Лекція 2 загальні принципи побудови мікропроцесорних систем
2.1. Основні поняття і визначення
Мікропроцесор (МП)– це пристрій, який здійснює приймання, обробку і видачу інформації. Конструктивно МП містить одну або кілька інтегральних схем і виконує дії запрограмою, записаною в пам’яті.
Мікропроцесорна система (МПС)– обчислювальна, контрольно-вимірювальна або керуюча система, в якій основним пристроєм обробки інформації є МП. Мікропроцесорна система будується з наборувеликих інтегральних схем ВІС.
Мультимікропроцесорна, або мультипроцесорна система– система, яка утворюється шляхом об’єднання деякої кількості універсальних або спеціалізованих МП, завдяки чому забезпечується паралельна обробка інформації і розподілене керування.
Мікропроцесорний комплект (МПК)– сукупність ВІС, сумісних за електричними, інформаційними та конструктивними параметрами і призначених для побудови електронно-обчислювальної апаратури і мікропроцесорних систем керування. Типовий склад МПК: ВІС МП (один чи кілька корпусів інтегральних схем); ВІСоперативних запам’ятовувальних пристроїв (ОЗП); ВІСпостійних запам’ятовувальних пристроїв (ПЗП);інтерфейсиабо контролери зовнішніх пристроїв; службові ВІС (тактовий генератор, регістри, шинні формувачі, контролери шин, арбітри шин, тощо).
Мікропроцесори та мікропроцесорні комплекти класифікують за такими ознаками: галуззю застосування, призначенням; розрядністю даних; кількістю ВІС; типом архітектури; типом системи команд; кількістю ядер.
За галуззю застосування МП поділяють на МП електронно-обчислювальних систем (МП з архітектурою ІА-32, ІА-64, як-то Pentium 4, Itanium) та МП вбудованих систем керування (MCS51, AVR мікроконтролери).
За призначенням МП поділяють на універсальні та спеціалізовані. Універсальні мікропроцесори – МП загального призначення, які дають змогу розв‘язати широкий клас задач – обчислення, обробки та керування. Спеціалізовані мікропроцесори призначені для розв’язання задач лише певного класу. До них належать сигнальні, медійні, мультимедійні МП, трансп’ютери.
Сигнальні процесорипризначені для цифрової обробки сигналів у реальному масштабі часу (наприклад, фільтрації сигналів, обчислення згортки, обчислення кореляційної функції, підсилення, обмеження і трансформації сигналу, пряме та зворотне перетворення Фур’є). До сигнальних процесорів належать процесори фірм Texas Instruments – TMS320C80, Analog Devices –Blackfin, SHARC, TigerSHARC, ADSP-21xx, Motorola – DSP560xx та DSP9600x.
Медійні і мультимедійні процесори призначені для обробки аудіо сигналів, графічної інформації, відео зображень, а також для розв’язання ряду задач у мультимедіа комп’ютерах, іграшкових приставках, побутовій техніці. До медійних і мультимедійних належать процесорифірм MicroUnity – Mediaprocessor, Philips – Trimedia, Cromatic Reserch – Mpact Media Engine, Nvidia – NV1, Cyrix – MediaGX.
Трансп’ютери призначені для масових паралельних обчислень і роботи у мультипроцесорних системах. Для них характерним є наявність внутрішньої пам’яті і вбудованого міжпроцесорного інтерфейсу, тобто каналів зв’язку з іншими ВІС МП. До трансп’ютерів належать процесори фірм Inmos – T-2, T-4, T-8, T9000.
За розрядністю даних виділяють 8 розрядні (і8080), 16-розрядні (і8086, і80286, і80386, і80486, Pentium) та 64-розрядні (Itanium, AMD64) процесори.
За кількістю ВІС у МПК розрізняють багатокристальні МПК і однокристальнімікроконтролери(ОМК). Багатокристальні комплекти – це МПК з однокристальними і секційними МП.
