Пиши Дома Нужные Работы

Обратная связь

Общие представления о микропроцессоре

Введение

История развития микропроцессорной техники

 

Итак, работа простейшей микроЭВМ осуществляется с помощью основных составляющих ее компонентов: микропроцессора, запоминающих, интерфейсных и других устройств. Однако микропроцессор – центральный элемент микроЭВМ (микропроцессорной системы), выполняющий функции управления процессами и обработки информации. Остановимся на истории его развития.

Первый 4-разрядный микропроцессор 4004 (фирма Intel) появился в 1971 г. благодаря работе американского ученого Хоффа. Он предназначался для производства японских микрокалькуляторов, которые в то время занимали основную долю в области вычислительной техники. Первая программно-управляемая микросхема (микропроцессор) содержала около 2 тысяч транзисторов, имела рабочую частоту 108 кГц при среднем времени выполнения команды не менее десяти тактов.

16-разрядный микропроцессор 8086 (1978 г.) с тактовой частотой 4,77 МГц был использован в начальной модели IBM PC. Микропроцессор 80286 (1982 г.) работал в три-шесть раз эффективнее за счет увеличения тактовой частоты (до 20 МГц). Микропроцессор 80386 (1985 г.) с тактовой частотой 33 МГц имел 32-разрядную шину данных и потому был в пять раз производительнее, чем 80286.

В 1989 г. был разработан первый микропроцессор 80486, выполняющий некоторые основные операции за один такт. Скорость работы этого микропроцессора повышена за счет «буферизации» часто используемых данных в кэш-памяти (8 Кбайт) и использования встроенного сопроцессора для ускорения математических вычислений. Кроме того, в 90-е годы были выпущены его «дорогие» аналоги с повышенной тактовой частотой 66 МГц и 100 МГц и «дешевые» модели без встроенного математического сопроцессора.



Первый микропроцессор 80586 был анонсирован фирмой Intel в 1993 г., который получил «собственное» название Pentium. Микропроцессоры Pentium первого поколения работали на тактовой частоте 60 МГц или 66 МГц и могли выполнять две операции за один такт синхронизации, т. е. вдвое быстрее микропроцессора 80486 с той же тактовой частотой. Высокая производительность обусловлена наличием высокоскоростного сопроцессора и 16 Кб кэш-памяти. Микропроцессоры Pentium второго и третьего поколений работают быстрее своего «собрата» за счет «умножения» тактовой частоты (до 200 МГц).

С 1996 г. конкурирующая компания Advanced Micro Devices стала выпускать семейство микропроцессоров AMD K5, ориентированных на рынок домашних и офисных компьютеров. Они были полностью совместимы с микропроцессорами фирмы Intel, но их стоимость была на 30 % ниже аналогичных по производительности микропроцессоров Pentium. Дальнейшее развитие конкуренции на компьютерном рынке обусловило появление альтернативных Pentium микропроцессоров 6×86 фирм IBM и Cyrix.

В 1995 г. фирма Intel разработала 64-разрядный микропроцессор 80686 или Pentium Pro (4 поколение). Благодаря наличию в нем встроенной кэш-памяти второго уровня, не зависящей от частоты системной шины, значительно улучшается работа многозадачных систем. Другим расширением семейства Pentium является микропроцессор Pentium MMX (5 поколение), предназначенный для ускорения работы игровых, обучающих, коммуникационных и других программ, использующих графику и звук, за счет появления восьми новых регистров сопроцессора и около 60 новых команд для решения задач мультимедиа. Конкурирующие с корпорацией Intel компании AMD и Cyrix также выпускают MMX-версии своих процессоров – AMD K6 и 6×86MX.

 

Современное состояние средств микропроцессорной техники

 

Дальнейшие разработки в области микропроцессоров (Pentium II и далее) были направлены в основном на увеличение их тактовой частоты. Современныe микропроцессоры содержат более 200 млн транзисторов, могут работать на тактовых частотах до 5 ГГц и выполнять команды не более чем за один такт (доли такта).

Как следует из вышесказанного, развитие полупроводниковой техники сопровождалось интенсивным интегрированием нескольких элементов в одном кристалле, что привело к появлению так называемых «однокристальных микроЭВМ» – микроконтроллеров. Конечно, микроконтроллер обладает меньшим объемом памяти с ограниченным составом интерфейсных устройств и реализует менее сложные алгоритмы по сравнению с «настоящей» микроЭВМ. Однако благодаря своей функциональной «законченности» он позволяет решить в полном объеме задачи управления конкретными техническими устройствами или определенными технологическими процессами.

