Что такое микропроцессор в информатике
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]
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).
Что такое микропроцессор и чем микропроцессоры отличаются между собой?
Микропроцессор — это небольшое устройство для обработки информации, контроля системы, выполнения арифметических и логических операций. Из-за своей повышенной функциональности микропроцессоры можно найти во всех современных вычислительных устройствах и не только:
Что это такое — микропроцессор?
В связи с те м ч то микропроцессор выполняет различные задачи, его применение не ограничивается какими-то конкретными устройствами, например, только компьютерами.
Вот несколько задач, которые выполняет микропроцессор:
читает и расшифровывает команды из оперативной памяти или из внешних устройств;
обрабатывает запросы пр и обслуживании различных компонентов устройств, где он применяется;
синхронизирует данны е на различных накопителях;
генерирует сигналы для управления компонентами, узлами или блоками устройства, где он применяется.
Любой микропроцессор состоит из следующих компонентов:
компонент для обрабатывания арифметических и логических операций, которые необходимы для успешного взаимодействия с устройством;
центральный компонент для контроля взаимодействия между всеми компонентами устройства, где применяется микропроцессор;
собственный объем памяти, нужный для хранения последовательности действий и команд, а также для обработки небольшой информации;
системный интерфейс, чтобы можно было как-то взаимодействовать с самим микропроцессором.
Виды микропроцессоров
Разновидность микропроцессоров делится на 4 основные группы:
CISC. Это одна из первых архитектур микропроцессоров, которая отличается своей стабильностью и многозадачностью. Однако при этом имеет более медленную скорость выполнения операций и команд.
VLIW. Это более производительные микропроцессоры, которые могут поддерживать сразу несколько устройств и при этом делают это очень успешно.
MISC. Микропроцессо р с «хитрой» архитектурой и структурой работы. Отличается тем, что все получаемые команды микропроцессор складывает в одно место. А потом при рабочем цикле все команды считываются за один раз. У других микропроцессоров совсем другие подходы к работе.
Чем микропроцессоры могут отличаться между собой
Помимо описанной выше архитектуры, микропроцессоры характеризуются несколькими свойствами, которые могут отличаться между микропроцессорами одной архитектуры.
Микропроцессор — это устройство со следующими характеристиками:
частота тактов — именно она определяет уровень производительности микропроцессора;
разрядность — это основная характеристика микропроцессора, которая определяет скорость обрабатывания определенного количества информации за единицу времени;
системность команд — зависит от архитектуры микропроцессора и определяет специальные инструкции и модули;
размер микропроцессорной памяти.
Заключение
Мы будем очень благодарны
если под понравившемся материалом Вы нажмёте одну из кнопок социальных сетей и поделитесь с друзьями.
Микропроцессор и его архитектура
Основные понятия и характеристики архитектуры микропроцессоров
Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, основу которой составляет микропроцессор.
Характеристики универсальных микропроцессоров:
Отличительные особенности архитектуры однокристальных микроконтроллеров:
Основные характеристики микроконтроллеров (в качестве примера численные значения представлены для MK-51):
Наличие и характеристики встроенных аналого-цифровых преобразователей ( АЦП ) и цифро-аналоговых преобразователей ( ЦАП ) для упрощения согласования с датчиками и исполнительными устройствами системы управления.
Такая организация позволяет спроектировать процессор необходимой разрядности и со специализированной системой команд. Из-за своей малой разрядности микропроцессорные секции могут быть построены с использованием быстродействующих технологий. Совокупность всех этих факторов обеспечивает возможность создания процессора, наилучшим образом ориентированного на заданный класс алгоритмов как по системе команд и режимам адресации, так и по форматам данных.
