Предисловие (стр. 29 )

С 1995 года начат выпуск МП нового поколения Pentium Pro, в котором насчитывается 5,5 млн транзисторов. МП седьмого поколения корпорации Intel – Pentium IV, имеющий также название Willamate, стал серьезной модернизацией архитектуры процессора Pentium PRO. Направлениями модернизации были: переход на новую системную шину, расширение объемов кэш-памяти и числа конвейеров. Тактовая частота последних (2003 год) модификаций МП превысила 3 ГГц.

4.2.1. Виды процессорных устройств

В настоящее время имеются следующие основные виды микропроцессоров [5]: универсальные микропроцессоры с CISC-архитектурой; универсальные микропроцессоры с RISC-архитектурой; специализированные микропроцессоры (сигнальные, арифметические и др.); микроконтроллеры.

Универсальные микропроцессоры с CISC-архитектурой (Complicated Instruction Set Computer – компьютер со сложным набором команд) применяются главным образом в персональных компьютерах и серверах. Лидером в этой области является фирма Intel, которой комплектуется более 80 % выпускаемых персональных компьютеров. Универсальные микропроцессоры с RISC- архитектурой (Reduced Instruction Set Computer – компьютер с сокращенным набором команд), применяются в основном в рабочих станциях и мощных серверах.

В классе специализированных микропроцессоров в настоящее время наиболее широко представлены DSP (Digital Signal Processor) – процессоры цифровой обработки сигналов. Кроме DSP, выпускаются микропроцессоры, специализированные для передачи информации в системах коммуникации – коммуникационные контроллеры, а также для обработки графической информации, арифметические сопроцессоры и многие другие.

Однокристальные микроконтроллеры (ОМК) являются наиболее массовыми представителями микропроцессорной техники. Интегрируя на одном кристалле высокопроизводительный процессор, память и набор периферийных устройств, они позволяют с минимальными затратами реализовать широкую номенклатуру систем управления различными объектами и процессами.

Использование ОМК в системах управления и обработки информации обеспечивает исключительно высокие показатели эффективности при столь низкой стоимости, что им практически нет альтернативной элементной базы для построения качественных и дешевых систем. Во многих применениях система может состоять только из одного однокристального микроконтроллера. Исключением является применение программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) для обработки сигналов, когда требуется параллельная обработка большого потока входных данных. Производством микроконтроллеров занимается огромное число фирм.

К сожалению, отечественная электронная промышленность, также имевшая некоторые успехи в этой области, в настоящее время утратила свои позиции среди производителей микропроцессоров. При разработке современных электронных приборов российские специалисты используют в основном зарубежную элементную базу, которая стала доступной широкому кругу потребителей.

Среди микроконтроллеров, производящихся в России, следует отметить микроконтроллеры серий 1816 и 1830, являющиеся аналогами контроллеров семейства MCS51.

Микропроцессоры характеризуются:
1) тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ;
2) разрядностью, т. е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов (разрядность МП обозначается m/n/k, где m – разрядность внутренних регистров, определяющая принадлежность к тому или иному классу процессоров;
n – разрядность шины данных, определяющая скорость передачи информации; k – разрядность шины адреса, определяющая размер адресного пространства). Так, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;
3) архитектурой (понятие архитектуры микропроцессора включает систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы).

Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры. 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.

По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры. Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т. е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить его эффективную производительность при решении только определенных задач.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные математические МП, предназначенные для повышения производительности арифметических операций за счет применения, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Микропроцессоры могут иметь встроенные АЦП и ЦАП, тогда входные аналоговые сигналы передаются в МП через АЦП в цифровой форме, там обрабатываются по соответствующей программе и после преобразования с помощью ЦАП в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами.

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 микропроцессора позволяет значительно повысить точность обработки аналоговых сигналов, а также расширить функциональные возможности самого МП путем программной «настройки» цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов. Обычно в составе однокристальных аналоговых МП имеется несколько каналов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. В аналоговом микропроцессоре большое значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметических операций. Отличительная черта аналоговых микропроцессоров – способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью при необходимости даже путем отказа от операций прерываний и переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифроаналоговый преобразователь. При этом, согласно теореме Котельникова, частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частоту сигнала.

Цифровые микропроцессоры сравниваются по времени выполнения ими списков операций, аналоговые микропроцессоры – по количеству эквивалентных звеньев аналого-цифровых рекурсивных фильтров второго порядка. Производительность аналогового микропроцессора определяется его способностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрее осуществляется умножение, тем большее эквивалентное число звеньев фильтра в аналоговом преобразователе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровых сигналов можно задавать в микропроцессоре. Одним из направлений дальнейшего совершенствования аналоговых микропроцессоров является повышение их универсальности и гибкости, поэтому вместе с повышением скорости обработки большого объема цифровых данных развиваются средства обеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой информации путем применения аппаратных блоков прерывания программ и программных переходов.

По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные. У синхронных микропроцессоров начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов). Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.

4.2.2. Внутренняя архитектура микропроцессора

Основными внутренними компонентами МП являются арифметико-логическое устройство, реализующее множество арифметических и логических функций МП, узел синхронизации и управления, воспринимающий и генерирующий внешние управляющие сигналы; набор регистров для временного хранения кодов команд, данных, адресов и информации о внутреннем состоянии МП (рис.4.1).

Рис.4.1. Внутренняя организация микропроцессора

Содержимое некоторых из внутренних регистров МП может быть изменено программным путем, другая их часть недоступна программисту. Общее число внутренних регистров МП разных семейств различно, как различны конкретные функции, выполняемые ими. Тем не менее при всем многообразии внутренних регистров МП наиболее значимыми являются следующие виды.

Регистр команды воспринимает код текущей команды с шины данных и хранит его в течение всего времени ее исполнении. Регистр команды недоступен программисту.

Для хранения данных и промежуточных результатов в МП используются программно-доступные рабочие регистры. Если все рабочие регистры в составе МП позволяют непосредственно записывать в них результаты вычислений, выполненных АЛУ, их обычно называют регистрами общего назначения (РОН). Если в МП имеется всего лишь один такой специализированный регистр, его называют аккумулятором.

Регистры для хранения адресов (указательные регистры) также программно доступны. К указательным регистрам относятся программный счетчик (другое наименование – указатель команды), а также регистры – указатели стека.