Однокристальний МП, абомікропроцесор із фіксованою розрядністю даних – це конструктивно завершений виріб у вигляді однієї ВІС. До цього типу належать процесори фірм Intel – Pentium (P5, P6, P7), AMD – K5, K6, Cyrix – 6x86, Diqital Equipment – Alpha 21064, 21164A, Silicon Graphics – MIPS R10000, Motorola – Power PC 603, 604, 620, Hewlett Packard – PA-8000, Sun Microsystems – Ultra SPARC ІІ.
У секційних МП в одній ВІС реалізується лише деяка функціональна частина (секція) процесора. Інша назва секційних МП – розрядно-модульні мікропроцесори або мікропроцесори з нарощенням розрядності. Секційність ВІС МП обумовлює значну гнучкість МПС, можливість нарощення розрядності даних, створення специфічних технологічних команд із набору мікрокоманд. До секційних належать МП серій К589, К1804.
Однокристальний мікроконтролер– пристрій, що конструктивно виконаний в одному корпусі ВІС і містить основні складові частини МПК. До таких мікроконтролерів належать ОМК фірм Intel –MCS-196/296, MicroChip –PIC12Cxxx, PIC16C5x, PIC16Cxxx, PIC17Cxxx, PIC18Cxxx, Mitsubishi Electric – M3820, Motorola – MC33035, MC33039.
За типом архітектури, або принципом побудови, розрізняють МП з фоннейманівською архітектурою(наприклад, серія Intel 80x86; серії Motorola 68K, НС05, НС08 та НС11; серія MCS-51) і МП згарвардською архітектурою(наприклад R4000 фірми MIPS Technologies; Titan, SAFE, HR-32 та CASCADE фірми DEC, AVR фірми Atmel; PIC16 и PIC17 фірми Microchip).
Для МП електронно-обчислювальних систем розрізняють наступні архітектури, рис. 2.1:
· з одним потоком команд і одним потоком даних SISD (Single Instruction – Single Data), рис. 2.1.а, наприклад системи CPP DAP, Gamma II та Quadrics Apemille;
· з одним потоком команд і множинним потоком даних SIМD (Single Instruction –Multy Data), рис. 2.1.б, наприклад Hitachi S3600;
· із множинним потоком команд і одним потоком даних MISD (Multy Instruction – Single Data), рис. 2.1.в;
· із множинними потоками команд і даних MIMD (Multy Instruction – Multy Data), рис. 2.1.г, наприклад SX-5 фірми NEC та Cray T3E.
Рис. 2.1 Архітектури обчислювальних мікропроцесорних систем
а – SISD, б – SIМD, в – MISD, г – MIMD
За типом системи команд розрізняють процесори з повним набором команд – СISC (Complete Instruction Set Computing) і процесори зі зменшеним набором команд – RISC (Reduced Instruction Set Computing). Як правило, СISC-процесори виконуються за фоннейманівською архітектурою, а RISC-процесори – за гарвардською.
За кількістю ядер МП поділяють на одноядерні та багатоядерні. В одноядерних МП є можливість псевдо-одночасного виконання різних задач - в такому випадку процесорпо черзі виконує обчислення, але при такому підході можливий варіант вичерпування ресурсів процесору, що призводить до зниження обчислювальної потужності МП.Багатоядерні МП (наприклад, Intel Core 2 Duo) забезпечують можливість одночасного виконання різних обчислень, оскільки кожне ядро має власну кеш-пам’ять, тому операційна система має досить ресурсів для паралельного виконання обчислень, що потребують великої обчислювальної потужності.
Слід зазначити, що багато МПК підпадають під різні класифікаційні ознаки, оскільки здатні вирішувати задачі різних класів. Так, існують універсальні МП з мультимедійним розширенням наборів команд, наприклад, Pentium MMX, Pentium П, Cyrix 6x86MX, AMD K6, Ultra SPARC. У CISC-процесорах Pentium PRO реалізовано ядро з RISC-архітектурою.