Часть 1

1. Микропроцессоры. Определение, классификация, закономерности развития, области применения. Обобщенная структура микропроцессора

Микропроцессор (МП) — программно-управляемое устройство, как правило, выполненное на одной большой интегральной схеме (БИС), осуществляющее цифровую обработку информации и управление этим процессом.

Классификация микропроцессоров по функциональному признаку:

Микропроцессоры общего назначения служат для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации. Их основной областью применения являются персональные компьютеры, рабочие станции, серверы и другие цифровые системы массового использования.

Среди специализированных микропроцессоров наиболее широкое распространение получили микроконтроллеры, предназначенные для выполнения функций управления различными объектами, и процессоры цифровой обработки сигналов (Digital Signal Processor — DSP), ориентированные на реализацию процедур, обеспечивающих преобразование аналоговых сигналов, представленных в цифровой форме.

Микроконтроллеры являются специализированными микропроцессорами, которые ориентированы на реализацию устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру. Для удовлетворения запросов потребителей выпускается большая номенклатура микроконтроллеров, которые принято подразделять на 8-, 16- и 32-разрядные.

8-разрядные микроконтроллеры представляют наиболее многочисленную группу и характеризуются относительно низкой производительностью, которая, однако, вполне достаточна для решения широкого круга задач управления различными объектами. Это простые и дешевые микроконтроллеры, ориентированные на использование в относительно несложных устройствах массового выпуска. Основными областями их применения являются бытовая и измерительная техника, промышленная автоматика, автомобильная электроника, теле-, видео- и аудиоаппаратура, средства связи. Микроконтроллеры этой группы обычно выполняют относительно небольшой набор команд (50 – 100), использующих наиболее простые способы адресации.

16-разрядные микроконтроллеры во многих случаях являются усовершенствованной модификацией своих 8-разрядных прототипов. Они характеризуются не только увеличенной разрядностью обрабатываемых данных, но и расширенной системой команд и способов адресации, увеличенным набором регистров и объемом адресуемой памяти, а также рядом других дополнительных возможностей, использование которых позволяет повысить производительность и обеспечить новые области применения.

32-разрядные микроконтроллеры имеют высокопроизводительный процессор, соответствующий по своим возможностям младшим моделям микропроцессоров общего назначения.

Процессоры цифровой обработки сигналов (ПЦОС) представляют класс специализированных микропроцессоров, ориентированных на цифровую обработку поступающих аналоговых сигналов. Специфической особенностью алгоритмов обработки аналоговых сигналов является необходимость последовательного выполнения ряда команд умножения-сложения с накоплением промежуточного результата в регистре-аккумуляторе. Поэтому архитектура ПЦОС направлена на быстрое выполнение операций такого рода.

ПЦОС делятся на процессоры, обрабатывающие числа с фиксированной или плавающей точкой. Более простые и дешевые ПЦОС с фиксированной точкой обычно обрабатывают 16-разрядные операнды, представленные в виде правильной дроби. Наиболее высокая точность обработки достигается в случае представления данных в формате с плавающей точкой. В ПЦОС, обрабатывающих данные с плавающей точкой, обычно используется 32-разрядный формат их представления.

Классификация МП по областям применения:

Развитие микроэлектронной технологии обеспечивает непрерывное уменьшение размеров полупроводниковых компонентов, размещаемых на кристалле микропроцессора. При этом уменьшаются паразитные емкости, определяющие задержку переключения логических элементов, и увеличивается число элементов, размещаемых на кристалле. В настоящее время обеспечивается создание микропроцессоров, работающих с тактовой частотой до 3 – 4 ГГц и содержащих на кристалле десятки миллионов транзисторов. В соответствии с эмпирическим правилом, которое в 1975 г. сформулировал Гордон Мур, один из основателей компании Intel, степень интеграции микросхем удваивается каждые 1,5 – 2 года. Это правило выполнялось в течение более чем 40 лет развития микроэлектроники. Отметим, что в последнее время для получения прироста производительности, соответствующего правилу Мура, разработчики процессоров используют параллельные вычисления вместо увеличения тактовой частоты и параллелизма на уровне исполнения команд.

Обобщенная структура микропроцессора:

Наиболее характерными узлами МП являются операционное устройство (ОУ) и устройство управления (УУ).

Следует отметить, что в общем случае МП может содержать несколько операционных устройств с различной либо идентичной структурой:

∙ регистровое арифметико-логическое устройство (РАЛУ);

∙ аппаратные умножители и делители;

∙ блоки, выполняющие операции с числами, представленными в формате с плавающей точкой;

∙ блоки, выполняющие специализированные операции, например, умножение с накоплением или операции над комплексными числами.

Устройство управления формирует управляющие сигналы на все блоки процессора, синхронизируя их работу, и обеспечивает выборку команд из памяти в соответствии с заложенным алгоритмом.

Блок интерфейсной логики реализует электрическое и логическое сопряжение МП с внешними устройствами, а также формирует протокол обмена МП с внешними устройствами.

Память предназначена для хранения программ и данных. Всегда состоит из ОЗУ и ПЗУ. В минимальной конфигурации вычислительной системы в ПЗУ находится программа загрузки.

Несмотря на многообразие структур, ОУ в любом случае предназначено для обработки информации в соответствии с поступающим на него управляющим кодом