Одним из первых комплектов секционированных микропроцессоров были МП БИС семейства Intel 3000. В нашей стране они выпускались в составе серии К589 и 585. Процессорные элементы этой серии представляли собой двухразрядный микропроцессор. Наиболее распространенным комплектом секционированных микропроцессоров является Am2900, основу которого составляют 4-разрядные секции. В нашей стране аналог этого комплекта выпускался в составе серии К1804. В состав комплекта входили следующие БИС:
Основным недостатком микропроцессорных систем на базе секционированных микропроцессорных БИС явилась сложность проектирования, отладки и программирования систем на их основе. Использование специализированной системы команд приводило к несовместимости разрабатываемого ПО для различных микропроцессоров. Возможность создания оптимального по многим параметрам специализированного процессора требовала труда квалифицированных разработчиков на протяжении длительного времени. Однако бурное развитие электронных технологий привело к тому, что за время проектирования специализированного процессора разрабатывался универсальный микропроцессор, возможности которого перекрывали гипотетический выигрыш от проектирования специализированного устройства. Это привело к тому, что в настоящее время данный класс микропроцессорных БИС практически не используется.
Как электронное изделие микропроцессор характеризуется рядом параметров, наиболее важными из которых являются следующие:
Затраты на изготовление устройств, использующих микропроцессорные БИС, представлены на рис. 1.2. Здесь:
Наиболее развитая в технологическом отношении фирма Intel в жизненном цикле полупроводниковых технологий, создаваемых и применяемых в корпорации, выделяет шесть стадий.
На второй стадии исследователи Intel выбирают наиболее перспективные направления развития новых технологий. При этом обычно рассматривается 2-3 варианта решения.
Микропроцессор: что нужно знать начинающим электронщикам
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:
Кроме того, важно понимать, из каких именно частей состоит любой процессор:
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:
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:
Основные характеристики
К основным характеристикам микропроцессора относятся:
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:
Микропроцессор: назначение и область применения
Область применения микропроцессоров
Микропроцессор – программно-управляемое устройство для обработки цифровой информации и управления процессом обработки, реализованное в виде большой или сверхбольшой интегральной микросхемы.
Таким образом, микропроцессор играет роль процессора в цифровых системах различного назначения.
Это могут быть системы обработки информации, системы управления объектами и процессами, информационно-измерительные системы и другие виды систем, используемых в промышленности, бытовой технике, аппаратуре связи и многих других областях применения.
Микропроцессор является универсальным устройством для выполнения программной обработки информации, которое может использоваться в самых разнообразных сферах человеческой деятельности.
Десятки компаний-производителей выпускают несколько тысяч типов микропроцессоров, имеющих разные характеристики и предназначенных для различных областей применения.
Выпускаемые микропроцессоры делятся на отдельные классы в соответствии с их архитектурой, структурой и функциональным назначением.
Основными направлениями развития микропроцессоров является увеличение их производительности и расширение функциональных возможностей, что достигается как повышением уровня микроэлектронной технологии, используемой для производства микропроцессоров, так и применением новых архитектурных и структурных вариантов их реализации.
Развитие микроэлектронной технологии обеспечивает непрерывное уменьшение размеров полупроводниковых компонентов, размещаемых на кристалле микропроцессора. При этом уменьшаются паразитные емкости, определяющие задержку переключения логических элементов, и увеличивается число элементов, размещаемых на кристалле.
В настоящее время разрешающая способность промышленной технологии изготовления микросхем обеспечивает создание компонентов с минимальными размерами 0,13-0,18 мкм. При этом обеспечивается создание микропроцессоров, работающих с тактовой частотой до 1-2 ГГц и содержащих на кристалле десятки миллионов транзисторов.
В соответствии с эмпирическим правилом, которое сформулировал Гордон Мур, один из основателей компании Intel, степень интеграции микросхем удваивается каждые 1,5-2 года.
Развитие технологии обеспечивает возможность создания на кристалле все большего количества активных компонентов – транзисторов, которые могут быть использованы для реализации новых архитектурных и структурных решений, обеспечивающих повышение производительности и расширение функциональных возможностей микропроцессоров.
Основные компоненты микропроцессора 1
Лекция 7. Классификация и типовая структура микропроцессоров
ЭВМ получили широкое распространение, начиная с 50-х годов. Прежде это были очень большие и дорогие устройства, используемые лишь в государственных учреждениях и крупных фирмах. Размеры и форма цифровых ЭВМ неузнаваемо изменились в результате разработки новых устройств, называемых микропроцессорами.
Микропроцессоры: назначение и классификация
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.
