35. Основные типы микропроцессоров. Структура микроЭвм
Первый микропроцессор Intel 4004 был изготовлен фирмой Intel в 1971 году. Он представлял собой четырехразрядный функционально законченный процессор общего назначения, рабочий цикл которого соответствовал частоте порядка 100 кГц (на этот счет имеются разночтения, сама частота синхронизации оценивается в 750 кГц), выполненный в шестнадцатиразрядном корпусе и включавший в себя 2300 транзисторов. Его программная модель, как принято теперь говорить, была, в целом, похожа на модели современных микропроцессоров, за исключением того, что программно доступные регистры рассматривались как некоторая сверхоперативная память, поскольку кэш в процессоре отсутствовал. Внешние выводы процессора обеспечивали управление оперативной и постоянной памятью.
За прошедшие после этого десятилетия количество транзисторов в микропроцессорах приблизилось к миллиарду (изготовлены по технологическим нормам в 45 нм четырехядерный процессор Core 2 содержит 820 млн. транзисторов), аналогичный и даже больший рост имел место и в частоте. Естественно, что изменения претерпела и архитектура микропроцессоров.
Первые микропроцессоры подразделялись на однокристальные и многокристальные (секционированные). Первые представляли собой функционально законченный процессор, примером которого может служить любой из используемых сейчас в ПЭВМ процессоров. Многокристальные микропроцессоры представляли собой набор микросхем разного типа, образующих при совместном соединении функционально законченный процессор. Но микросхемы отдельных типов выполняли различные функции. Например, один из типов представлял арифметический блок (арифметическое устройство). Другими типами могли быть блок регистров общего назначения, арифметический расширитель, схема управления адресом микрокоманд, схема управления последовательностью команд, схема управления состоянием и др.
Многокристальные микропроцессоры могли быть секционированными. Так микросхема АЛУ могла представлять собой не полноразрядное АЛУ, его разрядные секции по 2, 4 или более разрядов. Вместо АЛУ это могла быть микропроцессорная секция соответствующей разрядности.
Позднее, с ростом уровня интеграции, практически все микропроцессоры стали однокристальными в изначальном понимании этого термина.
К настоящему времени более сотни фирм выпустило десятки тысяч разновидностей микропроцессоров.
Одним из общих признаков классификации микропроцессоров является разделение их по функциональному назначению на универсальные и специализированные. Кроме того, в качестве отдельного класса можно отнести к микропроцессорам и управляющие устройства – микроконтроллеры (хотя по некоторым признакам они ближе к микроЭВМ).
Универсальные микропроцессоры используются в вычислительных системах и ЭВМ различных классов, в том числе и больших. Обычно ониобладают наибольшей производительностью, обеспечивают работу с большими объемами оперативной памяти, подключение большого количества устройств, имеют большую разрядность шин.
Универсальные микропроцессоры различаются по:
- архитектуре
- количеству ядер,
а также по ряду признаков, являющихся общими для разных классов микропроцессоров и приведенных ниже.
Обычно, говоря об архитектуре, имеют в виду какие-либо особенности микропроцессора. Например, это могут быть архитектура двойной независимой шины, суперскалярная архитектура, пакетно-сетевая (NetBurst) архитектура, RISC – архитектура (см. ниже) и др.
Количество ядер, размещаемых в одном процессоре, начало увеличиваться и, хотя сейчас их в основном не более десятка, предполагается, что оно в ближайшем будущем может достичь нескольких десятков и сотен.
Наиболее известными представителями универсальных микропроцессоров являются микропроцессоры с архитектурой IA-32, выпускаемые фирмами Intel, AMD, VIA.
