Раздел 2: центральный процессор и озу. Их классификация, архитектура, устройство классификация процессоров

Процессор – это основное устройство ЭВМ, выполняющее логические и арифметические операции, и осуществляющее управление всеми компонентами ЭВМ. Процессор представляет собой миниатюрную тонкую кремниевую пластинку прямоугольной формы, на которой размещается огромное количество транзисторов, реализующих все функции, выполняемые процессором. Кремневая пластинка – очень хрупкая, а так как ее любое повреждение приведет к выходу из строя процессора, то она помещается в пластиковый или керамический корпус. Процессоры принято классифицировать следующим образом^[10]:

• По назначению^[10] — универсальные — специализированные

• По количеству выполняемых программ^[10] — однопрограммные — мультипрограммные

• По набору объёма инструкций^[10] — CISC — RISC

• По числу БИС (больших интегральных схем) ^[10] — однокристальные — многокристальные

• По виду обрабатываемых сигналов — цифровые — аналоговые

• По характеры временной организации работы — синхронные — асинхронные

Универсальные процессоры (процессоры общего назначения) предназначены для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации. Для решения конкретной задачи к МП подключаются блоки памяти, периферийные устройства для ввода-вывода информации, блок питания и образуется микропроцессорная система, где МП является центральным блоком (англ. «Central Processor Unit», CPU). Универсальность этих МП позволяет использовать их и в специализированных системах, но избыточность их возможностей, необходимость адаптации к промышленным условиям эксплуатации сильно удорожает конструкцию^[11].

Специализированные процессоры делят на две группы: микроконтроллеры и цифровые процессоры сигналов (англ. «Digital Signal Processor», DSP) ^[11].

В однопрограммных процессорах переход к выполнению следующей программы происходит только после завершения текущей программы, а в мультипрограммных одновременно выполняются несколько программ.

Complex Instruction Set Computer (CISC) – полный набор инструкций. Состав и назначение их регистров существенно неоднородны, широкий набор разных по длине в байтах и времени выполнения команд усложняет декодирование инструкций, на что расходуются аппаратные ресурсы. Возрастает число тактов, необходимое для выполнения инструкций. К процессорам с полным набором инструкций относится семейство х86. (сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память) ^[11].

Reduced Instruction Set Computer (RISC) – сокращенный набор инструкций. Только наиболее простые команды. Коды инструкций имеют четкую структуру, как правило, с фиксированной длиной. В результате аппаратная реализация такой архитектуры позволяет с небольшими затратами декодировать и выполнять эти инструкции за минимальное число тактов синхронизации. Определенные преимущества даёт унификация регистров^[10].

Однокристальные процессоры получаются при реализации всех аппаратных 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^[10].

В многокристальном процессоре производится разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовывание их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального процессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.

В многокристальных секционных процессорах в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном ее разбиении. Для построения многоразрядных процессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляются средства «стыковки» ^[10].

Цифровые процессоры – это работающие с числовыми данными, аналоговые процессоры – предназначены для обработки аналоговых сигналов и имеющие в качестве входных и выходных данных аналоговые сигналы. По сути, все современные аналоговые процессоры являются цифровыми сигнальными МП, имеющими на входе встроенные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а на выходе – встроенные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) ^[11].

Синхронные процессоры – процессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

Асинхронные процессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.