Лекция 1. Микропроцессоры. Основные определения, классификация, закономерности развития, области применения, обобщенная структура

Общетеоретические проблемы: проблемы юрисдикции сети, правосубъектности лиц, представляющих, распространяющих и потребляющих информацию в сети, проблема времени и места действия в сети.

Специальные юридические проблемы:

1. Проблемы регулирования электронной коммерции;

2. Соблюдение авторских прав в сети;

3. Использование товарных знаков в сети, а также вопрос злоупотреблений при регистрации доменов;

4. Определение ответственности провайдеров и владельцев сайтов за содержание находящейся на их серверах информации клиентов и пользователей;

5. Вопросы информационной безопасности, включающие в себя криптографию, шифрование, обеспечение безопасности доступа к данным, охрану интересов частной жизни, вопросы нравственности и цензуры.

Лекция 1. Микропроцессоры. Основные определения, классификация, закономерности развития, области применения, обобщенная структура.

Под микропроцессором (МП) будем понимать в дальнейшем программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс цифровой обработки информации и управле­ния им и построенное, как правило, на одной БИС.

Микропроцессорное устройство (МПУ) представляет собой функционально и кон­структивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в состав которых входит микропроцессор; оно предназначено для выполнения определенного набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление.

Термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микро-ЭВМ». Первый же патент на однокристальную мик­ро-ЭВМ был выдан в 1971 году М. Кочрену и Г. Буну. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только микропроцессор, но и память, устройства ввода-выво­да. С появлением однокристальных микроЭВМ связывают начало эры компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, это обстоятельство и определило термин «микроконтроллер» (control - управление).

Однако впоследствии расширение сферы использования МК повлекло за собой разви­тие их архитектуры за счет размещения на кристалле устройств (модулей), отражающих своими функциональными возможностями специфику решаемых задач. Такие дополнитель­ные устройства стали называться периферийными. Поэтому неслучайно в последнее время введен еще один термин - «интегрированный процессор»(ИП),который определяет новый класс функционально-емких однокристальных устройств с другим составом модулей. По количеству и составу периферийных устройств ИП уступают МК и занимают промежуточное положение между МП и МК.

Если взять за критерий комплексный показатель «количество данных - количество вычислений», то возможны следующие его значения, определяющие классы задач и ос­новные характеристики МК (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Значение критерия	Функциональные особенности, применение	Разновидности, производительность
мало данных мало вычислений	Задачи логического управления несложными объектами и процессами	8-разрядные процессоры - низкая производительность
мало данных много вычислений	Локальные регуляторы, системы управления электрическими двигателями, подвижными аппаратами, различными электрическими агрегатами, роботами-манипуляторами, станками, портативное оборудование и т.д.	16-разрядные процессоры - средняя производительность
много данных мало вычислений	Многие сетевые задачи, системы управления потоками данных, коммутаторы, концентраторы, маршрутизаторы и т.п.	32-разрядные процессоры - высокая производительность
много данных много вычислений	Управления реального времени, обработка сигналов с интенсивным обменом, системы распознавания речи, изображений и т.п.	32 и более - сверхвысокая

Перечисленным четырем классам задач безусловно соответствуют определенные типы МК и ИП, наиболее полно учитывающих в своей архитектуре их специфику, а установлен­ное соответствие, конечно, не является строгим, Так, среди 8-разрядных УК есть модели, которые с успехом можно использовать, для ре­шения отдельных задач из второго класса. Точно так же семейства 32-разрядных микроконтроллеров в последнее время активно вытесняют 16-разрядные, поскольку разница в цене становится несущественной, при более развитой архитектуре.

