Микропроцессоры ПК и их развитие

Содержание:

Введение

На сегодняшний день самым активно развивающимся элементом компьютерных технологий является микропроцессор. Вычислительная техника пронизывает практически все отрасли деятельности производства, образования, здравоохранения, военная техника, т. е. все сферы жизни и деятельности человека. Основной элемент компьютера и другого вычислительного комплекса — это процессор и от его быстродействия зависит время обработки информации. Современная вычислительная техника идет по пути уменьшения размеров при резком возрастании производительности.

Актуальность данной темы определяется тем, что будущее развитие вычислительной техники на прямую связано с научными разработками в области создания микропроцессоров.

Это происходит благодаря интенсивному развитию технологии по которой изготавливаются микропроцессоры. Можно сказать, что развитие процессоров и, вместе с ними и вычислительной техники, на сегодняшний день имеют большие перспективы и возможности.

Цель проведенного исследования состоит в характеристике классификации, структуре и основных характеристик современных микропроцессоров ПК. Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1. охарактеризовать историю создания микропроцессоров;
2. рассмотреть структуру микропроцессора и его технические характеристики;
3. провести характеристику классификации микропроцессоров.

Предметом проведенного исследования выступают современные показатели рынка IT-технологий. Объектом – современное развитие микропроцессоров ПК.

1. История развития и основные характеристики современных микропроцессоров ПК

1.1 Микропроцессоры ПК и их развитие

Центральный процессор (ЦП или центральное процессорное устройство - ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное вычислительное устройство) — исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами. [4, c. 28]

Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Изначально термин Центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде. [1, c. 63]

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели. [6]

История развития технологии производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства элементной базы. Первым этапом, затронувшим период с сороковых по конец пятидесятых годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью была низкая надёжность, низкое (по современным представлениям) быстродействие и большое тепловыделение. Вторым этапом, с середины пятидесятых до середины шестидесятых, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платам, устанавливаемым в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.Третим этапом, наступившим в середине шестидесятых годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем по мере развития технологии стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы - элементарные регистры, счётчики, сумматоры), позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора - микропрограммное устройство, арифметико-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд. Четвёртым этапом стало создание микропроцессора, при котором на одной микросхеме физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-х разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач), либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации. Постепенно, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также начинают изготавливаться в формате микропроцессора. [4, c. 36]

Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004. Его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Но из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен 8088, клон 8086 с 8-разрядной шиной памяти. Затем проследовала его модификация 80186. В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти. Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели. [7, c. 49]

Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.

В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5?5?0,3 см) вставляющегося в ZIF-сокет. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов. В первых компьютерах процессоры были громоздкими агрегатами, занимавшими подчас целые шкафы и даже комнаты, и были выполнены на большом количестве отдельных компонентов.

1.2 Классификация архитектуры микропроцессоров ПК

Микропроцессор характеризуется:

1) тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ;

2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов [6].

Разрядностть МП обозначается m/n/k/ и включает:

m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;

3) архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя 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. [5, c. 101]

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.

Возможная структура микропроцессора содержит элементы, входящие в большинство существующих микропроцессоров: шину ввода-вывода данных, умножитель-накопитель, сумматор-вычитатель, память данных, программ и коэффициентов, блок адресации, программный счетчик и генератор синхросигналов (Рис. 1).

Дополнительно к ним содержит три буферных ЗУ. Для вычисления с помощью такого микропроцессора необходимо в течение N тактов осуществить загрузку входного массива данных длиной N действительных слов в память данных, выполнить (N/2)log2N циклов вычисления базовой операции (если используется алгоритм по основанию 2), и в течение 2N тактов выгрузить N комплексных отсчетов вычисленных коэффициентов Фурье входного массива данных.

Рис. 1 Общая структура микропроцессора ПК [3, c. 91]

Дальнейшее повышение производительности может быть достигнуто на основе отказа от программируемых однопроцессорных архитектур и перехода к параллельно-конвейерным специализированным процессорам.

