1. По количеству бис, составляющих функционально законченный мпк:
- многокристальные МПК
- однокристальные МК (ОМК)
К многокристальным МПК относят: однокристальные МП и секционные МП
В случае многокристального МПК необходимо распределить все аппаратурные блоки МП между тремя основными функциональными частями: операционной, интерфейсной и управляющей.
Сложность операционной и управляющей частей определяется системой команд, разрядностью и требованиями к системе прерываний.
Сложность интерфейсной части определяется разрядностью и возможностью подключения других устройств.
ОМК – это конструктивно законченной изделие в виде одной БИС (МП с фиксированной разрядностью данных).
По мере возрастания степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры процессов улучшаются.
Однако возможности ОМК ограничены аппаратурными возможностями кристалла и корпуса.
Intel – Pentium (p5, p6, p7)
Motorola-Power PC603, 604, 620
AMD-K5, K6
В секционных МП в одной БИС реализуется некоторая функциональная часть (секция) процессора (разрядно - модульные МП или МП с наращиванием разрядности).
МП секция – БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций.
Секционность БИС МП определяет возможность наращивания данных или усложнения устройства управления МП при одновременном включении большого числа БИС, обуславливает значительную гибкость микропроцессорной системы и создание специфических технологических команд.
К 589
К1804
Однокристальные МК – устройство, выполненное конструктивно в одном корпусе БИС и содержащее все основные составные части МПК.
Intel - MCS 196/296
MicroChip - PIC 17 C4
Motorola - MC 33035
2. по назначению:
- универсальные
- специализированные
Универсальные – МП общего назначения, которые решают широкий класс задач вычисления, обработки и управления.
Специализированные МП предназначены для решения задач определенного класса.
К ним относятся:
- сигнальные МП
- медийные мультимедийные
- транспьютеры
Сигнальные МП предназначены для цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени.
TMS 320 C 80
ADSP 2106X
DSP 560XX
Медийные и мультимедийные МП предназначены для обработки аудио сигналов, графической информации, видео изображений, а также для решения задач в мультимедиа компьютерах, игровых приставках.
Media processor
Media GX
Транспьютеры предназначены для организации параллельных вычислений и работы в мультипроцессорных системах.
Характерными для них являются наличие внутренней памяти, встроенного межпроцессорного интерфейса.
Inmos – T-2, T-4, T-8
3. по способу управления:
- МП со схемным управлением – имеют фиксированный набор команд, разработанный компанией производителем, который не может изменяться потребителем.;
- МП с микропрограммным управлением – система команд разрабатывается при проектировании конкретного МПК на базе конкретного набора микрокоманд с учетом класса задач, для которых предназначен МПК.
4. по характеру временной организации работы:
- синхронные, в которых процессы синхронизированы сигналами тактового генератора; время выполнения операции не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов; (Intel)
- асинхронные, позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции; (DEC)
Закончив работу над какой-либо операцией устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции.
Роль естественного распределителя работ принимает память, которая с заранее установленным приоритетом выполняет запросы других устройств по обеспечению их командной информацией и данными.
5. по типу архитектуры или принципу построения:
- МП с фон-неймановской архитектурой – одношинная или принстонская архитектура с общей шиной для данных и команд. В составе системы общая память как для данных, так и для команд;
- гарвардская архитектура – двухшинная архитектура с раздельными шинами для данных и команд. Предполагает наличие в системе отдельной памяти для данных и для команд. Обмен процессора с каждым из типов памяти происходит по своей шине.
6. по типу системы команд:
- CISC – с полным набором команд (процессоры)
- RISC – с сокращенным набором команд
- MISC – процессоры в разработке с минимальным набором команд
7. по организации структуры МП систем:
- одномагистральные микро ЭВМ – все устройства имеют одинаковый интерфейс, подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов;
- много магистральные микро ЭВМ – устройства группами подключаются к своей информационной магистрали, что позволяет осуществить одновременную передаче сигнала.
8. по количеству выполняемых программ:
- однопрограммные
- многопрограммные
9. по ширине шины данных:
- восьмиразрядные МП – для построения простых МП систем
- шестнадцатиразрядные – для построения микро ЭВМ
- 32-разрядные – для ПК
- секционные – для построения МПС с произвольной шириной шины данных.
Многие МП попадают под разные признаки, т.к. решают задачи различных классов, например, существуют универсальные МП с мультимедийным расширением наборов команд (Pentium MMX), а в процессорах Pentium Pro, являются CISC процессорами, реализовано ядро с RISC архитектурой.
Обобщенная структурная схема МПС
В состав МАС входят: ЦП, память (ОЗУ, ПЗУ) которая служит для хранения данных и программ, устройства ввода-вывода для связи МПС с внешними устройствами для приема входных сигналов, система прерываний, таймер.