Основными направлениями развития микропроцессоров является увеличение их производительности и расширение функциональных возможностей, что достигается как по­вышением уровня микроэлектронной технологии, используемой для производства мик­ропроцессоров, так и применением новых архитектурных и структурных вариантов их реализации. Развитие микроэлектронной технологии обеспечивает непрерывное умень­шение размеров полупроводниковых компонентов, размещаемых на кристалле микро­процессора. При этом уменьшаются паразитные емкости, определяющие задержку пе­реключения логических элементов, и увеличивается число элементов, размещаемых на кристалле. В настоящее время разрешающая способность промышленной технологии изготовления микросхем обеспечивает создание компонентов с минимальными разме­рами 0,13 - 0,18 мкм. При этом обеспечивается создание микропроцессоров» работаю­щих с тактовой частотой до 1 - 2 ГГц и содержащих на кристалле десятки миллионов транзисторов. В соответствии с эмпирическим правилом, которое сформулировал Гордон Мур, один из основателей компании intel, степень интеграции микросхем удваивается каждые 1,5 - 2 года. Это правило выполнялось в течение 40 лет развития микроэлектроники, и можно прогнозировать, что оно будет выполняться и в близком будущем. По­этому можно ожидать последующего быстрого прогресса технологии и связанного с ним повышения характеристик микропроцессоров.

Архитектурой процессора называется комплекс его аппаратных и программных средств, предоставляемых пользователю. В это общее понятие входит набор доступных программных регистров и исполнительных (операционных) устройств, система основных команд и способов адресации, объём и структура адресуемой памяти, виды и способы обработки прерываний.

При описании архитектуры и функционирования процессора обычно используется его представление в виде совокупности программно-доступных регистров, образующих регистровую или программную модель. В этих регистрах содержатся обрабатываемые данные (операнды) и управляющая информация. Соответственно, в регистровую модель входит группа регистров общего назначения, служащих для хранения операндов, и группа служебных регистров, обеспечивающих управление выполнением программы и режи­мом работы процессора, организацию обращения к памяти (защита памяти, сегментная и страничная организация и др.).

Регистры общего назначения образуют РЗУ - внутреннюю регистровую память процессора. Состав и количество служебных регистров определяется архитектурой микро­процессора, Обычно в их состав входят:

- программный счетчик РС (program counter);

- регистр состояния SR (state register);

- регистры управления режимом работы процессора CR (control register).

Функционирование процессора представляется в виде реализации регистровых пе­ресылок - процедур изменения состояния этих регистров путем чтения - записи их содер­жимого. В результате таких пересылок обеспечивается адресация и выбор команд и опе­рандов, хранение и пересылка результатов, изменение последовательности команд и режимов функционирования процессора в соответствии с поступлением нового содер­жимого вслужебные регистры, а также все другие процедуры, реализующие процесс обработки информации согласно заданным условиям.

Структура микропроцессора определяет состав и взаимодействие основных уст­ройств и блоков, размещенных на его кристалле. В эту структуру входят:

- центральный процессор (процессорное ядро), состоящее из устройства управления (УУ), одного или нескольких операционных устройств (ОУ);

- внутренняя память (РЗУ, кэш-память, блоки оперативной и постоянной памяти);

- интерфейсный блок, обеспечивающий выход на системную шину и обмен данными с внешними устройствами через параллельные или последовательные порты ввода/вывода;

- периферийные устройства (таймерные модули, аналого-цифровые преобразователи, специализированные контроллеры);

- различные вспомогательные схемы (генератор тактовых импульсов, схемы для выполнения отладки и тестирования, сторожевой таймер и ряд других).

Хотя микропроцессор является универсальным средством для цифровой обработки информации, однако отдельные области применения требуют реализации определенных специфических вариантов их структуры и архитектуры. Поэтому по функциональному при­знаку выделяются два класса: микропроцессоры общего назначения и специализирован­ные микропроцессоры (рис.1.1). Среди специализированных микропроцессоров наибо­лее широкое распространение получили микроконтроллеры, предназначенные для выполнения функций управления различными объектами, и цифровые процессоры сигналов (DSP- Digital Signal Processor), которые ориентированы на реализацию процедур, обеспе­чивающих необходимое преобразование аналоговых сигналов, представленных в цифро­вой форме (в виде последовательности числовых значений).

Рис. 1.1. Классификация современных микропроцессоров по функциональному признаку

Микропроцессоры общего назначения предназначены для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации. Их основной областью использования яв­ляются персональные компьютеры, рабочие станции, серверы и другие цифровые системы массового применения. К этому классу относятся CISC-процессоры Pentium ком­пании «Intel», K7 - компании «Advanced MicroDevices» (AMD), 880x0 - компаний «Motorola», RISC-процессоры PoverPC, выпускаемые компаниями «Motorola» и IBM, SPARC - компании «Sun Microsystems» и ряд других изделий различных производителей.

