Призначення та класифікація мікропроцесорів

План

1 Призначення та роль мікропроцесорів

2 Основні характеристики та параметри мікропроцесорів

3 Маркування мікропроцесорів

4 Види архітектур мікропроцесорів

5 Класифікація мікропроцесорів

1 Процесор - це " двигун" комп'ютера. Його також називають центральним процесором, або CPU (Central Processing Unіt), це - найважливіший чип у системі, оскільки саме дана електронна схема виконує команди програмного забезпечення Сучасні процесори містять мільйони транзисторів, які вигравірувані на малюсінькому квадратику кристала кремнію. У більшості комп'ютерів процесор (одна із самих маленьких частин) є однією з найбільш дорогих частин. У сучасних системах вартість процесора перевищує вартість системної плати, на якому він установлений, у два, а то й у десять разів.

Мікропроцесор виконує обчислення й обробку даних (за винятком деяких математичних операцій, здійснюваних у комп'ютерах, що мають співпроцесор). У всіх ІBM - сумісних комп'ютерах використовуються процесори, сумісні із сімейством мікросхем Іntel, але випускаються й проектуються вони як самою фірмою Іntel, так і компаніями AMD й Cyrіx.

2 При описі параметрів і пристрою процесорів зазвичай розглядають наступні характеристики процесорів: розрядність шини даних і шини адреси, а також швидкодію.

Швидкодія - це одна з характеристик процесора, що багато в чому залежить від тактової частоти, яка зазвичай вимірюється в мегагерцах (МГЦ). Вона визначається параметрами кварцового резонатора, що представляє собою кристал кварцу у невеликому олов'яному контейнері. Під впливом електричної напруги в кристалі кварцу виникають коливання електричного струму з частотою, обумовленою формою й розміром кристала. Частота цього змінного струму й називається тактовою частотою.

Зміну логічних сигналів у мікросхемах процесора зручно описувати не як безперервну функцію часу, а через певні інтервали - такти. Таким чином, найменшою одиницею виміру часу (квантом) для процесора як логічного пристрою є період тактової частоти, або просто такт (іноді називають цикл). На кожну операцію витрачається мінімум один такт. Наприклад, обмін даними з пам'яттю процесор 8086 виконує за чотири такти плюс кілька циклів очікування. (Цикл очікування - це такт, у якому нічого не відбувається; він необхідний тільки для того, щоб процесор не " убігав" уперед від менш швидкодіючих вузлів комп'ютера.) Аналогічний обмін у процесорі 286 займає два такти й кілька циклів очікування.

Час, затрачуваний на виконання команд, також не постійний. У процесорах 8086 й 8088 на виконання однієї команди йде близько 12 тактів. У процесорах 286 й 386 цей показник зменшився в середньому до 4, 5 тактів на операцію, а в 486 - до 2 тактів. Використання в процесорі Pentіum двох паралельних конвеєрів дозволило скоротити час виконання середньостатистичної команди до одного такту.

Однак дуже часто при одній і тій же тактовій частоті один із процесорів працює швидше, ніж інший. Причина криється в продуктивності. Оцінювати продуктивність центрального процесора досить складно. Центральні процесори з різними внутрішніми архітектурами виконують команди по-різному; причому одні команди можуть виконуватися в одному процесорі швидше, ніж в іншому, а інші команди - навпаки. Щоб знайти задовільну міру для порівняння центральних процесорів з різною архітектурою, що працюють на різних тактових частотах, Іntel винайшла специфічний ряд еталонних тестів, які можна виконати на чипах, щоб виміряти відносну ефективність процесорів. Ця система називається індексом (або показником) іCOMP 2.0 (іntel Comparatіve Mіcroprocessor Performance - порівняльна ефективність мікропроцесора фірми Іntel). Наприклад, індекс іCOMP 2.0, для процесора Pentіum 133 буде дорівнювати 111, а для процесора Pentіum 200 - 142.

Однією із загальних характеристик процесора є розрядність його шини даних і шини адреси. Шина - це набір з'єднань, по яких передаються різні сигнали.

Щоб зрозуміти, що таке шина можна уявити собі пару проводів, прокладених з одного кінця будинку в іншій. Якщо приєднати до цих проводів генератор напруги в 220 В, а уздовж лінії розставити розетки, то вийде шина. Незалежно від того, у яку розетку ви вставите вилку, ви завжди одержите той самий сигнал - 220 В змінного струму.

У звичайному комп'ютері є кілька внутрішніх і зовнішніх шин, а в кожному процесорі - дві основні шини для передачі даних й адрес пам'яті: шина даних і шина адреси.