Процессор состоит из log2N процессорных элементов, выполняющих «бабочку», и log2 N—1 блоков коммутации, выполняющих перестановки данных в соответствии с графом реализуемого алгоритма. Он обеспечивает непрерывную обработку последовательности массивов входных данных по N отсчетов в каждом и формирование соответствующей последовательности выходных массивов комплексных коэффициентов Фурье по N комплексных отсчетов в каждом. Быстродействие конвейерных систем оценивается периодом ввода двух последовательных массивов входных данных, при котором система обеспечивает корректное выполнение заданной операции. [5, c. 122]

Рост быстродействия достигается за счет параллельной работы. Вторым существенным моментом, определившим резкий скачок производительности, является углубление специализации системы обработки данных. С другой стороны, программируемые системы позволяют решать широкий круг задач, однако, имеют свои недостатки, которые состоят в более низкой производительности и сложной аппаратной реализации таких систем. В связи с этим уместно заметить, что для систем подавляющее большинство алгоритмов, которые они должны выполнять, может быть сведено к некоторому базовому набору операций. Эта общность может быть изучена и использована затем для упрощения аппаратуры при сохранении достаточной степени гибкости.

По форматам используемых команд (инструкций) можно выделить [4, c. 122-123]:

1. CISC–архитектуру, которая относится к процессорам (компьютерам) с полным набором команд (CompleteInstruction Set Computer — CISC). Она реализована во многих типах микропроцессоров (например Pentium), выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации.

Система команд процессоров с CISC–архитектурой может содержать не­сколько сотен команд разного формата (от 1 до 15 байт), или степени слож­ности, и использовать более 10 различных способов адресации, что позволяет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач.

Развитие традиционных CISC–архитектур микропроцессоров по пути расширения функциональных возможностей и снижения затрат на программирование привело к увеличению числа команд в наборе и числа микрокоманд в команде. Следствием этого явилось усложнение интегральных схем и снижение быстродействия выполнения программ. Один из возможных путей устранения указанных недостатков состоит в использовании сокращенного набора команд, организация которого подчинена увеличению скоростей их выполнения;

2. RISC–архитектуру, которая относится к процессорам (компьютерам) с сокращенным набором команд (Reduced instruction Set Computer — RISC). Появление RISC–архитектуры продиктовано тем, что многие CISC–команды и способы адресации используются достаточно редко. Основная особенность RISC–архитектуры проявляется в том, что система команд состоит из неболь­шого количества часто используемых команд одинакового формата, которые могут быть выполнены за один командный цикл (такт) центрального процес­сора. Более сложные, редко используемые команды реализуются на про­граммном уровне. Однако за счет значительного повышения скорости испол­нения команд средняя производительность RISC–процессоров может оказать­ся выше, чем у процессоров с CISC–архитектурой.

Большинство команд RISC–процессоров связано с операцией регистр–регистр. Для обращения к памяти оставлены наиболее простые с точки зрения временных затрат операции загрузки в регистры и записи в память.

Современные RISC–процессоры реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта, и используют небольшое число наи­более простых способов адресации (регистровую, индексную и некоторые другие).

Для сокращения количества обращений к внешней оперативной памяти RISC–процессоры содержат десятки–сотни регистров общего назначения (РОН), тогда как в CISC–процессорах всего 8–16 регистров. Обращение к внешней памяти в RISC–процессорах используется только в операциях за­грузки данных в РОН или пересылки результатов из РОН в память. За счет со­кращения аппаратных средств, необходимых для декодирования и выполне­ния сложных команд, достигается существенное упрощение интегральных схемRISC–процессоров и снижение их стоимости. Кроме того, значительно повышается производительность. Благодаря указанным достоинствам во многих современных CISC–процессорах (последние модели Pentium и К7) ис­пользуется RISC–ядро. При этом сложные CISC–команды предварительно преобразуются в последовательность простых RISC–операций и быстро вы­полняются RISC–ядром [10, c.77].

