5. Классификация микропроцессоров
По числу кристаллов, образующих МП, различают МП:
однокристальные с фиксированной разрядностью и системой команд;
многокристальные с фиксированной разрядностью и системой команд;
многокристальные с разрядно-модульной организацией (секционные микропрограммируемые).
Однокристальные МП получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (на одном кристалле).
Многокристальный МП получается путем разбиения структуры процессора на функционально законченные части и реализации их в виде отдельных БИС или СБИС (нескольких кристаллов). Функциональная законченность БИС многокристального МП означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно, а для построения полного процессора не требуется организации большого количества новых связей и каких-либо других микросхем. Например, все аппаратные блоки процессора ЭВМ можно распределить между тремя основными функциональными частями: операционной, управляющей и интерфейсной и реализовать МП в виде трех кристаллов (рис. 3, а).
Многокристальные разрядно-модульные МП получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями (рис. 3, б). Многоразрядный МП реализуется параллельным включением микропроцессорных секций с помощью дополнительных средств стыковки. При этом требуется большое количество дополнительных аппаратных средств, не реализуемых в доступных БИС. Поэтому, как правило, логическую структуру МП разбивают еще горизонтальными плоскостями. В результате микропроцессорная секция - это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных (как правило 2, 4, 8) или выполнения определенных управляющих операций. Секционность МП определяет возможность наращивания разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройства управления МП при параллельном включении большого числа БИС. Для обеспечения заданной разрядности обрабатываемых слов микропроцессор составляется из соответствующего количества одинаковых кристаллов МП секций, объединенных микропрограммным управляющим блоком, реализованным на отдельных БИС. Микропрограммируемые многокристальные МП обеспечивают большую гибкость в достижении нужных пользователю характеристик проектируемого МП устройства или системы, предоставляя возможность задавать специализированную систему команд, ориентированную на определенное применение, даже на определенные процедуры обработки данных. Однако при этом пользователь должен разработать микропрограммы, реализующие эти команды, и занести их в управляющую память МП. Использование микропрограммируемых МП связано с определенными трудностями, требует от разработчика довольно высокой квалификации в вопросах проектирования вычислительных средств. Поэтому наиболее широко распространенными микропроцессорами являются различные варианты МП с фиксированной разрядностью и системой команд.
Рис. 3 – Многокристальный микропроцессор:
а) МП с фиксированной разрядностью б) разрядно-модульный МП
По назначению различают МП:
универсальные;
специализированные.
Универсальные МП - такие МП, в архитектуре набора команд которых заложена алгоритмическая универсальность. Алгоритмическая универсальность означает, что выполняемый МП набор команд позволяет получить преобразование информации в соответствии с любым заданным алгоритмом. Универсальные МП могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной ориентации решаемых задач.
Специализированные МП предназначены для решения определенного класса задач или одной конкретной задачи. Проблемная ориентация таких МП направлена на ускоренное выполнение определенных функций и позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач. Примером таких МП являются процессоры для цифровой обработки сигналов – DSP процессоры (Digital Signal Processor) или ЦСП (цифровые сигнальные процессоры).
По типу набора команд (по типу архитектуры набора команд) различают МП:
реализованные на базе архитектуры, называемой компьютером со сложным (полным, расширенным) набором команд (CISC – Complex Instruction Set Computer) - МП с CISC-архитектурой или CISC-микропроцессоры;
реализованные на базе архитектуры, называемой компьютером с сокращенным набором команд (RISC – Reduced Instruction Set Computer) – МП с RISC-архитектурой или RISC-микропроцессоры.
CISC-процессоры поддерживают широкий набор реализованных аппаратно (жестко «зашитых») инструкций, включая сложные команды. Многие из них, например команду умножения, принципиально трудно «прошивать»: для их реализации требуется большое количество транзисторов, а для выполнения - значительное число тактов. Состав и назначение регистров таких МП существенно неоднородны, широкий набор команд усложняет декодирование инструкций, на что расходуются дополнительные аппаратные ресурсы и такты. В результате в CISC- процессорах число тактов, необходимое для выполнения команд, относительно велико.
RISC-процессоры - это МП, имеющие меньший и более простой набор команд. В архитектуре данного типа отсутствуют сложные инструкции. Сложные инструкции создаются из более простых, реализуются не в аппаратном, а в программном обеспечении с помощью компилятора, который преобразует программу на языке высокого уровня в программу, состоящую из простых команд. В результате уменьшается количество аппаратных средств, необходимых для декодирования и реализации сложных команд, что позволяет снизить сложность процессора и его стоимость, повысить эффективность его работы, скорость выполнения программы.
Отличительными чертами RISC-архитектуры являются:
сокращенный набор относительно простых команд;
однородный набор регистров универсального назначения;
уменьшенный фиксированный формат команды;
большинство операций имеет характер регистр-регистр, а обращения к памяти происходят только для выполнения простых операций загрузки в регистры и занесения в память;
относительная простота процессора делает возможным размещение на кристалле большего числа регистров;
высокая степень конвейеризации вычислений, что позволяет выполнять большинство команд набора за один такт.
По виду обрабатываемых входных сигналов различают МП:
цифровые;
аналоговые.
Сами МП - цифровые устройства, однако они могут иметь встроенные аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи. В этом случае входные аналоговые сигналы передаются в МП через АЦП в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования ЦАП в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие МП представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми МП.
По характеру временной организации работы различают МП:
синхронные;
асинхронные.
В синхронных МП начало и конец выполнения операций задаются устройством управления с помощью сигналов тактовой частоты. В асинхронных МП начало выполнения каждой следующей операции определяется по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.