– вычисление адресов команд и операндов;
– выборка и дешифрация команд из основной памяти;
– выборка данных из основной памяти, регистров микропроцессорной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;
– прием и обработка запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;
– обработка данных и их запись в основную память, регистры микропроцессорной памяти и регистры адаптеров внешних устройств;
– выработка управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК;
– переход к следующей команде.
По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.
Процессоры даже самых простых ЭВМ имеют сложную функциональную структуру, содержат большое количество электронных элементов и множество разветвленных связей.
Изменять структуру процессора необходимо так, чтобы полная принципиальная схема или ее части имели количество элементов и связей, совместимое с возможностями БИС. При этом микропроцессоры приобретают внутреннюю магистральную архитектуру, т. е.
в них к единой внутренней информационной магистрали подключаются все основные функциональные блоки (арифметико-логический, рабочих регистров, стека, прерываний, интерфейса, управления и синхронизации и др.).
Для обоснования классификации микропроцессоров по числу БИС надо распределить все аппаратные блоки процессора между основными тремя функциональными частями: операционной, управляющей и интерфейсной.
Сложность операционной и управляющей частей процессора определяется их разрядностью, системой команд и требованиями к системе прерываний; сложность интерфейсной части разрядностью и возможностями подключения других устройств ЭВМ (памяти, внешних устройств, датчиков и исполнительных механизмов и др.).
Интерфейс процессора содержит несколько десятков информационных шин данных (ШД), адресов (ША) и управления (ШУ).
Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются.
Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС).
Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.
На рис. 1.1,а показано функциональное разбиение структуры процессора при создании трехкристального микропроцессора (пунктирные линии), содержащего БИС операционного (ОП), БИС управляющего (УП) и БИС интерфейсного (ИП) процессоров.
Рис. 1.1 Функциональная структура процессора (а) и ее разбиение для
реализации процессора в виде комплекта секционных БИС
Операционный процессор служит для обработки данных, управляющий процессор выполняет функции выборки, декодирования и вычисления адресов операндов и также генерирует последовательности микрокоманд.
Автономность работы и большое быстродействие БИС УП позволяет выбирать команды из памяти с большей скоростью, чем скорость их исполнения БИС ОП.
При этом в УП образуется очередь еще не исполненных команд, а также заранее подготавливаются те данные, которые потребуются ОП в следующих циклах работы. Такая опережающая выборка команд экономит время ОП на ожидание операндов, необходимых для выполнения команд программ.
Интерфейсный процессор позволяет подключить память и периферийные средства к микропроцессору; он, по существу, является сложным контроллером для устройств ввода/вывода информации. БИС ИП выполняет также функции канала прямого доступа к памяти.
Выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются каждой частью микропроцессора автономно, и поэтому может быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС МП, т.е. конвейерный поточный режим исполнения последовательности команд программы (выполнение последовательности с небольшим временным сдвигом). Такой режим работы значительно повышает производительность микропроцессора.
Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями (рис. 1,б). Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляются средства “стыковки”.
Для создания высокопроизводительных многоразрядных микропроцессоров требуется столь много аппаратных средств, не реализуемых в доступных БИС, что может возникнуть необходимость еще и в функциональном разбиении структуры микропроцессора горизонтальными плоскостями. В результате рассмотренного функционального разделения структуры микропроцессора на функционально и конструктивно законченные части создаются условия реализации каждой из них в виде БИС. Все они образуют комплект секционных БИС МП.
Таким образом, микропроцессорная секция это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Секционность БИС МП определяет возможность “наращивания” разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессора при “параллельном” включении большего числа БИС.
Однокристальные и трехкристальные БИС МП, как правило, изготовляют на основе микроэлектронных технологий униполярных полупроводниковых приборов, а многокристальные секционные БИС МП на основе технологии биполярных полупроводниковых приборов.
Использование многокристальных микропроцессорных высокоскоростных биполярных БИС, имеющих функциональную законченность при малой физической разрядности обрабатываемых данных и монтируемых в корпус с большим числом выводов, позволяет организовать разветвление связи в процессоре, а также осуществить конвейерные принципы обработки информации для повышения его производительности.
