Типы микропроцессоров: виды, 8-16-32х разрядные, команды, архитектура

Основные типы микропроцессоров

Выпускаемые различными производи­телями процессоры делятся на отдельные типы в соответствии с используемыми классификационными признаками. Одним из важнейших признаков помимо вида архитектуры является функциональное назначение. По этому признаку, микро­процессоры разбивают на два больших класса:

• процессоры общего назначения, или универсальные микропроцессоры;
• специализированные процессоры, среди которых наиболее широкое распро­странение получили микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры и медийные процессоры. Рассмотрим особенности этих процессоров.

Микропроцессоры общего назначения

Этот класс процессоров предназ­начен для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации и находит применение в персональных компьютерах, рабочих станциях, серверах и других цифровых системах массового применения. К универсальным процессо­рам относят 32–разрядные микропроцессоры (хотя некоторые микропроцессоры этого класса имеют 64–разрядную или 128–разрядную структуру), которые изго­тавливаются по самой современной промышленной технологии, обеспечивающей максимальную частоту функционирования.

Большинство типов микропроцессоров этого класса имеют CISC–архитектуру, поскольку используют набор разноформатных команд с различными способами адресации.

В их внутренней структуре может содержаться RISC–ядро, выполня­ющее преобразование поступивших команд в   оследовательность простых RISC–операций. Некоторые типы микропроцессоров этого класса непосредственно реализует RISC–архитектуру.

В ряде последних разработок (Itanium РА8500) успешно используются прин­ципы VLIW–архитектуры.

Практически все современные универсальные микропроцессоры используют гарвардскую архитектуру с разделением потоков команд и данных при помощи отдельных блоков внутренней кэш–памяти. В большинстве случаев они имеют су­перскалярную структуру (несколько операционных устройств, осуществляющих одновременную обработку данных) с несколькими исполнительными конвейера­ми (до 10 в современных моделях), каждый из которых содержит до 20 ступеней.

Микроконтроллеры. Этот класс специализированных микропроцессоров ориентирован на применение в качестве устройств или систем управления, встраиваемых в разнообразную (в том числе и бытовую) аппаратуру. Номенкла­тура выпускаемых микроконтроллеров исчисляется несколькими тысячами типов, а общий годовой объем их выпуска составляет миллиарды экземпляров.

Особенностью микроконтроллеров является размещение на одном кристалле, помимо центрального процессора, внутренней памяти и большого набора пери­ферийных устройств.

В состав периферийных устройств обычно входят от одного до восьми 8–раз­рядных параллельных портов ввода–вывода данных, один или два последователь­ных порта, таймерный блок, аналого–цифровой преобразователь, а также такие специализированные устройства, как блок формирования сигналов с широтно–импульсной 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.

Для удовлетворения запросов потребителей выпускается большая номенкла­тура микроконтроллеров, которые принято подразделять на 8–, 16– и 32–разрядные.

8–разрядные микроконтроллеры

8–разрядные микроконтроллеры являются наиболее простыми и де­шевыми изделиями этого класса, ориентированными на использование в относи­тельно несложных устройствах массового выпуска. Микроконтроллеры этой груп­пы обычно выполняют относительно небольшой набор команд (50–100), исполь­зующих наиболее простые способы адресации. Основными областями их приме­нения являются промышленная автоматика, автомобильная электроника, измерительная техника, теле–, видео– и аудиотехника, средства связи, бытовая аппаратура.

Для 8–разрядных микроконтроллеров характерна гарвардская архитектура:

• с отдельной внутренней памятью для хранения программ, в качестве которой используются масочно–программируемые ПЗУ (ROM), однократно програм­мируемое ПЗУ (PROM) или электрически репрограммируемое ПЗУ (EPROM, EEPROM или Flash) с объемом от нескольких единиц до десятков килобайт;
• с отдельной внутренней памятью для хранения данных, в качестве которой используется регистровый блок, организованный в виде нескольких регист­ровых банков, или ОЗУ. Ее объем составляет от нескольких десятков байт до нескольких килобайт.

В случае необходимости имеется возможность дополнительно подключать внешнюю память команд и данных объемом до 64–256 Кбайт и более.

