Микропроцессор и его архитектура. Типы микропроцессоров. Основные характеристики и области применения микропроцессоров различных типов

Микропроцессор (МП) — программно управляемое устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки и выполнено в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).

БИС — функционально сложная интегральная схема.

Микропроцессорная система (МПС) — функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, основу которой составляет МП.

МП как вычислительное устройство характеризуется архитектурой, то есть совокупностью программно-аппаратных свойств, предоставляемых пользователю. Сюда относятся система команд, типы и форматы обрабатываемых данных, режимы адресации, количество и распределение регистров, принципы взаимодействия с оперативной памятью и внешними устройствами. По своей архитектуре микропроцессоры разделяются на несколько типов (рис.)

Как электронное изделие МП характеризуется следующими параметрами:

1. Требования к синхронизации: максимальная частота, стабильность.

2. Количество и номиналы источников питания, требования к их стабильности.

3. Мощность рассеяния — это мощность потерь в выходном каскаде схемы, превращающаяся в тепло и нагревающая выходные транзисторы. Иначе говоря, она характеризует показатель тепловыделения БИС, что во многом определяет требования к конструктивному оформлению МПС.

4. Уровни сигналов логических 0 и 1 (связаны с номиналами источников питания_.

5. Тип корпуса — позволяет оценить пригодность схемы для работы в тех или иных условиях, а также возможность использования новой БИС в качестве замены существующей на плате.

6. Температура окружающей среды, при которой может работать схема. Здесь выделяют два диапазона: 1) коммерческий (0 ⁰С … +70⁰С); 2) расширенный (-40 ⁰С … +85 ⁰С).

7. Помехоустойчивость — определяет способность схемы выполнять свои функции при наличии помех. Помехоустойчивость оценивается интенсивностью помех, при которых нарушение функций устройства еще не превышает допустимых пределов.

8. Нагрузочная способность определяется числом схем этой же серии, входы которых могут быть присоединены к выходу данной схемы без нарушения ее работоспособности. С увеличением этого коэффициента ухудшаются помехоустойчивость и быстродействие.

9. Надежность — это способность схемы сохранять свой уровень качества функционирова-ния при установленных условиях за установленный период времени. Обычно характери-зуется интенсивностью отказов (час-1) или средним временем наработки на отказ (час).

10. Характеристики технологического процесса. Основной показатель здесь — разрешающая способность процесса. В настоящее время она составляет 32 нм, то есть около 30 тыс. линий на 1 мм. Более совершенный технологический процесс позволяет создать микропроцессор, обладающий большими функциональными возможностями.

Универсальные микропроцессоры предназначены для решения задач цифровой обработки различного типа информации от инженерных расчетов до работы с базами данных, не связанных жесткими ограничениями на время выполнения задания. Например: МП ряда Pentium фирмы Intel и МП семейства Athlon фирмы AMD.

Характеристики универсальных микропроцессоров:

· разрядность: определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ);

· виды и форматы обрабатываемых данных;

· система команд, режимы адресации операндов;

· емкость прямоадресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса;

· частота внешней синхронизации: указывают ее максимально возможное значение, при котором гарантируется работоспособность схемы и иногда указывают также минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. В то же время в тех применениях МП, где не требуется высокое быстродействие, снижение частоты синхронизации — одно из направлений энергосбережения.

· производительность: определяется с помощью специальных тестов.

 

Универсальные микропроцессоры принято разделять на CISC - и RISC-микропроцессоры.

CISC-МП имеют в своем составе весь классический набор команд с широко развитыми режимами адресации операндов. Именно к этому классу относятся, например, МП типа Pentium.

RISC-МП используют уменьшенное количество команд и режимов адресации. Здесь прежде всего следует выделить такие микропроцессоры, как Alpha 21x64, Power PC. В RISC-микропроцессорах большинство команд выполняется за 1 такт, и лишь немногие — за несколько или даже несколько десятков тактов; все команды обработки данных оперируют только содержимым регистров процессора, а для обращения к более медленной оперативной памяти предусмотрены исключительно инструкции вида «загрузить в регистр» и «записать в память».

Процессоры цифровой обработки сигналов, или цифровые сигнальные процессоры, представляют собой бурно развивающийся класс МП, предназначенных для решения задач цифровой обработки сигналов — обработки звуковых сигналов, изображений, распознавания образов и т. д. Они включают в себя многие черты однокристальных микроконтроллеров: гарвардскую архитектуру, встроенную память команд и данных, развитые возможности работы с внешними устройствами. В то же время в них присутствуют черты и универсальных МП, особенно с RISC-архитектурой: конвейерная организация работы, программные и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей запятой, аппаратная поддержка сложных специализированных вычислений, особенно умножения.

Однокристальные микроконтроллеры (МК) предназначены для использования в системах промышленной и бытовой автоматики. Они представляют собой БИС, которые включают в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор (как правило, целочисленный), ЗУ команд, ЗУ данных, генератор тактовых сигналов, программируемые устройства для связи с внешней средой (контроллер прерывания, таймеры-счетчики, разнообразные порты ввода/вывода), иногда аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т. д. В некоторых источниках этот класс микропроцессоров называется однокристальными микро-ЭВМ (ОМЭВМ).

Две трети всех производимых МП БИС в мире составляют МК, причем почти две трети из них имеет разрядность, не превышающую 16 бит. К классу однокристальных МК прежде всего относятся МП серии MCS-51 фирмы Intel и аналогичные МП других производителей.

Отличительные особенности архитектуры ОМК:

· физическое и логическое разделение памяти команд и памяти данных (гарвардская архитектура), в то время как в классической неймановской архитектуре программы и данные находятся в общем запоминающем устройстве и имеют одинаковый механизм доступа;

· упрощенная и ориентированная на задачи управления система команд: в МК, как правило, отсутствуют средства обработки данных с плавающей точкой, но в то же время в систему команд входят команды, ориентированные на эффективную работу с датчиками и исполнительными устройствами, например, команды обработки битовой информации;

· простейшие режимы адресации операндов.

Основные характеристики микроконтроллеров (на примере MK-51):

1. Разрядность (8 бит).

2. Емкость внутренней памяти команд и памяти данных, возможности и пределы их расширения:

· внутренняя память команд — 4 Кбайт (в среднем команда имеет длину 2 байта, таким образом, во внутренней памяти может быть размещена программа длиной около 2000 команд); возможность наращивания за счет подключения внешней памяти до 64 Кбайт;

· память данных на кристалле 128 байт (можно подключить внешнюю память общей емкостью до 64 Кбайт).

3. Тактовая частота:

· внешняя частота 12 МГц;

· частота машинного цикла 1 МГц.

4. Возможности взаимодействия с внешними устройствами: количество и назначение портов ввода-вывода, характеристики системы прерывания, программная поддержка взаимодействия с внешними устройствами.

5. Наличие и характеристики встроенных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) для упрощения согласования с датчиками и исполнительными устройствами системы управления.

Секционированные МП допускают расширение разрядности и емкости ЗУ (за счет подключения дополнительных секций) и обладают способностью к расширению своих функциональных возможностей. Это обусловлено тем, что секционированные МП набираются из БИС, каждая из которых способна объединяться с другими БИС, образуя при этом различные функциональные устройства.