Классификация, структура и основные характеристики микропроцессоров ПК

Введение

Всё техническое оборудование может быть поделено на два больших класса:

1. Оборудование, базирующееся на аналоговых элементах.
2. Оборудование, в основе которого лежат цифровые технологии.

У каждого класса имеются свои преимущества и недостатки. Оборудование, имеющее аналоговую основу, очень быстродействующее, обладает низким энергопотреблением, но при этом у него не обеспечивается необходимая параметрическая стабильность. Цифровое оборудование обладает высокой стабильностью основных параметров, что является их главным и явным преимуществом. Прогресс технологий, основанных на цифровых принципах, позволил сильно уменьшить потребление энергоресурсов цифровым оборудованием, что уравняло их по этой характеристике с аналоговыми устройствами, а в отдельных случаях даже вывело в лидеры.

Классификация микропроцессоров

На рисунке ниже изображена классификация электронного оборудования на базе микропроцессоров:

Рисунок 1. Классификация электронного оборудования на базе микропроцессоров. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Стремительный прогресс цифровых технологий позволил значительно повысить уровень быстродействия цифровых микросхем. Отдельные виды микросхем способны осуществлять переключательные функции в течение примерно четырёх наносекунд. Таким уровнем быстродействия обладают логические микросхемы с возможностью их программирования и записью алгоритма решения требуемой задачи. Однако нужно отметить, что повышение уровня быстродействия имеет и свои недостатки:

1. Быстродействующие микросхемы обладают повышенным энергопотреблением.
2. Чтобы реализовать выполнение алгоритмов, имеющих значительный объём, требуется использовать много микросхем, а это ведёт к увеличению размеров оборудования и его стоимости.

Первый недостаток можно устранить применением КМОП (комплементарная структура металл-окисел-полупроводник) технологий при производстве цифровых микросхем. Потребляемый ток у таких элементов напрямую зависит от скорости работы вентильной логики.

Второй недостаток можно устранить несколькими путями, например, проектированием больших интегральных микросхем, имеющих специализированное предназначение. Другим методом является применение программируемых логических схем. И последним вариантом является использование единого модуля, обладающего требуемым быстродействием и предназначенного для поочерёдного решения набора разноплановых задач за счёт коррекции его организационной структуры через заданное время. Говоря простым языком, это означает использование микропроцессорных модулей. И это также означает, что применение микропроцессоров позволяет совершить обмен максимального быстродействия на сложную структуру реализуемого модуля. Эти аспекты считаются основными причинами работы конструкторов над увеличением предельно допустимого быстродействия микропроцессоров, что позволяет им конструировать более сложные устройства и не увеличивать их габариты. Помимо этого, один микропроцессор даёт возможность реализовать целый комплекс оборудования одновременно.

На сегодняшний день микропроцессорные модули применяются фактически во всех областях человеческой деятельности. Они применяются для осуществления вычислительных операций, для управления работой различных устройств, для работы со звуковыми и видео файлами, а также для многого другого. Область применения микропроцессорных модулей задаёт и набор ограничений по его параметрам. Естественно, всё это влияет и на структурную организацию микропроцессоров. На сегодняшний день существуют такие главные направления в прогрессе микропроцессорных модулей:

1. Проектирование микропроцессорных модулей, предназначенных для использования в любых сферах (универсальные).
2. Разработка специализированных микроконтроллерных устройств.
3. Проектирование микропроцессоров, предназначенных для сигнальных целей.

Универсальные микропроцессоры используются главным образом в вычислительных системах. В этой сфере используются самые лучшие в плане быстродействия микропроцессоры, а остальные параметры, такие как, габариты, стоимость и потребление энергии становятся второстепенными и стоят последними в перечне приоритетов.

В оборудовании средств связи, компьютерные устройства используется для управления этим оборудованием, которые обладают большими габаритами и стоимостью. Такие компьютерные устройства называются контроллерами (микроконтроллерами).

Областью сигнальных микропроцессоров является замена оборудования на аналоговой основе. К ним выдвигается отдельный комплекс требований, прежде всего это максимальное быстродействие и минимальные габариты.

Структурная организация микропроцессоров

Базовым элементом операционного микропроцессорного модуля является арифметико-логическое устройство (АЛУ). У этого устройства есть два входа и один выход, через который выводятся информационные данные. Структура операционного микропроцессорного модуля, имеющего трёх шинную организацию, изображена на рисунке ниже:

Рисунок 2. Структура операционного микропроцессорного модуля, имеющего трёх шинную организацию. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Анализ этого рисунка показывает, что данные источника информации и результат выполнения команды временно хранятся в сверхоперативном запоминающем устройстве (СОЗУ), которое представляет собой регистровый набор, обеспечивающий возможность параллельного вывода информации из пары регистров и ввода данных в очередной регистр. Так как для информационной передачи требуется наличие трёх каналов (шин), то такая организационная структура операционного микропроцессорного модуля именуется трёх шинной.

Необходимо заметить, что для нормального функционирования данного цифрового вычислительного модуля, имеющего в своём составе регистры, необходимо синхронизировать их работу с работой арифметико-логического устройства, для чего используется синхросигнал CLK.