2. Микропроцессорный модуль

Состав микропроцессорного модуля определяется типом используемого МП и задачами, решаемыми МПС. В общем случае МП модуль включает в себя:

• центральный процессор;

• сопроцессор;

• генератор тактовых импульсов;

• системный контроллер (формирователь сигналов управления памятью, портами и контроллерами прямого доступа к памяти, прерываний и др.);

• шинные формирователи адреса, данных и сигналов управления (усилители мощности логических сигналов для повышения нагрузочной способности);

• контроллер прерываний;

• контроллер прямого доступа к памяти;

• программируемый таймер и ряд других устройств.

2.1. Центральный процессор

2.1.1. Классификация микропроцессоров

Микропроцессоры характеризуются очень большим числом параметров и качеств поскольку, с одной стороны, они являются процессорами, а с другой стороны – интегральной схемой с высокой степенью интеграции. Это позволяет при классификации использовать разнообразные признаки. Обычно принято классифицировать МП:

• по технологии изготовления;

• по числу интегральных микросхем;

• по разрядности данных;

• по архитектуре;

• по назначению;

• по роли в составе МПС;

• по способу реализации команд;

• по виду временной организации работы.

По технологии изготовления МП делятся на МП, реализованные на основе:

• p-канальной МОП (металл-окисел-полупроводник) технологии;

• n-канальной МОП технологии;

• комплементарной МОП (КМОП) технологии;

• интегрально-инжекционной логики (И²Л);

• транзисторно-транзисторной логики с диодами Шотки (ТТЛШ);

• эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ).

Каждая из технологий предоставляет какие-либо преимущества:

• КМОП и И²Л обеспечивают наилучшее значение фактора качества (про­изведения мощности на задержку) и позволяют строить микромощные системы;

• n-МОП обеспечивает высокую плотность компоновки элементов и низкую стоимость БИС;

• ЭСЛ – максимальное быстродействие;

• ТТЛШ – высокое быстродействие при хорошей степени интеграции и наилучшее сопряжение с ТТЛ системами.

Технология КМОП (CMOS – Complementary Metal- Oxide Semiconductor) и ее разновидности используются в настоящее время при изготовлении основного количества микропроцессоров.

По числу интегральных микросхем МП делятся на однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные. Однокристальные МП получаются при реализации всех аппаратурных средств процессора в одной БИС. Упрощенная структура однокристального МП представлена на рис. 2.1а. Она включает арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управ­ления (УУ). Однако возможности однокристальных МП ограничены аппара­турными ресурсами кристалла и корпуса, которые в свою очередь опре­деляются степенью интеграции элементов в кристалле и количеством выводов корпуса.

Рис. 2.1. Варианты реализации микропроцессоров:

а) однокристальный МП; б) многокристальный МП;

в) многокристальный секционный МП.

Многокристальный МП состоит из нескольких БИС, представляющих собой законченные функциональные узлы (рис. 2.1б). Функциональная закон­ченность многокристального МП означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно, а для построения про­цессора не требуется организации большого количества новых связей. Много­кристальные секционные процессоры образуются путем соединения несколь­ких БИС – микропроцессорных секций, которые предназначены для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций (рис. 2.1в). Секционность МП определяет возможность «наращивания» разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройства управления МП при «параллельном» включении большого числа БИС.

По разрядности данных МП делятся на:

• двухразрядные;

• 4-разрядные;

• 8-разрядные;

• 16-разрядные;

• 32-разрядные;

• 64-разрядные.

Увеличение разрядности МП позволяет повысить его производительность и точность вычислений.

В зависимости от архитектуры МП делятся на:

• однокристальные микроконтроллеры;

• секционные МП;

• однокристальные 16-разрядные МП;

• однокристальные 32-разрядные МП;

• процессоры цифровой обработки сигналов;

• сигнальные микропроцессоры;

• транспьютеры.

Однокристальные микроконтроллеры предназначены для управления устройствами и встраиваются в них. Основная их задача – управление, а не вычислительные операции. Это отражается и в системе команд микро­контроллеров.

Особенности секционных МП уже рассматривались выше.

Однокристальные 16 и 32-разрядные МП предназначены для построения микроЭВМ и ориентированы на выполнение вычислительных операций.

Процессоры цифровой обработки предназначены для повышения произво­дительности микроЭВМ. Они обеспечивают решение определенной задачи (операции с числами с плавающей точкой, быстрое преобразование Фурье, анализ и синтез речи и т. п.).