По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.
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.
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.
Что такое микропроцессоры? Устройство, назначение, основные характеристики :
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:
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 вашему вниманию на фото ниже.
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:
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:
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.
Хронология развития
О том, что такое микропроцессоры, мир узнал в 1971 г., когда американская корпорация Intel впервые анонсировала Intel 4004. Он был выполнен на одном кристалле и являлся 4-разрядным (т. е. работал одновременно с 4 битами данных).
Воодушевленная успехом 4004, корпорация Intel представила усовершенствованную версию Intel 4040. Многие другие компании также анонсировали 4-битные микропроцессоры. Например, Rockwell International PPS4, NEC μCOM 4 и Toshiba T3472.
Первое 8-разрядное ЦПУ было представлено в 1973 г. той же компанией. Это был Intel 8008, за которым последовала улучшенная версия 8030. Несколько других производителей последовали этому примеру.
Наиболее известными 8-битными микропроцессорами стали Intel 8085, Motorola M6800, NEC μCOM85AF, National *SC/MP, Zilog Z80 и Fairchild F8.
Затем появились 12- и 16-битные ЦПУ. Примерами первых являются IM 6100 Intersil и Toshiba T3190, а вторых – Intel 8086, Texas Instruments TMS 9940 и 9980, Fairchild 9440, Motorola М68000, Zilog Z670,.
Изменения характеристик микропроцессора с 1971 года были направлены на совершенствование архитектуры, набора команд, увеличение быстродействия, упрощение требований к мощности и наращивание объема памяти и средств ввода-вывода в одном чипе.
Первые типы микропроцессоров (4004, 4040, 8008) базировались на PMOS-технологии, которая из-за ограничений скорости уступила место NMOS. Другими технологиями являются CMOS, TTL, DTL, RTL.
ПОИСК
Применение микропроцессоров и микро-ЭВМ как технической базы автоматизированных систем управления производством позволяет обеспечить распределенное управление отдельными технологическими стадиями при централизованном управлении технологическим процессом в целом сократить капитальные затраты (в том числе на строительство помещений для операторных и на кабельные линии) и эксплуатационные затраты (при одновременном сокращении численности технологического и обслуживающего персонала) обеспечить высокую эксплуатационную надежность систем управления и их живучесть при выходе из строя отдельных ее элементов строить системы управления по модульному принципу, обеспечивающему минимум проектных работ, легкость поставки, монтажа, эксплуатации и освоения сист ем обслуживающим персоналом развивать системы управления путем простого дополнения отдельными модулями или изменением функций существующей системы без изменения состава технических средств и линий связи обеспечить ввод в действие систем управления по частям упростить программное обеспечение, сократить сроки и стоимость разработки систем управления. [c.43]
Достоинства микропроцессорных средств определили две крупные области их применения. Первая — встраивание микрО процессоров в станки, двигатели, роботы, транспортные средства. Решая довольно сложные задачи программного или оптимального регулирования, микропроцессоры суш.ественно улучшают технико-экономические характеристики тех изделий, в которых они установлены. Вторая область — использование микро-ЭВМ для управления взаимосвязанными технологическими комплексами, гибкими переналаживаемыми производствами, автоматизированными предприятиями. Широкое применение электронно-вычислительной техники, особенно микропроцессорной, для управления технологическими процессами, оборудованием является чрезвычайно эффективным направлением повышения производительности труда, экономии материалов, топлива, энергии. [c.37]
Такие особенности микропроцессоров, как низкая стоимость, высокая надежность, малые габариты и значительные вычнс-лительнЬш возможности, обеспечивают им широкое применение в тех областях, где использование обычных ЭВМ, предназначенных для решения сложных научно-технических и экономических задач, а также мини-ЭВМ является невыгодным. Микропроцессоры успешно используются в системах управления технологическими процессами (для управления станками с числовым программным управлением, сборочными автоматами и т. д.), вычислительных системах (для создания интеллектуальных терминальных устройств, сбора и предварительной обработки информации), контрольно-измерительных приборах, в оборудовании связи, торговой и бытовой аппаратуре, системах контроля за состоянием окружающей среды и многих других областях. [c.138]
ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ [c.36]
Применение автоматических систем управления для решения указанных задач является важным фактором интенсификации производственных процессов. Связанные системы вычислительных машин способствуют повышению эксплуатационной надежности технологического оборудования. Для реализации децентрализованных задач управления эффективно применение микропроцессоров. [c.124]
Основные свойства микропроцессоров, обусловившие их широкое применение низкая стоимость, малые габариты, малая потребляемая мощность, гибкость применения (программируемость).
