Характеристика и особенности микропроцессора

Разработанные однокристальные конвольверы  используются в устройствах опознавания  образов в тех случаях, когда  возможности сбора данных превосходят  способности системы обрабатывать эти данные.

По виду обрабатываемых входных  сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры  цифровые устройства, однако могут  иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы  передаются в МП через преобразователь  в цифровой форме, обрабатываются и  после обратного преобразования в аналоговую форму поступают  на выход. С архитектурной точки  зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи  сигналов и называются аналоговыми  микропроцессорами. Они выполняют  функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование  и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной "настройки" цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов.

Обычно в составе однокристальных  аналоговых МП имеется несколько  каналов аналого-цифрового и цифро-аналогового  преобразования. В аналоговом микропроцессоре  разрядность обрабатываемых данных достигает 24 бит и более, большое  значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметических операций.

Отличительная черта аналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с  большой скоростью при необходимости  даже за счет отказа от операций прерываний и переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный  в цифровую форму, обрабатывается в  реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме  через цифро-аналоговый преобразователь. При этом согласно теореме Котельникова частота квантования аналогового  сигнала должна вдвое превышать  верхнюю частоту сигнала.

Сравнение цифровых микропроцессоров производится сопоставлением времени  выполнения ими списков операций. Сравнение же аналоговых микропроцессоров производится по количеству эквивалентных  звеньев аналого-цифровых фильтров рекурсивных фильтров второго порядка. Производительность аналогового микропроцессора  определяется его способностью быстро выполнять операции умножения: чем  быстрее осуществляется умножение, тем больше эквивалентное количество звеньев фильтра в аналоговом преобразователе и тем более  сложный алгоритм преобразования цифровых сигналов можно задавать в микропроцессоре.

Одним из направлений дальнейшего  совершенствования аналоговых микропроцессоров является повышение их универсальности  и гибкости. Поэтому вместе с повышением скорости обработки большого объема цифровых данных будут развиваться  средства обеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой информации за счет реализации аппаратных блоков прерывания программ и программных  переходов.

По характеру временной организации  работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.

Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых  команд и величин операндов).

Асинхронные микропроцессоры позволяют  начало выполнения каждой следующей  операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования  каждого устройства микропроцессорной  системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее  установленным приоритетом выполняет  запросы остальных устройств  по обеспечению их командной информацией  и данными.

По организации структуры микропроцессорных  систем различают микроЭВМ одно- и  многомагистральные.

В одномагистральных микроЭВМ все  устройства имеют одинаковый интерфейс  и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих  сигналов.

В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить  одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет  их конструкцию, однако увеличивает  производительность.

По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы  происходит после завершения текущей  программы.

В много- или мультипрограммных  микропроцессорах одновременно выполняется  несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной  работы микропроцессорных управляющих  систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим  числом источников или приемников информации.

 

 

2. Структура и основные  характеристики микропроцессора

 

2.1 Структура микропроцессора

 

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Собственно говоря, процессор в компьютере не один —  их может быть целый десяток! Собственным  процессором снабжена видеоплата, звуковая плата, множество внешних устройств (например, принтер). И часто по производительности эти микросхемы могут поспорить  с главным, Центральным Процессором. Но в отличие от него, все они  являются узкими специалистами —  один отвечает за обработку звука, другой — за создание трехмерного изображения.

Основное и главное отличие  центрального процессора — это его  универсальность. При желании (и, разумеется, при наличии необходимой мощности и соответствующего программного обеспечения) центральный процессор может  взять на себя любую работу, в  то время как процессор видеоплаты при всем желании не сможет раскодировать, скажем, музыкальный файл...

Любой процессор — это выращенный по специальной технологии кристалл кремния (не зря на жаргоне процессор  именуется «камнем»). Однако камешек  этот содержит в себе множество отдельных  элементов — транзисторов, соединенных  металлическими мостиками-контактами. Именно они и наделяют компьютер  способностью «думать». Точнее, вычислять, производя определенные математические операции с числами, в которые  преобразуется любая поступающая  в компьютер информация.