3. VLIW–архитектуру, которая относится к микропроцессорам с использованием очень длинных команд (VeryLarge Instruction Word — VLIW). Отдельные поля команды содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций. Одна VLIW–команда может выполнить сразу несколько операций одновременно в различных узлах микропроцессора. Формирование «длинных» VLIW–koманд производит соответствующий компилятор при трансляции программ, написанных на языке высокого уровня. VLIW–архитектура реализована в некоторых типах современных микропроцессоров и является весьма перспективной для создания нового поколения сверхвысокопроизводительных процессоров [2, c. 131].

По способу организации выборки команд и данных различают два вида архитектур [9]:

1. принстонская архитектура, или архитектура фон–Неймана, особенностью которой является использование:

- общей основной (оперативной) памяти для хранения программ и данных, что позволяет оперативно и эффективно перераспределять ее объем в зависимости от решаемых задач в каждом конкретном случае применении микропроцессора;

- общей шины, по которой в процессор поступают команды и данные, а в оперативную память записываются результаты, что значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность. Чтобы отделить команду от данных, первым из памяти всегда поступает код выполняемой операции, а затем следуют данные. По умолчанию код операции загружается в регистр команд, а данные — в блок регистров. Из–за ограниченного числа внешних выводов общая шина обычно работает в режиме временного мультиплексирования, т. е. противоположные направления обмена данными между микропроцессором, памятью или другими внешними устройствами разделены во времени.

Недостаток принстонской архитектуры — использование общей шины для передачи команд и данных ограничивает производительность цифровой системы;

2. гарвардская архитектура (создатель Говард Айкен), особенностью которой является физическое разделение памяти команд (программ) и памяти данных. Это обстоятельство вызвано постоянно возрастающими требованиями к производительности микропроцессорных систем. Память команд и память данных соединяются с процессором отдельными шинами. Благодаря разделению потоков команд и данных, а также совмещению операций их выборки (и записи результатов обработки) обеспечивается более высокая производительность, чем при использовании принстонской архитектуры.

Недостатки гарвардской архитектуры:

- усложнение конструкции из–за использования отдельных шин для команд и данных;

- фиксированный объем памяти для команд и данных;

- увеличение общего объема памяти из–за невозможности ее оптимального перераспределения между командами и данными.

Гарвардская архитектура получила широкое применение в микроконтроллерах — специализированных микропроцессорах для управления различными объектами, а также во внутренней структуре современных высокопроизводительных микропроцессоров в кэш–памяти с раздельным хранением команд и данных. В то же время во внешней структуре большинства микропроцессорных систем реализуются принципы принстонской архитектуры.

Отметим, что архитектура микропроцессора тесно связана с его структурой. Реализация тех или иных архитектурных особенностей требует введении в структуру микропроцессора соответствующих устройств и обеспечения механизмов их совместного функционирования.

2. Классификация современных микропроцессоров

2.1 Общая классификация микропроцессоров

В настоящее время насчитывается большое количество разнообразных процессоров. Приведем их общую классификацию.

По числу больших интегральных схем (БИС) в составе микропроцесса различают:

- однокристальные микропроцессоры;

- многокристальные микропроцессоры;

- многокристальные секционные микропроцессоры [7, c. 140].

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). При усложнении микропроцессора приходится разбивать его на отдельные блоки. В этом случае каждый блок реализуется на отдельном кристалле, в результате чего процессор становится многокристальным.

Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда отдельные блоки процессора приходится логически разбивать дополнительно на секции. Секционность микропроцессоров дает возможность наращивать разрядность обрабатываемых данных или усложнять устройство управления микропроцессора.

По назначению различают:

- универсальные микропроцессоры;

- специализированные микропроцессоры [4, c. 158].

Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают:

- цифровые микропроцессоры;

- аналоговые микропроцессоры.

Цифровые микропроцессоры работают с информацией представленной в виде числовых значений (дискретная форма). Аналоговые микропроцессоры работают с информацией, которая представлена в аналоговой форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений.

По характеру временной организации работы микропроцессоры делятся на:

- синхронные микропроцессоры;

- асинхронные микропроцессоры [2, c. 99].

Синхронные микропроцессоры – это микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются специальным устройством управления. Т.е. если в микропроцессоре присутствует устройство управление, то он относится к синхронным.

Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.

По количеству выполняемых программ различают:

- однопрограммные микропроцессоры;

- многопрограммные микропроцессоры.

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы. В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько программ.

2.2 Основные типы микропроцессоров

Выпускаемые различными производителями процессоры делятся на отдельные типы в соответствии с используемыми классификационными признаками. Одним из важнейших признаков помимо вида архитектуры является функциональное назначение. По этому признаку, микропроцессоры разбивают на два больших класса:

- процессоры общего назначения, или универсальные микропроцессоры;

- специализированные процессоры, среди которых наиболее широкое распространение получили микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры и медийные процессоры. Рассмотрим особенности этих процессоров.

Микропроцессоры общего назначения. Этот класс процессоров предназ­начен для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации и находит применение в персональных компьютерах, рабочих станциях, серверах и других цифровых системах массового применения. К универсальным процессорам относят 32–разрядные микропроцессоры (хотя некоторые микропроцессоры этого класса имеют 64–разрядную или 128–разрядную структуру), которые изготавливаются по самой современной промышленной технологии, обеспечивающей максимальную частоту функционирования. [9]

Большинство типов микропроцессоров этого класса имеют CISC–архитектуру, поскольку используют набор разноформатных команд с различными способами адресации. В их внутренней структуре может содержаться RISC–ядро, выполняющее преобразование поступивших команд в последовательность простых RISC–операций. Некоторые типы микропроцессоров этого класса непосредственно реализует RISC–архитектуру.

В ряде последних разработок (Itanium РА8500) успешно используются принципы VLIW–архитектуры.

Практически все современные универсальные микропроцессоры используют гарвардскую архитектуру с разделением потоков команд и данных при помощи отдельных блоков внутренней кэш–памяти. В большинстве случаев они имеют суперскалярную структуру (несколько операционных устройств, осуществляющих одновременную обработку данных) с несколькими исполнительными конвейерами (до 10 в современных моделях), каждый из которых содержит до 20 ступеней.

Микроконтроллеры. Этот класс специализированных микропроцессоров ориентирован на применение в качестве устройств или систем управления, встраиваемых в разнообразную (в том числе и бытовую) аппаратуру. Номенклатура выпускаемых микроконтроллеров исчисляется несколькими тысячами типов, а общий годовой объем их выпуска составляет миллиарды экземпляров.

Особенностью микроконтроллеров является размещение на одном кристалле, помимо центрального процессора, внутренней памяти и большого набора периферийных устройств.

В состав периферийных устройств обычно входят от одного до восьми 8–разрядных параллельных портов ввода–вывода данных, один или два последовательных порта, таймерный блок, аналого–цифровой преобразователь, а также такие специализированные устройства, как блок формирования сигналов с широтно–импульсной модуляцией, контроллер жидкокристаллического дисплея и ряд других. Благодаря использованию внутренней памяти и периферийных устройств реализуемые на базе микроконтроллеров системы управления содержат мини­мальное количество дополнительных компонентов. [3, c. 143]

Для удовлетворения запросов потребителей выпускается большая номенклатура микроконтроллеров, которые принято подразделять на 8–, 16– и 32–разрядные.