На основе микропроцессоров созданы специализированные микро-ЭВМ в виде программируемых контроллеров для локального контроля и регулирования автоматизируемых систем управления технологическими процессами.
[c.306]
В последние годы в развитии вычислительной техники и оборудовании вычислительных центров (ВЦ) биотехнологических институтов страны произошли существенные изменения. Большинство ВЦ оснащено универсальными современными ЭВМ.
Разработка систем управления технологическими процессами с применением микропроцессоров стала одним из важнейших направлений технического развития промышленности СК.
Встраивание микропроцессоров в контрольно-измерительную и регистрирующую аппаратуру позволяет в несколько раз повысить точность, скорость и надежность измерений, снизить стоимость приборов, осуществить их самодиагностику, автоматизацию и обработку результатов. [c.307]
Расчеты показывают, что технико-экономический эффект применения микропроцессоров и микро-ЭВМ в технических структурах АСУТП аналогичен эффекту применения полупроводниковых элементов в электронике.
Микро-ЭВМ широко используются для управления технологическими процессами, в качестве как центральных ЭВМ АСУТП, так и контроллеров отдельных технологических агрегатов или основы интеллектуальных терминалов.
Использование микро-ЭВМ для управления технологическими процессами обеспечивает [c.205]
Вместимость магазияа должна обеспечивать бесперебойное питание РТК заготовками в течение 1—2 ч его непрерывной работы в автоматическом цикле.
Если по технологическому процессу заготовка должна быть обработана на разных станках с различных сторон, то для ее переориентации и перезакрепления в ЗУ ПР может потребоваться дополнительная площадка или ложемент, куда ее временно может установить рабочий орган ПР или специальный кантователь-ориентатор с самостоятельным приводом и средствами автоматики, связанными с УУ ПР. В отдельных случаях от кантователя-ориентатора может потребоваться не только поворот, но и подъем или опускание заготовки для упрощения движений ЗУ ПР по ее захвату. Еще больше усложняется конструкция магазина для малогабаритных заготовок, время обработки которых составляет доли минуты. В этом случае для обеспечения нужной вместимости магазина заготовки в нем приходится располагать в несколько рядов или слоев и проектировать устройства для бесперебойного перемещения всех заготовок в позицию загрузки в ЗУ ПР. Если для создания РТК применяется робот с более развитым позиционным управлением, охватывающим от нескольких десятков до сотен точек позиционирования в рабочей зоне ПР, то требования к конструкции магазина могут быть намного упрощены. Позиционные УУ на базе встроенного в них микропроцессора допускают применение упрощенных магазинов в виде многоячеистой тары или позволяют последовательно выбирать достаточное количество заготовок, уложенных рядами или штабелями вблизи ПР или станка. Как правило, кинематическая схема рабочего органа ПР, оснащенного таким УУ, обеспечивает необходимое кантование заготовок без дополнительных устройств. [c.63]
Смотреть страницы где упоминается термин Применение микропроцессоров в управлении технологическими процессами: [c.352] Смотреть главы в:
Микропроцессор
Применение технологических процессов
Управление процессом
© 2018 chem21.info Реклама на сайте
Микропроцессор и его архитектура
Аннотация: Цель лекции: знакомство с архитектурой микропроцессоров, отличительными чертами микропроцессоров различных типов архитектуры, этапами развития архитектуры универсальных микропроцессоров, а также с основными чертами архитектуры IA-32.
Микропроцессор (МП) – это программно-управляемое устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки и выполнено в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).
