Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК(История создания микропроцессоров (МП))

Содержание:

Введение

Микропроцессоры и микроконтроллеры применяются в различной окружающей нас технике. В большей степени они определяют возможности вычислительной системы, т.е. являются «сердцем» современной техники.

Две трети выпускаемых микропроцессорных БИС используется в устройствах управления, как промышленных, так и бытовых. Как правило, для этого используются микропроцессоры нового класса – микроконтроллеры. Микроконтроллеры содержатся почти во всех современных электронных технологиях, таких как настенные и наручные часы, будильники; по нескольку таких микросхем используется в холодильниках, кондиционерах, стиральных машинах и другой бытовой технике. Микроконтроллеры используются также в блоках управления телевизорами, передающих и обрабатывающих информацию о нажатии кнопок на пульте инфракрасного дистанционного управления этими бытовыми приборами.

Кроме того, в промышленном оборудовании, которым нужно в какой-либо форме управлять (в автоматических конвейерах, в роботах на автоматизированных линиях и т.д.), обязательно используются микроконтроллеры и ЦПУ. Даже в автомобилях используются микроконтроллеры. Прошел не один десяток лет с тех пор, как современные технологии, автомобили и т.д. перестали быть предметом роскоши и вошли в повседневную жизнь. И хотя теперь они окружают нас повсюду, мало кто задумывается, почему автомобили ездят, каковы принципы работы технологий и т.п. А ведь раньше в 50-х годах ХХ века на экзаменах, именно в автошколах, будущим водителям задавали вопросы об устройстве. Сейчас же в этом уже нет необходимости. В наши дни только очень любознательные люди стремятся понять, как работает «начинка» того или иного технического приспособления.

Итак, современный человек в повседневной жизни постоянно использует множество цифровых устройств, главной частью которых является микропроцессор. Он отвечает за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде, реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем.

Я думаю, что понимание принципов работы микропроцессоров, понемногу ставших неотъемлемой частью нашей жизни, поможет понять, как работает то или иное устройство. Ведь наша жизнь уже немыслима без различных цифровых устройств. Поэтому данная тема очень актуальна и значима на сегодняшний день. Цель данной работы состоит в том, чтобы рассмотреть, изложить и изучить классификацию, структуру и основные характеристики современных микропроцессоров ПК. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Изучить основные характеристики микропроцессоров;

2. Выявить основные понятия заданной темы;

3. Проанализировать литературу по теме исследования.

Объектом исследования являются современные микропроцессоры ПК.

Предметом исследования являются классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК.

Глава 1. История создания и структура современного микропроцессора

1.1 История создания микропроцессоров (МП)

Вычислительные машины были созданы еще в 17 веке – Блезом Паскалем и Вильгелем фон Лейбницем. То были механические машины, состоящие из шестеренок и рычагов, которые могли складывать, вычитать, делить и умножать.

Прообраз цифрового компьютера был придуман Чарльзом Бэббиджем в 1834 году – аналитическая машина, которая также была механической, но имела запоминающее устройство (память), вычислительное устройство, устройство ввода, устройство вывода. В качестве программ использовались перфокарты, которые помещались в устройство ввода. Команды с перфокарт загружались в память, которая имела объем на 1000 слов, а слово состояло из 50 разрядов. В словах могли содержаться переменные и результаты вычислений. Вычислительное устройство выполняло только операции сложения, вычитания, деления и умножения. Операнды в него загружались из памяти, затем над ними производились операции (сложение, вычитание и т. д.), а результат помещался обратно в память. Машина могла выполнять несколько алгоритмов, в зависимости от набора команд, написанных на перфокартах. Машина программировалась, и ей было необходимо программное обеспечение. Его написала Ада Августа Лавлейс. Но Бэббиджу так и не удалось отладить свое устройство. Ему бы понадобились тысячи шестеренок, выполненных с высокой точностью, которая была невозможна в то время. Его идея сильно опережала свое время.

Уже в 20 веке Говард Айкен решил создать компьютер Бэббиджа из реле. В 1944 году был создан компьютер, названный Mark I, имевший 72 слова по 23 десятичных разряда. Айкен физически разделил линии передачи команд и данных. В Mark I для хранения инструкций использовалась перфолента, а для работы с данными − электромеханические регистры. Пересылка и обработка команд и данных производилась одновременно, что значительно повышало быстродействие компьютера. Архитектура Mark I в дальнейшем была названа гарвардской архитектурой. Но, когда работа над машиной была закончена, релейные компьютеры устарели, началась эра электроники.

Во время Второй мировой войны нужны были устройства, производящие большое количество вычислений. Так Джон Моушли и его студент Дж. Преспер Экерт в 1943 г. начали конструировать электронный компьютер, названный ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer – электронный цифровой интегратор и калькулятор). Он состоял из огромного числа электровакуумных ламп и реле и потреблял много электроэнергии. Компьютер имел 20 регистров, вмещавших 10-разрядное десятичное число. Программирование осуществлялось при помощи большого числа многоканальных переключателей и многочисленных кабелей, подключавшихся к разъемам. К моменту завершения работы над машиной – 1946 год – она оказалась ненужной. Но ее создание пробудило интерес к разработке больших цифровых компьютеров.

