Понятие микропроцессора

Понятие микропроцессора Микропроцессор (МП) – это программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой (кодированной) информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких микросхемах с высокой степенью интеграции электронных элементов (БИС, СБИС). В настоящее время понятия БИС (большая интегральная схема) и СБИС (сверхбольшая интегральная схема) не имеют четкого определения. Тридцать лет назад считалось, что БИС − это интегральные микросхемы (ИМС), содержащие от нескольких тысяч до десяти тысяч элементов на кристалле, соответственно СБИС − от десяти тысяч до нескольких сотен тысяч элементов на кристалле. ИМС первых МП вполне удовлетворяли этому определению. Однако оказалось, что по мере совершенствования изделий микроэлектроники количество электронных элементов (в основном транзисторов) на кристалле быстро растет. В разрабатываемых ИМС современных микропроцессоров содержатся сотни миллионов электронных элементов, причем их количество продолжает возрастать. Поэтому при изучении МП под термином БИС (СБИС) будем понимать функционально сложную ИМС. Примечание. Один из основателей фирмы Intel Гордон Мур еще в 1965 году, т.е. спустя всего шесть лет после изобретения первой ИМС, основываясь на эмпирических результатах, предсказал удвоение количества элементов на кристалле каждые два года (т.е. их почти экспоненциальный рост). При этом им была отмечена закономерность, в соответствии с которой вычислительная мощность разрабатываемых процессоров также экспоненциально возрастает каждые два года. Продолжительное время так называемый закон Мура достаточно точно отражал тенденции в развитии микропроцессорной техники. Однако в 2003 году, т.е. спустя почти 40 лет после своего прогноза, Мур опубликовал статью «No exponential is forever: but «Forever» can be delayed!», в которой поделился своими сомнениями относительно стремительного развития вычислительной техники, предсказанного им ранее. В частности, Мур отметил, что обеспечить стремительный рост количества транзисторов и вычислительной мощности процессоров в течение длительного времени практически невозможно, поскольку этому препятствуют различные физические пределы (атомарная природа вещества, граничная скорость света). До сих пор ученым и инженерам, чтобы приспособиться к ним, приходилось существенно менять как структуру самих транзисторов, так и находить новые материалы, из которых транзисторы можно собирать на кристалле. Но всякий раз выполнять это становится все сложнее. Классификация микропроцессоров МП можно классифицировать различным образом, основываясь на тех или иных классификационных критериях. Ниже рассмотрены наиболее распространенные из систем классификации МП. По назначению (области применения) различают следующие типы МП: • универсальные (общего назначения) МП; • МП для цифровой обработки сигналов (цифровые сигнальные МП); • медийные МП; • специализированные МП. Универсальные МП предназначены для использования в вычислительных системах: персональных компьютерах, рабочих станциях, транспьютерах (параллельных многопроцессорных системах). Цифровые сигнальные МП рассчитаны на обработку в режиме реального времени цифровых потоков, образованных путем оцифровывания аналоговых сигналов. Современные сигнальные МП могут выполнять вычисления с плавающей точкой над многоразрядными (32-64 бита) операндами. Медийные МП предназначены для обработки аудио- и видеоинформации. Специализированные МП предназначены для решения определенного класса задач или одной конкретной задачи. Среди специализированных МП можно выделить микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций; математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций путем использования матричных методов их реализации. По наборам используемых команд все микропроцессоры можно разделить на две группы: • МП с полным набором команд (англ. Compete Instruction Set Computer – CISC); • МП с сокращенным набором команд (англ. Reduced Instruction Set Computer – RISC). В МП типа CISC используется широкий набор команд с развитыми средствами адресации. Сами команды могут иметь одно, двух и трехбайтовый (иногда даже четырехбайтовый) формат, т.е. поле кода операции команды имеет различную длину. При этом система команд, как правило, не является ортогональной, т.е. не все команды могут использовать любой из способов адресации применительно к любому из регистров МП. Выборка команды на исполнение осуществляется побайтно в течение нескольких циклов (такт) работы МП. Количество таких циклов может быть различным и обычно составляет от 1 до 12 циклов. В МП типа RISC используется сокращенный набор команд. Для выполнения более сложных операций приходится использовать комбинации этих команд. Сами команды имеют фиксированную длину (например, 12, 14 или 16 бит), выборка команды из памяти и ее исполнение осуществляется за один цикл (такт) синхронизации. Большинство команд выполняют простые операции типа «регистр-регистр», обращение к оперативной памяти происходит только для загрузки данных в регистр и записи результата в оперативную память. Это позволяет уменьшить число элементов и объем ПЗУ микропрограмм, необходимых для декодирования и выполнения сложных команд. Как следствие, размеры МП типа RISC меньше и, соответственно, стоимость ниже, чем у МП типа CISC, а цикл его разработки обычно короче. По числу БИС (СБИС) в микропроцессорном комплекте различают однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные МП. Однокристальный МП представляет собой одну БИС (СБИС), в которой реализованы все аппаратные средства процессора. Очевидно, что возможности однокристальных МП определяются ограниченными ресурсами самого кристалла и его корпуса (количество выводов СБИС). Для создания многокристального МП необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать каждую из них в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального МП означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно. Разбиение логической структуры можно выполнить двумя способами: • разделить логическую структуру на функционально законченные части: операционное устройство, память, устройство управления. Связать функционально законченные части шинами для обмена информацией; • разместить на кристалле все функциональные блоки, но малой разрядности (например, 2 или 4 бита). Каждая такая микросхема дополняется входами/выходами, позволяющими соединять подобные микросхемы друг с другом. Секционирование БИС МП позволяет наращивать разрядность обрабатываемых данных или усложнять устройство управления МП путем «параллельного» включения требуемого количества таких БИС. По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые МП. Поскольку МП являются цифровыми устройствами, входные аналоговые сигналы должны предварительно преобразовываться в цифровую форму (с помощью встроенных АЦП). Затем преобразованная информация подвергается обработке, после чего результат обработки преобразуется в аналоговую форму (с помощью встроенных ЦАП) и поступает на выход. С архитектурной точки зрения такие МП представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов, поэтому и называются аналоговыми МП. Они выполняют функции любой сложной аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д.), состоящей из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и др. При этом применение аналогового МП значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной «настройки» цифровой части МП на различные алгоритмы обработки сигналов. По характеру временнóй организации работы МП делят на синхронные и асинхронные. В синхронных МП начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (УУ), т.е. время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов. В асинхронных МП начало выполнения каждой следующей операции определяется по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для повышения эффективности использования устройств в асинхронных МП в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономный режим работы этих устройств. Закончив выполнение какой-либо операции, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль распределителя работ (операций) выполняет память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы от остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными. По числу разрядов шины данных МП разделяют на 8, 16, 32, 64- разрядные.