Понятие большая интегральная схема в настоящее время четко не определено. Ранее считалось, что к этому классу следует относить микросхемы, содержащие более 1000 элементов на кристалле. И действительно, в эти параметры укладывались первые микропроцессоры.
Например, 4-разрядная процессорная секция микропроцессорного комплекта К584, выпускавшегося в конце 1970-х годов, содержала около 1500 элементов.
Сейчас, когда микропроцессоры содержат десятки миллионов транзисторов и их количество непрерывно увеличивается, под БИС будем понимать функционально сложную интегральную схему.
Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, основу которой составляет микропроцессор.
Микропроцессор характеризуется большим количеством параметров и свойств, так как он является, с одной стороны, функционально сложным вычислительным устройством, а с другой – электронным прибором, изделием электронной промышленности.
Как средство вычислительной техники он характеризуется прежде всего своей архитектурой, то есть совокупностью программно-аппаратных свойств, предоставляемых пользователю.
Сюда относятся система команд, типы и форматы обрабатываемых данных, режимы адресации, количество и распределение регистров, принципы взаимодействия с оперативной памятью и внешними устройствами (характеристики системы прерываний, прямой доступ к памяти и т. д.). По своей архитектуре микропроцессоры разделяются на несколько типов (рис. 1.1).
Универсальные микропроцессоры предназначены для решения задач цифровой обработки различного типа информации от инженерных расчетов до работы с базами данных, не связанных жесткими ограничениями на время выполнения задания. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. К нему относятся такие известные микропроцессоры, как МП ряда Pentium фирмы Intel и МП семейства Athlon фирмы AMD.
Рис. 1.1. Классификация микропроцессоров
Характеристики универсальных микропроцессоров:
Универсальные микропроцессоры принято разделять на CISC – и RISC-микропроцессоры. CISC-микропроцессоры (Completed Instruction Set Computing – вычисления с полной системой команд) имеют в своем составе весь классический набор команд с широко развитыми режимами адресации операндов.
Именно к этому классу относятся, например, микро процессоры типа Pentium. В то же время RISC-микропроцессоры (reduced instruction set computing – вычисления с сокращенной системой команд) используют, как следует из определения, уменьшенное количество команд и режимов адресации.
Здесь прежде всего следует выделить такие микропроцессоры, как Alpha 21×64, Power PC. Количество команд в системе команд – наиболее очевидное, но на сегодняшний день не самое главное различие в этих направлениях развития универсальных микропроцессоров.
Другие различия мы будем рассматривать по мере изучения особенностей их архитектуры.
Однокристальные микроконтроллеры (ОМК или просто МК) предназначены для использования в системах промышленной и бытовой автоматики.
Они представляют собой большие интегральные схемы, которые включают в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор (как правило, целочисленный), ЗУ команд, ЗУ данных, генератор тактовых сигналов, программируемые устройства для связи с внешней средой (контроллер прерывания, таймеры-счетчики, разнообразные порты ввода/вывода), иногда аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т. д. В некоторых источниках этот класс микропроцессоров называется однокристальными микро-ЭВМ (ОМЭВМ).
В настоящее время две трети всех производимых микропроцессорных БИС в мире составляют МП этого класса, причем почти две трети из них имеет разрядность, не превышающую 16 бит. К классу однокристальных микроконтроллеров прежде всего относятся микропроцессоры серии MCS-51 фирмы Intel и аналогичные микропроцессоры других производителей, архитектура которых де-факто стала стандартом.
Отличительные особенности архитектуры однокристальных микроконтроллеров:
Основные характеристики микроконтроллеров (в качестве примера численные значения представлены для MK-51):
Наличие и характеристики встроенных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) для упрощения согласования с датчиками и исполнительными устройствами системы управления.
Секционированные микропроцессоры (другие названия: микропрограммируемые и разрядно-модульные) – это микропроцессоры, предназначенные для построения специализированных процессоров.
Они представляют собой микропроцессорные секции относительно небольшой (от 2 до 16) разрядности с пользовательским доступом к микропрограммному уровню управления и средствами для объединения нескольких секций.
Такая организация позволяет спроектировать процессор необходимой разрядности и со специализированной системой команд.