Джон Фон Нейман взялся за создание машины под названием IAS (Immediate Address Storage – память с прямой адресацией). Он понял, что программировать компьютеры при помощи большого количества переключателей и кабелей – очень медленно и неудобно. И пришел к выводу, что программы и данные должны находиться в памяти компьютера в виде цифр. Десятичная арифметика, применяемая в ENIAC, может быть заменена параллельной двоичной арифметикой. Его машина состояла из 5-ти основных частей:

– памяти;

– арифметико-логического устройства (арифметико-логическое устройство (АЛУ) включало в себя аккумулятор);

– устройства управления (УУ);

– устройства ввода;

– устройства вывода.

На рисунке 1 представлена архитектура машины Фон Неймана.

Память

Ввод

Арифметико-логическое устройство

Блок управления

Вывод

Аккумулятор

Рисунок 1. Схема вычислительной машины Фон Неймана

Память состояло из 4096 слов. Каждое слово было длинной в 40 бит (0 и 1) и могло содержать либо 2 команды по 20 бит, либо целое 40-разрядное число со знаком на 40 бит. Первые 8 бит команды определяли ее тип, а остальные 12 – одно из 4096 слов памяти. Арифметико-логическое устройство и блок управления представляли собой «мозг» компьютера.

Внутри АЛУ находился аккумулятор – специальный внутренний регистр на 40 бит. Команда заносила слово в аккумулятор из памяти или сохраняло содержимое аккумулятора в памяти. Операции с плавающей точкой машина не выполняла.

В 50-ых годах 20-го века сотрудниками лаборатории Bell Laboratories Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли был изобретен транзистор.

Транзистор (рисунок 2) – прибор, состоящий из полупроводниковых материалов, предназначенный для управления электрическим током. Его работа похожа на работу водопроводного крана или вентиля (кран открыт или кран закрыт), но вместо воды – электрический ток. Так и транзистор имеет два режима работы – рабочее состояние (транзистор открыт) и состояние покоя (транзистор закрыт). Обычно транзистор имеет три вывода – коллектор, база и эмиттер. На коллектор подаётся сильный ток, а на базу подаётся слабый ток (управляющий ток). При определённой силе управляющего тока, «клапан» транзистора как бы «открывается» и ток с коллектора начинает течь на вывод – эмиттер.

Коллектор

База

Эмиттер

Рисунок 2. Транзистор

В процессорах, микроконтроллерах множество транзисторов в определённом порядке соединено между собой для выполнения специализированных вычислений. Каждая группа транзисторов, определённым образом кодирует сигнал и передаёт его дальше на обработку.

Транзисторы произвели революцию в производстве компьютеров. И компьютеры на вакуумных лампах ушли в прошлое.

С изобретением транзисторов компания IBM построила транзисторную версию (версия 7090) своей последней машины, работавшей на электронных лампах (709). Новая машина имела память из 32 536 слов по 36 бит каждое, а время цикла составляло 2 микросекунды. Это был компьютер типа ENIAC. В 60-ых годах он применялся в области научных расчетов и стоил миллионы долларов.

В 1961 г. компания DEC (Digital Equipment Corporation – корпорация по производству цифровой аппаратуры) разработала транзисторную машину – PDP-1, которая имела 4096 слов по 18 бит каждое и которая обладала эффективным быстродействием – 200 000 команд в секунду. Параметры машины оказались ниже, чем у 7090 компании IBM, но ее стоимость была гораздо дешевле. Так появилась компьютерная промышленность.

Через несколько лет компания DEC разрабатывает 12-ти разрядный компьютер PDP-8. Он имел шинную организацию. Шина представляла собой набор параллельно соединенных проводов, связывающих компоненты компьютера (рисунок 3).

Другие устройства ввода/вывода

Консоль

Устройство считывания перфоленты

Память

Центральный процессор

Шина

Рисунок 3. Шина компьютера PDP-8

Такая архитектура стала использоваться во все малых компьютерах.

В 1964 г. компания CDC (Control Data Corporation) выпустила компьютер 6600, работавший быстрее машин того времени. Был предназначен для сложных расчетов. Центральный процессор этого компьютера внутри себя имел машину, работавшую с высокой степенью параллелизма. Она имела несколько функциональных устройств, предназначенных для сложения, умножения и деления, и все они могли работать одновременно. Машина могла исполнять до 10 команд одновременно.

Внутри машины 6600 находилось несколько маленьких компьютеров. Центральный процессор занимался только вычислениями, а остальные функции (управление работой машины, ввод и вывод информации) выполняли маленькие компьютеры. Эти ключевые принципы работы используются в современных компьютерах.