Для повышения производительности во многих моделях 8–разрядных микро­контроллеров реализованы принципы RISC–архитектуры, обеспечивающие вы­полнение большинства команд за один такт машинного времени.

16–разрядные микроконтроллеры

16–разрядные микроконтроллеры помимо повышенной разрядности обрабатываемых данных характеризуются:

• более высокой производительностью;
• расширенной системой команд и способов адресации;
• увеличенным набором регистров и объемом адресуемой памяти;
• возможностью расширения объема памяти программ и данных до нескольких мегабайт путем подключения внешних микросхем памяти;
• программной совместимостью с 8–разрядными микроконтроллерами и други­ми возможностями.

Основные области применения — сложная промышленная автоматика, теле­коммуникационная аппаратура, медицинская и измерительная техника.

32–разрядные микроконтроллеры

32–разрядные микроконтроллеры ориентированы на применение в системах управления сложными объектами промышленной автоматики (сред­ствами комплексной автоматизации производства, робототехнические устрой­ствами, двигателями и др.), в контрольно–измерительной аппаратуре, телеком­муникационном оборудовании и других сложных устройствах. 32–разрядные микроконтроллеры содержат:

• высокопроизводительный CISC– или RISC–процессор, соответствующий по своим возможностям младшим моделям микропроцессоров общего назначе­ния. Например, в микроконтроллерах компании Intel используется процессор i386, а в микроконтроллерах компании Motorola — процессор 680×0. Введе­ние этих процессоров в состав микроконтроллеров позволяет использовать в соответствующих системах управления огромный объем прикладного и си­стемного программного обеспечения, созданный ранее для соответствующих персональных компьютеров. Некоторые типы микроконтроллеров содержат несколько исполнительных конвейеров, образующих суперскалярную структуру;
• внутреннюю память команд емкостью до десятков килобайт и память данных емкостью до нескольких килобайт;
• средства для подключения внешней памяти объемом до 16 Мбайт и выше;
• набор сложных периферийных устройств — таймерный процессор, коммуни­кационный процессор, модуль последовательного обмена и ряд других. Во внутренней структуре этих микроконтроллеров реализуется принстонская или гарвардская архитектура.

Цифровые сигнальные процессоры

Этот класс специализированных мик­ропроцессоров предназначен для цифровой обработки поступающих аналоговых сигналов в реальном времени. Архитектура цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) ориентирована на быстрое выполнение последовательности операций ум­ножения–сложения с накоплением промежуточного результата в регистре–аккуму­ляторе, что обусловлено особенностью алгоритмов обработки аналоговых сигна­лов. Поэтому набор команд этих процессоров содержит специальные команды MAC (Multiplication with Accumulation — умножение с накоплением), реализующие эти операции.

Значение оцифрованного аналогового сигнала может быть представлено в виде числа с фиксированной или с плавающей точкой. В соответствии с этим ЦСП де­лятся на два класса:

• на процессоры, обрабатывающие числа с фиксированной точкой. К этому классу относятся более простые и дешевые ЦСП, которые обычно обрабатывают 16– или 24–разрядные операнды, представленные в виде правильной дроби. Однако ограниченная разрядность в ряде случаев не позволяет обес­печить необходимую точность результатов;
• на процессоры, обрабатывающие числа с плавающей точкой. Процессоры этого класса проводят вычисления над 32– и 40–разрядными операндами и обеспечивают более высокую точность результатов.

Для повышения производительности при выполнении специфических опера­ций обработки сигналов в большинстве ЦСП реализуется гарвардская архитекту­ра с использованием отдельных шин для передачи адресов, команд и данных. В ряде ЦСП нашли применение также некоторые черты

VLIW–архитектуры, для ко­торой характерно совмещение в одной команде нескольких операций. Такое со­вмещение обеспечивает обработку имеющихся данных и одновременную загруз­ку в исполнительный конвейер новых данных для последующей обработки.

Медийные процессоры

Этот тип процессоров предназначен для обработки аудио–сигналов, графики, видеоизображений, а также для решения ряда комму­никационных задач в мультимедиа–компьютерах, игровых приставках, бытовых приборах и др.

