Классификация микропроцессоров

Микропроцессор как функциональное устройство ЭВМ обеспечивает эффективное автоматическое выполнение операций обработки цифровой информации в соответствии с заданным ал-горитмом. Для решения широкого круга задач в различных облас-тях применений микропроцессор должен обладать алгоритмически полной системой команд (операций).
Теоретически показано, что минимальная алгоритмически полная система команд процессора состоит из одной или несколь-ких универсальных команд. Однако использование процессоров с минимальными по числу операций системами команд ведет к не-экономичному использованию информационных емкостей памяти и значительным затратам времени на выполнение «длинных» про-грамм. Поэтому обычно в МП встраиваются аппаратурные средст-ва, позволяющие реализовать многие десятки и сотни команд. Та-кие развитые системы команд дают возможность обеспечить ком-пактную запись алгоритмов и соответственно эффективные про-граммы.
При проектировании МП решаются задачи определения на-боров команд, выполняемых программным или аппаратурным способом на основе заданной системы микрокоманд. Аппаратур-ная реализация сложных команд дает возможность увеличить бы-стродействие микропроцессора, но требует значительных аппара-турных ресурсов кристалла интегральной схемы МП. Программ-ная реализация сложных команд позволяет обеспечивать програм-мирование сложных задач, изменять количество и особенности исполнения сложных команд. Однако скорость исполнения программных команд ниже скорости исполнения аппаратурно-реализованных команд.
Практически во всех современных МПС используются сложные развитые системы команд. Их ядро, состоящее из набора универсальных команд, реализуется аппаратурным способом в центральном МП. Кроме того, специализированные части наборов системы команд реализуются вспомогательными или периферий-ными микропроцессорами. Эти расширяющие возможности обра-ботки данных специальные арифметические или логические МП позволяют ускорить выполнение определенных команд и тем са-мым сократить время исполнения программ.
Для описания МП как функциональных устройств необхо-димо охарактеризовать формат обрабатываемых данных и команд, количество, тип и гибкость команд, методы адресации данных, число внутренних регистров общего назначения и регистров ре-зультата, возможности организации и адресации стека, параметры виртуальной памяти и информационную емкость прямо адресуе-мой памяти. Большое значение имеют средства построения систе-мы прерываний программ, построения эффективных систем ввода — вывода данных и развитого интерфейса.
МП могут быть реализованы на различной физической ос-нове: на электронной, оптоэлектронной, оптической, биологиче-ской и даже на пневматической или гидравлической.
По назначению различают универсальные и специализиро-ванные микропроцессоры.
Универсальные МП предназначены для решения широкого круга задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач В системе ко-манд МП заложена алгоритмическая универсальность, означаю-щая, что выполняемый машиной состав команд позволяет полу-чить преобразование информации в соответствии с любым задан-ным алгоритмом.
К универсальным МП относятся и секционные микропро-цессоры, поскольку для них система команд может быть оптими-зирована в каждом частном проекте создания секционного микро-процессора.
Эта группа МП наиболее многочисленна, в нее входят та-кие комплекты как К580, Z80, Intel 80?86, К582, К587, К1804, К1810 и др.
Специализированные МП предназначены для решения оп-ределенного класса задач, а иногда только для решения одной конкретной задачи. Их существенными особенностями являются простота управления, компактность аппаратурных средств, низкая стоимость и малая мощность потребления.
Специализированные МП имеют ориентацию на ускорен-ное выполнение определенных функций, что позволяет резко уве-личить эффективную производительность при решении только оп-ределенных задач.
Среди специализированных микропроцессоров можно вы-делить различные микроконтроллеры, ориентированные на вы-полнение сложных последовательностей логических операций; математические МП, предназначенные для повышения производи-тельности при выполнении арифметических операций за счет, на-пример 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, они позволяют осуществить более сложную математи-ческую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции, дают возможность в реальном масштабе времени на-ходить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами для эффектив-ного выделения полезного сигнала на фоне шума и т.д.
По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры.
Сами МП являются цифровыми устройствами обработки информации. Однако в ряде случаев они могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразова-тель в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преоб-разования в аналоговую форму поступают на выход.
С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смеще-ние, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реаль-ном масштабе времени и т. д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденса-торов и т.д.). При этом применение аналогового МП значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспро-изводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной “настройки” цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов.
Обычно в составе однокристальных аналоговых МП имеет-ся несколько каналов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. В аналоговом микропроцессоре разрядность об-рабатываемых данных достигает 24 бит и более. Большое значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметических опе-раций.
Отличительная черта аналоговых МП - это способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполне-нию операций сложения и умножения с большой скоростью, при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и пе-реходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую фор-му, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый пре-образователь. При этом согласно теореме Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верх-нюю частоту сигнала.
Одним из направлений дальнейшего совершенствования аналоговых МП является повышение их универсальности и гибко-сти. Поэтому вместе с повышением скорости обработки большого объема цифровых данных будут развиваться средства обеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой инфор-мации за счет реализации аппаратурных блоков прерывания про-грамм и программных переходов.
