Микропроцессоры это: Микропроцессор: назначение и область применения

Содержание

Микропроцессор: назначение и область применения

Микропроцессор (CPU или Центральный процессор*) – устройство обработки цифровой и аналоговой информации, основная часть аппаратного контроля системы, а заодно и главный инструмент, способный проводить арифметические и логические операции, записанные с использованием машинного кода.

Основных функций у ЦП* несколько – передача данных между оперативной памятью и остальными компонентами ПК, синхронизация информации на внешних и внутренних накопителях, организация многопотоковой и многопрограммной работы в бесперебойном режиме, дешифрация машинного кода, синхронизация чисел разного регистра. И хотя перечисленные функции сложно переводимы на «обывательский язык», запомнить стоит следующее – «Центральный процессор» – важнейший элемент любого персонального компьютера.

И еще на заметку удивительный факт – за все те годы развития микропроцессоров им так и не нашлось никакой альтернативы. Даже современные новинки от Intel, справляющиеся с нагрузкой в тысячу раз быстрее, чем все конкуренты из далекого прошлого, и домашние чипы, обгоняющие по скорости все компьютеры, находившиеся на базе космического корабля «Аполлон», покорившего Луну, так и остаются процессорами с одинаковыми задачами и целями…

Назначение и область применения микропроцессоров

Функционально микропроцессор предназначен для решения следующих задач:

  1. Поэтапное чтение и расшифровывание команд из основной и оперативной памяти, регистров и адаптеров внешних устройств.
  2. Обработка запросов при обслуживании компонентов персонального компьютера.
  3. Синхронизация данных на накопителях данных.
  4. Генерация сигналов управления узлами и блоками ПК.

Кроме того, важно понимать, из каких именно частей состоит любой процессор:

  1. Устройство обработки арифметических, логических и любых других числовых, символьных операций, появляющихся по ходу взаимодействия с компьютером.
  2. Центр управления и координации взаимодействия различных компонентов ПК (речь обо всем и сразу – об оперативной памяти, подключаемых клавиатурах и мышках, контроллерах USB, наушниках и прочем).
  3. Микропроцессорная память, отвечающая за последовательное хранение различных данных, действий и команд, для увеличения скорости обработки информации и непосредственной экономии времени (зачем дважды высчитывать один и тот же пример, если ответ уже хранится в заранее подготовленной ячейке?).
  4. Интерфейсная система – возможности взаимодействия с процессором через системы ввода-вывода.

История развития: первый микропроцессор

Транзисторы, электромеханические реле, сердечники, вакуумные лампы – первые процессоры, старательно выполнявшие несложные арифметические и логические операции, появились еще в далеком 1940 году, но оставались ненадежными, громоздкими, да и неприменимыми в бытовых условиях (основное назначение – государственные разработки, крупные и набирающие обороты перерабатывающие фирмы) – слишком большое выделение энергии, неконтролируемая теплоотдача, низкая скорость обработки данных. Мечтать о домашнем применении подобных чипов и не приходилось, хотя бы из-за нехватки свободного места. Поставить в какой-нибудь из комнат ЭВМ с микропроцессором получилось бы лишь во дворце.

Со временем все изменилось. В 1970 году Эдвард Хофф, представлявший крупнейший отдел разработки компонентов для электронно-вычислительных машин, представил руководителям компании Intel интегральную схему, выполнявшую те же функции, что и чипы ЭВМ, но с маленьким нюансом – плата Эдварда помещалась в руке, обрабатывала 4 бита информации в секунду (конкуренты выдавали мощности в разы серьезнее – до 32 бит одновременно), и стоила в тысячу раз дешевле.

Первые калькуляторы снабжали именно процессором 4004 Эдварда Хоффа, которые появились в продаже в начале 1971 года. С этого момента, как принято считать, и началась эра новых процессоров, изменивших мир.

Дальше история развития микропроцессоров двинулась следующим путем:

  1. 1 апреля 1974 года. Intel вновь шокирует заинтересованную публику – на закрытых прилавках появилась модель 8080 с 6 тысячами транзисторов на крошечной схеме, объем памяти увеличен до 64 килобайт, проблемы с потреблением энергии решены, теплоотдача – практически нулевая. Чуть позже появился чип 8086, заложивший основы разрядности современных компьютеров.
  2. Октябрь 1985 года. В центре внимания снова Intel, с еще более неожиданной новинкой – моделью i 32-битная архитектура, новые возможности по управлению памятью, увеличенные мощности, тактовая частота в 16 МГц и общее быстродействие на уровне 6 Mips – мир и представить не мог, насколько быстро меняются возможности тех допотопных компьютеров, неожиданно получивших возможность работать с 4 Гб оперативной памяти и проводить тысячи арифметических действий всего за несколько секунд. А ведь впереди еще больше открытий!
  3. Осень 1989 года. Микропроцессор i80486DX, уместивший на крошечной плате 1.2 миллиона транзисторов, а еще сопроцессор и кэш-память, позволившая увеличивать текущую работоспособность компьютера путем промежуточного хранения некоторых данных, чисел, команд и действий. Общая производительность увеличилась до 16.5 Mips. Тактовая частота возросла до 16 МГц.
  4. Начало 1991 года. Появление i80486SX – штатное увеличение мощностей, долгие раздумья разработчиков из Intel на счет внедрения появляющихся чипов в ноутбуки и иные портативные устройства. Как результат – разные версии процессоров, рассчитанные под меняющиеся (иногда вычислительные, порой – контролирующие) нужды. Все эксперименты закончились появлением 2-го поколения МП (вроде i486DX2), поддерживающих новую технологию распределения мощностей между двумя разными ядрами центральной системы.
  5. Март 1995 года. Мир впервые знакомится с Intel Pentium, поставки чипов в магазинах для обычных пользователей – не за горами. Мощности увеличены до возможного (по тем годам) предела – 1 млрд. Mips.

Далее появились поставки многоядерных процессоров, затем появился Xeon и Intel Core, а после на мировом рынке загорелась новая звезда – модульные процессоры AMD. С тех пор (а именно с 2007 года) между двумя компаниями и ведется беспрерывная война за внимание пользователей.

На текущий момент хотя бы примерно описать состояние рынка МП невозможно – Intel Core представляет новые архитектуры микропроцессора (Coffee Lake, Skylake, Haswell, Kaby Lake) чуть ли не каждый год, а заодно меняет наименования семейства процессоров (Intel Core i3, i5, i7, i9). AMD старается удивлять низкими ценами и внушительными возможностями разгона. И кто в таком хаосе лидер – до сих пор не разобрать.

Разновидности микропроцессоров

И современные, и давно известные миру МП легко разделить на четыре части:

  1. CISC – универсальная архитектура, появившаяся в 1980-ом году. Поддерживается расширенный список команд, простые операции выполняются достаточно долго, зато проблем со сложными не бывает из-за многозадачности.
  2. RISC – альтернатива первому варианту с усеченной памятью. Каждый процесс при выполнении разбивается на маленькие команды.
  3. VLIW, поддерживающие сразу несколько вычислительных устройств, и выполняющие операции параллельно для обеспечения максимального быстродействия.
  4. MISC – хитрая архитектура, позволяющая укладывать разные команды в одну большую ячейку. В итоге, при одном цикле работы, центральный процессор считывает все записанные команды за раз.

Основные характеристики

К основным характеристикам микропроцессора относятся:

  1. Тактовая частота – определяет общий уровень быстродействия.
  2. Разрядность – отвечает за скорость обработки информации за положенную единицу времени (пожалуй, основной характеристикой микропроцессора и является).
  3. Система команд – спецификация архитектуры чипа в зависимости от типа данных, предлагаемых инструкций, регистров и модулей памяти.
  4. Объем адресуемой памяти.

Особенности российских микропроцессоров

С 1998 года и по сей день в отечественном сегменте разработкой микропроцессоров занимается компания «МЦСТ». Результаты впечатляющие – стабильное производство RISC систем, внедрение серии Эльбрус в применение на военно-оборонительных комплексах, космических станциях и засекреченных базах для передачи данных с максимальным уровнем шифрования. Заслуги компании «МЦСТ» серьезные, хотя многими обывателями подобные «успехи» кажутся смешными, на фоне мировых гигантов вроде Intel и AMD.

Да, достижения еще не те, но и цели совсем разные, верно? Едва ли «Эльбрус» стоит расценивать, как игровой чип, способный запустить все современные развлечения в максимальном качестве – это, в первую очередь, система для сверхбыстрой обработки данных (прежде всего, военного назначения) в полевых и даже экстремальных условиях.

