Файл: История развития и основные характеристики современных микропроцессоров ПК.pdf

По форматам используемых команд (инструкций) можно выделить [4, c. 122-123]:

1. CISC–архитектуру, которая относится к процессорам (компьютерам) с полным набором команд (CompleteInstruction Set Computer — CISC). Она реализована во многих типах микропроцессоров (например Pentium), выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации.

Система команд процессоров с CISC–архитектурой может содержать не­сколько сотен команд разного формата (от 1 до 15 байт), или степени слож­ности, и использовать более 10 различных способов адресации, что позволяет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач.

Развитие традиционных CISC–архитектур микропроцессоров по пути расширения функциональных возможностей и снижения затрат на программирование привело к увеличению числа команд в наборе и числа микрокоманд в команде. Следствием этого явилось усложнение интегральных схем и снижение быстродействия выполнения программ. Один из возможных путей устранения указанных недостатков состоит в использовании сокращенного набора команд, организация которого подчинена увеличению скоростей их выполнения;

2. RISC–архитектуру, которая относится к процессорам (компьютерам) с сокращенным набором команд (Reduced instruction Set Computer — RISC). Появление RISC–архитектуры продиктовано тем, что многие CISC–команды и способы адресации используются достаточно редко. Основная особенность RISC–архитектуры проявляется в том, что система команд состоит из неболь­шого количества часто используемых команд одинакового формата, которые могут быть выполнены за один командный цикл (такт) центрального процес­сора. Более сложные, редко используемые команды реализуются на про­граммном уровне. Однако за счет значительного повышения скорости испол­нения команд средняя производительность RISC–процессоров может оказать­ся выше, чем у процессоров с CISC–архитектурой.

Большинство команд RISC–процессоров связано с операцией регистр–регистр. Для обращения к памяти оставлены наиболее простые с точки зрения временных затрат операции загрузки в регистры и записи в память.

Современные RISC–процессоры реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта, и используют небольшое число наи­более простых способов адресации (регистровую, индексную и некоторые другие).

Для сокращения количества обращений к внешней оперативной памяти RISC–процессоры содержат десятки–сотни регистров общего назначения (РОН), тогда как в CISC–процессорах всего 8–16 регистров. Обращение к внешней памяти в RISC–процессорах используется только в операциях за­грузки данных в РОН или пересылки результатов из РОН в память. За счет со­кращения аппаратных средств, необходимых для декодирования и выполне­ния сложных команд, достигается существенное упрощение интегральных схемRISC–процессоров и снижение их стоимости. Кроме того, значительно повышается производительность. Благодаря указанным достоинствам во многих современных CISC–процессорах (последние модели Pentium и К7) ис­пользуется RISC–ядро. При этом сложные CISC–команды предварительно преобразуются в последовательность простых RISC–операций и быстро вы­полняются RISC–ядром [10, c.77].

---

3. VLIW–архитектуру, которая относится к микропроцессорам с использованием очень длинных команд (VeryLarge Instruction Word — VLIW). Отдельные поля команды содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций. Одна VLIW–команда может выполнить сразу несколько операций одновременно в различных узлах микропроцессора. Формирование «длинных» VLIW–koманд производит соответствующий компилятор при трансляции программ, написанных на языке высокого уровня. VLIW–архитектура реализована в некоторых типах современных микропроцессоров и является весьма перспективной для создания нового поколения сверхвысокопроизводительных процессоров [2, c. 131].

По способу организации выборки команд и данных различают два вида архитектур [9]:

1. принстонская архитектура, или архитектура фон–Неймана, особенностью которой является использование:

- общей основной (оперативной) памяти для хранения программ и данных, что позволяет оперативно и эффективно перераспределять ее объем в зависимости от решаемых задач в каждом конкретном случае применении микропроцессора;

- общей шины, по которой в процессор поступают команды и данные, а в оперативную память записываются результаты, что значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность. Чтобы отделить команду от данных, первым из памяти всегда поступает код выполняемой операции, а затем следуют данные. По умолчанию код операции загружается в регистр команд, а данные — в блок регистров. Из–за ограниченного числа внешних выводов общая шина обычно работает в режиме временного мультиплексирования, т. е. противоположные направления обмена данными между микропроцессором, памятью или другими внешними устройствами разделены во времени.

Недостаток принстонской архитектуры — использование общей шины для передачи команд и данных ограничивает производительность цифровой системы;

2. гарвардская архитектура (создатель Говард Айкен), особенностью которой является физическое разделение памяти команд (программ) и памяти данных. Это обстоятельство вызвано постоянно возрастающими требованиями к производительности микропроцессорных систем. Память команд и память данных соединяются с процессором отдельными шинами. Благодаря разделению потоков команд и данных, а также совмещению операций их выборки (и записи результатов обработки) обеспечивается более высокая производительность, чем при использовании принстонской архитектуры.

---

Недостатки гарвардской архитектуры:

- усложнение конструкции из–за использования отдельных шин для команд и данных;

- фиксированный объем памяти для команд и данных;

- увеличение общего объема памяти из–за невозможности ее оптимального перераспределения между командами и данными.

