БИС в микропроцессорном комплекте
5.1. Однокристальные
5.2. Многокристальные
5.3. Многокристальные секционные
1. По виду архитектуры
1.1.1. CISC-архитектура относится к процессорам (компьютерам) с полным набором команд (Complete Instruction Set Computer - CISC). Она реализована на многих типах процессоров (например, Pentium), выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации.
Система команд процессоров с CISC- архитектурой может содержать несколько сотен команд разного формата (от 1 до 15 байт), или степени сложности, и использовать более 10 различных способов адресации, что позволяет программисту реализовывать наиболее эффективно алгоритмы решения различных задач.
Развитие традиционных CISC-архитектур микропроцессоров по пути расширения функциональных возможностей и снижения затрат на программирование привело к увеличению числа команд в наборе и числа микрокоманд в команде. Следствием этого явилось усложнение ИС и снижение быстродействия выполнения программ. Один из путей устранения указанных недостатков состоит в использование сокращенного набора команд, организация которого подчинена увеличению скорости их выполнения.
1.1.2. RISC-архитектура относится к процессорам (компьютерам) с сокращенным набором команд (Reduced Instruction Set Computer - RISC). Основная особенность RISC-архитектуры проявляется в том, что система команд состоит из небольшого количества часто используемых команд одинакового формата, которые могут быть выполнены за один командный цикл (такт) центрального процессора. Более сложные, редко используемые команды реализуются на программном уровне. Однако за счет значительного повышения скорости выполнения команд средняя производительность RISC-процессоров может оказаться выше, чем у процессоров с CISC-архитектурой.
Большинство команд RISC-процессоров связано с операцией регистр-регистр. Для обращения к памяти оставлены наиболее простые с точки зрения временных затрат операции загрузки в регистры и записи в память.
Современные RISC-процессоры реализуют около 100 команд, имеющие фиксированный формат длиной 4 байта, и используют небольшое число наиболее простых способов адресации (регистровую, индексную и несколько других). RISC-процессоры содержать 10-100 регистров общего назначения (РОН), тогда как в CISC-процессорах всего 8-16 регистров. Обращение к внешней памяти в RISC-процессорах используется только в операциях загрузки данных в РОН или пересылки результатов из РОН в память. За счет сокращения аппаратных средств, необходимых для декодирования и выполнения сложных команд, достигается существенное упрощение ИС RISC-процессоров, снижение их стоимости, а также значительное повышение их производительности.
1.1.3. VLIW-архитектура относится к микропроцессорам, которые используют очень длинные команды (Very Large Instruction Word - VLIW). Отдельные поля команд содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций. Одна VLIW-команда может выполнить сразу несколько операций одновременно в различных узлах микропроцессора. Формирование «длинных» VLIW-команд производит соответствующий компилятор при трансляции программ, написанных на языке высокого уровня. VLIW-архитектура реализована в некоторых типах микропроцессоров и является весьма перспективной для создания нового поколения сверхвысокопроизводительных процессоров.
1.2.1. Принстонскую архитектуру или архитектуру фон-Неймана характеризуют следующие особенности:
Общая оперативная память для хранения данных и программ. Это позволяет оперативно и эффективно перераспределять объем ОЗУ в зависимости решаемых задач в каждом конкретном случае;
Общая шина, по которой в процессор поступают команды и данные, а в оперативную память записываются результаты. Такой подход позволяет значительно упростить отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, что влечет за собой повышение ее надежности. Чтобы отделить команду от данных, первым из памяти всегда поступает код выполняемой операции, а затем следуют данные. По умолчанию код команды загружается в регистр команд, а данные – в блок регистров. Из-за ограниченного числа внешних выводов общая шина обычно работает в режиме временного мультиплексирования, т.е. противоположные направления обмена данными между микропроцессором, памятью или другими внешними устройствами разделены по времени.
Недостаток принстонской архитектуры - использование общей шины для передачи команд и данных ограничивает производительность цифровой системы.
1.2.2. Гарвардская архитектура (создатель Говард Айкен). Ее особенностью является разделение памяти команд (программ) и памяти данных. Память команд и память данных соединяются с процессором отдельными шинами. Благодаря разделению потоков команд и данных, а также совмещению операций их выборки (и записи результатов обработки) обеспечивается более высокая производительность, чем при использовании архитектуры фон-Неймана. Гарвардская архитектура получила широкое применение в микроконтроллерах, а также во внутренней структуре современных высокопроизводительных микропроцессоров в кэш-памяти с раздельным хранением команд и данных. В тоже время во внешней структуре большинства МПС реализуются принципы принстонской архитектуры.
Недостатки гарвардской архитектуры:
усложнение конструкции из-за использования отдельных шин для команд и данных;
фиксированный объем памяти для команд и данных;
увеличение общего объема памяти из-за невозможности ее оптимального перераспределения между командами и данными.
2. По назначению различают МП общего назначения и специализированные микропроцессоры.
2.1. МП общего назначения. Этот класс процессоров предназначен для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации и находит применение в персональных компьютерах, рабочих станциях, серверах и других цифровых системах массового применения. Большинство процессоров этого класса имеют CISC-архитектуру, хотя в их внутренней структуре может содержаться RISC-ядро. В большинстве случаев они имеют суперскалярную структуру (несколько операционных устройств, осуществляющих одновременную обработку данных).
Эта группа представлена многочисленными микропроцессорными комплектами (МПК): КР580, Z80, Intel 80x86 К582, К587, К1804, К1810 и др.
2.2. Специализированные микропроцессоры (микроконтроллеры) предназначены для решения определенного класса задач, а иногда только для решения одной конкретной задачи. Их существенными особенностями являются простота управления, компактность аппаратных средств, низкая стоимость и малая мощность потребления. Номенклатура выпускаемых микроконтроллеров исчисляется несколькими тысячами, а общий годовой объем их выпуска составляет миллиарды экземпляров.
Среди специализированных микропроцессоров можно выделить:
различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций;
математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например матричных методов их выполнения;
МП для обработки данных в различных областях применений и т. д.
3. По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры.
3.1. Цифровой микропроцессор – МП, оперирующий цифровыми данными, т.е. все входные, выходные и внутренние сигналы представляют собой некоторый цифровой код.
3.2. Аналоговый микропроцессор - это цифровой процессор, которые имеет встроенные АЦП и ЦАП. Таким образом, входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т. д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки сигналов, а также расширяет функциональные возможности за счет программной “настройки” цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов.
4. По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.
4.1. В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.
4.2. В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.
5. По числу БИС в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.
5.1. Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратурных средств процессора в виде одной БИС или СБИС. По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Поэтому более широко распространены многокристальные микропроцессоры, а также многокристальные секционные микропроцессоры.
5.2. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно, а для построения развитого процессора не требуется организации большого количества новых связей и каких-либо других электронных ИС БИС. (Типичный пример - МПК БИС серии К581).
5.3. Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора. Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС МП в них добавляются средства “стыковки”.
Секционность БИС МП определяет возможность “наращивания” разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессором при “параллельном” включении большего числа БИС.
Многокристальные секционные микропроцессоры имеют разрядность от 2—4 до 8—16 бит и позволяют создавать разнообразные высокопроизводительные процессоры ЭВМ. (Примером может служить отечественная БИС К589ИК02 и К1804ВС1 .)