История развития процессоров из России:

  1. 1998 год. Первая модель SPARC с частотой 80 МГц.
  2. 2001 год. Корректировка модели SPARC, увеличение мощностей, снижение уровня потребляемой энергии, работа над третьей версией процессора с частотой в 500 МГц.
  3. 2004 год. Представлен E2K – процессор нового поколения, способный работать практически в любых условиях.
  4. 2005 год. Появление первых образцов «Эльбруса», эксперименты и взгляд в будущее – впереди долгие годы борьбы за мировое лидерство в области современных технологий…

Принцип работы микропроцессора

Что такое микропроцессоры, сегодня знает каждый.

Это одно из самых интересных технологических новшеств в электронике после появления транзистора в 1948 году.

Чудо-устройства не только начали революцию в области цифровой электроники, но и проникли почти во все сферы жизни человека. Они применяются в сложнейших управляющих контроллерах, оборудовании диспетчерского управления, в простых игровых автоматах и даже игрушках.

Что такое микропроцессоры?

Компьютер, большой и не очень, функционально (в упрощенной форме) может быть представлен в виде блок-схемы, состоящей из трех основных частей:

  • Центрального процессорного устройства (ЦПУ), которое выполняет необходимые логические и арифметические операции, используя регистры (память микропроцессора), и контролирует синхронизацию и общую работу всей системы.
  • Устройств ввода-вывода, которые служат для подачи данных в ЦПУ (к ним относятся коммутаторы, аналого-цифровые преобразователи, устройства чтения карт памяти, клавиатура, накопители на жестких дисках и т. д.) и вывода результатов вычислений (светодиоды, дисплеи, цифроаналоговые преобразователи, принтеры, плоттеры, линии связи и т. д.). Так подсистема ввода-вывода позволяет компьютеру общаться с внешним миром. Такие устройства также называются периферийными.
  • Памяти, в которой хранятся команды (программа) и данные. Обычно состоит из ОЗУ (памяти с произвольным доступом) и ПЗУ (постоянной, предназначенной только для чтения).

Микропроцессор является интегральной схемой, предназначенной для работы в качестве ЦПУ микрокомпьютера.

Принцип действия

Назначение микропроцессора заключается в считывании каждой команды из памяти, ее декодировании и выполнении.

ЦПУ обрабатывает данные согласно инструкциям программы в форме логических и арифметических операций. Информация извлекается из памяти или поступает из устройства ввода, и результат обработки сохраняется в памяти или доставляется на соответствующее устройство вывода так, как это указано в командах. Вот что такое микропроцессоры. Для выполнения всех указанных функций у них имеются различные функциональные блоки.

Такая внутренняя или организационная структура ЦПУ, определяющая его работу, называется его архитектурой.

Типичная схема устройства микропроцессора представлена ниже.

Шины

Микрокомпьютер оперирует двоичным кодом. Бинарная информация представлена двоичными цифрами, называемыми битами. Группа битов образует машинное слово (их количество зависит от конкретной реализации). Обычные размеры слова равны 4, 8, 12, 16, 32 и 64 бит. Байт и полубайт представляют собой набор из 8 и 4 бит соответственно.

Шины соединяют различные блоки устройства и позволяют им обмениваться машинными словами. Они выполнены в виде отдельного провода для каждого бита, что позволяет обмениваться всеми разрядами машинного слова одновременно. Обработка информации в ЦПУ также происходит параллельно. Таким образом, шины могут рассматриваться как магистрали передачи данных. Их ширина определяется количеством составляющих их сигнальных линий. По адресной шине ЦПУ передает адрес устройства ввода-вывода или ячейки памяти, к которой он хочет получить доступ. Этот адрес принимается всеми устройствами, подключенными к процессору. Но реагирует на него только то, которому был адресован запрос. Шина данных служит для отправки и приема информации из устройств ввода-вывода и памяти, в т. ч. команд. Очевидно, что она является двунаправленной, а адресная – однонаправленной. Шина управления используется для передачи и приема сигналов управления между микропроцессором и различными элементами системы.

Арифметико-логическое устройство и внутренние регистры

Представляет собой комбинационную сеть, которая выполняет логические и арифметические операции над данными.

В состав микропроцессора обычно входит и ряд регистров. Они используются для временного хранения команд, данных и адресов во время выполнения программы. Например, у микропроцессора Intel 8085 имеется 8-битный аккумулятор (Acc), 6 8-битных регистров общего назначения (B, C, D, E, H и L), 8-разрядный регистр команд (IR), в котором хранится следующая исполняемая инструкция, 16-битный программный счетчик с адресом следующей команды, которую необходимо выбрать из памяти в IR, 16-битный указатель стека, регистр флагов, который сигнализирует о выполнении определенных условий, возникающих во время выполнения логических и арифметических операций, и некоторые другие специальные регистры для внутренних процессов, доступа к которым у программиста нет.

Декодер, блок управления и память

Расшифровывает каждую команду и управляет внешними и внутренними блоками, обеспечивая правильную логическую работу системы.

Для сохранения команд, данных и результатов вычислений требуется наличие полупроводниковых запоминающих устройств. Программа записывается в память, подключенную к микропроцессору через адресную шину и шины данных и управления (подобно устройствам ввода-вывода).

Интерфейс

Если к ЦПУ необходимо подключить одно или несколько устройств ввода-вывода, то возникает необходимость в соответствующем интерфейсе. Он выполняет следующие 4 функции:

  • буферизацию, необходимую для обеспечения совместимости микропроцессора и периферии;
  • декодирование адреса для выбора одного из нескольких подключенных к системе ввода-вывода устройств;
  • декодирование команд, требуемое для выполнения функций, отличных от передачи данных;
  • синхронизацию и управление всеми вышеперечисленными функциями.

Передача информации

Обмен данными, который происходит между периферийным устройством и микрокомпьютером, относятся либо к их программной передаче, либо к прямому доступу к памяти.

В первом случае загруженная программа запрашивает систему ввода-вывода на передачу данных микропроцессору или из него. Как правило, информация поступает в аккумулятор, хотя другие внутренние регистры могут также участвовать. Программная передача обычно используется при пересылке небольшого объема данных относительно медленными устройствами ввода-вывода, например, периферийным умножителем, периферийным АЛУ и т. д. В таких случаях трансфер обычно производится пословно.

Прямой доступ к памяти или захват циклов контролируется периферийным устройством. При этом системой ввода-вывода принудительно задерживает работа микропроцессора, пока пересылка не будет завершена. Поскольку процесс контролируется аппаратно, интерфейс сложнее, чем требуется для программной передачи данных. Используется при необходимости переслать большой блок информации, например, из таких периферийных хранилищ, как гибкие диски и высокоскоростной картридер.

Интерфейсные устройства

Для разработки пользовательских интерфейсов доступно обширное аппаратное обеспечение. К нему относятся мультиплексоры и демультиплексоры, линейные драйверы и приемники, буферы, стабильные и моностабильные мультивибраторы, триггер-защелки, вентильные схемы, сдвиговые регистры и т. д. Есть и более сложные программируемые интерфейсы, функции которых можно изменить командой микропроцессора. Эти интерфейсы могут быть общего или специального назначения.

Языки программирования

Поскольку компьютер может хранить и обрабатывать информацию в двоичной форме, команды для подачи на машину должны быть представлены в двоичном формате. В таком виде программа является машинным языком.

На языке ассемблера команды, включая места хранения, представлены буквенно-цифровыми символами, называемыми мнемоническими. По сравнению с машинным языком их использование значительно облегчает написание программ. Однако если программа написана на таком мнемоническом языке, она должна быть переведена в инструкции, понятные машине, чтобы их можно было хранить и выполнять в микрокомпьютере. В основном одна команда ассемблера транслируется в одну команду машинного языка.

Писать программы на ассемблере очень утомительно и требует много времени. Поэтому широкое распространение получили языки высокого уровня, такие как Fortran, Cobol, Algol, Pascal, которые можно затем перевести на язык машины. В этом случае одному оператору обычно соответствует несколько инструкций машинного языка.

Набор команд микрокомпьютера

Основные характеристики микропроцессора также определяются набором инструкций.