8–разрядные микроконтроллеры являются наиболее простыми и де­шевыми изделиями этого класса, ориентированными на использование в относительно несложных устройствах массового выпуска. Микроконтроллеры этой группы обычно выполняют относительно небольшой набор команд (50–100), использующих наиболее простые способы адресации. Основными областями их применения являются промышленная автоматика, автомобильная электроника, измерительная техника, теле–, видео– и аудиотехника, средства связи, бытовая аппаратура.

Для 8–разрядных микроконтроллеров характерна гарвардская архитектура:

- с отдельной внутренней памятью для хранения программ, в качестве которой используются масочно–программируемые ПЗУ (ROM), однократно программируемое ПЗУ (PROM) или электрически репрограммируемое ПЗУ (EPROM, EEPROM или Flash) с объемом от нескольких единиц до десятков килобайт;

- с отдельной внутренней памятью для хранения данных, в качестве которой используется регистровый блок, организованный в виде нескольких регистровых банков, или ОЗУ. Ее объем составляет от нескольких десятков байт до нескольких килобайт [9, c. 134].

В случае необходимости имеется возможность дополнительно подключать внешнюю память команд и данных объемом до 64–256 Кбайт и более.

Для повышения производительности во многих моделях 8–разрядных микроконтроллеров реализованы принципы RISC–архитектуры, обеспечивающие вы­полнение большинства команд за один такт машинного времени.

16–разрядные микроконтроллеры помимо повышенной разрядности обрабатываемых данных характеризуются:

- более высокой производительностью;

- расширенной системой команд и способов адресации;

- увеличенным набором регистров и объемом адресуемой памяти;

- возможностью расширения объема памяти программ и данных до нескольких мегабайт путем подключения внешних микросхем памяти;

- программной совместимостью с 8–разрядными микроконтроллерами и другими возможностями [2, c. 52].

Основные области применения — сложная промышленная автоматика, телекоммуникационная аппаратура, медицинская и измерительная техника.

32–разрядные микроконтроллеры ориентированы на применение в системах управления сложными объектами промышленной автоматики (сред­ствами комплексной автоматизации производства, робототехнические устрой­ствами, двигателями и др.), в контрольно–измерительной аппаратуре, телеком­муникационном оборудовании и других сложных устройствах. 32–разрядные микроконтроллеры содержат:

- высокопроизводительный CISC– или RISC–процессор, соответствующий по своим возможностям младшим моделям микропроцессоров общего назначения. Например, в микроконтроллерах компании Intel используется процессор i386, а в микроконтроллерах компании Motorola — процессор 680x0. Введение этих процессоров в состав микроконтроллеров позволяет использовать в соответствующих системах управления огромный объем прикладного и системного программного обеспечения, созданный ранее для соответствующих персональных компьютеров. Некоторые типы микроконтроллеров содержат несколько исполнительных конвейеров, образующих суперскалярную структуру;

- внутреннюю память команд емкостью до десятков килобайт и память данных емкостью до нескольких килобайт;

- средства для подключения внешней памяти объемом до 16 Мбайт и выше;

- набор сложных периферийных устройств — таймерный процессор, коммуникационный процессор, модуль последовательного обмена и ряд других. Во внутренней структуре этих микроконтроллеров реализуется принстонская или гарвардская архитектура [8, c. 75].

Цифровые сигнальные процессоры. Этот класс специализированных микропроцессоров предназначен для цифровой обработки поступающих аналоговых сигналов в реальном времени. Архитектура цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) ориентирована на быстрое выполнение последовательности операций умножения–сложения с накоплением промежуточного результата в регистре–аккумуляторе, что обусловлено особенностью алгоритмов обработки аналоговых сигналов. Поэтому набор команд этих процессоров содержит специальные команды MAC(Multiplication with Accumulation — умножение с накоплением), реализующие эти операции.

