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

ВВЕДЕНИЕ

Основным и главным элементом любой современной техники является микропроцессор. Именно этот компонент выполняет большую часть при обработке информации и управляет работой компьютерной техники.

В настоящее время микропроцессоры используются во всех областях техники. Компьютерная техника используется во всех сферах деятельности человека: от управления технологическими процессами на производстве, до применения компьютера дома в бытовых условиях. Компьютеры и компьютерная техника не только помогает в обработке информации, в расчетах, в производстве машин и станков, но также участвует в сфере образования, медицины и т.п. Поэтому тема микропроцессоров ПК является актуальной в современном мире.

Производство новых моделей микропроцессоров связано с научными, конструкторскими и технологическими открытиями. Для разработки новых микропроцессоров в условиях современной конкуренции используются знания в областях физики, радиотехники, электроники, математики, а так же автоматизации и кибернетики. Производительность и уровень развития всей компьютерной индустрии, всей компьютерной техники зависит на прямую от уровня и мощности такого элемента, как микропроцессор.

Впервые микропроцессоры появились семидесятых годах XX века. Применялись они в калькуляторах. В первых микропроцессорах использовалась двоично-десятичная арифметика 4-х битных слов. Такие МП стали позже использовать и в другой технике: терминалах, принтерах, различной автоматике. Создание первых бытовых микрокомпьютеров стало возможным в середине 1970-х при появлении доступных 8-битных микропроцессоров с 16-битной адресацией.

Очень долго центральные процессоры представляли собой комплекс из отдельных микросхем малой и средней интеграции, которые содержали от нескольких единиц до нескольких сотен транзисторов. Размещение целого ЦПУ на одном чипе сверх большой интеграции позволило значительно снизить его стоимость и сделать со временем более доступными компьютеры. Если просмотреть историю вычислительной техники, то можно увидеть, что при непрерывном увеличении сложности микропроцессоров ряд форм компьютеров устарели. Всего лишь несколько микропроцессоров в настоящее время используются, как элемент в вычислительной технике: от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств, до огромных мейнфреймов и суперкомпьютеров.

Благодаря наблюдению в 1965 году Гордона Мура, которое теперь именуется законом Мура, известно, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. А согласно мнению Давида Хауса производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за сочетания роста количества транзисторов и быстродействия каждого из них. Все это подтверждает быстрые темпы развития и совершенствования микропроцессоров, как главных элементов вычислительной техники.

---

В конце 90-х годов главным препятствием для разработки новых микропроцессоров стало тепловыделение (TDP) из-за утечек тока и других факторов.

Основные этапы развития процессоров можно представить схемой на рисунке 1.

Рисунок 1. Этапы развития процессоров.

Актуальность рассматриваемой темы состоит в том, что микропроцессоры, которые являются основой всей компьютерной техники, постоянно усовершенствуются, улучшаются их характеристики и усложняются задачи, выполняемые ими.

Целью данной курсовой работы является рассмотрение структуры и классификации микропроцессоров, а также обозначить основные характеристики микропроцессоров ПК и познакомиться с инновационными конструктивными решениями микропроцессоров.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- раскрыть понятие микропроцессора и основных понятий темы;

- определить схему классификации микропроцессоров;

- дать характеристику каждому классу микропроцессоров;

- рассмотреть структуру микропроцессоров;

- определить основные характеристики микропроцессоров ПК.

1. Классификация микропроцессора

Для того чтобы классифицировать микропроцессоры, необходимо дать определение понятию центральный процессор или микропроцессор. Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов. (1)

Если обратиться к ряду авторов литературы по данной теме, то можно увидеть, что некоторые относят к микропроцессорам только устройства, реализованные строго на одной микросхеме. Но есть варианты таких микропроцессоров, как Intel и AMD в корпусах типа SECC и подобных, а также Pentium II, которые были реализованы на нескольких микросхемах.

Можно выделить ряд основных функций микропроцессоров:

1. Чтение и дешифрацию команд из памяти.
2. Чтение данных из памяти и регистров адаптеров внешних устройств.

Обработка и запись данных в память и регистры адаптеров внешних устройств.

Приемка запросов и команд от адаптеров, их обработка на обслуживание внешних устройств.

Выработка сигналов управления для всех прочих узлов и блоков ПК.

---

Современные микропроцессоры можно классифицировать по числу больших интегральных схем (БИС) на две основные группы:

1. Однокристальные.
2. Многокристальные.

