Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (История создание и структура современного микропроцессора).pdf

Дешифратор команд

Регистр флагов

Блок

РОН

АЛУ

Указатель стека

ГТИ

Счетчик команд

Устройство управления

Регистр адреса

Шина адреса

Шина управления

Шина данных

Рисунок 4. Структура микропроцессора

Глава 2. Классификация и основные характеристики микропроцессоров

2.1. Классификация микропроцессоров

Сейчас существует огромное количество разновидностей микропроцессоров, которые могут быть классифицированы по самым разным критериям.

По количеству интегральных схем в микропроцессорном комплекте МП делятся на три класса:

− однокристальные;

− многокристальные;

− секционированные.

Вся структура однокристального МП реализована на одном кристалле микросхемы и конструктивно выполнена в одном корпусе. Такие МП имеют фиксированную разрядность и фиксированный набор команд. Из-за малого числа внешних соединений, аппаратура, построенная на однокристальных МП, более надежна, чем аппаратурой, использующая иную элементную базу.

В многокристальных МП производится разбиение его логической структуры на функционально законченные части, причем каждый тип устройства структуры МП или их набор находятся в отдельном корпусе БИС. Выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются каждой частью микропроцессора автономно и поэтому может быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС МП. Такой режим работы значительно повышает производительность микропроцессора. Многокристальные МП также имеют фиксированную разрядность и фиксированную систему команд. 

Секционированные МП конструктивно также состоят из набора микросхем. Микропроцессорная секция это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Секционность БИС МП определяет возможность «наращивания» разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессора при «параллельном» включении большего числа БИС. Секционированные МП имеют изменяемую систему команд.

---

По назначению МП разделяют на:

− универсальные;

− специализированные. 

Универсальные МП применяются в построении систем для решения широкого круга задач. Они обрабатывают информации разного типа, не имеют жестких ограничений на время выполнения задания. Применяются в вычислительных системах, персональных ЭВМ, рабочих станциях. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. К ним относятся используемые в персональных компьютерах процессоры фирмы Intel и AMD. Основной их характеристикой является наличие развитых устройств для эффективного выполнения операций с плавающей точкой над 64-разрядными и более длинными операндами. Универсальные микропроцессоры имеют следующие характеристики:

1. Разрядность. Этот параметр определяет, сколько бит данных процессор может принять и обработать за один раз (такт). Разрядность процессора включает:

− разрядность внутренних регистров микропроцессора (m);

− разрядность шины данных (n);

− разрядность шины адреса (k).

На рисунке 5 изображена схема обмена информацией между МП и ОЗУ.

ОЗУ

Шина управления

Устройство управления

Шина адреса (k)

Регистры (m)

АЛУ

Шина данных (n)

Рисунок 5. Схема обмена информацией между микропроцессором и ОЗУ

Данные поступают в регистры МП из ОЗУ и наоборот по шине данных. По шине адреса передается информация о месте хранения (адреса ячеек) этих данных в ОЗУ. Разрядности этих шин могут не совпадать. Например, процессор характеризуется значениями m/n/k = 16/8/20. И когда говорят о разрядности процессора, то имеется в виду разрядность его регистров.

2. Виды и форматы обрабатываемых данных;

3. Система команд, режимы адресации операндов. Под системой команд понимают набор функций, которые может выполнять микропроцессор. Команды различаются по длине (количеству байтов – 1, 2, 3 байта и т. д.), функциональным признакам (виду выполняемых действий – команды пересылки, арифметические команды, логические команды и т. д.) и способу адресации (виду обращения МП к памяти или его внутренним устройствам – непосредственное обращение к памяти; косвенное – необходимый адрес ячейки задан через указатель, хранящийся во внутреннем регистре процессора или в ячейке памяти; регистровая адресация – обращение к внутренним регистрам МП). Количество операций, выполняемых МП, определяется величиной его внутреннего регистра команд.

---

4. Емкость адресуемой оперативной памяти напрямую (определяется разрядностью шины адреса, например, если ширина шины адреса равна 32 байта, то размер адресуемого пространства будет равен 2³² байт);

5. Частота внешней синхронизации. Обычно указывается ее максимальное значение, при котором схема будет работать. Для функционально сложных схем иногда указывают и минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. Но в тех областях, где не требуется высокое быстродействие МП, снижение частоты синхронизации это одно из направлений энергосбережения. При уменьшении частоты, некоторые современные микропроцессоры переходят в «спящий режим», при котором они сохраняют свое состояние.

6. Производительность. Она характеризуется количеством операций, выполняемых процессором в течение одной секунды. На производительность микропроцессора больше всего влияют такие характеристики, как разрядность и тактовая частота. Т. к. разрядность процессора определяет минимальное количество информации, представленной в виде последовательности бит, которое может обрабатывать процессор за один раз, то чем выше разрядность микропроцессора, тем больше информации обрабатывает процессор за один такт, что существенно сказывается на производительности микропроцессора. От тактовой частоты процессора зависит ритм работы всего устройства, в состав которого он входит. Чем она выше, тем выше производительность устройства. Тактовая частота выражает количество тактов, выполняемых микропроцессором за одну секунду. Один такт равен определенному промежутку времени, необходимому процессору для выполнения одной элементарной (неделимой) операции. Тактовая частота микропроцессора измеряется в мегагерцах и гигагерцах.