Безусловно, один транзистор никаких  особых вычислений произвести не может. Единственное, на что способен этот электронный переключатель —  это пропустить сигнал дальше или  задержать его, в зависимости  от подаваемого на его «затвор» напряжения. Наличие сигнала дает логическую единицу (да); его отсутствие — логический же ноль (нет).

Однако процессор — это не просто скопище транзисторов, а целая  система множества важных устройств. В состав микропроцессора входят следующие устройства.

1. Арифметико-логическое устройство  предназначено для выполнения  всех арифметических и логических  операций над числовой и символьной  информацией.

2. Устройство управления координирует  взаимодействие различных частей  компьютера. Выполняет следующие  основные функции:

• формирует и подает во все  блоки машины в нужные моменты  времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные  спецификой выполнения различных операций;

• формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие  блоки компьютера;

• получает от генератора тактовых импульсов  обратную последовательность импульсов.

3. Микропроцессорная память предназначена  для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой  в вычислениях непосредственно  в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится  на регистрах и используется  для обеспечения высокого быстродействия  компьютера, так как основная  память не всегда обеспечивает  скорость записи, поиска и считывания  информации, необходимую для эффективной  работы быстродействующего микропроцессора.  Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие  обработкой данных в других  регистрах.

4. Кэш-память. Буферная память —  своеобразный накопитель для  данных. В современных процессорах  используется два типа кэш-памяти: первого уровня — небольшая  (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая  память, и второго уровня —  чуть помедленнее, зато больше  — от 128 килобайт до 2 Мб.

5. Процессор связан несколькими  группами проводников называемых  шинами. С остальными устройствами  компьютера, и в первую очередь  с оперативной памятью. Основных  шин три: шина данных, адресная  шина и командная шина.

1. Адресная шина. Шина или часть  шины, предназначенная для передачи  адреса, а именно используется  ЦП для выбора требуемой ячейки  памяти или устройства ввода-вывода  путем установки на шине конкретного  адреса, соответствующего одной  из ячеек памяти или одного  из элементов ввода-вывода, входящих  в систему.

2. Шина команд. По ней передаются  управляющие сигналы, предназначенные  памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление  передачи данных (в процессор  или из него).

3. Шина данных — информационная  магистраль, благодаря которой процессор  может обмениваться данными с  другими устройствами компьютера.

Трудно поверить, что все эти  устройства размешаются на кристалле  площадью не более 4—6 квадратных сантиметров! Только под микроскопом мы можем  разглядеть крохотные элементы, из которых состоит микропроцессор, соединяющие их металлические «дорожки» (для их изготовления сегодня используется алюминий, однако уже приходит медь).

 

2. Основные характеристики микропроцессора

 

Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя главными характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. Одинаковые модели микропроцессоров могут  иметь разную тактовую частоту - чем  выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора. Тактовая частота  указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет  в одну секунду. Тактовая частота  измеряется в мегагерцах (МГц). Следует  заметить, что разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Рассмотрим характеристики процессоров  более подробно.

1. Тип микpопpоцессоpа.

Тип установленного в компьютеpе  микpопpоцессоpа является главным  фактоpом, опpеделяющим облик ПК. Именно от него зависят вычислительные возможности компьютеpа. В зависимости  от типа используемого микpопpоцессоpа  и опpеделенных им аpхитектуpных  особенностей компьютеpа pазличают пять классов ПК:

- компьютеры класса XT;

- компьютеры класса AT;

- компьютеpы класса 386;

- компьютеpы класса 486;

- компьютеpы класса Pentium.

2. Тактовая частота микpопpоцессоpа  - указывает, сколько элементарных  операций (тактов) микропроцессор выполняет  за одну секунду.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических  импульсов. Частота генерируемых импульсов  определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними  импульсами определяет время одного такта работы машины, или просто, такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов  является одной из основных характеристик  персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо  каждая операция в машине выполняется  за определенное количество тактов.

3. Быстродействие микропроцессора - это число элементарных операций, выполняемых микропроцессором в единицу времени (операции/секунда).

4. Разрядность процессора - максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно.

Разрядность МП обозначается m/n/k/ и  включает: m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров; n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации; k - разрядность  шины адреса, определяет размер адресного  пространства. Например, МП i8088 характеризуется  значениями m/n/k=16/8/20.