Файл: .Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК..pdf
Добавлен: 16.06.2023
Просмотров: 206
Скачиваний: 3
Для удовлетворения запросов потребителей выпускается большая номенклатура микроконтроллеров, которые принято подразделять на 8–, 16– и 32–разрядные.
8–разрядные микроконтроллеры являются наиболее простыми и дешевыми изделиями этого класса, ориентированными на использование в относительно несложных устройствах массового выпуска. Микроконтроллеры этой группы обычно выполняют относительно небольшой набор команд (50–100), использующих наиболее простые способы адресации. Основными областями их применения являются промышленная автоматика, автомобильная электроника, измерительная техника, теле–, видео– и аудиотехника, средства связи, бытовая аппаратура.
Для 8–разрядных микроконтроллеров характерна гарвардская архитектура:
- с отдельной внутренней памятью для хранения программ, в качестве которой используются масочно–программируемые ПЗУ (ROM), однократно программируемое ПЗУ (PROM) или электрически репрограммируемое ПЗУ (EPROM, EEPROM или Flash) с объемом от нескольких единиц до десятков килобайт;
- с отдельной внутренней памятью для хранения данных, в качестве которой используется регистровый блок, организованный в виде нескольких регистровых банков, или ОЗУ. Ее объем составляет от нескольких десятков байт до нескольких килобайт [9, c. 134].
В случае необходимости имеется возможность дополнительно подключать внешнюю память команд и данных объемом до 64–256 Кбайт и более.
Для повышения производительности во многих моделях 8–разрядных микроконтроллеров реализованы принципы RISC–архитектуры, обеспечивающие выполнение большинства команд за один такт машинного времени.
16–разрядные микроконтроллеры помимо повышенной разрядности обрабатываемых данных характеризуются:
- более высокой производительностью;
- расширенной системой команд и способов адресации;
- увеличенным набором регистров и объемом адресуемой памяти;
- возможностью расширения объема памяти программ и данных до нескольких мегабайт путем подключения внешних микросхем памяти;
- программной совместимостью с 8–разрядными микроконтроллерами и другими возможностями [2, c. 52].
Основные области применения — сложная промышленная автоматика, телекоммуникационная аппаратура, медицинская и измерительная техника.
32–разрядные микроконтроллеры ориентированы на применение в системах управления сложными объектами промышленной автоматики (средствами комплексной автоматизации производства, робототехнические устройствами, двигателями и др.), в контрольно–измерительной аппаратуре, телекоммуникационном оборудовании и других сложных устройствах. 32–разрядные микроконтроллеры содержат:
- высокопроизводительный CISC– или RISC–процессор, соответствующий по своим возможностям младшим моделям микропроцессоров общего назначения. Например, в микроконтроллерах компании Intel используется процессор i386, а в микроконтроллерах компании Motorola — процессор 680x0. Введение этих процессоров в состав микроконтроллеров позволяет использовать в соответствующих системах управления огромный объем прикладного и системного программного обеспечения, созданный ранее для соответствующих персональных компьютеров. Некоторые типы микроконтроллеров содержат несколько исполнительных конвейеров, образующих суперскалярную структуру;
- внутреннюю память команд емкостью до десятков килобайт и память данных емкостью до нескольких килобайт;
- средства для подключения внешней памяти объемом до 16 Мбайт и выше;
- набор сложных периферийных устройств — таймерный процессор, коммуникационный процессор, модуль последовательного обмена и ряд других. Во внутренней структуре этих микроконтроллеров реализуется принстонская или гарвардская архитектура [8, c. 75].
Цифровые сигнальные процессоры. Этот класс специализированных микропроцессоров предназначен для цифровой обработки поступающих аналоговых сигналов в реальном времени. Архитектура цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) ориентирована на быстрое выполнение последовательности операций умножения–сложения с накоплением промежуточного результата в регистре–аккумуляторе, что обусловлено особенностью алгоритмов обработки аналоговых сигналов. Поэтому набор команд этих процессоров содержит специальные команды MAC(Multiplication with Accumulation — умножение с накоплением), реализующие эти операции.