Обычно он состоит из 5 групп:

  1. Группа передачи данных. Данные команды помогают перемещать информацию между регистрами внутри микропроцессора, между памятью и регистром или ячейками памяти.
  2. Арифметическая группа позволяет складывать, вычитать, увеличивать или уменьшать данные в памяти или регистрах (например, сложить содержимое двух регистров ЦПУ).
  3. Логическая группа используется для операций И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ, сравнения, циклического сдвига, дополнения данных в памяти или регистрах (например, чтобы пропустить через схему ИЛИ содержимое двух регистров микропроцессора).
  4. Группа ветвления включает безусловные и условные переходы, вызов подпрограмм и возвращение из них. Условные инструкции служат для того, чтобы определенная операция выполнялась только в случае выполнения определенного условия (например, если требуется перейти к конкретной команде, когда результат последнего вычисления был равен нулю). Они обеспечивают возможность программе самой принимать решения.
  5. Группа стека, ввода-вывода и управления микропроцессором производит передачу данных между ЦПУ и периферией, манипулирует стеком и изменяет внутренние флаги управления. Эти команды позволяют программисту остановить устройство, перевести его в нерабочее состояние, включить и отключить систему прерываний и т. д.

Инструкции, которые хранятся вместе с данными в памяти, могут иметь длину в 1 или несколько байт. Длинные команды хранятся в последовательных ячейках памяти, причем адрес первого байта всегда используется как адрес всей команды. Кроме того, первый байт всегда является кодом операции.

 

Память микропроцессора

Знакомство с подробностями, касающимися компьютерной памяти и ее иерархии помогут лучше понять содержание этого раздела.

Выше мы писали о шинах (адресной и данных), а также о каналах чтения (RD) и записи (WR). Эти шины и каналы соединены с памятью: оперативной (ОЗУ, RAM) и постоянным запоминающим устройством (ПЗУ, ROM). В нашем примере рассматривается микропроцессор, ширина каждой из шин которого составляет 8 бит. Это значит, что он способен выполнять адресацию 256 байт (два в восьмой степени). В один момент времени он может считывать из памяти или записывать в нее 8 бит данных. Предположим, что этот простой микропроцессор располагает 128 байтами ПЗУ (начиная с адреса 0) или 128 байтами оперативной памяти (начиная с адреса 128).

Модуль постоянной памяти содержит определенный предварительно установленный постоянный набор байт. Адресная шина запрашивает у ПЗУ определенный байт, который следует передать шине данных. Когда канал чтения (RD) меняет свое состояние, модуль ПЗУ предоставляет запрошенный байт шине данных. То есть в данном случае возможно только чтение данных.

Из оперативной памяти процессор может не только считывать информацию, он способен также записывать в нее данные. В зависимости от того, чтение или запись осуществляется, сигнал поступает либо через канал чтения (RD), либо через канал записи (WR). К сожалению, оперативная память энергозависима. При отключении питания она теряет все размещенные в ней данные. По этой причине компьютеру необходимо энергонезависимое постоянное запоминающее устройство.

Более того, теоретически компьютер может обойтись и вовсе без оперативной памяти. Многие микроконтроллеры позволяют размещать необходимые байты данных непосредственно в чип процессора. Но без ПЗУ обойтись невозможно. В персональных компьютерах ПЗУ называется базовой системой ввода и вывода (БСВВ, BIOS, Basic Input/Output System). Свою работу при запуске микропроцессор начинает с выполнения команд, найденных им в BIOS.

Команды BIOS выполняют тестирование аппаратного обеспечения компьютера, а затем они обращаются к жесткому диску и выбирают загрузочный сектор. Этот загрузочный сектор является отдельной небольшой программой, которую BIOS сначала считывает с диска, а затем размещает в оперативной памяти. После этого микропроцессор начинает выполнять команды расположенного в ОЗУ загрузочного сектора. Программа загрузочного сектора сообщает микропроцессору о том, какие данные (предназначенные для последующего выполнения процессором) следует дополнительно переместить с жесткого диска в оперативную память. Именно так происходит процесс загрузки процессором операционной системы.

Инструкции микропроцессора

Даже простейший микропроцессор способен обрабатывать достаточно большой набор инструкций. Набор инструкций является своего рода шаблоном. Каждая из этих загружаемых в регистр команд инструкций имеет свое значение. Людям непросто запомнить последовательность битов, поэтому каждая инструкция описывается в виде короткого слова, каждое из которых отражает определенную команду. Эти слова составляют язык ассемблера процессора. Ассемблер переводит эти слова на понятный процессору язык двоичных кодов.

Приведем список слов-команд языка ассемблера для условного простого процессора, который мы рассматриваем в качестве примера к нашему повествованию:

  • LOADA mem — Загрузить (load) регистр A из некоторого адреса памяти
  • LOADB mem — Загрузить (load) регистр B из некоторого адреса памяти
  • CONB con — Загрузить постоянное значение (constant value) в регистр B
  • SAVEB mem — Сохранить (save) значение регистра B в памяти по определенному адресу
  • SAVEC mem — Сохранить (save) значение регистра C в памяти по определенному адресу
  • ADD — Сложить (add) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
  • SUB — Вычесть (subtract) значение регистра B из значения регистра A. Результат действия сохранить в регистре C
  • MUL — Перемножить (multiply) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C
  • DIV — Разделить (divide) значение регистра A на значение регистра B. Результат действия сохранить в регистре C
  • COM — Сравнить (compare) значения регистров A и B. Результат передать в тестовый регистр
  • JUMP addr — Перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JEQ addr — Если выполняется условие равенства значений двух регистров, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JNEQ addr — Если условие равенства значений двух регистров не выполняется, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JG addr — Если значение больше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JGE addr — Если значение больше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JL addr — Если значение меньше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • JLE addr — Если значение меньше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу
  • STOP — Остановить (stop) выполнение

Английские слова, обозначающие выполняемые действия, в скобках приведены неспроста. Так мы можем видеть, что язык ассемблера (как и многие другие языки программирования) основан на английском языке, то есть на привычном средстве общения тех людей, которые создавали цифровые технологии.

Работа микропроцессора на примере вычисления факториала

Рассмотрим работу микропроцессора на конкретном примере выполнения им простой программы, которая вычисляет факториал от числа «5». Сначала решим эту задачку «в тетради»:

факториал от 5 = 5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120

На языке программирования C этот фрагмент кода, выполняющего данное вычисление, будет выглядеть следующим образом:

a=1;f=1;while (a < = 5){ f = f * a; a = a + 1;}

Когда эта программа завершит свою работу, переменная f будет содержать значение факториала от пяти.

Компилятор C транслирует (то есть переводит) этот код в набор инструкций языка ассемблера. В рассматриваемом нами процессоре оперативная память начинается с адреса 128, а постоянная память (которая содержит язык ассемблера) начинается с адреса 0. Следовательно, на языке данного процессора эта программа будет выглядеть так:

// Предположим, что a по адресу 128// Предположим, что F по адресу 1290 CONB 1 // a=1;1 SAVEB 1282 CONB 1 // f=1;3 SAVEB 1294 LOADA 128 // if a > 5 the jump to 175 CONB 56 COM7 JG 178 LOADA 129 // f=f*a;9 LOADB 12810 MUL11 SAVEC 12912 LOADA 128 // a=a+1;13 CONB 114 ADD15 SAVEC 12816 JUMP 4 // loop back to if17 STOP

Теперь возникает следующий вопрос: а как же все эти команды выглядят в постоянной памяти? Каждая из этих инструкций должна быть представлена в виде двоичного числа. Чтобы упростить понимание материала, предположим, что каждая из команд языка ассемблера рассматриваемого нами процессора имеет уникальный номер:

  • LOADA — 1
  • LOADB — 2
  • CONB — 3
  • SAVEB — 4
  • SAVEC mem — 5
  • ADD — 6
  • SUB — 7
  • MUL — 8
  • DIV — 9
  • COM — 10
  • JUMP addr — 11
  • JEQ addr — 12
  • JNEQ addr — 13
  • JG addr — 14
  • JGE addr — 15
  • JL addr — 16
  • JLE addr — 17
  • STOP — 18

Будем считать эти порядковые номера кодами машинных команд (opcodes). Их еще называют кодами операций. При таком допущении, наша небольшая программа в постоянной памяти будет представлена в таком виде:

// Предположим, что a по адресу 128// Предположим, что F по адресу 129Addr машинная команда/значение0 3 // CONB 11 12 4 // SAVEB 1283 1284 3 // CONB 15 16 4 // SAVEB 1297 1298 1 // LOADA 1289 12810 3 // CONB 511 512 10 // COM13 14 // JG 1714 3115 1 // LOADA 12916 12917 2 // LOADB 12818 12819 8 // MUL20 5 // SAVEC 12921 12922 1 // LOADA 12823 12824 3 // CONB 125 126 6 // ADD27 5 // SAVEC 12828 12829 11 // JUMP 430 831 18 // STOP

Как вы заметили, семь строчек кода на языке C были преобразованы в 18 строчек на языке ассемблера. Они заняли в ПЗУ 32 байта.