Коли говорять про шину процесора, найчастіше мають на увазі шину даних, представлену як набір з'єднань (або виводів) для передачі або прийому даних. Чим більше сигналів одночасно надходить на шину, тим більше даних передається по ній за певний інтервал часу й тим швидше вона працює. Кількість з'єднань визначає розрядність шини даних. Збільшення розрядності дозволяє підвищити продуктивність. У процесорах 286 для передачі й прийому двійкових даних використовується 16 з'єднань, тому в них шина даних вважається 16-розрядною. В 32-розрядного процесора, наприклад 486, таких з'єднань удвічі більше. Сучасні процесори типу Pentіum мають 64-розрядні зовнішні шини даних.

Кількість бітів даних, які може обробити процесор за один прийом, характеризується розрядністю внутрішніх регістрів. Регістр - це, власне кажучи, осередок пам'яті усередині процесора; наприклад, процесор може складати числа, записані у двох різних регістрах, а результат зберігати в третьому регістрі. Розрядність регістра визначає кількість розрядів оброблюваних процесором даних. Розрядність регістра також визначає характеристики програмного забезпечення й команд, виконуваних чипом. Наприклад, процесори з 32-розрядними внутрішніми регістрами можуть виконувати 32-розрядні команди, а процесори з 16-розрядними регістрами цього робити не можуть. У більшості сучасних процесорів (від 386 до Pentіum) внутрішні регістри є 32-розрядними.

Шина адреси являє собою набір провідників, по яких передається адреса осередку пам'яті, у яку або з якої пересилаються дані. Як й у шині даних, по кожному провіднику передається один біт адреси, що відповідає одній цифрі в адресі. Збільшення кількості провідників (розрядів), використовуваних для формування адреси, дозволяє збільшити кількість адресованих осередків. Розрядність шини адреси визначає максимальний обсяг пам'яті, що адресується процесором. Наприклад, у процесорах 8086 й 8088 використовується 20-розрядна шина адреси, тому вони можуть адресувати 2²⁰ (1 048 576) байта, або 1 Мбайт, пам'яті.

Шини даних й адреси незалежні, і розроблювачі мікросхем вибирають їхню розрядність за своїм розсудом, але, як правило, чим більше розрядів у шині даних, тим більше їх й у шині адреси. Розрядність цих шин є показником можливостей процесора: кількість розрядів у шині даних визначає здатність процесора обмінюватися інформацією, а розрядність шини адреси - обсяг пам'яті, з яким він може працювати.

3 У процесі виготовлення процесори перевіряють при різних тактових частотах, значеннях температури й тиску. Після цього на них наноситься маркування. У ній указується максимальна робоча частота у всьому робочому діапазоні температур і тисків, які можуть зустрітися у звичайних умовах. Система позначень досить проста. Наприклад, розглянемо процесор A80486DX2-66. Буква А на мікросхемах фірми Іntel позначає тип корпуса, у цьому випадку це керамічний корпус типу PGA (Pіn Grіd Array). 80486DX2- тип мікросхеми (процесор 486DX з подвоєною тактовою частотою). Число 66 означає, що максимальна тактова частота дорівнює 66 Мгц.

Мікросхеми процесорів часто забезпечуються тепловідводами, і маркування при цьому може виявитися закритим. (Тепловідводи - це металеве пристосування для відводу тепла від електронних приладів.) Однак, більшість виготовлювачів центральних процесорів поміщає мітки на верхній і нижній стороні процесора. Якщо тепловідвід важко або неможливо зняти c чипа, можна вийняти чип разом з тепловідводом із гнізда й прочитати маркування на нижній частині процесора. Більшість процесорів, що працюють на частоті 50 МГЦ і вище, повинне мати тепловідводи, що запобігають їхньому перегріву.

Домашнє завдання:

[11] С.39-96

4 Термін " архітектура" носить подвійний зміст. У першому випадку під архітектурою розуміється архітектура набору команд, що виконується мікропроцесором. У другому випадку архітектура охоплює поняття організації системи, що включає структуру пам'яті, системної шини, організацію вводу/виводу й т.п. Стосовно до обчислювальних систем термін " архітектура" може бути визначений як розподіл функцій, реалізованих системою, між її рівнями.

Так, наприклад, архітектура першого рівня визначає, які функції по обробці даних виконуються мікропроцесором у цілому, а які покладають на користувачів, операторів, адміністраторів баз даних і т.д. МП взаємодіє із зовнішнім миром через набір інтерфейсів: мов (оператора, програмування, опису, маніпулювання базою даних, керування завданнями) і системних програм (службових, редагування, сортування, збереження й відновлення інформації).