Значение оцифрованного аналогового сигнала может быть представлено в виде числа с фиксированной или с плавающей точкой. В соответствии с этим ЦСП делятся на два класса:
- на процессоры, обрабатывающие числа с фиксированной точкой. К этому классу относятся более простые и дешевые ЦСП, которые обычно обрабатывают 16– или 24–разрядные операнды, представленные в виде правильной дроби. Однако ограниченная разрядность в ряде случаев не позволяет обеспечить необходимую точность результатов;
- на процессоры, обрабатывающие числа с плавающей точкой. Процессоры этого класса проводят вычисления над 32– и 40–разрядными операндами и обеспечивают более высокую точность результатов.
Для повышения производительности при выполнении специфических операций обработки сигналов в большинстве ЦСП реализуется гарвардская архитектура с использованием отдельных шин для передачи адресов, команд и данных. В ряде ЦСП нашли применение также некоторые черты VLIW–архитектуры, для которой характерно совмещение в одной команде нескольких операций. Такое совмещение обеспечивает обработку имеющихся данных и одновременную загрузку в исполнительный конвейер новых данных для последующей обработки.
Медийные процессоры. Этот тип процессоров предназначен для обработки аудио–сигналов, графики, видеоизображений, а также для решения ряда коммуникационных задач в мультимедиа–компьютерах, игровых приставках, бытовых приборах и др.
Аппаратную поддержку операций с новыми типами данных, характерными для обработки видео– и звуковой информации обеспечивают универсальные процессоры с мультимедийным расширением набора команд: PentiumММХ, UltraSPARC, Cyrix 6х86МХ (М2), AMD–K6 и др. Однако, когда мультимедийные операции доминируют над традиционными числовыми операциями, больший эффект дает использование мультимедийных микропроцессоров. Их архитектура представляет собой некоторый гибрид архитектурных решений сигнальных и универсальных процессоров. Производством медиа–процессоров заняты компании MicroUnity (процессор Mediaprocessor), Philips(TriMedia), Chromatic Research (Mpact Media Engine) и др. [6]
Структура и режимы работы микропроцессорной системы. Микропроцессор в совокупности с модулями ввода и вывода информации, интерфейса и памяти образует простейшую микропроцессорную систему. Среди микропроцессорных систем важное место занимают системы общего назначения, которые предназначены для решения широкого круга различных задач по обработка информации в цифровой форме согласно заданной программе.
Основные функции микропроцессорной системы сводятся к приему данных (информации) от внешнего устройства, их обработке с помощью микропроцессора и выдаче результата обработки на внешнее устройство.
Рассмотрим в общих чертах особенности работы простейшей микропроцессорной системы, состоящей из центрального процессора, памяти и подсистемы ввода/вывода.
Подлежащая исполнению программа загружается в (оперативную) память. В процессе ее исполнения центральный процессор выдает на шину адреса адрес ячейки памяти, в которой хранится очередная команда, а на шину управления — сигнал, обеспечивающий ее чтение из памяти. Запрошенная команда по шине данных поступает в центральный процессор. Микропроцессор после расшифровки кода команды приступает к ее выполнению, если данные, над которыми должны быть выполнены действия, находятся в регистрах центрального процессора. В противном случае на шину адреса выставляется адрес ячейки памяти, на шину управления — сигнал чтения памяти, и только после получения требуемых данных команда будет исполнена. Затем центральный процессор приступает к обработке следующей команды, и процесс повторяется.
Для обмена данными между центральным процессором и внешними устройствами в подсистеме ввода/вывода предусмотрен контроллер обмена.
При программном обмене в контроллер обмена от центрального процессора, поступает информация о режиме обмена, содержащая код порта (регистра), направление обмена (от центрального процессора к внешнему устройству или от внешнего устройства к центральному процессору), число передаваемых бит, служебные символы и другие данные.
Непосредственный обмен данными происходит под действием сигналов управления, поступающих в контроллер обмена от центрального процессора и внешнего устройства.