Специализированные микропроцессоры используются для различных применений. К ним относятся процессоры обработки сигналов, коммуникационные процессоры, графические процессоры, мультимедийные (для фото- и видеокамер, MP3-плейеров, сотовых телефонов) процессоры. Однако считается, что основой большинства из этих процессоров являются процессоры обработки сигналов. И действительно, большинство медийных приложений связано именно с аудио-, видео- и радиосигналами. Тем не менее, определенная специфика (ориентация на поддержку различных интерфейсов) присутствует в коммуникационных процессорах. Графические процессоры при обработке (построении) изображений выполняют несколько отличные функции.
На начальных этапах развития микропроцессоров к специализированным можно было отнести и процессор обработки чисел с плавающей точкой (сопроцессор) – NPU (Numeric Procussor Unit), который в настоящее время входит в состав универсальных процессоров.
Примерами специализированных процессоров являются сигнальные процессоры Motorolaсерий 56xxx,TexasInstrumentsTMS320Cxx,AnalogDevices2189,Inteli960, коммуникационный процессорZ8L382 (фирмыZilog, “потомок” знаменитого процессораZ80), графические процессоры фирмыNVideaи другие.
Микроконтроллеры обычно используются в различных встраиваемых системах, применяемых в бытовой и промышленной технике. Обычно они имеют ограниченные функциональные возможности, невысокие параметры производительности и небольшие объемы памяти, что связано с необходимостью экономии габаритов, потребляемой мощности, стремлением уместить всю систему в одной микросхеме. Программы в таких устройствах обычно не изменяются и располагаются во внутренних ПЗУ, однако при необходимости к ним могут быть подключены дополнительные микросхемы ОЗУ и ПЗУ.
Примерами БИС микроконтроллеров могут служить Intel MCS-51, MotorolaMC68HC908GP32,AtmelAT90S1200,Siemens6ES72xxи др.
Кроме того, все классы микропроцессоров можно разделять по:
- системе команд (иногда говорят, архитектуре, так как, кроме собственно различий в командах, имеют место и некоторые структурные следствия этого различия): CISC (компьютеры с полным набором команд – Complete Instruction Set Computers) и RISC (компьютеры с сокращенным набором команд – Reduced Instruction Set Computers),
- рабочей частоте (диапазоны которой варьируются в широких пределах, давно преодолев границу в 1 ГГц),
- разрядности (главным образом, от байта до 8 байт),
- рассеиваемой мощности (зависящей от сложности и рабочей частоты процессора и достигающей более сотни ватт на микросхему, что требует специальных мер по ее охлаждению),
- конструктивной реализации и количеству выводов корпуса,
- технологическим нормам (достигшим нескольких десятков нм),
- изготовителю.
Создание микропроцессоров и развитие интегральных технологий обусловило и появление в конце 70-х – начале 80-х годов XX века такого класса ЭВМ как микро-ЭВМ. Основным их отличием от существовавших в то время ЭВМ была реализация их на основе микропроцессоров и больших интегральных схем. (При такой трактовке все современные ЭВМ можно было бы называть микро-ЭВМ.) Однако технологические особенности того времени позволяли создавать лишь несложные по структуре ЭВМ, обладающие небольшими функциональными возможностями. Их архитектура во многом копировала малые ЭВМ, да и разработчиком одной из первых и широко известной микро-ЭВМ – LSI-11 (отечественный аналог – “Электроника-60”) была уже упоминавшаяся фирма DEC. Т.е., фактически, это были ЭВМ, имеющие общую шину, к которой подключались все основные устройства. Хотя системная поддержка общей шины могла организовываться самим процессором. При этом архитектура микро-ЭВМ могла представляться в виде, показанном на рис. 15. Как видно такая структура практически совпадает со структурой первых персональных ЭВМ.
Рис 35.1. Общая структура микроЭВМ
Одной из разновидностей микро-ЭВМ, близкой к микроконтроллерам, стали однокристальные микро-ЭВМ, в которых в одной микросхеме размещались процессор, оперативная и постоянная память и простейшие средства управления вводом-выводом.
Последующее совершенствование интегральных технологий привело к увеличению возможностей микро-ЭВМ, и, позднее, к появлению персональных ЭВМ.