Значение оцифрованного аналогового сигнала может быть представлено в виде числа с фиксированной или с плавающей точкой. В соответствии с этим ЦСП делятся на два класса:

- на процессоры, обрабатывающие числа с фиксированной точкой. К этому классу относятся более простые и дешевые ЦСП, которые обычно обрабатывают 16– или 24–разрядные операнды, представленные в виде правильной дроби. Однако ограниченная разрядность в ряде случаев не позволяет обеспечить необходимую точность результатов;

- на процессоры, обрабатывающие числа с плавающей точкой. Процессоры этого класса проводят вычисления над 32– и 40–разрядными операндами и обеспечивают более высокую точность результатов.

Для повышения производительности при выполнении специфических операций обработки сигналов в большинстве ЦСП реализуется гарвардская архитектура с использованием отдельных шин для передачи адресов, команд и данных. В ряде ЦСП нашли применение также некоторые черты VLIW–архитектуры, для которой характерно совмещение в одной команде нескольких операций. Такое совмещение обеспечивает обработку имеющихся данных и одновременную загрузку в исполнительный конвейер новых данных для последующей обработки.

Медийные процессоры. Этот тип процессоров предназначен для обработки аудио–сигналов, графики, видеоизображений, а также для решения ряда коммуникационных задач в мультимедиа–компьютерах, игровых приставках, бытовых приборах и др.

Аппаратную поддержку операций с новыми типами данных, характерными для обработки видео– и звуковой информации обеспечивают универсальные процессоры с мультимедийным расширением набора команд: PentiumММХ, UltraSPARC, Cyrix 6х86МХ (М2), AMD–K6 и др. Однако, когда мультимедийные операции доминируют над традиционными числовыми операциями, больший эффект дает использование мультимедийных микропроцессоров. Их архитектура представляет собой некоторый гибрид архитектурных решений сигнальных и универсальных процессоров. Производством медиа–процессоров заняты компании MicroUnity (процессор Mediaprocessor), Philips(TriMedia), Chromatic Research (Mpact Media Engine) и др. [6]

Структура и режимы работы микропроцессорной системы. Микропроцессор в совокупности с модулями ввода и вывода информации, интерфейса и памяти образует простейшую микропроцессорную систему. Среди микропроцессорных систем важное место занимают системы общего назначения, которые предназначены для решения широкого круга различных задач по обработка информации в цифровой форме согласно заданной программе.

Основные функции микропроцессорной системы сводятся к приему данных (информации) от внешнего устройства, их обработке с помощью микропроцессора и выдаче результата обработки на внешнее устройство.

Рассмотрим в общих чертах особенности работы простейшей микропроцессорной системы, состоящей из центрального процессора, памяти и подсистемы ввода/вывода.

Подлежащая исполнению программа загружается в (оперативную) память. В процессе ее исполнения центральный процессор выдает на шину адреса адрес ячейки памяти, в которой хранится очередная команда, а на шину управления — сигнал, обеспечивающий ее чтение из памяти. Запрошенная команда по шине данных поступает в центральный процессор. Микропроцессор после расшифровки кода команды приступает к ее выполнению, если данные, над которыми должны быть выполнены действия, находятся в регистрах центрального процессора. В противном случае на шину адреса выставляется адрес ячейки памяти, на шину управления — сигнал чтения памяти, и только после получения требуемых данных команда будет исполнена. Затем центральный процессор приступает к обработке следующей команды, и процесс повторяется.

Для обмена данными между центральным процессором и внешними устройствами в подсистеме ввода/вывода предусмотрен контроллер обмена.

При программном обмене в контроллер обмена от центрального процессора, поступает информация о режиме обмена, содержащая код порта (регистра), направление обмена (от центрального процессора к внешнему устройству или от внешнего устройства к центральному процессору), число передаваемых бит, служебные символы и другие данные.

Непосредственный обмен данными происходит под действием сигналов управления, поступающих в контроллер обмена от центрального процессора и внешнего устройства.

