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

Классификация микропроцессоров

По количеству интегральных схем

По виду обрабатываемой информации

По назначению

Однокристальные

Универсальные

Цифровые

Специализированные

Аналоговые

Многокристальные

Секционные

По способу организации памяти

По виду синхронизации

По системе команд

С CISC-архитектурой

Синхронные

Архитектура Фон Неймана

С RISC-архитектурой

Асинхронные

Гарвардская архитектура

По количеству выполняемых программ

По системе команд

однопрограммные

Фиксированная

Переменная

Мультипрограммные

Рисунок 6. Классификация микропроцессоров

2.2. Основные характеристики микропроцессоров

Основными параметрами процессоров являются:

1) тактовая частота – определяет максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ, т. е. быстродействие процессора; 

2) разрядность, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

3) архитектура. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Архитектура МП разделяется на:

− микроархитектуру;

− макроархитектуру.

Микроархитектура микропроцессора – это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.

Макроархитектура – это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.

В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных. 

4) рабочее напряжение. По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения, которое позволяет уменьшить расстояние между структурными элементами в кристалле процессора до десятичных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессе, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

5) разрядность процессора. Показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность.

6) кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для уменьшения количества обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Кэш-память распределяют по нескольким уровням:

− кэш первого уровня – находится в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков килобайт;

− кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и расположен на отдельном кристалле;

− кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких мегабайт, но работает она на частоте материнской паты.

Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.

7) эффективность системы команд – определяет эффективность и скорость их выполнения МП;

8) пропускная способность интерфейсов ввода/вывода – определяет количество информации, которая может быть передана через интерфейс в единицу времени;

9) потребляемая мощность – чем больше процессор потребляет мощности, тем больше он выделяет тепла.

2.3. Микроконтроллеры

Микроконтроллеры (МК) – разновидность микропроцессоров, своего рода микро-ЭВМ, осуществляют управление техническими устройствами и технологическими процессами. По своей организации они намного проще МП и размещаются на одном кристалле. Структура микроконтроллера представлена на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема микроконтроллера

МК содержит:

− центральное процессорное устройство (ЦПУ) – сердце микроконтроллера. Оно принимает из памяти программ коды команд, декодирует их и выполняет. ЦПУ состоит из регистров, арифметико-логического устройства (АЛУ) и цепей управления.

− память программ, в которой хранятся коды команд, последовательность которых формирует программу для микроконтроллера.

− оперативная память данных – здесь хранятся переменные программ. У большинства микроконтроллеров здесь расположен также стек.

− тактовый генератор – определяет скорость работы микроконтроллера.

− цепь сброса – служит для правильного запуска микроконтроллера.

− последовательный порт – позволяет обмениваться данными с внешними устройствами при малом количестве проводов.

− цифровые линии ввода/вывода – с помощью этих линий возможно управлять одновременно несколькими линиями (или проверять несколько линий).

− таймер – используется для отсчета временных интервалов.

− сторожевой таймер – специальный таймер, предназначенный для предотвращения сбоев программы. После запуска он начинает отсчет заданного временного интервала. Если программа не перезапустит его до истечения этого интервала времени, сторожевой таймер перезапустит микроконтроллер. Таким образом, программа должна давать сторожевому таймеру сигнал – все в порядке. Если она этого не сделала, значит, по какой-либо причине произошел сбой.

Областью применения МК:

− средства автоматического регулирования и управления техпроцессами, например, средства контроля доступа;

− различное оборудование на предприятиях;

− банкоматы, платёжные терминалы;

− телекоммуникационное оборудование и многое другое.

Заключение

В настоящее время компьютеры превратились в мощные высокопроизводительные устройства. По всем основным показателям они в сотни раз превосходят первоначальную модель, а стоят обычно даже дешевле. Основным узлом любых цифровых устройств являются микропроцессоры или микроконтроллеры. С приходом ХХI века ставшие намного быстрее и миниатюрнее благодаря новым технологиям проектирования и изготовления микросхем. Сейчас ЦПУ используются практически во всех бытовых электроприборах. Теперь они не только в персональных компьютерах, смартфонах и планшетах, которые мы используем каждый день, но и в кондиционерах, холодильниках, стиральных машинах.