Первый 8-разрядный микроконтроллер 8048 был выпущен фирмой Intel в 1976 г. В настоящее время выпускаются 8-, 16- и 32-разрядные микроконтроллеры с разнообразным набором интерфейсных схем, таких как порты ввода/вывода, таймеры и др. На современном рынке 8-разрядных микроконтроллеров можно отметить серии 8051 (фирма Intel), AVR (фирма Atmel), PIC (фирма Microchip) и отечественные микроконтроллеры К1816ВЕ51.

Применение микроконтроллеров поддерживается такими областями массового производства, как бытовая аппаратура, автомобильная промышленность, военное и другое оборудование.

Основные понятия и определения

Микропроцессорная техника (МПТ)включает технические и программные средства, используемые для построения различных микропроцессорных систем, устройств и персональных микроЭВМ.

Микропроцессорная система (МПС)представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом микропроцессорных: микропроцессора и/или микроконтроллера.

Микропроцессорное устройство (МПУ)представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в состав которых входит микропроцессор; оно предназначено для выполнения определенного набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление.

Микропроцессором (МП) называется программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс цифровой обработки информации и управления им и построенное, как правило, на одной БИС.

Микроконтроллер (МК) это устройство, состоящее из микропроцессора, памяти, устройства ввода-вывода, размещенном на одном кристалле.

Разные МП или МК объединяют в семейство как технология «микроядра», в качестве которого выступает процессорное ядро, взаимодействующее с периферийными устройствами различной номенклатуры, так и принципы свойственные открытым системам: совместимость (compatibility), масштабируемость (scalability), переносимость (portability) и взаимодействие приложений (introperability).

Совместимость, состоящая в выполнении приложений на всех версиях МК, обеспечивается использованием в качестве базовой системы команд интерфейса МП с последующей унификацией путём добавления дополнительных команд и внешних выводов, повышающих эффективность использования в задачах, на которые ориентируется семейство МК.

Масштабируемость обеспечивается выполнением приложений в пределах полного диапазона архитектур.

Переносимость для открытых систем рассматривается как возможность выполнения приложения на различных ПК с одной ОС.

Взаимодействие приложений - возможность общения приложений разных систем, использующих одни протоколы.

При создании систем любого назначения на базе МК либо МП необходимо выполнить следующие этапы:

1) системный анализ задачи - выделяются процессы и функции, реализация которых будет возложена на МК либо МП;

2) Алгоритмизация процессов и функций - разрабатываются алгоритмы решения задачи;

3) Выбор МК либо МП и комплексная разработка программно-аппаратных средств.

Если взять за критерий комплексный показатель «Количество данных – количество вычислений», то возможны следующие его значения, определяющие классы задач и основные характеристики МК.( табл. 1)

Таблица 1 – Область использования МК

Значение критерия Характеристика задач Разрядность МК/ производительность
Мало данных - мало вычислений Задачи логического управления неслож­ными объектами и процессами 8/Низкая
Мало данных - много вычислений Локальные регуляторы, системы управ­ления электрическими двигателями, под­вижными аппаратами, различными элект­рическими агрегатами, роботами-мани­пуляторами, станками, портативное обо­рудование и т. д. 16/Средняя
Много данных - мало вычислений Многие сетевые задачи, системы управ­ления потоками данных, коммутаторы, концентраторы, маршрутизаторы и т.п. 32/Высокая
Много данных - много вычислений Задачи управления реального времени, обработка сигналов с интенсивным об­меном, системы распознавания речи, изображений и т. п. 32/Сверхвысокая

Основными направлениями развития микропроцессоров является увеличение их производительности и расширение функциональных возможностей, что достигается как повышением уровня микроэлектронной технологии, используемой для производства микропроцессоров, так и применением новых архитектурных и структурных вариантов их реализации.

 

Развитие МП

См. лекция

 

Классификация МП

1) По назначению: На рисунке 1 приведена классификация современных микропроцессоров по функциональному признаку.

 

Рисунок 1 - Классификация современных микропроцессоров по функциональному признаку

Микропроцессоры общего назначенияпредназначены для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации. Их основной областью использования являются персональные компьютеры, рабочие станции, серверы и другие цифровые системы массового применения.

Специализированные микропроцессорыориентированы на решение специфичных задач управления различными объектами. Содержат дополнительные микросхемы (интерфейсы), обеспечивающие специализированное применение. Имеют особую конструкцию, повышенную надежность.