При обмене по инициативе внешнего устройства микропроцессор переводится в состояние прерывания. Для этого внешнее устройство посылает в центральный процессор сигнал запроса на прерывание. В состоянии прерывания центральный процессор прекращает выполнение основной программы и приступает к исполнению команд прерывающей программы, которая хранится в (оперативной) памяти и обеспечивает обмен данными, требуемый внешнему устройству. По окончании прерывающей программы центральный процессор возвращается к выполнению основной программы. [9]

Описанные способы обеспечивают низкую скорость обмена. Для увеличения скорости обмена используется режим прямого доступа к памяти, который реализуется с помощью контроллера прямого доступа к памяти. Этот режим инициируется сигналом запроса на захват шин. После получения сигнала запроса центральный процессор пересылает по шине данных в контроллер прямого доступа информацию, необходимую для управления обменом (адрес ячейки памяти, в которой размещается первый байт записываемых или считываемых данных, общее число передаваемых байт, направление передачи и др.), и отключается от шины данных и шины адреса, предоставляя их контроллеру для организации обмена.

Обмен данными между внешним устройством и памятью осуществляется через контроллер. В процессе обмена контроллер прямого доступа к памяти выдает адреса ячеек памяти в шину адреса и сигналы чтения (записи) в шину управления. По завершении обмена центральный процессор получает сигнал от контроллера и переходит к выполнению основной программы.

Заключение

Самым главным элементом в компьютере, его «мозгом», является микропроцессор - небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации.

Процессор вычислительной машины выполняет арифметические и логические операции над данными в соответствии с заданной ему программой. Он состоит из двух основных частей: арифметико-логического устройства, где и выполняется обработка данных, и устройства управления, которое формирует необходимые для обработки информации управляющие сигналы. Успехи в развитии промышленной электроники позволили разместить эти два устройства в корпусе одной интегральной схемы. Таким образом получился микропроцессор.

Микропроцессором называется полупроводниковый кристалл или комплект кристаллов, на которых реализуется совокупность арифметико-логического устройства и центрального устройства управления.

Единицей информации в двоичном коде является бит, т.е. двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1.

Первый микропроцессор выпущен в продажу в 1970 году. Его сконструировал Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel. Конечно возможности первого микропроцессора Intel 4004 были небольшими. Он мог обрабатывать только 4 бита информации (для сравнения процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита информации). Применялся Intel 4004 в микрокалькуляторах.

В 1973 г. Фирма Intel выпустила 8-битовый микропроцессор Intel 8008, а в 1974 г. - его усовершенствованную версию Intel 8080, которая до конца 70 годов стала стандартом для микрокомпьютерной индустрии (отечественный аналог КР580ИК80).

Современные микропроцессоры выполняют сотни различных операций и делают это со скоростью в несколько десятков и даже сотен миллионов операций в секунду.

В компьютерах IBM РС используются микропроцессоры фирмы Intel, а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм (AMD, Cyrix, IBM и др.). Микропроцессоры фирмы Intel , применяемые в IBM PC совместимых компьютерах, таковы: Intel – 8080, 80286, 80386( модификации SX и DX ), 80486 (модификации SX, SX2, DX, DX2, DX4 ), Pentium и Pentium Pro , Pentium (2 – 4) они приведены в порядке возрастания производительности и цены. Разница в производительности этих микропроцессоров очень велика. Так, новейший микропроцессор Pentium 4 быстрее микропроцессора Intel-8088 (на котором были основаны исходный вариант компьютера IBM PC и модель IBM PC XT) в сотни тысяч раз.

Большинство выпускаемых сейчас компьютеров основано на микропроцессорах Pentium 3-4 и его аналогах (например, AMD Athlon XP). Лишь самые дешевые модели компьютеров основаны на микропроцессоре Celeron (упрощенный вариант Pentium 3-4) или AMD Duron.

Основные характеристики микропроцессоров:

- тактовая частота;

- разрядность.

Тактовая частота определяется максимальным временем выполнения элементарного действия (элементарной операции) внутри микропроцессора.

Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора. Тактовая частота измеряется в мегагерцах. Например, микропроцессоры Pentium выпускаются с тактовой частотой от 75 до 200 МГц (т.е. они отличаются по производительности примерно в 2,5 раза). Часто тактовая частота указывается вслед за моделью микропроцессора, например, Pentium /75 МГц.

Тактовая частота указывает скорость выполнения элементарных операций внутри микропроцессора. Разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же команды (например, сложение или умножение) за различное число тактов. Чем более современная (часто говорят, более высокая) модель микропроцессора, тем как правило, меньше тактов требуется микропроцессору для выполнения одних и тех же команд. Поэтому, например, микропроцессор Pentium работает приблизительно в два раза быстрее Intel 80486 с такой же тактовой частотой, а Intel-486 - приблизительно в два раза быстрее Intel-386DX с такой же тактовой частотой.

Микропроцессоры других фирм (AMP, Cyrix) часто имеют маркировку, вводящую в заблуждение. Например, микропроцессор AMD 5x86 аналогичен 486DX4, а не Pentium, поэтому AMD 5x86/133 МГц по производительности схож лишь с Pentium/75 МГц.

В тех случаях, когда на компьютере приходится выполнять много сложных математических вычислений (например, в инженерных расчетах, обработке трехмерных изображений и т.д.), желательно, чтобы сложные математические операции над числами поддерживались аппаратно. Но микропроцессоры Intel - 8088, 80286, 80386 и 80386SX не обеспечивают такую поддержку, поэтому к ним для этого требуется добавить математический сопроцессор (Intel - 8087, 80287, 80387 и 80387SX соответственно), который помогает основному микропроцессору выполнять математические операции над числами представленными в виде мантиссы (значащей части числа) и степени основания (формат с плавающей запятой). Новейшие микропроцессоры фирмы Intel (80486DX, Pentium, Pentium Pro) имеют встроенный (внутренний ) сопроцессор.

Разрядностью микропроцессора называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно. Понятие «разрядность» включает:

- разрядность внутренних регистров микропроцессора (m);

- разрядность шины данных (n);

- разрядность шины адреса (k).

Исходя из этого разрядность микропроцессора будем обозначать m/n/k. Определяющую роль в принадлежности микропроцессора к тому или иному классу играет разрядность внутренних регистров (внутренняя длина слова). От разрядности шины данных (внешней длины слова) зависит скорость передачи информации между микропроцессором и другими устройствами. Разрядность шины адреса определяет адресное пространство микропроцессора, т.е. максимальное количество полей (обычно байтов, где 1 байт = 8 бит) памяти, к которым можно осуществить доступ.

Список использованной литературы

1. Безуглов Д.А., Калиенко И.В. Цифровые устройства и микропроцессоры. – М.: Феникс, 2016.
2. Корнев В.В., Киселев А.В. Современные микропроцессоры. – СПб.: БХВ-Петербург, 2015.
3. Коледов Л.А. технология и конструкции микросхем, микропроцессов микросборок. – М.: Лань, 2014.
4. Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2016. – М.:ОЛМА-ПРЕСС, 2016.
5. Микушин А.В. Цифровые устройства и микропроцессоры. – СПб.: БХВ-Петербург, 2015.
6. Микушин А. В. Микропроцессоры. http:// w.w.w.computer-museum.ru/technlgy/proclet/content.htm (17.07/2016) 
7. Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И.И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. – М.:Инфра-М, 2015.
8. Новожилов Б.М. Микропроцессоры и их применение в системах управления. – М.: МГТУ им. Баумана, 2014.
9. Шагурин И.И. Современные микроконтроллеры и микропроцессоры Motorola. – М.: Горячая линия – Телеком, 2015.
10. Хомоненко А.Д. Основы современных компьютерных технологий/Учебное пособие для Вузов. – С-Пб: Корона принт, 2013.