Расширение области применения таких микропроцессоров достигается главным образом путем роста производительности, благодаря чему увеличивается круг задач, который можно решать с их использованием.

Микроконтроллеры являются специализированными микропроцессорами, которые ориентированы на реализацию устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру. Ввиду огромного количества объектов, управление которыми обеспечивается с помощью микроконтроллеров, годовой объем их выпуска превышает 2 миллиарда экземпляров, на порядок превосходя объем выпуска микропроцессоров общего применения, Весьма широкой является также номенклатура выпускаемых микроконтроллеров, которая содержит несколько тысяч типов.

Характерной особенностью структуры микроконтроллеров является размещение на одном кристалле с центральным процессором внутренней памяти и большого набора периферийных устройств. В состав периферийных устройств обычно входят несколько 8-разрядных параллельных портов ввода-вывода данных (от 1 до 8), один или два последовательных порта, таймерный блок, аналого-цифровой преобразователь. Кроме того, различные типы микроконтроллеров содержат дополнительные специализированные устройства - блок формирования сигналов с широтно-имлульсной 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.

В связи с широким диапазоном решаемых задач управления требования, предъявляемые к производительности процессора, объему внутренней памяти команд и данных, набору необходимых периферийных устройств, оказываются весьма разнообразными. Для удовлетворения запросов потребителей выпускается большая номенклатура контроллеров, которые принято подразделять на 8-, 16- и 32-разрядные.

8-разрядные микроконтроллеры представляют наиболее многочисленную группу этого класса микропроцессоров, которые имеют относительно низкую производительность, которая, однако, вполне достаточна для решения широкого круга задач управления различными объектами. Это простые и дешевые микроконтроллеры, ориентированные на использование в относительно несложных устройствах массового выпуска. Основными областями их применения являются бытовая и измерительная техника, промышленная автоматика, автомобильная электроника, тёле-, видео- и аудиоаппаратура, средства связи. Микроконтроллеры этой группы обычно выполняют относительно небольшой набор команд (50-100), использующих наиболее простые способы адресации.

16-разрядные микроконтроллеры во многих случаях являются усовершенствованной модификацией своих 8-разрядных прототипов. Они характеризуются не только увеличенной разрядностью обрабатываемых данных, но и расширенной системой команд и способов адресации, увеличенным наборов регистров и объемом адресуемой памяти, а также рядом других дополнительных возможностей, использование которых позволяет повысить производительность и обеспечить новые области применения.

32-разрядные микроконтроллеры содержат высокопроизводительный процессор, соответствующий по своим возможностям младшим моделям микропроцессоров общего назначения.

Цифровые процессоры сигналов (ЦПС) представляют класс специализированных микропроцессоров, ориентированных на цифровую обработку поступающих аналоговых сигналов. Специфической особенностью алгоритмов обработки аналоговых сигналов является необходимость последовательного выполнения ряда команд умножения-сложения с накоплением промежуточного результата в регистре-аккумуляторе. Поэтому архитектура ЦПС ориентирована на реализацию быстрого выполнения операций такого рода. Набор команд этих процессоров содержит специальные команды MAC (multiplication with accumulation), реализующие эти операции.

Значение поступившего сигнала может быть представлено в виде числа с фиксированной или с «плавающей» точкой. В соответствии с этим ЦПС делятся на процессоры, обрабатывающие числа с фиксированной или плавающей точкой. Более простые и дешевые ЦПС с фиксированной точкой обычно обрабатывают 16-разрядные операнды, представленные в виде правильной дроби. Однако ограниченная разрядность в ряде случаев не позволяет обеспечить необходимую точность преобразования. Поэтому в ЦПС с фиксированной точкой, выпускаемых компанией «Motorola», принято 24-разрядное представление операндов, Наиболее высокая точность обработки обеспечивается в случае представления данных в формате с «плавающей» точкой. В ЦПС, обрабатывающих данные с «плавающей» точкой, обычно используется 32-разрядный формат их представления.