Декодирование

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Микропроцессор — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Микропроце́ссор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы[1] или комплекта из нескольких специализированных микросхем[2] (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели). Первые микропроцессоры появились в 1970-х годах и применялись в электронных калькуляторах, в них использовалась двоично-десятичная арифметика 4-битных слов. Вскоре их стали встраивать и в другие устройства, например, терминалы, принтеры и различную автоматику. Доступные 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресацией позволили в середине 1970-х годов создать первые бытовые микрокомпьютеры.

Долгое время центральные процессоры создавались из отдельных микросхем малой и средней интеграции, содержащих от нескольких единиц до нескольких сотен транзисторов. Разместив целый процессор на одном чипе сверхбольшой интеграции, удалось значительно снизить его стоимость. Несмотря на скромное начало, непрерывное увеличение сложности микропроцессоров привело к почти полному устареванию других форм компьютеров. В настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всём, от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств до огромных мейнфреймов и суперкомпьютеров.

В космических программах полётов к Луне «Аполлон» в 1960-х и 1970-х годах все бортовые вычисления для первичного наведения, навигации и управления были предоставлены небольшими специализированными процессорами бортового компьютера Аполлон[3].

С начала 1970-х годов широко известно, что рост мощности микропроцессоров следует закону Мура, который утверждает, что число транзисторов на интегральной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев. В конце 1990-х главным препятствием для разработки новых микропроцессоров стало тепловыделение (TDP)[4].

Некоторые авторы относят к микропроцессорам только устройства, реализованные строго на одной микросхеме. Такое определение расходится как с академическими источниками[5], так и с коммерческой практикой (например, варианты микропроцессоров Intel и AMD в корпусах типа SECC и подобных, такие, как Pentium II, были реализованы на нескольких микросхемах).

В настоящее время, в связи с очень незначительным распространением процессоров, не являющихся микропроцессорами, в бытовой лексике термины «микропроцессор» и «процессор» практически равнозначны.

Первые микропроцессоры

Почти одновременно появились три проекта по созданию микропроцессора: Central Air Data Computer (CADC) в Garrett AiResearch (1968), TMS 1000 в Texas Instruments (1971) и 4004 в Intel (1971).

См. также

Примечания


Микропроцессор — это… Что такое Микропроцессор?

Микропроце́ссор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы[1] или комплекта из нескольких специализированных микросхем[2] (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели). Первые микропроцессоры появились в 1970-х годах и применялись в электронных калькуляторах, в них использовалась двоично-десятичная арифметика 4-битных слов. Вскоре их стали встраивать и в другие устройства, например терминалы, принтеры и различную автоматику. Доступные 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресацией позволили в середине 1970-х годах создать первые бытовые микрокомпьютеры.

Долгое время центральные процессоры создавались из отдельных микросхем малой и средней интеграции, содержащих от нескольких единиц до нескольких сотен транзисторов. Разместив целый процессор на одном чипе сверxбольшой интеграции, удалось значительно снизить его стоимость. Несмотря на скромное начало, непрерывное увеличение сложности микропроцессоров привело к почти полному устареванию других форм компьютеров. В настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всём, от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств до огромных мейнфреймов и суперкомпьютеров.

С начала 1970-х годов широко известно, что рост мощности микропроцессоров следует закону Мура, который утверждает, что число транзисторов на интегральной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев. В конце 1990-х главным препятствием для разработки новых микропроцессоров стало тепловыделение (TDP).[3]

Некоторые авторы относят к микропроцессорам только устройства, реализованные строго на одной микросхеме. Такое определение расходится как с академическими источниками[4], так и с коммерческой практикой (например, варианты микропроцессоров Intel и AMD в корпусах типа SECC и подобных, такие как Pentium II, были реализованы на нескольких микросхемах).

В настоящее время, в связи с очень незначительным распространением процессоров, не являющихся микропроцессорами, в бытовой лексике термины «микропроцессор» и «процессор» практически равнозначны.

Первые микропроцессоры

Почти одновременно появились три проекта по созданию микропроцессора: Central Air Data Computer (CADC) в Garrett AiResearch (1968), TMS 1000 в Texas Instruments (1971) и 4004 в Intel (1971).

См. также

Примечания

микропроцессор — это… Что такое микропроцессор?

МИКРОПРОЦЕ́ССОР -а; м. [англ. microprocessor] Программно управляемое устройство для обработки информации, выполненное на больших интегральных схемах и применяемое в компьютерах и автоматизированных устройствах.

Микропроце́ссорный, -ая, -ое. М-ые операции. М-ое управление.

* * *

микропроце́ссор

самостоятельное или входящее в состав микроЭВМ устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных схем. Микропроцессор и устройства вычислительной техники и автоматики, выполненные на их основе, — микропроцессорная техника — применяются в системах автоматического управления технологическим и контрольно-испытательным оборудованием, в космических аппаратах, транспортных средствах, бытовых приборах и т. д.

* * *

МИКРОПРОЦЕССОР

МИКРОПРОЦЕССОР (CPU, Central Processor Unit — ЦПУ, или центральное процессорное устройство), электронная схема, устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных схем. В микрокомпьютере микропроцессор выполняет функции управления и обрабатывает большую часть информации.
Микропроцессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему, возможности которой определяются размером кристалла кремния и количеством реализованных в нем транзисторов. Базовыми элементами микропроцессора являются транзисторные переключатели, на основе которых строятся регистры, представляющие собой совокупность устройств, имеющих два устойчивых состояния и предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. Количество и разрядность регистров во многом определяют архитектуру микропроцессора. Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, оперативной памятью и портами ввода и вывода).
Микропроцессор представляет собой одно из самых сложных электронных устройств, процесс изготовления которого состоит из сотен технологических операций. В производстве микропроцессоров используется метод фотолитографии. При помощи масок (шаблонов) в микропроцессоре слой за слоем создаются структуры с определенными характеристиками. Такие структуры создаются из фоторезиста — вещества, растворяющегося под воздействием ультрафиолетовых лучей. Фоторезист наносится на поверхность кремниевой подложки и облучается ультрафиолетом через маску. В раствор фоторезиста вводят примеси, обеспечивающие после затвердения необходимую электрическую проводимость. Если нужно сформировать непроводящий электричество участок, то на его поверхность наращивается слой оксида кремния.
Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту, которая измеряется в мегагерцах. Чем выше тактовая частота, тем выше производительность компьютера. Тактовая частота указывает скорость выполнения элементарных операций внутри микропроцессора.
История развития центральных микропроцессоров
Первым микропроцессором, объявленным как «компьютер-на-чипе», был 4-битный Intel 4004 (ноябрь 1971). Компания Intel хотела подчеркнуть, что в одном микропроцессоре реализуются все возможности компьютеров того времени. Это было не совсем верно, поскольку фактически он был реализован на четырех микросхемах. Процессор был изготовлен Intel по заказу японской компании Busicom и использовался для управления настольными калькуляторами этой фирмы. Он был однопрограммным и не универсальным, мог начать исполнение следующей программы только после завершения предыдущей, и был предназначен исключительно для вычислительных работ, то есть не мог применяться, например, для обработки текстов.
Развитием микропроцессоров стало появление универсальных многопрограммных 8-битных Intel 8080 (апрель 1974) и MOS Technology 6502 (сентябрь 1975). Они оба использовались в производстве настольных компьютеров и игровых консолей: первый — Altair 8800, второй — Nintendo NES, Atari 2600, Apple I, Apple II, Commodore 64, Агат и др. В отличие от 4004, эти микропроцессоры использовали раздельные шины адреса и данных, а инструкции и данные хранились в одних и тех же областях памяти. Таким образом, это были первые CPU, работающие на основе архитектуры фон Неймана и выполняющие функции арифметико-логического устройства и устройства управления.
Следующим этапом в эволюции центральных процессоров стал выпуск 16-битных Intel 8086/88 (июнь 1978), которые положили начало архитектуре x86 и массовому распространению персональных компьютеров. В 1980 был представлен первый процессор с RISC-архитектурой — IBM 801. По сравнению с CISC-процессорами того времени он имел меньшие размеры и число инструкций, был проще и дешевле в изготовлении. В 1984 начали изготовляться первые процессоры VLIW-архитектуры, однако они не получили большого распространения.
Дальнейшее развитие процессоров привело к переходу на 32-разрядные модели, позволявшие эффективнее работать с большими числами и адресовать ранее недоступные объемы памяти. В октябре 1985 вышел первый 32-битный x86-процессор, Intel 80386, а в 1986 появились три новые 32-битные RISC-архитектуры — MIPS, SPARC и PA-RISC, представленные компаниями MIPS Technologies, Sun и HP соответственно. Следующим шагом было появление 64-битных процессоров MIPS R4000 (февраль 1991) и DEC Alpha 21064 (ноябрь 1992). Alpha был также первым CPU, поддерживающим суперскалярность, то есть возможность исполнять более одной инструкции за такт. Первыми суперскалярными процессорами других архитектур стали Intel Pentium (март 1993), MIPS R8000 (июнь 1994), PA-RISC 7100 (июнь 1994) и 64-битный UltraSPARC (сентябрь 1994).
Следующей вехой в истории центральных процессоров стало динамическое исполнение команд. Заключалась оно в том, что процессор исполнял команды не в том порядке, в котором он их считывал из памяти, а в том, который был более эффективен по времени выполнения, и при этом, конечно же, не нарушал семантики программы. Эта технология была реализована во всех процессорах соответствующих архитектур, начиная с MIPS R10000 (октябрь 1994), PA-RISC 8000 (март 1995), Intel Pentium Pro (ноябрь 1995), Alpha 21264 (декабрь 1998).
После этого появились первые популярные и коммерчески успешные процессоры с архитектурой VLIW — Intel Itanium (октябрь 1999) и Transmeta Crusoe (январь 2000). Затем, с некоторым опозданием от других платформ вышли 64-битные расширения для x86, реализованные в процессорах AMD Opteron (технология AMD64, апрель 2003) и Pentium 4 (EM64T, август 2004).
В начале нового тысячелетия развитие центральных процессоров пошло в сторону увеличения количества ядер в одном процессорном корпусе. Практически одновременно вышли двухъядерные CPU всех популярных архитектур: PA-RISC 8800 (февраль 2004), UltraSPARC-IV (февраль 2004), IBM PowerPC G4 (август 2004), MIPS BCM1255 (октябрь 2004), AMD Athlon X2 (апрель 2005), Pentium D (май 2005), Itanium 2 (октябрь 2005), Intel Core 2 Duo (июль 2006). В ноябре 2005 вышел первый трехъядерный процессор Xenon/Waternoose для игровой консоли X-Box 360, а в ноябре 2006 ожидается появление семиядерного Cell в составе Sony PlayStation 3.