Сигнальные процессоры (аналоговые процессоры) обеспечивают возмож­ность непосредственного сопряжения с аналоговыми датчиками и исполни­тельными устройствами. В состав их входят АЦП, ЦАП и процессор. Обработка данных ведется в цифровом коде. Сигнальные процессоры пред­назначены для использования в системах управления и системах связи. Применение сигнальных МП значительно повышает точность обработки анало­говых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной «настройки» цифровой части МП на различные алгоритмы обработки сигналов. Однако обработка сигналов в реальном масштабе времени возможна только при высокой производи­тельности процессора.

Транспьютер – это микрокомпьютер с собственной внутренней памятью и каналами (линками) для соединения с другими транспьютерами. Термин «транспьютер», произошедший в результате объединения слов «транзистор» и «компьютер», отражает основную область его применения – массово-па­раллельные вычислительные системы, в которых он играет роль базового вычислительного элемента.

Однокристальные 32-разрядные микропроцессоры, в свою очередь, можно разделить на:

• скалярные;

• суперскалярные;

• мультискалярные;

• процессоры с длинным командным словом (VLIW - Very Long Instruction Word).

Скалярные МП обеспечивают выполнение за каждый процессорный цикл лишь одной команды.

Суперскалярные МП позволяют выполнять несколько команд за один про­цессорный цикл. Это стало возможным благодаря наличию в них нескольких исполнительных устройств. При этом никакого указания на параллельную обработку система команд не содержит.

Мультискалярный МП, в общих чертах, можно рассматривать как парал­лельную вычислительную систему, состоящую из совокупности процессорных элементов с программой планировщиком, которая назначает задачи на каждый процессорный элемент. Как только задача на процессорный элемент назначена, он выбирает и выполняет команды задачи до тех пор, пока она не будет завершена. Множество процессорных элементов, каждый с внутренним меха­низмом последовательного выполнения команд, поддерживают выполнение множества задач.

МП с длинным командным словом также содержат несколько исполни­тельных устройств. Однако, в специально отведенных полях команд, каждому из параллельно работающих обрабатывающих устройств предписывается действие, которое устройство должно совершить. Подготовкой таких программ занимается компилятор. Компилятор может более эффективно выбирать параллельно исполняемые команды. МП с длинным командным словом имеет более простое устройство управления и потенциально может иметь более высокую тактовую частоту.

По назначению МП принято делить на универсальные и специали­зированные. Универсальные МП могут быть использованы в различных видах вычислительной техники и цифровой автоматики для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их производительность слабо зависит от специфики решаемых задач. Специализация МП, т. е. ориентация на уско­ренное выполнение определенных функций, позволяет резко увеличить производительность при решении только определенных задач. Среди специализированных МП можно выделить различные микроконтроллеры, процессоры цифровой обработки сигналов и т. п.

По роли в составе МПС микропроцессоры принято делить на цент­ральные процессоры, сопроцессоры и подчиненные процессоры. Центральный процессор непосредственно осуществляет обработку данных в однопроцес­сорной системе или обеспечивает организацию работы мультипроцессорной системы. Сопроцессоры, или вспомогательные процессоры работают парал­лельно с центральным процессором по одной программе, выбирая из нее инструкции собственного набора команд и исполняя их. Подчиненные (ведомые) процессоры работают под непосредственным управлением цент­рального процессора.

По способу реализации команд МП делятся на процессоры с макро­программным управлением и процессоры с микропрограммным управлением. Микропроцессоры с макропрограммным управлением имеют фиксированную систему команд, которая не может быть изменена пользователем. Для микропроцессоров с микропрограммным управлением пользователь сам опре­деляет систему команд, задавая определенные последовательности микроко­манд, исходя из специфики решаемой задачи.

Микропроцессоры с макропрограммным управлением, в свою очередь, делят на МП со сложной системой команд CISC (Complexity Instruction Set Computer) и МП с упрощенной системой команд RISC (Reduced Instruction Set Computer). Упрощенные команды требуют меньше времени на декодирование, выполняются быстрее и позволяют работать на более высоких тактовых частотах.

По виду временной организации работы МП делят на синхронные и асинхронные. У синхронных МП начало и конец выполнения команд задается устройством управления. В асинхронных МП – начало выполнения каждой следующей команды определяется по сигналу фактического окончания предыдущей команды. Это позволяет повысить производительность МП, но усложняет устройство управления.