1 Основи теорії мікропроцесорних пристроїв
Класифікація мікропроцесорів. Варіанти архітектури
З погляду користувача при виборі мікропроцесора доцільно мати у своєму розпорядженні деякі узагальнені комплексні характеристики можливостей мікропроцесора. Розроблювач має потребу в з'ясуванні й розумінні лише тих компонентів мікропроцесора, які явно відбиваються в програмах і повинні бути враховані при розробці схем і програм функціонування системи. Такі характеристики визначаються поняттям архітектури мікропроцесора.
Архітектура мікропроцесора – це його логічна організація, розглянута з погляду користувача; вона визначає можливості мікропроцесора за апаратною і програмною реалізаціями функцій, необхідних для побудови мікропроцесорної системи. Поняття архітектури мікропроцесора відображає:
його структуру, тобто сукупність компонентів, що становлять мікропроцесор, і зв'язків між ними; для користувача досить обмежитися регістровою моделлю мікропроцесора;
способи подання й формати даних;
способи доступу до всіх програмно-доступних для користувача елементів структури (адресація до регістрів, комірок постійної й оперативної пам'яті, зовнішніх пристроїв);
набір операцій, виконуваних мікропроцесором;
характеристики керуючих слів і сигналів, вироблюваних мікропроцесором, і тих, які входять до нього ззовні;
реакцію на зовнішні сигнали (система обробки переривань і т. п.).
За способом організації простору пам'яті мікропроцесорної системи розрізняють два основних типи архитектур.
Організація, при якій для зберігання програм і даних використовується один простір пам'яті, називається фон-неймановскою архітектурою (за ім’ям математика, який запропонував кодування програм у форматі, що відповідає формату даних) або Прінстонською (за ім’ям лабораторії Прінстонського університету, яка запропонувала її). Програми й дані зберігаються в єдиному просторі, і немає ніяких ознак, що вказують на тип інформації в комірці пам'яті. Перевагами такої архітектури є більше проста внутрішня структура мікропроцесора й менша кількість керуючих сигналів.
Організація, при якій пам'ять програм CSEG (Code Segment) і пам'ять даних DSEG (Data Segment) відокремлені й мають свої власні адресні простори й способи доступу до них, називається Гарвардською архітектурою (за ім’ям лабораторії Гарвардського університету, яка запропонувала її). Така архітектура є більше складною й вимагає додаткових керуючих сигналів. Однак вона дозволяє здійснювати більш
гнучкі
маніпуляції інформації, реалізовувати
компактно кодований
набір машинних команд і, у ряді
випадків, прискорювати роботу
мікропроцесора.
У цей час випускаються мікропроцесори зі змішаною архітектурою, у яких CSEG і DSEG мають єдиний адресний простір, однак різні механізми доступу до них.
За кількістю команд мікропроцесори поділяються на мікропроцесори з повним набором команд CISC (Complete Instruction Set Computer) і обмеженим набором команд RISC (Reduce Instruction Set Computer). Останні працюють швидше через простоту схеми, але урізані команди доводиться заміняти декількома. Відносно недавно з’явилася VLIV (Very Large Instruction Word) архітектура. Її особливістью є використання дуже довгих команд (до 128 і більше бітів), окремі поля яких вміщують коди, які забезпечують виконання різних операций. Така команда викликає виконання декількох оперцій паралельно в різних операціонних пристроях.
Класифікація
сучасних МП за функціональними відзнаками
показана на рисунку
1.1.
Контролери
Рисунок 1.1 – Класифікація сучасних МП за функціональними відзнаками
За призначенням мікропроцесори поділяються на:
МП загального призначення (універсальні). Вони призначені для розв’язання широкого кола задач. При цьому ефективна продуктивність процесора трохи залежить від специфіки завдання.
МП спеціалізовані. Вони призначені для розв’язання якогось одного класу завдань. При цьому раціональна схемна побудова дозволяє вирішувати ці завдання найефективніше. Завдання інших класів або вирішуються набагато повільніше або не вирішуються взагалі. Спеціалізація мікропроцесора, тобто його проблемна орієнтація на прискорене виконання певних функцій, дозволяє різко збільшити ефективну продуктивність при рішенні тільки певних завдань.
Багатокристальні секційні мікропроцесори виходять у тому випадку, коли у вигляді БІС реалізуються частини (секції) логічної структури процесора. Микропрцессорная секція – це БІС, призначена для обробки декількох розрядів даних або виконання певних керуючих операцій. Секціонованість БІС МП визначає можливість «нарощування» розрядності оброблюваних даних або ускладнення пристроїв керування мікропроцесором при паралельному включенні великої кількості БІС. Багатокристальні секційні мікропроцесори мають розрядність від 2…4 до 8…16 біт і дозволяють створювати високопродуктивні процесори ЕОМ.
Суперскалярні, векторно-конвеєрні та мультитредові МП поєднують переваги однокристальних та секціонованих МП і застосовуються для побудови паралельних обчислювальних структур.
МП-контролер або мікроконтролер – обчислювально-керуючий пристрій, призначений для виконання функцій контролю й керування периферійним устаткуванням. Ухил убік керування накладає відбиток на особливість архітектури мікроконтролерів. Основною із цих особливостей є те, що поряд із процесорним ядром мікроконтролери мають у своєму складі підсистему введення/виводу й, можливо, підсистему пам'яті. В останньому випадку іноді прийнято говорити про однокристальні мікро- ЕОМ.
За видом оброблюваних вхідних сигналів розрізняють цифрові й аналогові мікропроцесори. Самі мікропроцесори – це цифрові пристрої, однак можуть мати убудовані аналого-цифрові й цифро-аналогові перетворювачі. Тому вхідні аналогові сигнали передаються в МП через перетворювач у цифрову форму, обробляються й після зворотного перетворення в аналогову форму надходять до виходу. З погляду архітектури такі МП являють собою аналогові функціональні перетворювачі сигналів і називаються аналоговими мікропроцесорами. Вони можуть виконувати функції будь-якої аналогової схеми.
Нейропроцесори призначені для сторення нейронних мереж керування та для реалізації алгоритмів «нечіткої» логіки.
Процесори цифрової обробки сигналів DSP (Digital Signal Procesor). Їхня архітектура має особливості, що дозволяють їм з найбільшою
продуктивністю здійснювати алгоритми рекурентної обробки даних, які використовуються в багатьох завданнях, що вимагає їхнього виконання в масштабі “реального часу”, таких як аудіо- і відеокодування, регулювання, цифрова фільтрація, цифровий зв'язок і т. п.