Энциклопедический словарь. 2009.

Микропроцессорная техника: характеристики, функции и применение

За несколько десятков лет развития микропроцессор проделал путь от объекта применения в узкоспециализированных областях к товару широкой эксплуатации. Сегодня в том или ином виде данные устройства вместе с контроллерами применяются практически в любой сфере производства. В широком смысле микропроцессорная техника обеспечивает процессы управления и автоматизации, но в рамках этого направления формируются и утверждаются все новые области развития высокотехнологичных устройств вплоть до появления признаков искусственного интеллекта.

Общее представление о микропроцессорах

Для управления или контроля определенными процессами требуется соответствующая поддержка программного обеспечения на реальной технической базе. В этом качестве выступает одна или набор микросхем на базовых матричных кристаллах. Для практических нужд почти всегда используются модули chip-set, то есть наборы микросхем, которые связаны общей системой питания, сигналами, форматами информационной обработки и так далее. В научной интерпретации, как отмечается в теоретических основах микропроцессорной техники, такие устройства представляют собой место (основная память) для хранения операндов и команд в закодированном виде. Непосредственное управление реализуется на более высоком уровне, но также через интегральные схемы микропроцессора. Для этого используют контроллеры.

Говорить о контроллерах можно только применительно к микрокомпьютерам или микро-ЭВМ, состоящим из микропроцессоров. Собственно, это и есть рабочая техника, в принципе способная выполнять те или иные операции или команды в рамках заданного алгоритма. Как отмечается в учебнике по микропроцессорной технике Ливенцова С. Н., под микроконтроллером следует понимать компьютер, ориентированный на выполнение логических операций в рамках управления оборудованием. Он базируется на тех же схемах, но с ограниченным вычислительным ресурсом. Задача микроконтроллера в большей степени заключается в реализации ответственных, но простых процедур без сложных схем. Впрочем, технологически примитивными такие устройства тоже нельзя назвать, так как на современных производствах микроконтроллеры могут одновременно управлять сотнями и даже тысячами операций одновременно, учитывая и косвенные параметры их выполнения. В целом логическая структура микроконтроллера проектируется с расчетом на мощность, универсальность и надежность.

Архитектура

Разработчики микропроцессорных устройств имеют дело с набором функциональных компонентов, которые в итоге образуют единый рабочий комплекс. Даже простая модель микрокомпьютера предусматривает использование целого ряда элементов, обеспечивающих выполнение поставленных перед машиной задач. Способ взаимодействия между этими компонентами, а также средства коммуникации с входными и выходными сигналами во многом и определяют архитектуру микропроцессора. Что касается самого понятия архитектуры, то оно выражается разными определениями. Это может быть набор технико-физических и эксплуатационных параметров, среди которых число регистров памяти, разрядность, быстродействие и так далее. Но, в соответствии с теоретическими основами микропроцессорной техники, под архитектурой в данном случае следует понимать логическую организацию функций, реализуемых в процессе взаимосвязанной работы аппаратной и программной начинки. Более конкретно архитектура микропроцессора отражает следующее:

  • Совокупность физических элементов, которые образуют микропроцессор, а также связи между его функциональными блоками.
  • Форматы и способы предоставления информации.
  • Каналы обращения к доступным для использования модулям структуры с параметрами их дальнейшего применения.
  • Операции, которые может выполнять конкретный микропроцессор.
  • Характеристики управляющих команд, которые вырабатывает или принимает устройство.
  • Реакции на сигналы извне.

Внешние интерфейсы

Микропроцессор крайне редко рассматривается как изолированная система для выполнения односложных команд в статичном формате. Встречаются устройства, обрабатывающие один сигнал по заданной схеме, но чаще всего микропроцессорная техника работает с большим количеством коммуникационных связей от источников, которые и сами не являются линейными в плане обрабатываемых команд. Для организации взаимодействия со сторонней аппаратурой и источниками данных предусматриваются специальные форматы соединения – интерфейсы. Но для начала следует определить, с чем именно выполняется коммуникация. Как правило, в этом качестве выступают управляемые устройства, то есть на них от микропроцессора подается команда, а в режиме обратной связи могут поступать данные о статусе исполнительного органа.

Что касается внешних интерфейсов, то они служат не просто для возможности взаимодействия определенного исполнительного механизма, но и для его интеграции в структуру управляющего комплекса. Применительно к сложной компьютерной и микропроцессорной технике это может быть целая совокупность аппаратно-программных средств, тесно связанных с контроллером. Более того, микроконтроллеры зачастую и объединяют в себе функции обработки и подачи команд с задачами обеспечения коммуникации между микропроцессорами и внешними устройствами.

Характеристики микропроцессора

К основным характеристикам микропроцессорных устройств можно отнести следующие:

  • Тактовая частота. Временной период, в течение которого происходит переключение компонентов вычислительной машины.
  • Разрядность. Число максимально возможных для одновременной обработки двоичных разрядов.
  • Архитектура. Конфигурация размещения и способы взаимодействия рабочих элементов микропроцессора.

О характере эксплуатационного процесса можно судить и по критериям регулярности с магистральностью. В первом случае речь идет о том, насколько в конкретной единице вычислительной микропроцессорной техники реализуем принцип закономерной повторяемости. Иными словами, каков условный процент дублирующих друг друга связей и рабочих элементов. Регулярность может применяться и в целом к структуре организации схемы в рамках одной системы обработки данных.

Магистральность же указывает на способ обмена данными между внутренними модулями системы, затрагивая также характер упорядочения связей. Объединяя принципы магистральности и регулярности, можно выработать стратегию создания унифицированных под определенный стандарт микропроцессоров. Такой подход имеет преимущество в виде облегчения коммуникационной организации на разных уровнях в плане взаимодействия через интерфейсы. С другой стороны, стандартизация не позволяет расширять возможности системы и повышать ее устойчивость перед внешними нагрузками.

Память в микропроцессорной технике

Хранение информации организуется с помощью специальных запоминающих устройств, выполненных из полупроводников. Это касается внутренней памяти, но также могут применяться внешние оптические и магнитные носители. Также элементы хранения данных на основе полупроводниковых материалов можно представить в качестве интегральных схем, которые включаются в состав микропроцессора. Такие ячейки памяти используются не только для хранения программ, но и для обслуживания памяти центрального процессора с контроллерами.