В 1958 г. Джек Кибли и Роберт Нойс смогли поместить на один полупроводниковый кристалл и соединить между собой несколько транзисторов. Так появилась кремниевая интегральная схема (ИМС). ИМС была малого размера, более надежной. Компьютеры на ИМС были намного меньше, работали быстрее и стоили дешевле транзисторных предшественников. С изобретением ИМС стало возможным разместить функции процессора больших ЭВМ на одном небольшом устройстве.

Первым микропроцессором был микропроцессор фирмы Intel – Intel-4004 (i4004). Инженер этой фирмы М. Хофф, для выполнения заказа японской компании Busicom по изготовлению микросхем, состоящих их нескольких тысяч транзисторов, предназначенных для работы в новом семействе калькуляторов, предложил заменить несколько микросхем одной программируемой универсальной ИМС – микропроцессором (МП). Так компания Intel получила контракт на производство первого в мире микропроцессора. И 15 ноября 1971 г. Intel представила его. МП был 4-разрядным (поскольку калькулятору для хранения одной цифры нужно 4 бита). Имел классическую архитектуру ЭВМ гарвардского типа. Состоял из 2300 транзисторов. МП работал на тактовой частоте 750 кГц при длительности цикла команд 10,8 мкс. Микропроцессор i4004 в своем составе имел:

− адресный стек (счетчик команд и три регистра стека типа LIFO);

− блок регистров общего назначения (РОН);

− 4-разрядное параллельное АЛУ;

− аккумулятор;

− регистр команд с дешифратором команд и схемой управления;

− мультиплексированную шину адреса (ША) / шину данных (ШД);

− а также схему связи с внешними устройствами.

Все это объединялось между собой 4-разрядной шиной данных. Память команд достигала 4 Кбайт, а блок РОН насчитывал шестнадцать 4-разрядных регистров, которые можно было использовать и как восемь 8-разрядных. Такая организация РОНов сохранена и в последующих МП фирмы Intel. МП i4004 монтировался в пластмассовый или металлокерамический корпус с 16 выводами.

Система команд состояла из 46 инструкций.

В системе команд отсутствовали операции логической обработки данных (И, ИЛИ, исключающее ИЛИ). Модуль i4004 не имел возможности останова (команды HALT) и обработки прерываний.

А в апреле 1974 г. компания выпустила 8-разрядный микропроцессор Intel-8080 уже походивший на «настоящую» вычислительную машину. Он состоял из 6 тыс. транзисторов. Тактовая частота процессора была доведена до 2 Мгц, а длительность цикла команд составила уже 2 мкс. Объем памяти, адресуемой процессором, был увеличен до 64 Кбайт. Шина адреса и шина данных были разделены.

В РОН были введены указатель стека, активно используемый при обработке прерываний, а также два программнонедоступных регистра для внутренних пересылок. Блок РОНов был реализован на микросхемах статической памяти. Аккумулятор был введен в состав АЛУ, что упростило схему управления внутренней шиной. В МП применялась многоуровневая система прерываний. В i8080 появился механизм прямого доступа в память (ПДП), что позволило применять в микро-ЭВМ таких сложные устройства, как накопители на магнитных дисках и лентах, дисплеи, которые и превратили микро-ЭВМ в полноценную вычислительную систему.

1.2 Основные понятия, внутренняя структура современного микропроцессора и назначение его устройств

Бит (англ., binary digit – бинарная цифра) – минимальное количество информации, представляет собой один разряд двоичного числа.

Байт – слово длиной в 8 бит.

Машинное слово – группа двоичных цифр (последовательность битов), обрабатываемая одновременно. Являются базовой логической единицей информации в микропроцессоре. Имеет определенную длину.

Длина слова – число двоичных цифр, составляющих слово. Типичная длина слов – 4, 8, 12, 16, 32 разряда.

Данные – объекты операций, исходная информация, над которой выполняются какие-то действия под воздействием команд.

Команды – инструкция, под воздействием которой выполняется какая-либо машинная операция. Состоят из определенного количества специальных полей, определяющих: тип команды, длину и подлежащую выполнению операцию. Первый байт (код операции) всегда передается по шине данных в регистр команд. Команды бывают длиной в одно, два или три слова. В микропроцессоре они интерпретируются по числу ячеек памяти, необходимых для размещения одной команды.

Базовыми командами являются, как правило, следующие:

• арифметические, например, «сложения» и «вычитания»;
• битовые, например, «логическое И», «логическое ИЛИ» и «логическое НЕ»;
• присваивание данных, например, «переместить», «загрузить», «выгрузить»;
• ввода-вывода, для обмена данными с внешними устройствами;
• управляющие инструкции, например, безусловный, условный или косвенный переход, вызов подпрограммы, возврат из подпрограммы.

Триггер – электронная схема, изготавливается из транзисторов и имеет два устойчивых состояния, одно из которых условно принимается за 0, другое – за 1.

Микропроцессор (МП) – это программно-управляемое устройство, построенное на микросхеме, осуществляющее обработку информации и управление процессом обработки информации.