При обмене по инициативе внешнего устройства микропроцессор переводится в состояние прерывания. Для этого внешнее устройство посылает в центральный процессор сигнал запроса на прерывание. В состоянии прерывания центральный процессор прекращает выполнение основной программы и приступает к исполнению команд прерывающей программы, которая хранится в (оперативной) памяти и обеспечивает обмен данными, требуемый внешнему устройству. По окончании прерывающей программы центральный процессор возвращается к выполнению основной программы. [9]
Описанные способы обеспечивают низкую скорость обмена. Для увеличения скорости обмена используется режим прямого доступа к памяти, который реализуется с помощью контроллера прямого доступа к памяти. Этот режим инициируется сигналом запроса на захват шин. После получения сигнала запроса центральный процессор пересылает по шине данных в контроллер прямого доступа информацию, необходимую для управления обменом (адрес ячейки памяти, в которой размещается первый байт записываемых или считываемых данных, общее число передаваемых байт, направление передачи и др.), и отключается от шины данных и шины адреса, предоставляя их контроллеру для организации обмена.
Обмен данными между внешним устройством и памятью осуществляется через контроллер. В процессе обмена контроллер прямого доступа к памяти выдает адреса ячеек памяти в шину адреса и сигналы чтения (записи) в шину управления. По завершении обмена центральный процессор получает сигнал от контроллера и переходит к выполнению основной программы.
Заключение
Самым главным элементом в компьютере, его «мозгом», является микропроцессор - небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации.
Процессор вычислительной машины выполняет арифметические и логические операции над данными в соответствии с заданной ему программой. Он состоит из двух основных частей: арифметико-логического устройства, где и выполняется обработка данных, и устройства управления, которое формирует необходимые для обработки информации управляющие сигналы. Успехи в развитии промышленной электроники позволили разместить эти два устройства в корпусе одной интегральной схемы. Таким образом получился микропроцессор.
Микропроцессором называется полупроводниковый кристалл или комплект кристаллов, на которых реализуется совокупность арифметико-логического устройства и центрального устройства управления.
Единицей информации в двоичном коде является бит, т.е. двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1.
Первый микропроцессор выпущен в продажу в 1970 году. Его сконструировал Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel. Конечно возможности первого микропроцессора Intel 4004 были небольшими. Он мог обрабатывать только 4 бита информации (для сравнения процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита информации). Применялся Intel 4004 в микрокалькуляторах.
В 1973 г. Фирма Intel выпустила 8-битовый микропроцессор Intel 8008, а в 1974 г. - его усовершенствованную версию Intel 8080, которая до конца 70 годов стала стандартом для микрокомпьютерной индустрии (отечественный аналог КР580ИК80).
Современные микропроцессоры выполняют сотни различных операций и делают это со скоростью в несколько десятков и даже сотен миллионов операций в секунду.
В компьютерах IBM РС используются микропроцессоры фирмы Intel, а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм (AMD, Cyrix, IBM и др.). Микропроцессоры фирмы Intel , применяемые в IBM PC совместимых компьютерах, таковы: Intel – 8080, 80286, 80386( модификации SX и DX ), 80486 (модификации SX, SX2, DX, DX2, DX4 ), Pentium и Pentium Pro , Pentium (2 – 4) они приведены в порядке возрастания производительности и цены. Разница в производительности этих микропроцессоров очень велика. Так, новейший микропроцессор Pentium 4 быстрее микропроцессора Intel-8088 (на котором были основаны исходный вариант компьютера IBM PC и модель IBM PC XT) в сотни тысяч раз.
Большинство выпускаемых сейчас компьютеров основано на микропроцессорах Pentium 3-4 и его аналогах (например, AMD Athlon XP). Лишь самые дешевые модели компьютеров основаны на микропроцессоре Celeron (упрощенный вариант Pentium 3-4) или AMD Duron.
Основные характеристики микропроцессоров:
- тактовая частота;
- разрядность.
Тактовая частота определяется максимальным временем выполнения элементарного действия (элементарной операции) внутри микропроцессора.
Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора. Тактовая частота измеряется в мегагерцах. Например, микропроцессоры Pentium выпускаются с тактовой частотой от 75 до 200 МГц (т.е. они отличаются по производительности примерно в 2,5 раза). Часто тактовая частота указывается вслед за моделью микропроцессора, например, Pentium /75 МГц.