Если глубже рассматривать структурную основу запоминающих устройств, то на первый план выйдут схемы из металла, диэлектрика и полупроводника из кремния. В качестве диэлектриков используются компоненты из металла, оксида и полупроводника. Уровень интеграции запоминающего устройства определяется целевыми задачами и характеристиками аппаратной части. В цифровой микропроцессорной технике с обеспечением функции видеопамяти к универсальным требованиям надежной интеграции и соответствия электротехническим параметрам также добавляется помехоустойчивость, стабильность работы, быстродействие и так далее. Оптимальным решением с точки зрения критериев быстродействия и универсальности по интеграции являются биполярные цифровые микросхемы, которые в зависимости от текущих задач могут также использоваться в качестве триггера, процессора или инвертора.

Функции

Спектр функций в значительной степени основывается на задачах, которые микропроцессор будет решать в рамках того или иного технологического процесса. Универсальный набор функций в обобщенном варианте можно представить так:

  • Чтение данных.
  • Обработка данных.
  • Обмен информацией с внутренней памятью, модулями или внешними подключенными устройствами.
  • Запись данных.
  • Ввод и вывод данных.

Значение каждой из вышеназванных операций определяется контекстом общей системы, в которой используется устройство. К примеру, в рамках арифметическо-логических операций электронная и микропроцессорная техника в результате обработки входной информации может представлять новую информацию, которая, в свою очередь, станет поводом для того или иного командного сигнала. Также стоит отметить внутренний функционал, за счет которого регулируются рабочие параметры самого процессора, контроллера, питания, исполнительных устройств и прочих модулей, работающих в рамках управляющей системы.

Производители устройств

У истоков создания микропроцессорных устройств стояли инженеры компании Intel, выпустившие целую линейку 8-разрядных микроконтроллеров на платформе MCS-51, которые в некоторых сферах применяются и сегодня. Также многие другие изготовители использовали семейство x51 для собственных проектов уже в рамках развития новых поколений электроники и микропроцессорной техники, в числе представителей которой значатся и отечественные разработки наподобие однокристальной ЭВМ К1816ВЕ51.

Выйдя в сегмент более сложных процессоров, фирма Intel уступила место микроконтроллеров другим компаниям, в числе которых оказались Analog Device и Atmel. Принципиально новый взгляд на архитектуру микропроцессоров предлагают фирмы Zilog, Microchip, NEC и др. На сегодняшний день в контексте развития микропроцессорной техники можно рассматривать линейки x51, AVR и PIC как наиболее успешные. Если же говорить о тенденциях разработки, то в наши дни на первое место выходят требования к расширению спектра задач внутреннего управления, компактности и низкому энергопотреблению. Иными словами, микроконтроллеры становятся меньше и рациональнее с точки зрения обслуживания, но при этом наращивают мощностный потенциал.

Обслуживание техники на базе микропроцессора

В соответствии с нормативными положениями, микропроцессорные системы обслуживаются бригадами рабочих во главе с электромехаником. Среди основных задач техобслуживания в данной сфере можно назвать следующие:

  • Фиксация сбоев в процессе работы системы и их анализ с определением причин нарушения.
  • Предупреждение отказов устройства и его компонентов за счет назначенного регламентного обслуживания.
  • Устранение отказов устройства путем ремонта поврежденных элементов или их замены на исправные аналогичные детали.
  • Производство своевременного ремонта компонентов системы.

Непосредственно обслуживание микропроцессорной техники может быть комплексным или мелкооперационным. В первом случае объединяется перечень технических операций независимо от их трудоемкости и уровня сложности. При мелкооперационном подходе акцент делается на индивидуализации каждой операции, то есть отдельные ремонтные или обслуживающие действия производятся в изолированном с точки зрения организации формате в соответствии с технологической картой. Недостатки данного метода связаны с высокими затратами на рабочий процесс, что в рамках масштабной системы может быть экономически неоправданным. С другой стороны, мелкооперационное обслуживание повышает качество технической поддержки аппаратуры, минимизируя риски ее дальнейшего выхода из строя вместе с отдельными компонентами.

Применение микропроцессорной техники

Перед широким внедрением микропроцессоров в разных сферах промышленности, бытового и народного хозяйства стоит все меньше барьеров. Это вновь обуславливается оптимизацией данных устройств, их удешевлением и ростом потребности в элементах автоматизации. К областям наиболее распространенного использования таких устройств можно отнести:

  • Промышленность. Микропроцессоры используются в управлении рабочими операциями, координации машин, систем контроля и сбора производственных показателей.
  • Торговля. В данной сфере эксплуатация микропроцессорной техники связана не только с вычислительными операциями, но и с обслуживанием логистических моделей при управлении товарами, запасами, а также информационными потоками.
  • Системы безопасности. Электроника в современных комплексах охраны и сигнализации задает высокие требования к автоматизации и интеллектуальному контролю, что и позволяют обеспечивать микропроцессоры новых поколений.
  • Связь. Разумеется, и коммуникационные технологии не могут обходиться без программируемых контролеров, обслуживающих мультиплексоры, дистанционные терминалы и схемы коммутации.

Несколько слов в заключение

Широкая аудитория потребителей не в полной мере может представить себе даже сегодняшние возможности микропроцессорной техники, но производители не стоят на месте и уже сейчас продумывают перспективные направления развития данной продукции. Например, все еще исправно поддерживается правило компьютерной индустрии, согласно которому каждые два года в схемах процессоров будет уменьшаться количество транзисторов. Но не только конструкционной оптимизацией могут похвастаться современные микропроцессоры. Специалисты также прогнозируют множество инноваций в части организации новой схемотехники, которая облегчит технологический подход к разработке процессоров и снизит их базовую стоимость.

Классификация микропроцессоров — Студопедия

Микропроцессор (МП) — это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов.

Рис.13 Классификация микропроцессоров

1. По числу БИС:

Однокристальные. Весь микропроцессор размещен на одном кристалле в одной микросхеме (chip).

Многокристальные (multi-chip). В этом случае различные блоки МП размещены на разных кристаллах. Тем самым можно повысить выход годных изделий, повышается тестируемость и ремонтопригодность МП.

2. По назначению:

Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

— Среди, специализированных микропроцессоров, можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных.


Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных и к определению их подобия. Конволюция дает возможность в реальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума.

3. По виду обрабатываемых сигналов:

Цифровые – т.е. работающие с числовыми данными.

Аналоговые – предназначены для обработки аналоговых сигналов и имеющие в качестве входных и выходных данных аналоговые сигналы. По сути, все современные аналоговые МП являются цифровыми сигнальными МП, имеющими на входе встроенные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а на выходе – встроенные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).


4. По количеству выполняемых программ:

Однопрограммные (однозадачные) – предназначены для выполнения только одной задачи. Таковыми являются все микроконтроллеры и часть специализированных МП. Их можно разделить еще на две группы:

Не загружаемые МП, единственная программа которых записана в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) МП. Так делается, например в микроконтроллерах.

— Загружаемые МП, у которых основная программа может загружаться из внешних устройств через интерфейсы . Таким внешним устройством может быть и дисковод, и другой МП , и специальное ПЗУ .

Много- или мультипрограммные микропроцессоры одновременно выполняют несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации. Здесь тоже есть две разновидности МП:

По типу параллелизма операндов:

Скалярные МП, где операнды инструкций являются скалярами, т.е. один операнд – это одно число.

Векторные МП, где операндом является вектор, т.е. набор чисел. Это, как правило, математические МП предназначенные для векторных или матричных операций.

МП с набором инструкций типа SIMD (Single Instruction Multiple Data: одна инструкция – много данных). Конечно, можно было бы считать их векторными МП, но в инструкциях типа SIMD операнды представляют собой наборы чисел жестко фиксированного размера, которые размещаются в специальных регистрах, а в векторных МП, размер векторных операндов может быть различным.

Примечание. В настоящее время, практически все фирмы-изготовители универсальных МП, имеют в своих изделиях SIMD технологии, это: MMX (Intel), AltiVec (PowerPC), MDMX (MIPS), Max-2 (HP), VIS (SPARC), MVI (Alpha) и др. Причем, часто такие технологии называют SWAR (SIMD Within A Register – SIMD внутри регистра).

Их присутствие обусловлено реализацией таких приложений, как:

— Упаковка/распаковка звука, видео и изображений

— Протоколы передачи данных

— Шифрование

— Построение реалистических изображений в реальном времени

— Распознавание речи и образов

— Нейронные сети

По типу параллелизма работы МП:

Суперскалярные МП – рассматривают последовательный код программы, ищут инструкции, которые можно выполнить параллельно и выполняют их в параллельно работающих функциональных устройствах.

Мультискаляные МП – получают от компилятора программу уже разбитую на множество связанных друг с другом задач, которые МП исполняет на параллельных процессорных устройствах, соблюдая зависимости между задачами.