Микропроцессор выполняет следующие основные функции:

– чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

– чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;

– прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;

– обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;

– выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.

МП состоит из ячеек, называемых регистрами.

Регистр – устройство, состоящее из нескольких триггеров и схем управления, обеспечивающих их совместную работу. Осуществляют прием, передачу, хранение, сдвиг и другие элементарные операции над машинным словом. В зависимости от назначения регистров, в одних регистрах могут храниться данные, в других – команды, управляющие обработкой данных в других регистрах, третьи могут изменять исполнение команд. Основные регистры микропроцессора: регистр флагов, блок регистров общего назначения (РОН), регистр команд, регистр адреса, регистры данных – в них входят аккумулятор и указатель стека. Управляя засылкой данных в разные регистры можно управлять обработкой данных. На этом основано исполнение программ.

Чтобы выполнять операции микропроцессору нужны команды. Они поступают в МП и заносятся в регистр команд. Регистр команд предназначен для хранения кода операции, т. е. первого байта команды, адрес которой установлен в счетчике команд.

Чтобы быть понятной МП команда дешифруется дешифратором команд. Он принимает из регистра команд код операции, определяет ее тип (арифметическая, логическая) и запускает последовательность действий микропроцессора, которая ее выполнит.

Адрес текущей команды формирует счетчик команд (СК). После каждого обращения к памяти состояние счетчика команд и регистра адреса увеличивается на единицу (или больше, в зависимости от длины команды) после выборки каждого байта команды. Такой метод формирования адреса рассчитан на то, что элементы программы (команды и данные) располагаются в ячейках памяти по порядку, начиная с некоторого, заранее определенного адреса, например, с нулевого.

При выполнении микропроцессором команды операнды из памяти помещаются в аккумулятор и РОН. Один из операндов часто хранится в одном из РОН, а другой – в аккумуляторе.

Аккумулятор (Accumulator) предназначен для хранения промежуточных результатов вычисления в ходе выполнения арифметической и логической операции. В него помещаются один из операндов, участвующих в операции, и записывается результат операции, произведенной в арифметико-логическом устройстве (АЛУ). Он называется "аккумулятором" потому, что он как бы "накапливает" (аккумулирует) результаты вычислений перед их посылкой в память компьютера.

Помещение в аккумулятор операндов и результата операции необходимо для повышения быстродействия работы АЛУ, т. к. обращение при каждой операции ко внешней памяти для получения операндов и записи результата существенно бы снизило его быстродействие.

Регистры общего назначения (РОН) – рабочие регистры, использующиеся в операциях. Выполняют роль сверхоперативного запоминающего устройства. Также хранят один из операндов, участвующих в операции.

Адреса ячеек ОЗУ откуда нужно считать операнд или наоборот – записать его хранятся в регистре адреса (РА). В него также загружается содержимое счетчика команд перед прочтением очередной команды или данных.

В ходе вычислений может произойти какое-либо событие, например, произойдет переполнение разрядной сетки, результат будет нулевым или отрицательным. Такие события фиксирует регистр флагов. Он состоит из определенного количества бит, которые и называются флагами. Отдельный бит соответствует какому-то событию, возникающему при работе с операндами: перенос/заем, значение знака (положительный или отрицательный результат), нулевой результат и т. д.

Если после выполнения очередной команды нужно обратиться к непоследовательно расположенной ячейке данных прибегают к организации стека. Стек представляет собой непрерывную область внутренних или внешних ячеек памяти, используемых для временного хранения обрабатываемых данных. Его работа организована по принципу LIFO (Last In First Out) – последним пришел, первым ушел. Элемент стека, который в данный момент можно взять, т.е. верхняя ячейка, называется вершиной стека. В таком случае для изменения хода программы новые данные заносятся в счетчик команд и в регистр адреса для обращения к произвольной ячейке памяти.

Регистр, хранящий адрес верхней ячейки стека называется указатель стека. При каждом обращении к стеку его содержимое увеличивается (после считывания содержимого регистра) или уменьшается (перед записью кода в стек). При обращении к стеку в регистр адреса загружается адрес из регистра указателя стека.

Регистры данных – применяется для хранения промежуточных данных, получаемых в ходе выполнения арифметических и логических операций процессора. 

Все операции выполняются в арифметико-логическом устройстве (АЛУ) – это основа микропроцессора. Это блок процессора, выполняющий под управлением устройства управления арифметические, логические операции и операции сдвига над данными, представленными в двоичном коде. Имеет два входа для операндов и один выход для результата.

Набор операций реализуемых в АЛУ:

– сложение двух операндов;

– вычитание двух операндов;

– десятичная коррекция результата арифметической операции;

– инкремент одного операнда;

– декремент одного операнда;

– логическая функция И двух операндов;

– логическая функция ИЛИ двух операндов;

– логическая функция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ двух операндов;

– логическая функция НЕ одного операнда;

– сдвиг вправо на один разряд одного операнда;

– сдвиг влево на один разряд одного операнда;

– циклический сдвиг вправо на один разряд одного операнда;

– циклический сдвиг влево на один разряд одного операнда.

Устройство управления (УУ) осуществляет управление всеми элементами микропроцессора и внешними устройствами. Посредством шины управления принимает сигналы и формирует ответные, управляющие и синхронизирующие сигналы, необходимые для работы устройств.

Основные функции УУ:

– выборка команд программы в нужной последовательности, их дешифрация и обработка полей команды;

– управление выполнением операций;

– синхронизация работы отдельных блоков и элементов МП.

УУ в себя включает:

– регистр команд;

– дешифратор команд;

– блок управления и синхронизации.

Дополнительно в функции УУ могут входить:

– обработка прерываний;

– режим прямого доступа к памяти.

Прерывание – это временный останов выполнения одной программы для выполнения другой, более важной на данный момент. Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в микропроцессор.

Режим прямого доступа к памяти – режим обмена данными между устройствами компьютера или же между устройством и основной памятью, минуя процессор.

Со всеми внутренними и внешними устройствами микропроцессор связан несколькими групп проводников – шинами. Основных шин – три. Это шина адреса, шина данных и шина управления.

Адрес ячейки памяти, откуда нужно считать данные, передается по шине адреса – она также определяет порты ввода или вывода данных. Состоит из определенного количества параллельных проводников, определяющих ее ширину (в битах). Ширина шины адреса определяет объём адресуемой памяти.

Сами данные в процессор и из него поступают по шине данных – она является двунаправленной. Она также состоит из определенного количества параллельных проводников. Число этих проводников задает разрядность шины, определяет количество информации, которое можно передать за один такт.

Управляющие сигналы от процессора на все периферийные устройства и обратно поступают по шине управления – она также состоит из набора линий. Сигналы, определяют характер обмена информацией по магистрали и какую операцию (считывание или запись информации из памяти) нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т. д. В шине управления присутствуют линии, передающие следующие сигналы:

• RD – сигнал чтения;
• WR – сигнал записи;
• MREQ – сигнал инициализации устройств памяти (ОЗУ или ПЗУ);
• IORQ – сигнал инициализации портов ввода-вывода.

Кроме того, к сигналам шины управления относятся: READY – сигнал готовности, RESET – сигнал сброса.

Есть еще одна – внутренняя шина. Она передает байты между внутренними регистрами процессора или обменивается с другими модулями микропроцессорной системы через шину адреса и шину данных.

Мультиплексор – устройство, состоящее из нескольких входов – информационные входы, адресные входы, вход для подачи разрешающего сигнала и одного выхода. Участвует в обмене информации внутри микропроцессора.

Генератор тактовых импульсов (ГТИ) – формирует синхронизирующие сигналы в МП.  Вырабатывает электрические импульсы заданной частоты, которая часто используется как эталонная. В микропроцессорах один тактовый импульс, как правило, соответствует одной атомарной (неделимой) операции. Обработка одной инструкции может производиться за один или несколько тактов работы микропроцессора. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.

На рисунке 4 представлена типовая структура микропроцессора.

Внутренняя шина

Регистр команд

Аккумулятор

Мультиплексор выбора РОН

Регистр данных

Дешифратор команд

Регистр флагов

Блок

РОН

АЛУ

Указатель стека

ГТИ

Счетчик команд

Устройство управления

Регистр адреса

Шина адреса

Шина управления

Шина данных

Рисунок 4. Структура микропроцессора

Глава 2. Классификация и основные характеристики микропроцессоров

2.1. Классификация микропроцессоров

Сейчас существует огромное количество разновидностей микропроцессоров, которые могут быть классифицированы по самым разным критериям.

По количеству интегральных схем в микропроцессорном комплекте МП делятся на три класса:

− однокристальные;

− многокристальные;

− секционированные.

Вся структура однокристального МП реализована на одном кристалле микросхемы и конструктивно выполнена в одном корпусе. Такие МП имеют фиксированную разрядность и фиксированный набор команд. Из-за малого числа внешних соединений, аппаратура, построенная на однокристальных МП, более надежна, чем аппаратурой, использующая иную элементную базу.

В многокристальных МП производится разбиение его логической структуры на функционально законченные части, причем каждый тип устройства структуры МП или их набор находятся в отдельном корпусе БИС. Выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются каждой частью микропроцессора автономно и поэтому может быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС МП. Такой режим работы значительно повышает производительность микропроцессора. Многокристальные МП также имеют фиксированную разрядность и фиксированную систему команд. 

Секционированные МП конструктивно также состоят из набора микросхем. Микропроцессорная секция это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Секционность БИС МП определяет возможность «наращивания» разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессора при «параллельном» включении большего числа БИС. Секционированные МП имеют изменяемую систему команд.

По назначению МП разделяют на:

− универсальные;

− специализированные. 