Аппаратную поддержку операций с новыми типами данных, характерными для обработки видео– и звуковой информации обеспечивают универсальные процес­соры с мультимедийным расширением набора команд: Pentium ММХ, UltraSPARC, Cyrix 6х86МХ (М2), AMD–K6 и др. Однако, когда мультимедийные операции до­минируют над традиционными числовыми операциями, больший эффект дает ис­пользование мультимедийных микропроцессоров. Их архитектура представляет собой некоторый гибрид архитектурных решений сигнальных и универсальных процессоров. Производством медиа–процессоров заняты компании MicroUnity (процессор Mediaprocessor), Philips (TriMedia), Chromatic Research (Mpact Media Engine) и др.

Структура и режимы работы микропроцессорной системы

Микропроцес­сор в совокупности с модулями ввода и вывода информации, интерфейса и памя­ти образует простейшую микропроцессорную систему. Среди микропроцессор­ных систем важное место занимают системы общего назначения, которые пред­назначены для решения широкого круга различных задач по обработка информа­ции в цифровой форме согласно заданной программе.

Основные функции микропроцессорной системы сводятся к приему данных (информации) от внешнего устройства, их обработке с помощью микропроцессо­ра и выдаче результата обработки на внешнее устройство.

Рассмотрим в общих чертах особенности работы простейшей микропроцес­сорной системы (рис. 2.1.3), состоящей из центрального процессора, памяти и подсистемы ввода/вывода.

Подлежащая исполнению программа загружается в (оперативную) память. В процессе ее исполнения центральный процессор выдает на шину адреса адрес ячейки памяти, в которой хранится очередная команда, а на шину управления — сигнал, обеспечивающий ее чтение из памяти. Запрошенная команда по шине данных поступает в центральный процессор. Микропроцессор после расшифров­ки кода команды приступает к ее выполнению, если данные, над которыми долж­ны быть выполнены действия, находятся в регистрах центрального процессора. В противном случае на шину адреса выставляется адрес ячейки памяти, на шину управления — сигнал чтения памяти, и только после получения требуемых данных команда будет исполнена. Затем центральный процессор приступает к обработке следующей команды, и процесс повторяется.

Для обмена данными между центральным процессором и внешними устрой­ствами в подсистеме ввода/вывода предусмотрен контроллер обмена.

При программном обмене в контроллер обмена от центрального процессора, поступает информация о режиме обмена, содержащая код порта (регистра), на­правление обмена (от центрального процессора к внешнему устройству или от внешнего устройства к центральному процессору), число передаваемых бит, слу­жебные символы и другие данные.

Непосредственный обмен данными происходит под действием сигналов управ­ления, поступающих в контроллер обмена от центрального процессора и внешне­го устройства.

При обмене по инициативе внешнего устройства микропроцессор переводит­ся в состояние прерывания. Для этого внешнее устройство посылает в централь­ный процессор сигнал запроса на прерывание. В состоянии прерывания цент­ральный процессор прекращает выполнение основной программы и приступает к исполнению команд прерывающей программы, которая хранится в (оператив­ной) памяти и обеспечивает обмен данными, требуемый внешнему устройству. По окончании прерывающей программы центральный процессор возвращается к выполнению основной программы.

Описанные способы обеспечивают низкую скорость обмена.

Для увеличения скорости обмена используется режим прямого доступа к памяти, который реали­зуется с помощью контроллера прямого доступа к памяти. Этот режим иницииру­ется сигналом запроса на захват шин. После получения сигнала запроса цент­ральный процессор пересылает по шине данных в контроллер прямого доступа информацию, необходимую для управления обменом (адрес ячейки памяти, в ко­торой размещается первый байт записываемых или считываемых данных, общее число передаваемых байт, направление передачи и др.), и отключается от шины данных и шины адреса, предоставляя их контроллеру для организации обмена.

Обмен данными между внешним устройством и памятью осуществляется через контроллер. В процессе обмена контроллер прямого доступа к памяти выдает ад­реса ячеек памяти в шину адреса и сигналы чтения (записи) в шину управления. По завершении обмена центральный процессор получает сигнал от контроллера и переходит к выполнению основной программы.