Архітектура другого рівня може розмежовувати певні рівні усередині програмного забезпечення. Наприклад, рівень керування логічними ресурсами може включати реалізацію таких функцій, як керування базою даних, файлами, віртуальною пам'яттю. До рівня керування фізичними ресурсами відносяться функції керування зовнішньою й оперативною пам'яттю, керування процесами, що виконуються в системі.

Наступний, третій, рівень відображає основну лінію розмежування системи, а саме границю між системним програмним забезпеченням й апаратурами. Також у цьому випадку можна говорити про розподіл функцій між окремими частинами фізичної системи. Наприклад, деякий інтерфейс визначає, які функції реалізують центральні процесори, а які - процесори вводу/виводу.

Архітектура четвертого рівня визначає розмежування функцій між процесорами вводу/виводу й контролерами зовнішніх пристроїв. У свою чергу можна розмежувати функції, реалізовані контролерами й самими пристроями вводу. Архітектура таких рівнів часто називається архітектурою фізичного вводу/виводу.

При створенні МП використовуються три найбільш широко застосовуваних види архітектур, створених за час їхнього розвитку: реєстрова, стекова й орієнтована на оперативну пам'ять.

Регістрова архітектура (архітектура типу " регістр - регістр") мікропроцесора визначає наявність досить великого набору регістрів усередині великих інтегральних схем (ВІС) мікропроцесора. Цей набір регістрів утворить поле надшвидкої оперативної пам'яті (НОЗП) з довільним записом і вибіркою інформації.

Мікропроцесори з регістровою архітектурою мають високу ефективність рішення науково - технічних завдань, оскільки висока швидкість роботи НОЗП дозволяє ефективно використати швидкісні можливості арифметико-логічного пристрою. Однак при переході до рішення завдань керування ефективність таких мікропроцесорів падає, тому що при перемиканнях програм необхідно розвантажувати й завантажувати регістри НОЗП.

Стекова архітектура мікропроцесора дає можливість створити поле пам'яті з упорядкованою послідовністю запису й вибірки інформації. Ця архітектура ефективна для організації роботи з підпрограмами, коли виникає постійна необхідність переходу від поточної програми до підпрограми, що обслуговує який-небудь зовнішній пристрій, і повернення в поточну програму.

Основним недоліком МП цього типу є те, що стік, реалізований на кристалі мікропроцесора, як правило має малу інформаційну ємність. При роботі він швидко переповнюється, приводячи до можливості порушення роботи системи. Побудова ж стека великої ємності вимагає значних ресурсів кристала. Тому найкращими характеристиками володіють МП, у яких стік реалізується поза мікропроцесором - в оперативній пам'яті (оперативному запам'ятовувальному пристрої - ОЗП).

Архітектура мікропроцесора, орієнтована на оперативну пам'ять, забезпечує високу швидкість роботи й більшу інформаційну ємність робочих регістрів і стека при їхній організації в ОЗП. У МП із такою архітектурою всі оброблювані числа після операції в мікропроцесорі виводяться з мікропроцесора й знову повертаються у пам’ять, що й дало їй таку назву.

5 Класифікують МП по наступних ознаках.

По призначенню розрізняють універсальні й спеціалізовані мікропроцесори.

Універсальні МП призначені для рішення широкого кола завдань. При цьому їхня ефективна продуктивність слабко залежить від проблемної специфіки розв'язуваних завдань. У системі команд МП закладена алгоритмічна універсальність, що означає, що виконуваний машиною склад команд дозволяє одержати перетворення інформації відповідно до будь-якого заданого алгоритму.

Ця група МП найбільш численна, у неї входять такі комплекти як К580, Z80, Іntel 8086, К582, К587, К1804, К1810 й ін.

Спеціалізовані МП призначені для рішення певного класу завдань, а іноді тільки для рішення одного конкретного завдання. Їхніми істотними особливостями є простота керування, компактність апаратурних засобів, низька вартість і мала потужність споживання.

Серед спеціалізованих мікропроцесорів можна виділити різні мікроконтролери, орієнтовані на виконання складних послідовностей логічних операцій; математичні МП, призначені для підвищення продуктивності при виконанні арифметичних операцій за рахунок, наприклад матричних методів їхнього виконання; МП для обробки даних у різних областях застосувань і т.д.

По виду оброблюваних вхідних сигналів розрізняють цифрові й аналогові мікропроцесори.

Самі МП є цифровими пристроями обробки інформації. Однак у ряді випадків вони можуть мати вбудовані аналого-цифрові й цифро-аналогові перетворювачі. Тому вхідні аналогові сигнали передаються в МП через перетворювач у цифровій формі, обробляються й після зворотного перетворення в аналогову форму надходять на вихід.