— VLIW МП – являются неким промежуточным звеном между суперскаляными и мультискалярными МП (но ближе к первым). Командное слово типа VLIW формируется компилятором и содержит не одну, а несколько инструкций, которые могут (и должны) выполняться одновременно.

5. По характеру временной организации работы:

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.

6. По объему набора инструкций:

— CISC – Complete Instruction Set Computer – процессоры с полным набором инструкций . С одной стороны широкие возможности программирования, но с другой стороны, система команд не простая, что усложняет обработку инструкций и препятствует увеличению частоты МП.

RISC — Reduced Instruction Set Computer – процессоры с сокращенным набором инструкций . Простая система коротких инструкций позволяет быстро декодировать и выполнять их за минимальное время (в пределе за 1 такт).

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Микропроцессор 80486, своего рода процессор 1990-х годов TMS1100 от Texas Instruments вышел в 1974 году и использовался во многих приложениях, таких как дверные звонки или переключатели света.

Микропроцессор — это электронный компонент, который используется компьютером для выполнения своей работы. Это центральный процессор на одной интегральной микросхеме, содержащий миллионы очень маленьких компонентов, включая транзисторы, резисторы и диоды, которые работают вместе.Некоторым микропроцессорам 20 века требовалось несколько микросхем. Микропроцессоры помогают делать все, от управления лифтами до поиска в Интернете. Все, что делает компьютер, описывается инструкциями компьютерных программ, и микропроцессоры выполняют эти инструкции много миллионов раз в секунду. [1]

Микропроцессоры были изобретены в 1970-х годах для использования во встроенных системах. Большинство из них все еще используется в таких вещах, как мобильные телефоны, автомобили, военное оружие и бытовая техника.Некоторые микропроцессоры представляют собой микроконтроллеры, настолько маленькие и недорогие, что они используются для управления очень простыми продуктами, такими как фонарики и поздравительные открытки, которые воспроизводят музыку при открытии. В персональных компьютерах используется несколько особо мощных микропроцессоров.

Как и другие центральные процессоры, микропроцессоры используют три этапа, обычно называемые выборкой, декодированием и выполнением. На этапе выборки инструкция копируется из памяти компьютера в микропроцессор. На этапе декодирования микропроцессор определяет, для какой операции предназначена инструкция.На шаге Execute выполняется эта операция. На разных компьютерах могут быть разные наборы команд.

  • Транзисторы в микропроцессоре могут иметь ширину менее одного микрометра — одну миллионную метра. Для сравнения, один волос может иметь ширину более 100 микрон.
  • Транзисторы в основном МОП-транзисторы
  • Микропроцессоры изготовлены из кремния, кварца, металлов и других химикатов.
  • На изготовление микропроцессора уходит около 2 месяцев.
  • Микропроцессоры классифицируются по размеру их шины данных или шины адреса. Они также подразделяются на типы CISC и RISC.
  • 1823 Барон Йенс Якоб Берцелиус обнаруживает кремний (Si), который сегодня является основным компонентом электроники.
  • 1903 Никола Тесла патентует электрические логические схемы, называемые «воротами» или «переключателями».
  • 1947 Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли изобретают первый транзистор в лабораториях Белла 23 декабря 1947 года.
  • 1956 Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли получают Нобелевскую премию по физике за свои работы над транзистором.
  • 1958 Роберт Нойс и Джек Килби разработали первые интегральные схемы.
  • 1960 IBM разрабатывает первое автоматическое предприятие по массовому производству транзисторов в Нью-Йорке.
  • 1971 Intel 4004, первый коммерчески доступный микропроцессор.
.Микропроцессор

(MPU) — WikiChip

Микропроцессор ( мкП ) или микропроцессор ( MPU ) — это устройство, которое реализует основные элементы компьютерной системы на одной интегральной схеме или в виде нескольких интегральных схем, работающих как единое целое. , предназначенный для обработки цифровых данных.

Современные микропроцессоры обычно включают в себя функции часов, центрального процессора (ЦП), арифметико-логического блока (ALU), блока с плавающей запятой (FPU), блока управления (CU), блока управления памятью (MMU), прерываний, ввода / вывода. выходные интерфейсы и кеш.Специализированный микропроцессор может также служить в качестве графических процессоров (GPU), блоков обработки сигналов (DSP), блоков нейронной обработки (NPU), микроконтроллеров и т. Д.

История [править]

Основная статья: история микропроцессора

Обзор [править]

Микропроцессоры

— это процессоры с набором команд (ISP), то есть они работают по заранее определенному набору инструкций. В самом широком смысле их основная функция заключается в непрерывном считывании цифровых данных, состоящих из инструкций и, возможно, значений; выполнять их, интерпретируя инструкции и выполняя определенную операцию над значениями; и, наконец, выводит результат.

Хотя основные функциональные возможности являются общими для всех микропроцессоров, они сильно различаются по типу и размеру обрабатываемых данных, типу поддерживаемых операций, способу их выполнения, их предполагаемому назначению и характеристикам производительности. Функциональность микропроцессора зависит от характеристик набора команд, с которым он работает. Поэтому каждая программа, выполняемая на этом микропроцессоре, связана с этой архитектурой набора команд (ISA) и кодируется в этом наборе команд.Архитектура набора команд — это спецификация дизайна микропроцессора, а реализация ISA известна как реализация. Для второй спецификации ISA может быть и обычно существует несколько реализаций. Эти реализации известны как микроархитектуры. Компромиссы, сделанные в микроархитектуре, в конечном итоге определяют характеристики микропроцессора (например, мощность и производительность).

Варианты [править]

.

Evolution of Microprocessor — Типы и применения

Микропроцессор — это не что иное, как ЦП, и это важный компонент компьютера. Это кремниевый чип, состоящий из миллионов транзисторов и других электронных компонентов, которые обрабатывают миллионы инструкций в секунду. Микропроцессор — это универсальный чип, который совмещен с памятью и специализированными чипами и предварительно запрограммирован программным обеспечением. Он принимает цифровые данные как i / p и обрабатывает их в соответствии с инструкциями, хранящимися в памяти.Микропроцессор имеет множество функций, таких как функции хранения данных, взаимодействие с различными другими устройствами и другие функции, связанные со временем. Но основная функция — отправлять и получать данные, чтобы компьютер работал нормально. В этой статье обсуждаются типы и эволюция микропроцессоров. Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы ознакомиться с историей микропроцессора и поколением микропроцессора

Микропроцессор

Развитие микропроцессора

Микропроцессор стал более важной частью многих устройств.Развитие микропроцессоров было разделено на пять поколений, таких как первое, второе, третье, четвертое и пятое поколение, и характеристики этих поколений обсуждаются ниже.


Развитие микропроцессоров
Микропроцессоры первого поколения

Микропроцессоры первого поколения были представлены в 1971-1972 годах. Команды этих микропроцессоров обрабатывались последовательно, они считывали инструкцию, декодировали и затем выполняли ее. Когда инструкция микропроцессора была завершена, микропроцессор обновляет указатель инструкции и выбирает следующую инструкцию, выполняя эту последовательную операцию для каждой инструкции по очереди.

Микропроцессоры второго поколения

В 1970 году небольшое количество транзисторов было доступно на интегральных схемах микропроцессоров второго поколения. Примерами микропроцессоров второго поколения являются 16-разрядная арифметическая обработка 7 конвейерных команд, микропроцессор Motorola MC68000. Эти процессоры представлены в 1979 году, и процессор Intel 8080 является еще одним примером микропроцессора. Второе поколение микропроцессоров определяется перекрывающимися выборками, декодированием и выполнением шагов.Когда первое поколение обрабатывается в исполнительном блоке, вторая инструкция декодируется, и выбирается третья инструкция.

Разница между микропроцессорами первого поколения и микропроцессорами второго поколения заключалась в основном в использовании новых полупроводниковых технологий для производства микросхем. Результатом этой технологии стало пятикратное увеличение инструкций, скорости, выполнения и более высокой плотности микросхем.

Микропроцессоры третьего поколения

Микропроцессоры третьего поколения были представлены в 1978 году и обозначены как Intel 8086 и Zilog Z8000.Это были 16-битные процессоры с производительностью мини-компьютеров. Эти типы микропроцессоров отличались от микропроцессоров предыдущих поколений тем, что все основные производители рабочих станций начали разрабатывать свои собственные микропроцессорные архитектуры на базе ISC.

Микропроцессоры четвертого поколения

По мере того, как многие отрасли промышленности перешли с коммерческих микропроцессоров на собственные разработки, микропроцессоры четвертого поколения отличаются выдающимся дизайном с миллионом транзисторов.Передовые микропроцессоры, такие как Motorola 88100 и Intel 80960CA, могут выдавать и выводить из обращения более одной инструкции за такт.