Универсальные МП применяются в построении систем для решения широкого круга задач. Они обрабатывают информации разного типа, не имеют жестких ограничений на время выполнения задания. Применяются в вычислительных системах, персональных ЭВМ, рабочих станциях. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. К ним относятся используемые в персональных компьютерах процессоры фирмы Intel и AMD. Основной их характеристикой является наличие развитых устройств для эффективного выполнения операций с плавающей точкой над 64-разрядными и более длинными операндами. Универсальные микропроцессоры имеют следующие характеристики:

1. Разрядность. Этот параметр определяет, сколько бит данных процессор может принять и обработать за один раз (такт). Разрядность процессора включает:

− разрядность внутренних регистров микропроцессора (m);

− разрядность шины данных (n);

− разрядность шины адреса (k).

На рисунке 5 изображена схема обмена информацией между МП и ОЗУ.

ОЗУ

Шина управления

Устройство управления

Шина адреса (k)

Регистры (m)

АЛУ

Шина данных (n)

Рисунок 5. Схема обмена информацией между микропроцессором и ОЗУ

Данные поступают в регистры МП из ОЗУ и наоборот по шине данных. По шине адреса передается информация о месте хранения (адреса ячеек) этих данных в ОЗУ. Разрядности этих шин могут не совпадать. Например, процессор характеризуется значениями m/n/k = 16/8/20. И когда говорят о разрядности процессора, то имеется в виду разрядность его регистров.

2. Виды и форматы обрабатываемых данных;

3. Система команд, режимы адресации операндов. Под системой команд понимают набор функций, которые может выполнять микропроцессор. Команды различаются по длине (количеству байтов – 1, 2, 3 байта и т. д.), функциональным признакам (виду выполняемых действий – команды пересылки, арифметические команды, логические команды и т. д.) и способу адресации (виду обращения МП к памяти или его внутренним устройствам – непосредственное обращение к памяти; косвенное – необходимый адрес ячейки задан через указатель, хранящийся во внутреннем регистре процессора или в ячейке памяти; регистровая адресация – обращение к внутренним регистрам МП). Количество операций, выполняемых МП, определяется величиной его внутреннего регистра команд.

4. Емкость адресуемой оперативной памяти напрямую (определяется разрядностью шины адреса, например, если ширина шины адреса равна 32 байта, то размер адресуемого пространства будет равен 2³² байт);

5. Частота внешней синхронизации. Обычно указывается ее максимальное значение, при котором схема будет работать. Для функционально сложных схем иногда указывают и минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. Но в тех областях, где не требуется высокое быстродействие МП, снижение частоты синхронизации это одно из направлений энергосбережения. При уменьшении частоты, некоторые современные микропроцессоры переходят в «спящий режим», при котором они сохраняют свое состояние.

6. Производительность. Она характеризуется количеством операций, выполняемых процессором в течение одной секунды. На производительность микропроцессора больше всего влияют такие характеристики, как разрядность и тактовая частота. Т. к. разрядность процессора определяет минимальное количество информации, представленной в виде последовательности бит, которое может обрабатывать процессор за один раз, то чем выше разрядность микропроцессора, тем больше информации обрабатывает процессор за один такт, что существенно сказывается на производительности микропроцессора. От тактовой частоты процессора зависит ритм работы всего устройства, в состав которого он входит. Чем она выше, тем выше производительность устройства. Тактовая частота выражает количество тактов, выполняемых микропроцессором за одну секунду. Один такт равен определенному промежутку времени, необходимому процессору для выполнения одной элементарной (неделимой) операции. Тактовая частота микропроцессора измеряется в мегагерцах и гигагерцах.

Для решения конкретных задач применяют специализированные МП. К ним относятся:

− математические МП, использующие в своей системе команд набор специализированных команд для реализации различных математических функций;

− микроконтроллеры;

− сигнальные МП, предназначены для обработки оцифрованных сигналов (обычно, в режиме реального времени);

− процессоры для обработки медиа информации, применяются для обработки в реальном времени аудио и видео потоков.

По виду обрабатываемых входных сигналов МП бывают:

− цифровые;

− аналоговые. 

Цифровые МП работают с двоичной информацией, представленной в виде 0 и 1. 

Аналоговые МП оперируют с информацией, представленной в аналоговой (непрерывной) форме. Но вся обработка информации в нем осуществляется в цифровой форме цифровыми методами. Аналоговые сигналы поступают в МП через аналого-цифровые преобразователи и выдят через цифро-аналоговые преобразователи, включенные в структуру самого МП.

По числу команд в системе команд МП делятся на:

− МП с CISC-архитектурой

− МП с RISC-архитектурой.

CISC (Complete Instruction Set Computing) – тип архитектуры процессора с полным набором команд. CISC-процессорами являются универсальные МП. Универсальные МП используются для решения широкого круга задач. А значит необходимо, чтобы как можно большее количество операций поддерживались на аппаратном уровне. В данной архитектуре стремятся иметь отдельную машинную команду для каждого возможного (типового) действия по обработке данных. Основные характеристики CISC-архитектуры:

− большое количество различных машинных команд (сотни), каждая из которых выполняется за несколько тактов центрального процессора;

− устройство управления с программируемой логикой;

− небольшое количество регистров общего назначения;

− различные форматы команд с разной длиной;

− преобладание двухадресной адресации;

− развитый механизм адресации операндов, включающий различные методы косвенной адресации.