Устройства ввода-вывода подключаются к шине через интерфейсы ввода вывода
ПЗУ и ОЗУ образуют систему памяти, предназначенную для хранения информации в виде двоичных чисел: ПЗУ – таблицы, константы, программы управления; ОЗУ – данные от внешних устройств и во внешнее устройство, промежуточные результаты вычислений и адресной информации.
Модуль ЦП осуществляет обработку данных и управляет остальными модулями системы. ЦП содержит схемы синхронизации и интерфейс системной шины. Осуществляет выборку кодов команд из памяти, дешифрует их и исполняет. В течении времени выполнения командного цикла ЦП выполняет следующие действия:
1. выставляет адрес команды на шину адреса
2. получает код команды из памяти и дешифрует его
3. вычисляет адрес операнда и считывает данные
4. выполняет операцию определенную командой
5. воспринимает внешние управляющие сигналы
6. генерирует сигналы состояния и управления, необходимые для работы памяти и устройств ввода-вывода.
Процесс выполнения команды условно можно разбить на две фазы:
- фаза выборки команды
- фаза исполнения команды
Фаза выборки команды состоит из трех шагов:
1ш. – адрес команды из счетчика команд выставляется на шину адреса
2ш. – выборка кода команды из ПЗУ и передача его через шину команд или шину данных в регистр команд ЦП
3ш. – дешифрация кода команды в дешифраторе команд
Фаза исполнения команды состоит из двух шагов. В соответствии с полученных кодом команды УУ вырабатывает последовательность управляющих сигналов, необходимых для исполнения команды.
1ш. – подготовка операндов заключается в определении их местоположения
2ш. – исполнение операции, заданной кодом команды.
В это же время счетчик команд формирует адрес следующей команды и операция выполняется.
Основные узлы
Счетчик команд, регистры общего назначения, дешифратор команд, устройство управления, регистр команд, аккумулятор, арифметико-логическое устройство.
Блок генератора тактовых импульсов выполняется на основе кварцевого резонатора и выполняет серии тактовых импульсов и некоторых вспомогательных сигналов.
УУ вырабатывает сигналы управления, обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций. Формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой командой , передает эти адреса в соответствующие блоки системы. Последовательность импульсов УУ получает от ГТИ.
АЛУ предназначен для выполнения арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.
Устройства ввода-вывода
Устройства ввода-вывода предназначены для ввода информации в МП или вывода информации из него. Это дисплей, печатающее устройство, клавиатура, ЦАП, АЦП и т.д. Для соединения устройств ввода-вывода с системной шиной их сигналы должны соответствовать определенным стандартам, что реализуется интерфейсом ввода-вывода (контроллеры, адаптеры), которые представляют собой совокупность шин для передачи информации, электронных схем, специальных сигналов и алгоритмов, управляющих обменом информации.
Блок интерфейса служит для сопряжения МПВУ с внешними устройствами, по электрическим и временным параметрам, а также для преобразования данных и управления обменом. При этом МП выставляет на адреса, адрес интерфейса, а по шине данных считывает данные с устройства ввода или записывает в устройство вывода.
Система прерываний позволяет МПВУ реагировать на внешние сигналы – запросы прерываний. При появлении запроса на прерывание ЦП прекращает выполнение основной и переходит к выполнению подпрограммы обслуживания запроса прерывания.
Для построения системы прерывания используются программируемые контроллеры прерываний.
Таймер предназначен для реализации функций, связанных с отсчетом времени. Необходимо в таймер загрузить число, задающее частоту, задержку или коэффициент деления, затем таймер реализует необходимую функцию под управлением МП.
В зависимости от требований реализации применения в минимальную конфигурацию МПВУ могут входить следующие схемы:
1. КПП – контроллер приоритетных прерываний
2. КПДП – контроллер прямого доступа к памяти
3. ППИ или УСАПП – программируемый параллельный интерфейс, универсальный синхронно-асинхронный приемо-передатчик
4. ПТ – программируемый таймер
Режимы работы МПС
МПС обеспечивает большую гибкость работы, т.е. способна настраиваться на выполнение разных задач.
Гибкость обусловлена тем, что функции, выполняемые системой определяются программным обеспечением выполняемым процессором.
Аппаратура остается неизменной при любой задаче.
Шинная организация МПС позволяет заменять аппаратные модули, добавлять или модернизировать устройства, заменять процессор на более мощный.
Это позволяет увеличить гибкость системы. МПС поддерживает три основных режима обмена по магистрали:
1. программный обмен информацией
2. обмен по прерываниям
3. обмен с использованием прямого доступа к памяти (ПДП)
Программный обмен информацией является основным в МПС. В этом режиме процессор является задатчиком системной магистрали. Все операции инициируются процессором и выполняются в порядке, предписанным программой.