З архітектурної точки зору такі мікропроцесори являють собою аналогові функціональні перетворювачі сигналів. Вони виконують функції будь-якої аналогової схеми (наприклад, виконують генерацію коливань, модуляцію, зсув, фільтрацію, кодування й декодування сигналів у реальному масштабі часу й т.д., заміняючи складні схеми, що складаються з операційних підсилювачів, котушок індуктивності, конденсаторів і т.д.).

По кількості виконуваних програм розрізняють одно- і багатопрограмні мікропроцесори.

В однопрограмних МП виконується тільки одна програма. Перехід до виконання іншої програми відбувається після завершення поточної програми.

У багато- або мультипрограмних МП одночасно виконується декілька (кілька десятків) програм. Організація мультипрограмної роботи мікропроцесорних керуючих систем, наприклад, дозволяє здійснити контроль за станом і керуванням більшим числом джерел або приймачів інформації.

По числу ВІС у мікропроцесорному комплекті розрізняють однокристальні, багатокристальні й багатокристальні секційні МП.

Однокристальні МП виходять при реалізації всіх апаратурних засобів процесора у вигляді однієї ВІС. По мірі збільшення ступеня інтеграції елементів у кристалі й числа виводів корпуса параметри однокристальних МП поліпшуються. Однак їхні можливості обмежені апаратурними ресурсами кристала й корпуса. Тому більш широко поширені багатокристальні, а також багатокристальні секційні МП.

а) б)

Для одержання багатокристального МП (рис. 22.1, а) необхідно провести розбивку його логічної структури на функціонально закінчені частини й реалізувати їх у вигляді ВІС. Функціональна закінченість ВІС багатокристального МП означає, що його частини виконують заздалегідь певні функції й можуть працювати автономно (приклад - МПК ВІС серії К581).

Багатокристальні секційні МП виходять у тому випадку, коли у вигляді ВІС реалізуються частини (секції) логічної структури процесора при функціональній розбивці її вертикальними площинами (рис. 22.1, б). Для побудови багаторозрядних МП при паралельному включенні секцій ВІС МП у них додаються засоби " стикування".

Використання багатокристальних мікропроцесорних високошвидкісних біполярних ВІС, дозволяє організувати розгалуження зв'язку в процесорі, а також прискорити обробку інформації при загальному підвищенні його продуктивності.

По структурній ознаці розрізняють МП із фіксованою розрядністю й МП із нарощуваною розрядністю (секційні МП).

МП із фіксованою розрядністю мають строго певну розрядність оброблюваних слів, величина яких визначається розрядністю МП. МП із нарощуваною розрядністю дозволяють на їхній основі секціями збільшувати число розрядів МПС до необхідної величини, що, як правило, використається при побудові міні-ЕОМ і великих ЕОМ обчислювального типу.

По виду алгоритму роботи керуючого пристрою МП підрозділяють на два види:

- МП із твердим алгоритмом керування, реалізованим апаратно (МП із фіксованим набором команд),

- МП із алгоритмом керування, реалізованим програмним шляхом у вигляді послідовності мікрооперацій (МП із мікропрограмним керуванням). Тут система команд визначена не жорстко, а залежить від мікропрограми, записаної в ПЗП, що входить до складу пристрою керування.

По розрядності оброблюваної інформації МП можуть бути 4, 8, 12, 16, 24, 32 - розрядними. На практиці найбільше поширення мають 32 - розрядні МП (Pentіum, Celeron, AMD). Все більше застосування знаходять 64-розрядні МП фірми AMD.

По характеру часової організації роботи МП діляться на синхронні й асинхронні.

У синхронних МП початок і кінець виконання кожної операції задаються пристроєм керування.

В асинхронних МП початок виконання наступної операції починається відразу ж після закінчення виконання попередньої операції.

По кількості одночасно виконуваних програм розрізняють одно- і багатопрограмні МП.

В однопрограмних МП на даний момент часу виконується тільки одна програма. Перехід до виконання іншої програми відбувається або по завершенню цієї програми, або по спеціальній команді умовного або безумовного переходу, або по перериванню.

У багатопрограмних МП одночасно може виконуватися кілька програм, тобто забезпечується мультипрограмний режим роботи системи.

По виду технології виготовлення розробляються й випускаються ВІС МП:

- за уніполярною технологією:

- р - канальні (р - МОН),

- n -канальні (n - МОН),

- комплементарні (КМОН) (технологія отримання як р - каналів, так й n) ВІС;

- за біполярною технологією:

- ВІС на базі транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ),

- по емітерно-зв’язаній логіці (ЕЗЛ),

- по інтегральної інжекційній логіці (І²Л).

Домашнє завдання:

[7] С. 11-16, 51-61.