Однокристальные МП (ОМП) — функционально законченные процессоры с фиксируемыми разрядностью и набором инструкций. При этом инструкциями процессора являются инструкции ОМП.(2) Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации аппаратных средств процессора в виде одной большой интегральной схемы или сверхбольшой интегральной схемы (СБИС). Параметры ОМП улучшаются по мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса. При этом возможности ОМП ограничиваются аппаратными ресурсами кристалла и корпуса.

Многокристальные (секционные) МП (CМП) — секции разрядности 2, 4, 8 или 16 бит с фиксированным набором инструкций для построения процессора с изменяемой разрядностью слова и различной архитектурой. CMП позволяют создавать специализированные процессоры с наборами инструкций, ориентированными на определённое применение (например: фурье - анализ, процедуры обработки данных). При этом каждая инструкция такого специализированного процессора состоит из последовательности инструкций (программы) СМП. В этом случае принято называть инструкции СМП микроинструкциями, а процесс разработки инструкций процессора - микропрограммированием. (2)

При разбиении логической структуры на функционально законченные части и при их реализации в виде БИС (СБИС) получается многокристальный микропроцессор. Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и при этом могут работать автономно.

На рисунке 2, показано функциональное разбиение структуры процессора при создании трехкристального микропроцессора (пунктирные линии), содержащего БИС операционного (ОП), БИС управляющего (УП) и БИС интерфейсного (ИП) процессоров

Рисунок 2. Функциональная структура процессора (а) и ее разбиение для реализации процессора в виде комплекта секционных БИС (б).

Микропроцессоры по назначению можно разбить на две группы: универсальные, специализированные.

Универсальные микропроцессоры применяются для решения разнообразных задач. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. Например, к этой группе относятся микропроцессоры ряда Pentium фирмы Intel и МП семейства Athlon фирмы AMD.

---

Универсальные микропроцессоров имеют ряд характеристик:

• разрядность: определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ);
• виды и форматы обрабатываемых данных;
• система команд, режимы адресации операндов;
• емкость прямо адресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса;
• частота внешней синхронизации. Для частоты синхронизации обычно указывается ее максимально возможное значение, при котором гарантируется работоспособность схемы. Для функционально сложных схем, к которым относятся и микропроцессоры, иногда указывают также минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. В то же время в тех применениях МП, где не требуется высокое быстродействие, снижение частоты синхронизации — одно из направлений энергосбережения. В ряде современных микропроцессоров при уменьшении частоты он переходит в “спящий режим”, при котором сохраняет свое состояние. Частота синхронизации в рамках одной архитектуры позволяет сравнить производительность микропроцессоров. Но разные архитектурные решения влияют на производительность гораздо больше, чем частота;
• производительность: определяется с помощью специальных тестов, при этом совокупность тестов подбирается таким образом, чтобы они по возможности покрывали различные характеристики микроархитектуры процессоров, влияющие на производительность.

Специализированные микропроцессоры предназначены для решения определенного класса задач, а иногда только для решения одной конкретной задачи. Их существенными особенностями являются простота управления, компактность аппаратурных средств, низкая стоимость и малая мощность потребления. В группе специализированных МП можно выделить ряд подгрупп: функционально-ориентированные МП; векторные и матричные процессоры; микропроцессоры, поддерживающие тот или иной язык программирования.

Микропроцессоры по виду обрабатываемых входных сигналов разделяют на следующие группы:

1. Цифровые.

2. Аналоговые.

Сами микропроцессоры — цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. (1)

---

Согласно архитектуре аналоговыми микропроцессорами являются функциональные преобразователи аналоговых сигналов. Такие микропроцессоры могут выполнять функции любой аналоговой схемы. Можно привести следующие примеры: производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д. Они заменяют сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.

Отличительная черта аналоговых микропроцессоров — способность к переработке большого объема числовых данных, то есть к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью, при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый преобразователь. При этом согласно теореме Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частоту сигнала. Сравнение цифровых микропроцессоров производится сопоставлением времени выполнения ими списков операций. (1)

Можно микропроцессоры разделить на синхронные и асинхронные по характеру временной организации работы.

В синхронных микропроцессорах начало и конец выполнения операций задаются устройством управления. В данном случае время выполнения операций не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов.

Выполнять каждую следующую операцию по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции позволяют асинхронные микропроцессоры.

Если различать микроЭВМ по организации структуры микропроцессорных систем, то можно разделить их на одно- и многомагистральные.

В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.

В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность. (1)

По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

---