Процессор читает из памяти коды команд и исполняет их, читая данные из памяти или устройств ввода-вывода, обрабатывая их и записывая в память или устройства ввода-вывода.
Путь процессора по программе непрерывен, на внешние события, не связанные с программой, процессор не реагирует.
Обмен по прерываниям применяется, когда необходима реакция системы на приход внешнего сигнала.
Реакцию на внешние события можно организовать следующими способами:
- с помощью постоянного контроля факта наступления события: реализуется чтением информации процессором из устройств ввода-вывода, связанного с тем внешним устройством, на поведение которого нужно реагировать;
- с помощью прерывания, т.е. насильственного перевода процессора с выполнения текущей программы на выполнение необходимой программы: процессор, получив запрос на вход прерывания от внешнего устройства, заканчивает выполнение текущей команды и переходит к программе обработки прерывания, затем возвращается к прерванной программе с точки прерывания; работа осуществляется процессором; реакция на внешнее событие по прерыванию медленнее, чем при программном режиме; для обслуживания прерываний в систему иногда вводится специальный модуль-контроллер прерываний, его задача – упростить работу процессора с внешними запросами прерываний;
Прямой доступ к памяти отличается от первого и второго тем, что обмен по системной шине идет без участия процессора. Внешние устройства, требующие обслуживания, сигнализируют процессору, что необходим режим ПДП. Процессор прерывает текущую программу, и вводит шину в состояние высокого сопротивления – высоко-импедансное состояние, сигнализируя запросившему устройству, что можно начинать режим ПДП.
Операция ПДП сводится к пересылке информации из устройства ввода-вывода в память или наоборот.
Когда пересылка информации будет закончена процессор возвращается к прерванной программе.
Как и в случае прерываний реакция на внешнее событие по ПДП медленнее, чем при программном режиме.
В систему вводится контроллер ПДП (специализированная микро схема), который не участвует в обмене, но осуществляет полноценный обмен по системной магистрали без участия процессора.
Скорость обмена в режиме ПДП ограничена возможностями магистрали, а также необходимость программного задания режимов контроллера ПДП может свести на нет выигрыш от более высокой скорости пересылки данных.
Организация шин в МПС
Шина – это информационный канал, объединяющий все функциональные блоки МПС и обеспечивающий обмен данными в виде двоичных чисел.
Конструктивно шина представляет собой n-проводников и один общий проводник (земля).
В параллельной шине n-бит информации передается по отдельным линиям одновременно, в последовательной – последовательность разделения во времени.
Параллельные шины выпускаются в виде плоского кабеля, последовательные – в виде коаксиального кабеля или волоконно-оптического кабеля.
Все основные блоки МПС соединены с единой параллельной шиной, которая называется системной. Системная магистраль включает четыре основных шины нижнего уровня: шина данных, шина адреса, шина управления (команд), шина питания.
Шина адреса однонаправленная и предназначена для передачи адреса ячейки памяти или устройства ввода-вывода.
Шина данных двунаправленная, предназначена для передачи данных между блоками МПС.
Обычно в пересылке информации участвует процессор, который передает код данных в устройство или ячейку памяти.
Шина управления – для передачи управляющих сигналов. Функции управляющих сигналов различны: стробирование сигналов, прием данных, сброс устройств в исходное состояние, тактирование устройств.
Несмотря на то, что сигналы управления разнонаправленные, обозначаются как однонаправленные.
Шина питания предназначена не для пересылки информационных сигналов, а для питания МПС.
В МПС может быть: +5В, +12В, -12В, …
Типы архитектур МП
Архитектура МП определяет основные его части, а также связи и взаимодействие между ними.
Включает: структурную схему МП, программную модель МП (описание функций регистров), информацию об организации памяти (емкость и способы адресации), описание процедур ввода-вывода.
Существует два типа архитектур МП:
1. фон-неймановская (принстонская)
Особенностью является то, что программа и данные находятся в общей памяти, доступ к которой осуществляется по одной шине данных и команд.
2. гарвардская архитектура
Особенностью ее является то, что память данных и программ разделены и имеют отдельные шины данных и команд, что позволяет повысить быстродействие МПС.
Структурные схемы обоих типов архитектур содержат процессорный элемент, интерфейс ввода-вывода, память и устройства ввода-вывода.
Память и интерфейс ввода-вывода могут быть для разных типов МП как внутренними (размещаться на том же кристалле, что и процессорный элемент), так и внешними.
Процессорный элемент содержит регистры, АЛУ, устройство управления и выполняет функции обработки данных и управление процессами обмена информации. Память обеспечивает хранение данных и кодов команд. Интерфейсы ввода-вывода предназначены для связи с устройствами ввода вывода. Все устройства данной схемы соединены шинами.