Микроконтроллерыявляются специализированными микропроцессорами, которые ориентированы на реализацию устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру. Характерной особенностью структуры микроконтроллеров является размещение на одном кристалле с центральным процессором внутренней памяти и большого набора периферийных устройств.

Цифровые процессоры сигналов (ЦПС)представляют класс специализированных микропроцессоров, ориентированных на цифровую обработку поступающих аналоговых сигналов. Специфической особенностью алгоритмов обработки аналоговых сигналов является необходимость последовательного выполнения ряда команд умножения-сложения с накоплением промежуточного результата в регистре-аккумуляторе. Поэтому архитектура ЦПС ориентирована на реализацию быстрого выполнения операций такого рода. Набор команд этих процессоров содержит специальные команды MAC (Multiplication with Accumlation), реализующие эти операции.

2) По виду обрабатываемых входных сигналов:цифровые и аналоговые микропроцессоры.

Сами МП являются цифровыми устройствами обработки информации. Однако в ряде случаев они могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход.

Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т. д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). 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 микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов.

Отличительная черта аналоговых МП - это способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью.

3) По количеству выполняемых программ: одно- и многопрограммные микропроцессоры.

В однопрограммных МП выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

В много- или мультипрограммных МП одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем, например, позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

4) По числу БИС в микропроцессорном комплекте: однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные МП.

Однокристальные МП получаются при реализации всех аппаратурных средств процессора в виде одной БИС или СБИС. По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных МП улучшаются. Однако их возможности ограничены аппаратурными ресурсами кристалла и корпуса.

Для получения многокристального МП необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального МП означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно, а для построения развитого процессора не требуется организации большого количества новых связей и каких-либо других электронных ИС (БИС). (Типичный пример - МПК БИС серии К581).

На рис. 4,а показано функциональное разбиение структуры МП при создании трехкристального микропроцессора (пунктирные линии), содержащие БИС операционного (ОП), БИС управляющего (УП) и БИС интерфейсного (ИП) процессоров.

Рис. 4

Операционный процессор ОП служит для обработки данных, управляющий процессор УП выполняет функции выборки, декодирования и вычисления адресов операндов и также генерирует последовательности микрокоманд.

Многокристальные секционные МП получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями (рис.4,б). Эта БИС, предназначена для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Секционность БИС МП определяет возможность «наращивания» разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессором при «параллельном» включении большего числа БИС.

5) По структурному признаку: МП с фиксированной разрядностью и МП с наращиваемой разрядностью (секционные МП).

МП с фиксированной разрядностью имеют строго определенную разрядность обрабатываемых слов, величина которой определяется разрядностью МП. МП с наращиваемой разрядностью позволяют на их основе секциями увеличивать число разрядов МПС до требуемой величины, что, как правило, используется при построении миниЭВМ и больших ЭВМ вычислительного типа.

6) По виду алгоритма работы управляющего устройства:

- МП с жестким алгоритмом управления, реализуемым схемно (МП с фиксированным набором команд),

- МП с алгоритмом управления, реализуемым программным путем в виде последовательности микроопераций (МП с микропрограммным управлением). Здесь система команд определена не жестко, а зависит от микропрограммы, записанной в ПЗУ, входящей в состав устройства управления. Использование микропрограммного управления дает возможность получить необходимый набор команд, например, для воспроизведения (эмуляции) набора команд другого МП.

7) По разрядности обрабатываемой информации:4, 8, 12, 16, 24, 32 - разрядными. На практике наибольшее распространение имеют 32 - разрядные МП (Pentium, Celeron, AMD). Все большее применение находят 64-разрядные МП фирмы AMD.

8) По характеру временной организации работы:синхронные и асинхронные.

В синхронных МП начало и конец выполнения каждой операции задаются устройством управления, то есть фаза начала и конца выполнения команды строго привязана к временной оси.

В асинхронных МП начало выполнения следующей операции начинается сразу же после окончания выполнения предыдущей операции.

9) По количеству одновременно выполняемых программ:одно- и многопрограммные МП.

В однопрограммных МП на текущий момент времени выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит либо по завершению этой программы, либо по специальной команде условного или безусловного перехода, либо по прерыванию.

В многопрограммных МП одновременно может выполняться несколько программ, то есть обеспечивается мультипрограммный режим работы системы.

