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 микро ЭВМ 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

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).

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).

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. 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.

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.

Обобщенная структура микропроцессора

Р егистровое арифметико-логическое устройство (РАЛУ) – предназначено для выполнения арифметических и логических операций и хранения промежуточных результатов операций.

Интерфейсная логика обеспечивает электрическое сопряжение с внешними устройствами и формирование протокола обмена микропроцессора с периферийными устройствами.

Память предназначена для хранения программ и данных. Всегда состоит из ОЗУ и ПЗУ. В минимальной конфигурации вычислительной системы в ПЗУ находится программа загрузки.

Устройство управления (УУ) обеспечивает выработку последовательности микрокоманд, задающих различные операции, выполняемые АЛУ, интерфейсной логикой и памятью. Для организации команд условного перехода в АЛУ формируются условия, которые располагаются в регистре состояния и используются устройством управления для формирования последовательности выборки команд.