Гарвардская архитектура получила широкое применение в микроконтроллерах — специализированных микропроцессорах для управления различными объектами, а также во внутренней структуре современных высокопроизводительных микропроцессоров в кэш–памяти с раздельным хранением команд и данных. В то же время во внешней структуре большинства микропроцессорных систем реализуются принципы принстонской архитектуры.

Отметим, что архитектура микропроцессора тесно связана с его структурой. Реализация тех или иных архитектурных особенностей требует введении в структуру микропроцессора соответствующих устройств и обеспечения механизмов их совместного функционирования.

2. Классификация современных микропроцессоров

2.1 Общая классификация микропроцессоров

В настоящее время насчитывается большое количество разнообразных процессоров. Приведем их общую классификацию.

По числу больших интегральных схем (БИС) в составе микропроцесса различают:

- однокристальные микропроцессоры;

- многокристальные микропроцессоры;

- многокристальные секционные микропроцессоры [7, c. 140].

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). При усложнении микропроцессора приходится разбивать его на отдельные блоки. В этом случае каждый блок реализуется на отдельном кристалле, в результате чего процессор становится многокристальным.

Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда отдельные блоки процессора приходится логически разбивать дополнительно на секции. Секционность микропроцессоров дает возможность наращивать разрядность обрабатываемых данных или усложнять устройство управления микропроцессора.

По назначению различают:

---

- универсальные микропроцессоры;

- специализированные микропроцессоры [4, c. 158].

Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают:

- цифровые микропроцессоры;

- аналоговые микропроцессоры.

Цифровые микропроцессоры работают с информацией представленной в виде числовых значений (дискретная форма). Аналоговые микропроцессоры работают с информацией, которая представлена в аналоговой форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений.

По характеру временной организации работы микропроцессоры делятся на:

- синхронные микропроцессоры;

- асинхронные микропроцессоры [2, c. 99].

Синхронные микропроцессоры – это микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются специальным устройством управления. Т.е. если в микропроцессоре присутствует устройство управление, то он относится к синхронным.

Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.

По количеству выполняемых программ различают:

- однопрограммные микропроцессоры;

- многопрограммные микропроцессоры.

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы. В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько программ.

2.2 Основные типы микропроцессоров

Выпускаемые различными производителями процессоры делятся на отдельные типы в соответствии с используемыми классификационными признаками. Одним из важнейших признаков помимо вида архитектуры является функциональное назначение. По этому признаку, микропроцессоры разбивают на два больших класса:

- процессоры общего назначения, или универсальные микропроцессоры;

- специализированные процессоры, среди которых наиболее широкое распространение получили микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры и медийные процессоры. Рассмотрим особенности этих процессоров.

---

Микропроцессоры общего назначения. Этот класс процессоров предназ­начен для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации и находит применение в персональных компьютерах, рабочих станциях, серверах и других цифровых системах массового применения. К универсальным процессорам относят 32–разрядные микропроцессоры (хотя некоторые микропроцессоры этого класса имеют 64–разрядную или 128–разрядную структуру), которые изготавливаются по самой современной промышленной технологии, обеспечивающей максимальную частоту функционирования. [9]

Большинство типов микропроцессоров этого класса имеют CISC–архитектуру, поскольку используют набор разноформатных команд с различными способами адресации. В их внутренней структуре может содержаться RISC–ядро, выполняющее преобразование поступивших команд в последовательность простых RISC–операций. Некоторые типы микропроцессоров этого класса непосредственно реализует RISC–архитектуру.

В ряде последних разработок (Itanium РА8500) успешно используются принципы VLIW–архитектуры.

Практически все современные универсальные микропроцессоры используют гарвардскую архитектуру с разделением потоков команд и данных при помощи отдельных блоков внутренней кэш–памяти. В большинстве случаев они имеют суперскалярную структуру (несколько операционных устройств, осуществляющих одновременную обработку данных) с несколькими исполнительными конвейерами (до 10 в современных моделях), каждый из которых содержит до 20 ступеней.

Микроконтроллеры. Этот класс специализированных микропроцессоров ориентирован на применение в качестве устройств или систем управления, встраиваемых в разнообразную (в том числе и бытовую) аппаратуру. Номенклатура выпускаемых микроконтроллеров исчисляется несколькими тысячами типов, а общий годовой объем их выпуска составляет миллиарды экземпляров.

Особенностью микроконтроллеров является размещение на одном кристалле, помимо центрального процессора, внутренней памяти и большого набора периферийных устройств.

В состав периферийных устройств обычно входят от одного до восьми 8–разрядных параллельных портов ввода–вывода данных, один или два последовательных порта, таймерный блок, аналого–цифровой преобразователь, а также такие специализированные устройства, как блок формирования сигналов с широтно–импульсной модуляцией, контроллер жидкокристаллического дисплея и ряд других. Благодаря использованию внутренней памяти и периферийных устройств реализуемые на базе микроконтроллеров системы управления содержат мини­мальное количество дополнительных компонентов. [3, c. 143]

---