10) По виду технологии изготовления:

- по униполярной технологии - р - канальные (р - МОП), n -канальные (n - МОП) и комплиментарные (КМОП) БИС;

- по биполярной технологии - БИС на базе транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), в том числе и с диодами Шотки (ТТЛШ);

- по эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ);

- по интегральной инжекционной логики (И2Л).

Вид технологии изготовления БИС во многом определяет степень интеграции микросхем, быстродействие, энергопотребление, помехозащищенность и стоимость МП. По комплексу этих признаков можно отдать предпочтение МП, выполненным по n - МОП и КМОП технологиям, обеспечивающих высокую плотность компоновки, высокое быстродействие и относительно малую стоимость. ЭСЛ и ТТЛШ технологии обеспечивают МП самое высокое быстродействие, но микропроцессорные БИС (МП БИС) при этом отличаются самой низкой плотностью компоновки и высоким энергопотреблением. МП на основе И2Л технологии обладают усредненными характеристиками. По плотности компоновки они уступают n - МОП, по быстродействию - ЭСЛ и ТТЛШ, а по стоимости - n - МОП и p - МОП МП. Вместе с тем, p - МОП технология обеспечивает МП наиболее низкую стоимость, но его быстродействие при этом является также наиболее низким.

 

Строение микропроцессора

 

Общие представления о микропроцессоре

 

Ядром любой микропроцессорной системы (МПС) является микропроцессор МП) (от английского processor - обработчик). МП — это тот узел, который производит всю обработку информации внутри МПС. Остальные узлы выполняют всего лишь вспомогательные функции: хранение информации (в том числе и управляющей информации, то есть программы), связи с внешними устройствами, связи с пользователем и т.д. Процессор заменяет практически всю логику. Он выполняет арифметические функции (сложение, умножение и т.д.), логические функции (сдвиг, сравнение, маскирование кодов и т.д.), временное хранение кодов (во внутренних регистрах), пересылку кодов между узлами МПС и многое другое. Количество таких элементарных операций может достигать нескольких сотен.

Но чтобы знать какую операцию ему надо выполнять в данный момент МП снабжают управляющей информацией, программой. Программа представляет собой набор команд (инструкций), то есть цифровых кодов, расшифровав которые, процессор узнает, что ему надо делать.

Все команды, выполняемые процессором, образуют систему команд процессора. Структура и объем системы команд процессора определяют его быстродействие, гибкость, удобство использования. Всего команд у процессора может быть от нескольких десятков до нескольких сотен. Система команд может быть рассчитана на узкий круг решаемых задач (у специализированных процессоров) или на максимально широкий круг задач (у универсальных процессоров). Коды команд могут иметь различное количество разрядов (занимать от одного до нескольких байт). Каждая команда имеет свое время выполнения, поэтому время выполнения всей программы зависит не только от количества команд в программе, но и от того, какие именно команды используются.

 

Структура микропроцессора

Структура микропроцессора определяет состав и взаимодействие основных уст­ройств и блоков, размещенных на его кристалле.

Рисунок 1.3 - Обобщенная структура микропроцессора (Структурная схема 8-разрядного МП)

 

Микропроцессор, в общем случае (рис.1.3), состоит из трех основных функциональных узлов: арифметико-логического устройства, устройства управления и блока регистров. Работа всех узлов синхронизируется общим внешним тактовым сигналом процессора. Блок регистров включает в себя регистры общего назначения (РОН), регистры адреса и команды, регистры для кратковременного хранения чисел, участвующих в операции, а также для хранения результатов вычислений. Числа и команды представляются двоичным кодом, поэтому все показанные на рис.1.3 соединения являются многоразрядными шинами. В микропроцессоре шины являются средствами для передачи адресов, данных и управляющих сигналов.






ТОП 5 статей:
Экономическая сущность инвестиций - Экономическая сущность инвестиций – долгосрочные вложения экономических ресурсов сроком более 1 года для получения прибыли путем...
Тема: Федеральный закон от 26.07.2006 N 135-ФЗ - На основании изучения ФЗ № 135, дайте максимально короткое определение следующих понятий с указанием статей и пунктов закона...
Сущность, функции и виды управления в телекоммуникациях - Цели достигаются с помощью различных принципов, функций и методов социально-экономического менеджмента...
Схема построения базисных индексов - Индекс (лат. INDEX – указатель, показатель) - относительная величина, показывающая, во сколько раз уровень изучаемого явления...
Тема 11. Международное космическое право - Правовой режим космического пространства и небесных тел. Принципы деятельности государств по исследованию...



©2015- 2024 pdnr.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.