По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.
В однопрограммных МП выполняется только одна про-грамма. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.
В много- или мультипрограммных МП одновременно вы-полняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Ор-ганизация мультипрограммной работы микропроцессорных управ-ляющих систем, например, позволяет осуществить контроль за со-стоянием и управлением большим числом источников или прием-ников информации.
По числу БИС в микропроцессорном комплекте разли-чают однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные МП.
Процессоры даже самых простых ЭВМ имеют сложную функциональную структуру, содержат большое количество элек-тронных элементов и множество разветвленных связей. Реализо-вать принципиальную схему обычного процессора в виде одной или нескольких БИС практически невозможно из-за специфиче-ских особенностей БИС (ограниченность количества элементов, сложность выполнения разветвленных связей, сравнительно не-большое число выводов корпуса). Поэтому необходимо изменять структуру процессора так, чтобы полная принципиальная схема или ее части имели количество элементов и связей, совместимое с возможностями БИС. При этом МП приобретают внутреннюю ма-гистральную структуру, т. е. в них к единой внутренней информа-ционной магистрали подключаются все основные функциональ-ные блоки (арифметико-логический, рабочих регистров, стека, прерываний, интерфейса, управления и синхронизации и др.).
Для обоснования классификации МП по числу БИС надо распределить все аппаратурные блоки процессора между основ-ными тремя функциональными частями: операционной, управ-ляющей и интерфейсной. Сложность операционной и управляю-щей частей процессора определяется их разрядностью, системой команд и требованиями к системе прерываний; сложность интер-фейсной части - разрядностью и возможностями подключения других устройств ЭВМ (памяти, внешних устройств, датчиков и исполнительных механизмов и др.). Интерфейс процессора содержит несколько десятков шин информационных магистралей данных, адресов и управления.
Однокристальные МП получаются при реализации всех ап-паратурных средств процессора в виде одной БИС или СБИС. По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных МП улучша-ются. Однако их возможности ограничены аппаратурными ресур-сами кристалла и корпуса. Поэтому более широко распространены многокристальные, а также многокристальные секционные МП.
Для получения многокристального МП необходимо провес-ти разбиение его логической структуры на функционально закон-ченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональ-ная законченность БИС многокристального МП означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно, а для построения развитого процессора не требуется организации большого количества новых связей и каких-либо дру-гих электронных ИС (БИС). (Типичный пример - МПК БИС серии К581).
На рис. 1,а показано функциональное разбиение структуры МП при создании трехкристального микропроцессора (пунктир-ные линии), содержащие БИС операционного (ОП), БИС управ-ляющего (УП) и БИС интерфейсного (ИП) процессоров.

Рис. 1

Операционный процессор ОП служит для обработки дан-ных, управляющий процессор УП 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 ко-манд, а также заранее подготавливаются те данные, которые по-требуются ОП в следующих циклах работы.
Такая опережающая выборка команд экономит время ОП на ожидание операндов, необходимых для выполнения команд про-грамм. Интерфейсный процессор ИП позволяет подключить па-мять и периферийные средства к МП; по существу, является слож-ным контроллером для устройств ввода — вывода информации. БИС ИП выполняет также функции канала прямого доступа к па-мяти.
Выбираемые из памяти команды распознаются и выполня-ются каждой частью МП автономно, и поэтому может быть обес-печен режим одновременной работы всех БИС МП, т. е. конвейер-ный поточный режим исполнения последовательности команд программы (выполнение последовательности с небольшим вре-менным сдвигом). Такой режим работы значительно повышает его производительность.
Многокристальные секционные МП получаются в том слу-чае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее верти-кальными плоскостями (рис.1,б). Для построения многоразрядных МП при параллельном включении секций БИС МП в них добав-ляются средства «стыковки».
Для создания высокопроизводительных многоразрядных МП требуется столь много аппаратурных средств, не реализуемых в доступных БИС, что может возникнуть необходимость еще в функциональном разбиении структуры МП горизонтальными плоскостями. В результате рассмотренного функционального раз-деления структуры МП на функционально и конструктивно закон-ченные 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 микропроцессором при «параллельном» включении большего чис-ла БИС.
С момента создания однокристальные МП развились от простых специализированных 4-разрядных до 32-разрядных про-цессоров. Трехкристальные МП имеют разрядность до 32 бит и параметры, сравнимые с параметрами старших моделей рядов ми-ни-ЭВМ и средних ЭВМ общего применения.
Многокристальные секционные МП имеют разрядность от 2—4 до 8—16 бит и позволяют создавать разнообразные высоко-производительные процессоры ЭВМ.
Однокристальные и трехкристальные БИС МП, как прави-ло, изготовляют на основе микроэлектронных технологий унипо-лярных полупроводниковых приборов, а многокристальные сек-ционные БИС МП — на основе технологии биполярных полупро-водниковых приборов.