Для решения конкретных задач применяют специализированные МП. К ним относятся:

− математические МП, использующие в своей системе команд набор специализированных команд для реализации различных математических функций;

− микроконтроллеры;

− сигнальные МП, предназначены для обработки оцифрованных сигналов (обычно, в режиме реального времени);

− процессоры для обработки медиа информации, применяются для обработки в реальном времени аудио и видео потоков.

По виду обрабатываемых входных сигналов МП бывают:

− цифровые;

− аналоговые. 

Цифровые МП работают с двоичной информацией, представленной в виде 0 и 1. 

---

Аналоговые МП оперируют с информацией, представленной в аналоговой (непрерывной) форме. Но вся обработка информации в нем осуществляется в цифровой форме цифровыми методами. Аналоговые сигналы поступают в МП через аналого-цифровые преобразователи и выдят через цифро-аналоговые преобразователи, включенные в структуру самого МП.

По числу команд в системе команд МП делятся на:

− МП с CISC-архитектурой

− МП с RISC-архитектурой.

CISC (Complete Instruction Set Computing) – тип архитектуры процессора с полным набором команд. CISC-процессорами являются универсальные МП. Универсальные МП используются для решения широкого круга задач. А значит необходимо, чтобы как можно большее количество операций поддерживались на аппаратном уровне. В данной архитектуре стремятся иметь отдельную машинную команду для каждого возможного (типового) действия по обработке данных. Основные характеристики CISC-архитектуры:

− большое количество различных машинных команд (сотни), каждая из которых выполняется за несколько тактов центрального процессора;

− устройство управления с программируемой логикой;

− небольшое количество регистров общего назначения;

− различные форматы команд с разной длиной;

− преобладание двухадресной адресации;

− развитый механизм адресации операндов, включающий различные методы косвенной адресации.

Для многих специализированных МП нет необходимости разрабатывать полную систему команд. Достаточно иметь только те команды, которые нужны для решения данной задачи. Эти процессоры могут выполнять достаточно простые команды с максимальным быстродействием. Поэтому были созданы МП, имеющие ограниченный набор простых команд, но способных выполнять их в течение одного периода сигнала тактового генератора. RISC – Reduced (Restricted) Instruction Set Computer – процессоры с сокращенным набором команд. В этих процессорах используются отдельные наборы команд для работы с памятью и отдельные наборы команд для преобразования информации в регистрах процессора. Каждая такая команда единообразно разбивается на небольшое количество этапов с одинаковым временем исполнения (выборка команды, дешифрация команды, исполнение, запись результата), что позволяет строить эффективный конвейер процессора, способный каждый такт выдавать результат исполнения очередной команды.

Для RISC-процессоров характерно:

– набор команд до минимума;

– большинство команд выполняется за 1 такт и лишь немногие – за несколько либо за несколько десятков тактов;

---

– все команды обработки данных оперируют только содержимым регистров процессора, а для обращения к «медленной» оперативной памяти предусмотрены команды вида «загрузить в регистр», «записать в память»;

– команды имеют простой, четко заданный формат;

– в наборе команд отсутствуют редко используемые инструкции и команды, не вписывающиеся в принятый формат;

– состав системы команд должен быть удобным для применения оптимизирующих компиляторов с языков высокого уровня.

– уменьшено количество режимов адресации операндов;

– команды небольшой длины;

– увеличен объем регистров памяти;

– имеет кэш-память большой емкости, для обеспечения согласованной работы быстрых внутренних устройств и медленной оперативной памяти;

– низкое тепловыделение;

– высокая тактовая частота работы.

По способу организации памяти МП-системы различают МП с Фон-Неймановской архитектурой и МП с Гарвардской архитектурой. В архитектуре Фон Неймана область памяти не разделяется на сегменты и является общей и для программы и для данных. Это существенно сокращает возможности адресации к данным. В с Гарвардской архитектурой для хранения программы используется область памяти, называемая памятью программ, а для хранения данных – область памяти, называемая памятью данных. Такая организация позволяет использовать эффективные способы адресации данных.

По виду временной организации работы МП делятся на:

– синхронные;

– асинхронные.

В синхронных МП начало и конец выполнения операции задаются устройством управления. Время выполнения команды – фиксировано и не зависит ни от типа команды, ни от типа обрабатываемых данных.

В асинхронных МП конец выполнения операции определяется по фактическому сигналу окончания операции. Время выполнения команды индивидуально для каждой команды и выполнения очередной команды идет сразу же после окончания предыдущей, не дожидаясь специальных сигналов синхронизации устройства управления.

По количеству выполняемых программ МП делят на:

– однопрограммные;

– мультипрограммные.

В однопрограммных МП в текущий момент времени может выполняться только одна программа.

В мультипрограммных МП возможно параллельное выполнение одновременно сразу нескольких программ. Такие МП используются преимущественно, когда требуется обрабатывать большое количество источников информации и больших массивов данных.

Наиболее распространенные классификации микропроцессоров изображены на рисунке 6.

---