Микропроцессоры пятого поколения

В микропроцессорах пятого поколения использовалась разделенная суперскалярная обработка, и их конструкция вскоре превысила 10 миллионов транзисторов. В пятом поколении ПК — это крупномасштабный бизнес с низкой маржой, завоеванный одним микропроцессором.

Типы микропроцессоров

Микропроцессоры подразделяются на пять типов, а именно: микропроцессоры со сложным набором команд CISC, микропроцессор с сокращенным набором команд RISC, специализированные интегральные схемы ASIC, суперскалярные процессоры, микропроцессоры цифровых сигналов DSP.

Типы микропроцессоров
Микропроцессоры со сложным набором команд

Краткий срок микропроцессоров со сложным набором команд — это CISM, и они классифицируют микропроцессоры, в которых заказы могут выполняться вместе с другими низкоуровневыми действиями. Эти типы процессоров выполняют различные задачи, такие как загрузка, выгрузка, вызов данных на карту памяти и вызов данных с карты памяти. Помимо этих задач, он также выполняет сложные математические вычисления в одной команде.

Микропроцессор с сокращенным набором команд

Кратковременный срок действия микропроцессора с сокращенным набором команд — RISC. Эти типы процессоров сделаны в соответствии с функцией, в которой микропроцессор может выполнять мелкие задачи в определенных командах. Таким образом, эти процессоры выполняют больше команд с большей скоростью.

Суперскалярные микропроцессоры

Суперскалярный процессор копирует аппаратное обеспечение процессора для одновременного выполнения различных задач. Эти процессоры могут использоваться для ALU или умножителей.У них разные рабочие блоки, и эти процессоры могут выполнять более одной команды, непрерывно передавая несколько инструкций дополнительным рабочим блокам внутри процессора.

Специализированная интегральная схема

Краткое описание прикладного процессора интегральной схемы — это ASIC. Эти процессоры используются для определенных целей, включая контроль выбросов в автомобилях или компьютер персонального цифрового помощника. Этот тип процессора сделан с соответствующими спецификациями, но, помимо них, он также может быть изготовлен с готовыми шестеренками.

Цифровые сигнальные мультипроцессоры

Цифровые сигнальные процессоры также называются DSP, эти процессоры используются для кодирования и декодирования видео или для преобразования ЦАП (из цифрового в аналоговый) и A / D (из аналогового в цифровой). Им нужен микропроцессор, который отлично справляется с математическими вычислениями. Чипы этого процессора используются в RADAR, домашних кинотеатрах, SONAR, аудиосистемах, телевизионных приставках и мобильных телефонах.

Есть много компаний, таких как Intel, Motorola, DEC (Digital Equipment Corporation), TI (Texas Instruments) связаны со многими микропроцессорами, такими как микропроцессоры 8085, ASIC, CISM, RISC, DSP и микропроцессоры 8086, такие как Intel

Преимущества и недостатки микропроцессоров

Преимущества микропроцессоров:

  • Высокая скорость обработки
  • Интеллект был доведен до системы
  • Гибкие.
  • Компактный размер.
  • Простое обслуживание
  • Сложная математика

Некоторые из недостатков микропроцессора заключаются в том, что он может перегреваться, а ограничения микропроцессора влияют на размер данных.

Применения микропроцессоров в основном включают контроллеры в бытовой технике, оборудование беспроводной связи, офисные публикации и автоматизацию, бытовые электронные товары, калькуляторы, системы бухгалтерского учета, видеоигры, промышленные контроллеры и системы сбора данных

Применения микропроцессора

Это все о типах и эволюции микропроцессоров.Наличие микропроцессора с низким энергопотреблением, низкой стоимостью, небольшим весом и вычислительными возможностями делает его полезным в различных приложениях. В настоящее время микропроцессорные системы используются в автоматических тестируемых продуктах, системах управления сигналами движения, инструкциях, регулировании скорости двигателей и т. Д. Кроме того, любые сомнения относительно этой статьи или электронных и электрических проектов, пожалуйста, дайте свои комментарии в поле для комментариев. Вот вам вопрос, какой стек используется в микропроцессоре 8085?

Не пропустите: узнайте разницу между микропроцессором и микроконтроллером.

Фото:

.

В чем разница между микропроцессором и микроконтроллером?

Вас всегда должны смущать, когда вас спрашивают о разнице между микропроцессорами и микроконтроллерами . Вроде бы то же самое, но это не так. Итак, давайте обсудим их и укажем на основные различия между ними.

Микроконтроллер

Это как маленький компьютер на одной микросхеме. Он содержит ядро ​​процессора, ПЗУ, ОЗУ и контакты ввода-вывода, предназначенные для выполнения различных задач.Микроконтроллеры обычно используются в проектах и ​​приложениях, требующих прямого управления пользователем. Поскольку он имеет все компоненты, необходимые в его единственном кристалле, ему не нужны никакие внешние схемы для выполнения своей задачи, поэтому микроконтроллеры широко используются во встроенных системах, и крупные компании-производители микроконтроллеров делают их для использования на рынке встроенных систем. Микроконтроллер можно назвать сердцем встраиваемой системы. Некоторыми примерами популярных микроконтроллеров являются микроконтроллеры серий 8051, AVR, PIC.

Выше представлена ​​архитектура микроконтроллера 8051. И вы можете видеть, что все необходимые компоненты для небольшого проекта присутствуют в одной микросхеме.

Микропроцессор

Микропроцессор

имеет только центральный процессор внутри одной или нескольких интегральных схем. Как и микроконтроллеры, в нем нет ОЗУ, ПЗУ и другой периферии. Их работа зависит от внешних цепей периферийных устройств. Но микропроцессоры не созданы для конкретной задачи, но они необходимы там, где задачи сложные и запутанные, такие как разработка программного обеспечения, игр и других приложений, требующих большого объема памяти, и где ввод и вывод не определены.Его можно назвать сердцем компьютерной системы. Некоторые примеры микропроцессоров: Pentium, I3, I5 и т. Д.

Из этого изображения архитектуры микропроцессора можно легко увидеть, что он имеет регистры и АЛУ в качестве блока обработки, и в нем нет ОЗУ и ПЗУ.

Итак, в чем разница между микропроцессором и микроконтроллером?

Поскольку теперь вы в основном знаете, что такое микроконтроллер и микропроцессор, было бы легко определить основные различия между микроконтроллером и микропроцессором.

1. Ключевым отличием в обоих из них является наличие внешней периферии, где микроконтроллеры имеют встроенные RAM, ROM, EEPROM, в то время как мы должны использовать внешние схемы в случае микропроцессоров.

2. Поскольку вся периферия микроконтроллера находится на одном кристалле, он компактен, а микропроцессор громоздок.

3. Микроконтроллеры изготавливаются с использованием дополнительной технологии металлооксидных полупроводников, поэтому они намного дешевле микропроцессоров.Кроме того, приложения, созданные с помощью микроконтроллеров, дешевле, потому что для них требуется меньше внешних компонентов, в то время как общая стоимость систем с микропроцессорами высока из-за большого количества внешних компонентов, необходимых для таких систем.

4. Скорость обработки микроконтроллеров составляет от 8 МГц до 50 МГц, но, напротив, скорость обработки обычных микропроцессоров выше 1 ГГц, поэтому они работают намного быстрее, чем микроконтроллеры.

5.Обычно микроконтроллеры имеют систему энергосбережения, такую ​​как режим ожидания или режим энергосбережения, поэтому в целом они потребляют меньше энергии, а также, поскольку внешние компоненты низкие, общее потребление энергии меньше. В то время как в микропроцессорах обычно нет системы энергосбережения, а также с ней используется много внешних компонентов, поэтому ее энергопотребление выше по сравнению с микроконтроллерами.

6. Микроконтроллеры компактны, что делает их удобными и эффективными системами для небольших продуктов и приложений, в то время как микропроцессоры громоздки, поэтому их предпочитают для более крупных приложений.

7. Задачи, выполняемые микроконтроллерами, ограничены и обычно менее сложны. В то время как задача, выполняемая микропроцессорами, — это разработка программного обеспечения, разработка игр, создание веб-сайтов, создание документов и т. Д., Которые, как правило, являются более сложными, поэтому требуют больше памяти и скорости, поэтому с ними используются внешнее ПЗУ, ОЗУ.

8. Микроконтроллеры основаны на архитектуре Гарварда, где память программ и память данных разделены, а микропроцессоры основаны на модели фон Неймана, в которой программа и данные хранятся в одном модуле памяти.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *