Класифікація

По числу великих інтегральних схем (БІС) у мікропроцесорному комплекті розрізняють мікропроцесори однокристальні, багатокристальні і багатокристальні секційні.

Процесори навіть найпростіших ЕОМ мають складну функціональну структуру, містять велика кількість електронних елементів і безліч розгалужених зв'язків. Змінювати структуру процесора необхідно так, щоб повна принципова схема або її частини мали кількість елементів і зв'язків, сумісна з можливостями БІС. При цьому мікропроцесори здобувають внутрішню магістральну архітектуру, тобто в них до єдиної внутрішньої інформаційної магістралі підключаються всі основні функціональні блоки (арифметико-логічний, робітників регістрів, стека, переривань, інтерфейсу, керування і синхронізації й ін.).

Для обґрунтування класифікації мікропроцесорів по числу БІС треба розподілити всі апаратні блоки процесора між основними трьома функціональними частинами: операційної, керуючої і интерфейсної. Складність операційної і керуючої частин процесора визначається їхньою розрядністю, системою команд і вимогами до системи переривань; складність интерфейсної частини розрядністю і можливостями підключення інших пристроїв ЕОМ (пам'яті, зовнішніх пристроїв, датчиків і виконавчих механізмів і ін.). Інтерфейс процесора містить кілька десятків інформаційних шин даних (ШД), адрес (ША) і керування (ШК).

Однокристальні мікропроцесори виходять при реалізації всіх апаратних засобів процесора у виді один БІС або СБИС (зверхвеликої інтегральної схеми). В міру збільшення ступеня інтеграції елементів у кристалі і числа висновків корпуса параметри однокристальних мікропроцесорів поліпшуються. Однак можливості однокристальних мікропроцесорів обмежені апаратними ресурсами кристала і корпуса. Для одержання багатокристального мікропроцесора необхідно провести розбивку його логічної структури на функціонально закінчені частини і реалізувати них у виді БІС (СБИС). Функціональна закінченість БІС багатокристального мікропроцесора означає, що його частини виконують заздалегідь визначені функції і можуть працювати автономно.

Операційний процесор служить для обробки даних, керуючий процесор виконує функції вибірки, декодування й обчислення адрес операндів і також генерує послідовності мікрокоманд. Автономність роботи і велика швидкодія БІС УП дозволяє вибирати команди з пам'яті з більшою швидкістю, чим швидкість їхнього виконання БІС ОП. При цьому в УП утвориться черга ще не виконаних команд, а також заздалегідь підготовляються ті дані, що будуть потрібні ОП у наступних циклах роботи. Така випереджальна вибірка команд заощаджує час ОП на чекання операндів, необхідних для виконання команд програм. Интерфейсний процесор дозволяє підключити пам'ять і периферійні засоби до мікропроцесора; він, власне кажучи, є складним контролером для пристроїв уведення висновку інформації. БІС ИП виконує також функції каналу прямого доступу до пам'яті.

Обирані з пам'яті команди розпізнаються і виконуються кожною частиною мікропроцесора автономно і тому може бути забезпечений режим одночасної роботи всіх БІС МП, тобто конвеєрний потоковий режим виконання послідовності команд програми (виконання послідовності з невеликим тимчасовим зрушенням). Такий режим роботи значно підвищує продуктивність мікропроцесора.

Багатокристальні секційні мікропроцесори виходять у тому випадку, коли у виді БІС реалізуються частини (секції) логічної структури процесора при функціональній розбивці її вертикальними площинами (мал. 1,б). Для побудови багаторозрядних мікропроцесорів при рівнобіжному включенні секцій БІС у них додаються засоби "стикування".

Для створення високопродуктивних багаторозрядних мікропроцесорів потрібно настільки багато апаратних засобів, не реалізованих у доступних БІСА, що може виникнути необхідність ще й у функціональній розбивці структури мікропроцесора горизонтальними площинами. У результаті розглянутого функціонального поділу структури мікропроцесора на функціонально і конструктивно закінчені частини створюються умови реалізації кожної з них у виді БІС. Усі вони утворять комплект секційних БІС МП.

Таким чином, мікропроцесорна секція це БІС, призначена для обробки декількох розрядів даних або виконання визначених керуючих операцій. Секційніть БІС МП визначає можливість "нарощування" розрядності оброблюваних даних або ускладнення пристроїв керування мікропроцесора при "рівнобіжному" включенні більшого числа БІС.

Однокристальні і трьохкристальні БІС МП, як правило, виготовляють на основі мікроелектронних технологій уніполярних напівпровідникових приладів, а багатокристальні секційні БІС МП на основі технології біполярних напівпровідникових приладів. Використання багатокристальних мікропроцесорних високошвидкісних біполярних БІС, що мають функціональну закінченість при малій фізичній розрядності оброблюваних даних і монтуючих у корпус з великим числом висновків, дозволяє організувати розгалуження зв'язку в процесорі, а також здійснити конвеєрні принципи обробки інформації для підвищення його продуктивності.

По призначенню розрізняють універсальні і спеціалізовані мікропроцесори.

Універсальні мікропроцесори можуть бути застосовані для рішення широкого кола різноманітних задач. При цьому їхня ефективна продуктивність слабко залежить від проблемної специфіки розв'язуваних задач. Спеціалізація МП, тобто його проблемна орієнтація на прискорене виконання визначених функцій дозволяє різко збільшити ефективну продуктивність при рішенні тільки визначених задач.