Для многих специализированных МП нет необходимости разрабатывать полную систему команд. Достаточно иметь только те команды, которые нужны для решения данной задачи. Эти процессоры могут выполнять достаточно простые команды с максимальным быстродействием. Поэтому были созданы МП, имеющие ограниченный набор простых команд, но способных выполнять их в течение одного периода сигнала тактового генератора. RISC – Reduced (Restricted) Instruction Set Computer – процессоры с сокращенным набором команд. В этих процессорах используются отдельные наборы команд для работы с памятью и отдельные наборы команд для преобразования информации в регистрах процессора. Каждая такая команда единообразно разбивается на небольшое количество этапов с одинаковым временем исполнения (выборка команды, дешифрация команды, исполнение, запись результата), что позволяет строить эффективный конвейер процессора, способный каждый такт выдавать результат исполнения очередной команды.

Для RISC-процессоров характерно:

– набор команд до минимума;

– большинство команд выполняется за 1 такт и лишь немногие – за несколько либо за несколько десятков тактов;

– все команды обработки данных оперируют только содержимым регистров процессора, а для обращения к «медленной» оперативной памяти предусмотрены команды вида «загрузить в регистр», «записать в память»;

– команды имеют простой, четко заданный формат;

– в наборе команд отсутствуют редко используемые инструкции и команды, не вписывающиеся в принятый формат;

– состав системы команд должен быть удобным для применения оптимизирующих компиляторов с языков высокого уровня.

– уменьшено количество режимов адресации операндов;

– команды небольшой длины;

– увеличен объем регистров памяти;

– имеет кэш-память большой емкости, для обеспечения согласованной работы быстрых внутренних устройств и медленной оперативной памяти;

– низкое тепловыделение;

– высокая тактовая частота работы.

По способу организации памяти МП-системы различают МП с Фон-Неймановской архитектурой и МП с Гарвардской архитектурой. В архитектуре Фон Неймана область памяти не разделяется на сегменты и является общей и для программы и для данных. Это существенно сокращает возможности адресации к данным. В с Гарвардской архитектурой для хранения программы используется область памяти, называемая памятью программ, а для хранения данных – область памяти, называемая памятью данных. Такая организация позволяет использовать эффективные способы адресации данных.

По виду временной организации работы МП делятся на:

– синхронные;

– асинхронные.

В синхронных МП начало и конец выполнения операции задаются устройством управления. Время выполнения команды – фиксировано и не зависит ни от типа команды, ни от типа обрабатываемых данных.

В асинхронных МП конец выполнения операции определяется по фактическому сигналу окончания операции. Время выполнения команды индивидуально для каждой команды и выполнения очередной команды идет сразу же после окончания предыдущей, не дожидаясь специальных сигналов синхронизации устройства управления.

По количеству выполняемых программ МП делят на:

– однопрограммные;

– мультипрограммные.

В однопрограммных МП в текущий момент времени может выполняться только одна программа.

В мультипрограммных МП возможно параллельное выполнение одновременно сразу нескольких программ. Такие МП используются преимущественно, когда требуется обрабатывать большое количество источников информации и больших массивов данных.

Наиболее распространенные классификации микропроцессоров изображены на рисунке 6.

Классификация микропроцессоров

По количеству интегральных схем

По виду обрабатываемой информации

По назначению

Однокристальные

Универсальные

Цифровые

Специализированные

Аналоговые

Многокристальные

Секционные

По способу организации памяти

По виду синхронизации

По системе команд

С CISC-архитектурой

Синхронные

Архитектура Фон Неймана

С RISC-архитектурой

Асинхронные

Гарвардская архитектура

По количеству выполняемых программ

По системе команд

однопрограммные

Фиксированная

Переменная

Мультипрограммные

Рисунок 6. Классификация микропроцессоров

2.2. Основные характеристики микропроцессоров

Основными параметрами процессоров являются:

1) тактовая частота – определяет максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ, т. е. быстродействие процессора; 

2) разрядность, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

3) архитектура. 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. Архитектура МП разделяется на:

− микроархитектуру;

− макроархитектуру.

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. 

4) рабочее напряжение. По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения, которое позволяет уменьшить расстояние между структурными элементами в кристалле процессора до десятичных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессе, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

5) разрядность процессора. Показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность.

6) кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для уменьшения количества обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Кэш-память распределяют по нескольким уровням:

− кэш первого уровня – находится в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков килобайт;

− кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и расположен на отдельном кристалле;

− кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких мегабайт, но работает она на частоте материнской паты.

Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.

7) эффективность системы команд – определяет эффективность и скорость их выполнения МП;

8) пропускная способность интерфейсов ввода/вывода – определяет количество информации, которая может быть передана через интерфейс в единицу времени;

9) потребляемая мощность – чем больше процессор потребляет мощности, тем больше он выделяет тепла.