Использование многокристальных микропроцессорных вы-сокоскоростных биполярных БИС, имеющих функциональную за-конченность при малой физической разрядности обрабатываемых данных и монтируемых в корпус с большим числом выводов, по-зволяет организовать разветвление связи в процессоре, а также осуществить конвейерные принципы обработки информации для повышения его производительности.
По структурному признаку различают МП с фиксирован-ной разрядностью и МП с наращиваемой разрядностью (секцион-ные МП).
МП с фиксированной разрядностью имеют строго опреде-ленную разрядность обрабатываемых слов, величина которой оп-ределяется разрядностью МП. МП с наращиваемой разрядностью позволяют на их основе секциями увеличивать число разрядов МПС до требуемой величины, что, как правило, используется при построении миниЭВМ и больших ЭВМ вычислительного типа.
По виду алгоритма работы управляющего устройства МП подразделяют на два вида:
- МП с жестким алгоритмом управления, реализуемым схем-но (МП с фиксированным набором команд), - МП с алгоритмом управления, реализуемым программ-ным путем в виде последовательности микроопераций (МП с мик-ропрограммным управлением). Здесь система команд определена не жестко, а зависит от микропрограммы, записанной в ПЗУ, вхо-дящей в состав устройства управления. Использование микропро-граммного управления дает возможность получить необходимый набор команд, например, для воспроизведения (эмуляции) набора команд другого МП.
По разрядности обрабатываемой информации МП могут быть 4, 8, 12, 16, 24, 32 - разрядными. На практике наибольшее распространение имеют 32 - разрядные МП (Pentium, Celeron, AMD). Все большее применение находят 64-разрядные МП фирмы AMD.
По характеру временной организации работы МП де-лятся на синхронные и асинхронные.
В синхронных МП начало и конец выполнения каждой операции задаются устройством управления, то есть фаза начала и конца выполнения команды строго привязана к временной оси.
В асинхронных МП начало выполнения следующей опера-ции начинается сразу же после окончания выполнения предыду-щей операции.
По количеству одновременно выполняемых программ различают одно- и многопрограммные МП.
В однопрограммных МП на текущий момент времени вы-полняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит либо по завершению этой программы, либо по специальной команде условного или безусловного пере-хода, либо по прерыванию.
В многопрограммных МП одновременно может выполнять-ся несколько программ, то есть обеспечивается мультипрограмм-ный режим работы системы.
По виду технологии изготовления разрабатываются и вы-пускаются БИС МП:
- по униполярной технологии - р - канальные (р - МОП), n -канальные (n - МОП) и комплиментарные (КМОП) БИС;
- по биполярной технологии - БИС на базе транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), в том числе и с диодами Шотки (ТТЛШ);
- по эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ);
- по интегральной инжекционной логики (И2Л).
Вид технологии изготовления БИС во многом определяет степень интеграции микросхем, быстродействие, энергопотребле-ние, помехозащищенность и стоимость МП. По комплексу этих признаков можно отдать предпочтение МП, выполненным по n - МОП и КМОП технологиям, обеспечивающих высокую плотность компоновки, высокое быстродействие и относительно малую стоимость. ЭСЛ и ТТЛШ технологии обеспечивают МП самое высокое быстродействие, но микропроцессорные БИС (МП БИС) при этом отличаются самой низкой плотностью компоновки и вы-соким энергопотреблением. МП на основе И2Л технологии обла-дают усредненными характеристиками. По плотности компоновки они уступают n - МОП, по быстродействию - ЭСЛ и ТТЛШ, а по стоимости - n - МОП и p - МОП МП. Вместе с тем, p - МОП тех-нология обеспечивает МП наиболее низкую стоимость, но его бы-стродействие при этом является также наиболее низким.
В процессе развития микропроцессорных средств, кроме микропроцессорных БИС, были разработаны различные инте-гральные микросхемы, выполняющие различные функции и по-зволяющие в совокупности построить микроЭВМ требуемой структуры. Эти микросхемы совместно с МП БИС образуют мик-ропроцессорный комплект (МПК БИС), который может быть оп-ределен как совокупность конструктивно и электрически совмес-тимых интегральных схем, предназначенных для построения МП, микроЭВМ и других вычислительных устройств с определенным составом и требуемыми технологическими характеристиками.
Основу любого МПК БИС образует базовый комплект инте-гральных микросхем, который предназначен для построения МПС и может состоять из БИС однокристального или из нескольких корпусов многокристального МП. Базовый комплект, как правило, дополняется другими типами интегральных схем, на которых реа-лизуются запоминающие устройства, устройства сопряжения с объектом и различные устройства ввода - вывода. Эти микросхемы в общем случае могут иметь другой номер серии или даже иной тип корпуса.
Минимальный набор микросхем из состава МПК БИС, по-зволяющих построить конкретный тип вычислительного устройст-ва, называется микропроцессорным набором интегральных схем.