Из-за своей малой разрядности микропроцессорные секции могут быть построены с использованием быстродействующих технологий.
Совокупность всех этих факторов обеспечивает возможность создания процессора, наилучшим образом ориентированного на заданный класс алгоритмов как по системе команд и режимам адресации, так и по форматам данных.
Одним из первых комплектов секционированных микропроцессоров были МП БИС семейства Intel 3000. В нашей стране они выпускались в составе серии К589 и 585. Процессорные элементы этой серии представляли собой двухразрядный микропроцессор.
Наиболее распространенным комплектом секционированных микропроцессоров является Am2900, основу которого составляют 4-разрядные секции. В нашей стране аналог этого комплекта выпускался в составе серии К1804.
В состав комплекта входили следующие БИС:
Основным недостатком микропроцессорных систем на базе секционированных микропроцессорных БИС явилась сложность проектирования, отладки и программирования систем на их основе.
Использование специализированной системы команд приводило к несовместимости разрабатываемого ПО для различных микропроцессоров.
Возможность создания оптимального по многим параметрам специализированного процессора требовала труда квалифицированных разработчиков на протяжении длительного времени.
Однако бурное развитие электронных технологий привело к тому, что за время проектирования специализированного процессора разрабатывался универсальный микропроцессор, возможности которого перекрывали гипотетический выигрыш от проектирования специализированного устройства. Это привело к тому, что в настоящее время данный класс микропроцессорных БИС практически не используется.
Процессоры цифровой обработки сигналов, или цифровые сигнальные процессоры, представляют собой бурно развивающийся класс микропроцессоров, предназначенных для решения задач цифровой обработки сигналов – обработки звуковых сигналов, изображений, распознавания образов и т. д.
Они включают в себя многие черты однокристальных микро-контроллеров: гарвардскую архитектуру, встроенную память команд и данных, развитые возможности работы с внешними устройствами.
В то же время в них присутствуют черты и универсальных МП, особенно с RISC-архитектурой: конвейерная организация работы, программные и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей запятой, аппаратная поддержка сложных специализированных вычислений, особенно умножения.
Как электронное изделие микропроцессор характеризуется рядом параметров, наиболее важными из которых являются следующие:
Рис. 1.2. Затраты на производство микропроцессорной системы
Затраты на изготовление устройств, использующих микропроцессорные БИС, представлены на рис. 1.2. Здесь:
Наиболее развитая в технологическом отношении фирма Intel в жизненном цикле полупроводниковых технологий, создаваемых и применяемых в корпорации, выделяет шесть стадий.
Самая ранняя стадия проходит за пределами Intel – в университетских лабораториях и независимых исследовательских центрах, где ведутся поиски новых физических принципов и методов, которые могут стать основой научно-технологического задела на годы вперед. Корпорация финансирует эти исследования.
На второй стадии исследователи Intel выбирают наиболее перспективные направления развития новых технологий. При этом обычно рассматривается 2-3 варианта решения.
Главная задача третьей стадии – полная черновая проработка новой технологии и демонстрация ее осуществимости.
После этого начинается четвертая стадия, главная цель которой – обеспечить достижение заданных значений таких ключевых технических и экономических показателей, как выход годных изделий, надежность, стоимость и некоторые другие. Завершение этапа подтверждается выпуском первой промышленной партии новых изделий.
Пятая стадия – промышленное освоение новой технологии. Эта проблема не менее сложна, чем разработка самой технологии, поскольку необычайно трудно в точности воспроизвести в условиях реального производства то, что было получено в лаборатории. Обычно именно здесь возникают задержки со сроками выпуска новых изделий, с достижением запланированного объема поставок и себестоимости продукции.
Последняя, шестая стадия жизненного цикла технологии (перед отказом от ее применения) – зрелость. Зрелая технология, подвергаясь определенному совершенствованию с целью повышения производительности оборудования и снижения себестоимости продукции, обеспечивает основные объемы производства. По мере внедрения новых, более совершенных технологий производства ликвидируются.
Но не сразу: сначала они переводятся на выпуск микросхем с меньшим быстродействием или с меньшим числом транзисторов, например, периферийных БИС.