2.3. Микроконтроллеры

Микроконтроллеры (МК) – разновидность микропроцессоров, своего рода микро-ЭВМ, осуществляют управление техническими устройствами и технологическими процессами. По своей организации они намного проще МП и размещаются на одном кристалле. Структура микроконтроллера представлена на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема микроконтроллера

МК содержит:

− центральное процессорное устройство (ЦПУ) – сердце микроконтроллера. Оно принимает из памяти программ коды команд, декодирует их и выполняет. ЦПУ состоит из регистров, арифметико-логического устройства (АЛУ) и цепей управления.

− память программ, в которой хранятся коды команд, последовательность которых формирует программу для микроконтроллера.

− оперативная память данных – здесь хранятся переменные программ. У большинства микроконтроллеров здесь расположен также стек.

− тактовый генератор – определяет скорость работы микроконтроллера.

− цепь сброса – служит для правильного запуска микроконтроллера.

− последовательный порт – позволяет обмениваться данными с внешними устройствами при малом количестве проводов.

− цифровые линии ввода/вывода – с помощью этих линий возможно управлять одновременно несколькими линиями (или проверять несколько линий).

− таймер – используется для отсчета временных интервалов.

− сторожевой таймер – специальный таймер, предназначенный для предотвращения сбоев программы. После запуска он начинает отсчет заданного временного интервала. Если программа не перезапустит его до истечения этого интервала времени, сторожевой таймер перезапустит микроконтроллер. Таким образом, программа должна давать сторожевому таймеру сигнал – все в порядке. Если она этого не сделала, значит, по какой-либо причине произошел сбой.

Областью применения МК:

− средства автоматического регулирования и управления техпроцессами, например, средства контроля доступа;

− различное оборудование на предприятиях;

− банкоматы, платёжные терминалы;

− телекоммуникационное оборудование и многое другое.

Заключение

В настоящее время компьютеры превратились в мощные высокопроизводительные устройства. По всем основным показателям они в сотни раз превосходят первоначальную модель, а стоят обычно даже дешевле. Основным узлом любых цифровых устройств являются микропроцессоры или микроконтроллеры. С приходом ХХI века ставшие намного быстрее и миниатюрнее благодаря новым технологиям проектирования и изготовления микросхем. Сейчас ЦПУ используются практически во всех бытовых электроприборах. Теперь они не только в персональных компьютерах, смартфонах и планшетах, которые мы используем каждый день, но и в кондиционерах, холодильниках, стиральных машинах.

И сегодня мы даже не можем себе представить, насколько прогресс микропроцессоров улучшил нашу жизнь. Благодаря высоким темпам технологического прогресса сегодня у нас в руках умещаются устройства с мощностью, которая много лет назад требовала целого здания, занятого оборудованием.

А поняв основные принципы, положенные в основу первых ЦПУ и актуальные по сей день, мы получаем общее представление о центральных процессорах и понимаем, как они могут выполнять программы. Поэтому в данной курсовой работе рассмотрена история развития вычислительной техники, начиная от самых первых механических машин и заканчивая высокопроизводительными электронными устройствами. Проследив эту историю можно понять, как инженеры пришли к такой организации устройства микропроцессоров, применяемой сегодня. Рассмотрено устройство современных микропроцессоров, приведена их классификация, даны основные характеристики. Считаю, что цель данной курсовой работы достигнута, все задачи выполнены.

Список литературы

1. А.В.Микушин, А.М.Сажнев, В.И.Сединин. Цифровые устройства и микроконтроллеры: Уч. пособие – СПб.: БХВ – Петербург, 2010.

2. Клочков Г.Л. Цифровые устройства и микропроцессоры: Учебник. – Воронеж: ВИРЭ, 2005.

3. Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. 6-е изд. – СПб.: Питер, 2013.

4. Гуров В.В. Архитектура микропроцессоров: Учебное пособие – М.: Интернет-Университет Информационных Технологий: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.

5. Симонович С.В. Информатика. Базовый курс: Учебник для Вузов. 3-е изд. Стандарт Третьего Поколения. – СПб.: Питер, 2011.

6. Могилев А.В., Пак Н.И., Хённер Е.К. Информатика. 2-е изд. Учебное пособие. – М.: Из. Центр Академия, 2003.

7. Непомнящий О.В., Вейсов Е.А., Скотников Г.А., Савицкая М.В. Микропроцессорные системы: Электр. Учеб. Пособие. – Электрон. дан. – Красноярск: ИПК СФУ, 2009.

8. Токхайм Р. Микропроцессоры: Курс и упражнения – пер. с англ., Под ред. В.Н.Грасевича. М.: Энергоатомиздат, 1988.

9. http://www.dfe.petrsy.ru

10. http://www.digteh.ru

11. http://www.intuit.ru

12. http://www.studfiles.net

13. http://www.csaa.ru