Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение , функции, классификация процессора.pdf

Из побочных характеристик, напрямую не относящихся от технологии производства, выделяют тепловыделение и количество потребляемой во время работы энергии. Мощные устройства выделяют много тепла и требуют большую энергетическую подпитку во время работы. Для их полноценной работы применяются вспомогательные системы охлаждения.

1.2. Внутреннее устройство микропроцессора

Несмотря на значительное различие по классификационным характеристикам и основным параметрам процессоров различных производителей, все они имеют сходную внутреннюю структуру, которую можно упрощённо разделить на операционный и интерфейсный блоки.

Операционный блок, выполняющий функции управления и обработки данных, содержит арифметико-логическое устройство, микропроцессорную память (за исключением сегментных регистров), модуль микропрограммного управления, объединённых в узел обработки данных, и устройство управления. Узел обработки данных предназначен для выполнения команд. Устройство управления обеспечивает синхронизацию работы устройств микропроцессора, выработку управляющих сигналов и сигналов состояния для обмена с другими компонентами, анализ и соответствующую реакцию на сигналы других устройств ЭВМ [19, с. 67].

Интерфейсный блок, или устройство связи с магистралью содержит набор сегментных регистров микропроцессорной памяти, набор регистров команд, представляющих собой регистры памяти для хранения кодов команд, выполняемых в ближайшие такты работы и сумматор адреса. Интерфейсный блок обеспечивает формирование физического адреса памяти и адреса внешнего устройства, выбор команд из памяти, обмен данными с запоминающими устройствами, внешними устройствами, а также другими процессорами по магистрали.

Обобщённая структура типичного микропроцессора представлена на рис. 3.

Рисунок 3 – Обобщённая внутренняя структура микропроцессора [19, с. 69]

Рассмотрим назначение и особенности функционирования входящих в неё блоков:

1. Схема управления выборкой команд выполняет чтение команд из памяти и их дешифрацию. Ранние 8-разрядные микропроцессоры не могли одновременно выполнять текущую команду и осуществлять выборку следующей команды, но уже в 16-разрядных микропроцессорах появляется так называемый конвейер (очередь) команд, позволяющий выбирать несколько следующих команд, пока выполняется предыдущая. Два процесса идут параллельно, что ускоряет работу процессора. Конвейер представляет собой небольшую внутреннюю память процессора, в которую при малейшей возможности (при освобождении внешней шины) записывается несколько команд, следующих за исполняемой. Читаются эти команды процессором в том же порядке, что и записываются в конвейер.

2. Арифметико-логическое устройство предназначено для обработки информации в соответствии с полученной процессором командой. Над какими числами проводится операция, куда помещается её результат – все определяется выполняемой командой. Если команда сводится всего лишь к пересылке данных без их обработки, то АЛУ не участвует в её выполнении. Быстродействие АЛУ во многом определяет производительность процессора. Причём важна не только частота тактового сигнала, которым тактируется АЛУ, но и количество тактов, необходимое для выполнения той или иной команды. В быстродействующих АЛУ время выполнения команды составляет один такт, а сама работа АЛУ осуществляется на максимально достижимой частоте.

3. Регистры процессора представляют собой по сути ячейки очень быстрой памяти и служат для временного хранения различных кодов: данных, адресов и служебных кодов. Операции с этими кодами выполняются предельно быстро, поэтому, чем больше внутренних регистров, тем лучше. Кроме того, на быстродействие процессора сильно влияет разрядность регистров. Именно разрядность регистров и АЛУ называется внутренней разрядностью процессора, которая может не совпадать с внешней разрядностью.

4. Схема управления прерываниями обрабатывает поступающий на микропроцессор запрос прерывания, определяет адрес начала программы обработки прерывания (адрес вектора прерывания), обеспечивает переход к этой программе после выполнения текущей команды и сохранения в памяти текущего состояния регистров микропроцессора. По окончании программы обработки прерывания процессор возвращается к прерванной программе с восстановленными из памяти значениями внутренних регистров.

5. Схема управления прямым доступом к памяти служит для временного отключения микропроцессора от внешних шин и приостановки работы процессора на время предоставления прямого доступа запросившему его устройству.

6. Логика управления организует взаимодействие всех узлов микропроцессора, перенаправляет данные, синхронизирует работу микропроцессора с внешними сигналами, а также реализует процедуры ввода и вывода информации.

Таким образом, в ходе работы микропроцессора схема выборки команд выбирает последовательно команды из памяти, затем эти команды выполняются, причём в случае необходимости обработки данных подключается АЛУ. На входы АЛУ могут подаваться обрабатываемые данные из памяти или из внутренних регистров. Во внутренних регистрах хранятся также коды адресов обрабатываемых данных, расположенных в памяти. Результат обработки в АЛУ изменяет состояние регистра признаков и записывается во внутренний регистр или в память (как источник, так и приёмник данных указывается в составе кода команды). При необходимости информация может переписываться из памяти (или из устройства ввода/вывода) во внутренний регистр или из внутреннего регистра в память (или в устройство ввода/вывода).

Внутренние регистры любого микропроцессора обязательно выполняют две служебные функции:

1) определяют адрес в памяти, где находится выполняемая в данный момент команда (функция счётчика команд или указателя команд);

2) определяют текущий адрес стека (функция указателя стека).

В различных микропроцессорах для каждой из этих функций может отводиться один или два внутренних регистра. Эти два указателя отличаются от других не только своим специфическим – служебным, системным назначением, но и особым способом изменения содержимого. Хранимую в них информацию программы могут изменять только в случае крайней необходимости, так как любая ошибка может вызвать сбой в работе компьютера, выражаемый «зависанием», порчей содержимого памяти, нарушением нормальной работы программного обеспечения. Чтобы микропроцессор мог совершать различные операции над данными, в соответствующие регистры должны быть занесены необходимые значения операндов и код требуемой операции. Управление работой микропроцессора осуществляют с помощью специальных команд.

1.3. Классификация процессоров

Классификацию микропроцессоров обычно осуществляют по семи основным направлениям – физической основе функционирования, назначению, виду обрабатываемой входной информации, количеству одновременно выполняемых программ, полноте и порядку выполнения набора команд, по характеру временной организации работы и числу ИМС, образующих микропроцессорный комплект [19, с. 65].

Так, по физической природе функционирования выделяют микропроцессоры, работа которых основана на различных физических принципах действия: электрических, оптических, оптоэлектрических, пневматических, гидравлических и даже биологических.

По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры. К универсальным относят такие микропроцессоры, в системе команд которых заложена алгоритмическая универсальность. В таких микропроцессорах выполняемый состав команд позволяет получить преобразование информации в соответствии с любым заданным алгоритмом, что обеспечивает применение универсальных микропроцессоров для решения широкого круга разнообразных задач. Производительность универсальных микропроцессоров слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализированные микропроцессоры предназначены для решения определённого класса задач (иногда даже только одной конкретной задачи). Их существенными особенностями являются простота управления, компактность аппаратных средств, низкая стоимость и малая мощность потребления. Специализация микропроцессора, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение отдельных функций, позволяет резко увеличить его эффективную производительность при решении определённых задач. Среди специализированных микропроцессоров можно выделить микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций; математические сопроцессоры, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций; микропроцессоры для обработки входных данных в различных областях применений и т.д.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Хотя сами микропроцессоры являются цифровыми устройствами, однако они могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в микропроцессор через АЦП, обрабатываются и после обратного преобразования в ЦАП поступают на выход. С архитектурной точки зрения, такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (генераторов колебаний, модуляторов, смесителей, фильтров, кодеров и декодеров сигналов и пр.), заменяя дискретные узлы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д. [19, с. 66]

Применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов, а также расширяет функциональные возможности устройства за счёт программной реализации различных алгоритмов обработки сигналов. Отличительная черта аналоговых микропроцессоров – способность к переработке большого объёма числовых данных, т.е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передаётся на выход обычно в аналоговой форме через ЦАП. При этом согласно теореме Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частоту сигнала. Сравнение цифровых микропроцессоров проводится сопоставлением времени выполнения ими списков операций, а сравнение аналоговых микропроцессоров проводится по количеству эквивалентных звеньев аналого-цифровых фильтров – рекурсивных фильтров второго порядка. Производительность аналогового микропроцессора определяется его способностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрее осуществляется умножение, тем больше эквивалентное количество звеньев фильтра в аналоговом преобразователе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровых сигналов можно задавать в микропроцессоре. Одним из направлений дальнейшего совершенствования аналоговых микропроцессоров является повышение их универсальности и гибкости.

По количеству одновременно выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры. В однопрограммных микропроцессорах в один момент времени может выполняться только одна программа. Переход к выполнению следующей программы происходит только после завершения текущей. В многопрограммных микропроцессорах одновременно может выполняться несколько программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приёмников информации.

По полноте и порядку выполнения набора команд различают микропроцессоры с полным и сокращённым наборами команд. Микропроцессоры с полным набором команд – CISC (от англ. Complete Instruction Set Computer) имеют неизменную разрядность слова данных и фиксированный набор команд. Каждая команда представляет собой определённую последовательность микрокоманд. На её выполнение может затрачиваться несколько машинных циклов (обращений к внешней памяти), каждый из которых включает в себя от 1 до 12 рабочих тактов. Микропроцессоры с сокращённым набором команд – RISC (от англ. Reduce Instruction Set Computer) имеют небольшой набор часто используемых команд одинакового формата, которые могут быть выполнены за один такт. Более сложные или редко используемые команды реализуются на программном уровне. Тем не менее, за счёт значительного повышения скорости выполнения сокращённого набора команд, средняя производительность RISC-процессоров оказывается выше, чем у процессоров CISC [19, с. 67].

По характеру временной организации работы выделяют синхронные и асинхронные микропроцессоры. К синхронным относят такие микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (т.е. время выполнения операций не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов). Асинхронные микропроцессоры позволяют определить начало выполнения каждой следующей операции по сигналу окончания выполнения предыдущей. Для более эффективного использования каждого компонента микропроцессорной системы в состав асинхронно работающего устройства вводят специальные электронные цепи, обеспечивающие его автономное функционирование. Закончив работу над какой-либо операцией, процессор вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции.

По числу ИМС в микропроцессорном комплекте различают однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные микропроцессоры. Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной ИМС большой или сверхбольшой степени интеграции. Возможности однокристальных микропроцессоров ограничены технологическими ресурсами полупроводникового кристалла и корпуса. Поэтому более широко распространены многокристальные микропроцессоры, а также многокристальные секционные микропроцессоры. В таком процессоре его логическая структура разбивается на функционально законченные части и реализуется либо в виде нескольких БИС, в совокупности образующих микропроцессорный комплект, либо в виде одной микросборки, объединяющей несколько полупроводниковых кристаллов (процессорных секций). В последние годы появились микропроцессоры, на одном кристалле которых размещаются несколько процессорных секций (ядер).