Микропроцессоры

МП называют электронное устройство, способное выполнять логическую и арифметическую обработку данных с помощью программ, записанных в виде последовательностей, из ограниченного набора команд.

Наибольшее распространение получили однокристальные МП, т. е. такие, вся электрическая схема которых конструктивно выполнена в виде интегральной схемы в одном корпусе (рис.1. 1). Такие МП имеют фиксированную разрядность обрабатываемых данных 8, 16, 32, 64 бит.

Законодателями мод в производстве МП являются фирмы «Intel», «AMD», «Cyrix» и некоторые др., постоянно конкурирующие и выпускающие все новые, более совершенные, процессоры [1], предназначенные для различных вычислительных систем: обычных персональных, промышленных и мультимедийных компьютеров (ПК); профессиональных рабочих станций (WorkStations), мультипроцессорных систем с конвейерной, параллельной обработкой информации.

МП с разрядностью 4 или 8 предназначены для применения в упрощенных системах автоматики или для построения сложных, многоразрядных систем с нетиповой разрядностью [2]. Применение таких МП для разработки систем – достаточно сложная задача, требующая высшей квалификации разработчика в области цифровой обработки данных. Поэтому широкого распространения они не получили, а используются в узкоспециализированных системах, где их применение оправданно необходимостью оптимизации аппаратной части за счет усложнения алгоритмов.

Программируемость делает МП универсальным средством обработки данных, так как при наличии фиксированного набора аппаратных средств он может выполнять различные алгоритмы обработки в зависимости от загруженной в его память программы. Программы могут перезагружаться в процессе работы. Однако, несмотря на это имеется большое разнообразие семейств (серий) МП, а также типов МП внутри семейств, отличающихся отдельными техническими характеристиками, составом встроенного оборудования, архитектурой, системой команд и конструктивным исполнением [1] –[3].

На рис.1. 2 приведена очень упрощенная структура микропроцессора. Работа МП выполняется под воздействием микропрограммного устройства управления. По шинам (линиям связи) извне поступает очередная команда (или порция команд), которая направляется в соответствующий буфер, где и запоминается на период обработки. Обработка заключается в дешифрации команды, подготовке данных и исполнении команды, чаще всего с помощью арифметическо-логических устройств (АЛУ). Данные могут поступать по шинам как извне, так и из регистров общего назначения (РОН), куда они попадают в результате выполнения предыдущих команд. Результат выполнения текущей команды может быть направлен через шины на внешние выводы или в РОНы. Приведенный алгоритм весьма упрощен, так как не учитывает конкретных особенностей архитектуры МП.

Основу структуры на рис.1. 2 составляет система шин между элементами, которая существенно влияет на архитектуру и, следовательно, на производительность процессора.

Универсальные процессоры имеют чаще всего совмещенные шины для передачи адресов, данных и команд, которые хранятся в устройствах памяти с общим адресным пространством (архитектура Фон-Неймана). Это позволяет значительно упростить аппаратную часть за счет некоторой задержки при выполнении команд.

В процессорах высокой производительности используется «гарвардская» архитектура, для которой характерно аппаратное разделение шин и устройств памяти данных и программ (, как это показано на рис.1. 3.)

Рисунок 1.3 Структура микропроцессора DSP21XXX

Большое разнообразие и развитие процессоров объясняется стремлением получить наилучшие характеристики для конкретных применений.

Так, наряду с универсальными процессорами, используемыми в ПК первых поколений, появляются специализированные сопроцессоры для ускоренных вычислений над числами с плавающей точкой.\

В системах автоматики и автоматизированной обработки данных появляются процессоры цифровой обработки сигналов (ЦОС) или Digital Signaling Processor (DSP) – в английской транскрипции.

Широко известны DSP фирм «Texas Instruments», «Analog Devices», «Motorola» и др. [4].

Приведенная на рис.1. 3 структура МП для цифровой обработки сигналов содержит аппаратные умножители, способные перемножать 2 операнда за 1 такт, в отличие от обычных универсальных МП, выполняющих эту операцию в сотни раз медленнее.