Серед спеціалізованих мікропроцесорів можна виділити різні мікроконтролери, орієнтовані на виконання складних послідовностей логічних операцій, математичні МП, призначені для підвищення продуктивності при виконанні арифметичних операцій за рахунок, наприклад, матричних методів їхнього виконання, МП для обробки даних у різних областях застосувань і т.д. За допомогою спеціалізованих МП можна ефективно вирішувати нові складні задачі рівнобіжної обробки даних. Наприклад, конволюция дозволяє здійснити більш складну математичну обробку сигналів, чим широко використовувані методи кореляції. Останні в основному зводяться до порівняння всього двох серій даних: вхідною, переданою формою сигналу, і фіксованого опорних і до визначення їхньої подоби. Конволюция дає можливість у реальному масштабі часу знаходити відповідність для сигналів форми, що змінюється, шляхом порівняння їхній з різними еталонними сигналами, що, наприклад, може дозволити ефективно виділити корисний сигнал на тлі шуму.

Розроблені однокристальні конвольвери використовуються в пристроях впізнання образів у тих випадках, коли можливості збору даних перевершують здатності системи обробляти ці дані.

По виду оброблюваних вхідних сигналів розрізняють цифрові й аналогові мікропроцесори. Самі мікропроцесори цифрові пристрої, однак можуть мати убудовані аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі. Тому вхідні аналогові сигнали передаються в МП через перетворювач у цифровій формі, обробляються і після зворотного перетворення в аналогову форму надходять на вихід. З архітектурної точки зору такі мікропроцесори являють собою аналогові функціональні перетворювачі сигналів і називаються аналоговими мікропроцесорами. Вони виконують функції будь-якої аналогової схеми (наприклад, роблять генерацію коливань, модуляцію, зсув, фільтрацію, кодування і декодування сигналів у реальному масштабі часу і т.д., заміняючи складні схеми, що складаються з операційних підсилювачів, котушок індуктивності, конденсаторів і т.д.). При цьому застосування аналогового мікропроцесора значно підвищує точність обробки аналогових сигналів і їхня відтворюваність, а також розширює функціональні можливості за рахунок програмної "настроювання" цифрової частини мікропроцесора на різні алгоритми обробки сигналів.

Звичайно в складі однокристальних аналогових МП мається кілька каналів аналого-цифрового і цифро-аналогового перетворення. В аналоговому мікропроцесорі розрядність оброблюваних даних досягає 24 біт і більш, велике значення приділяється збільшенню швидкості виконання арифметичних операцій.

Відмітна риса аналогових мікропроцесорів здатність до переробки великого обсягу числових даних, тобто до виконання операцій додавання і множення з великою швидкістю при необхідності навіть за рахунок відмовлення від операцій переривань і переходів. Аналоговий сигнал, перетворений у цифрову форму, обробляється в реальному масштабі часу і передається на вихід звичайно в аналоговій формі через цифро-аналоговий перетворювач. При цьому відповідно до теореми Котельникова частота квантування аналогового сигналу повинна вдвічі перевищувати верхню частоту сигналу.

Порівняння цифрових мікропроцесорів виробляється зіставленням часу виконання ними списків операцій. Порівняння ж аналогових мікропроцесорів виробляється по кількості еквівалентних ланок аналого-цифрових фільтрів рекурсивних фільтрів другого порядку. Продуктивність аналогового мікропроцесора визначається його здатністю швидко виконувати операції множення: чим швидше здійснюється множення, тим більше еквівалентна кількість ланок фільтра в аналоговому перетворювачі і тим більше складний алгоритм перетворення цифрових сигналів можна задавати в мікропроцесорі.

Одним з напрямків подальшого удосконалювання аналогових мікропроцесорів є підвищення їхньої універсальності і гнучкості. Тому разом з підвищенням швидкості обробки великого обсягу цифрових даних будуть розвиватися засобу забезпечення розвитих обчислювальних процесів обробки цифрової інформації за рахунок реалізації апаратних блоків переривання програм і програмних переходів.

По характері тимчасової організації роботи мікропроцесори поділяють на синхронні й асинхронні.

Синхронні мікропроцесори - мікропроцесори, у яких початок і кінець виконання операцій задаються пристроєм керування (час виконання операцій у цьому випадку не залежить від виду виконуваних команд і величин операндів).

Асинхронні мікропроцесори дозволяють початок виконання кожної наступної операції визначити по сигналі фактичного закінчення виконання попередньої операції. Для більш ефективного використання кожного пристрою мікропроцесорної системи до складу асинхронно працюючих пристроїв вводять електронні ланцюги, що забезпечують автономне функціонування пристроїв. Закінчивши роботу над якою-небудь операцією, пристрій виробляє сигнал запиту, що означає його готовність до виконання наступної операції. При цьому роль природного розподільника робіт приймає на себе пам'ять, що відповідно до заздалегідь установленого пріоритету виконує запити інших пристроїв по забезпеченню їх командною інформацією і даними.

По організації структури мікропроцесорних систем розрізняють мікроэвм одне- і багатомагістральні.

В одномагістральних мікроэвм усі пристрої мають однаковий інтерфейс і підключені до єдиної інформаційної магістралі, по якій передаються коди даних, адрес і керуючих сигналів.

У багатомагістральних мікроэвм пристрою групами підключаються до своєї інформаційної магістралі. Це дозволяє здійснити одночасну передачу інформаційних сигналів по декількох (або усім) магістралям. Така організація систем ускладнює їхню конструкцію, однак збільшує продуктивність.

По кількості виконуваних програм розрізняють одно- і багатопрограмні мікропроцесори.

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

У мультипрограмних мікропроцесорах одночасно виконується трохи (звичайно кілька десятків) програм. Організація мультипрограмної роботи мікропроцесорних керуючих систем дозволяє здійснити контроль за станом і керуванням великим числом джерел або приймачів інформації.