Определение микропроцессора, классификация МП

Стр 1 из 34Следующая ⇒

Микропроцессор (МП) – цифровая интегральная схема, предназначенная для выполнения арифметических и логических операций, обработки информации под управлением программы, выполненная по технологии БИС или СБИС.

Впервые микропроцессоры появились в 70-е годы 20 века в США, причем именно для решения задач управления, и разрядность их составляла 4 бита.

Микропроцессорная система — это система, предназначенная для решения вычислительных задач, задач управления, измерения, контроля, диагностики, основным устройством обработки информации в которой является МП.

В минимальный состав микропроцессорной системы должны входить:

1. арифметическо - логическое устройство (АЛУ);

2. устройство управления;

3. память;

4. устройство ввода/вывода информации.

Мультимикропроцессорная (или многопроцессорная) система — система, которая образуется объединением некоторого количества универсальных или специализированных МП, благодаря чему обеспечивается параллельная обработка информации и распределенное управление.

Микропроцессоры классифицируют по таким признакам: функциональное назначение; количество БИС; разрядность; тип архитектуры.

Классификация МП:

1. По функциональному назначению (рис. 1.1):

- универсальные (с фиксированной разрядностью и неизменной системой команд);

- общего назначения;

- специализированные, которые, в свою очередь, подразделяются на:

- микроконтроллеры (8-, 16- и 32-разрядные МК). В микроконтроллерах, в отличие от МП, присутствует память программ, значительно превышающая память данных;

- цифровые процессоры сигналов (DSP, сигнальные процессоры), которые могут оперировать данными с фиксированной точкой (16, 24 разряда) или данными с плавающей точкой (32 разряда).

Рис.1.1 Классификация современных микропроцессоров

по функциональному признаку

2. По количеству БИС, необходимых для реализации микропроцессора:

- однокристальные;

- секционированные (с наращиваемой разрядностью и системой команд, разрабатываемой для эффективного решения определенного круга задач).

3. По разрядности (определяется разрядностью шины данных):

- 4-разрядные;

- 8-разрядные;

- 16-разрядные;

- 32-разрядные;

- 64-разрядные.

4. По типу архитектуры:

- принстонская или фон Неймана;

- гарвардская.

Микропроцессорный комплект (МПК)

Микропроцессорный комплект (МПК) – это набор интегральных схем, изготовленных на одном технологическом уровне, совместимых по электрическим, информационным и конструктивным параметрам, входящих в состав одной серии и предназначенных для создания микропроцессорных систем.

В типичный состав МПК входят:

- БИС микропроцессора (один или несколько корпусов интегральных схем);

- БИС сопроцессоров;

- БИС оперативных запоминающих устройств (ОЗУ);

- БИС интерфейсов или контроллеров внешних устройств;

- служебные БИС (тактовый генератор, регистры, шинные формирователи, контроллеры шин, арбитры шин).

БИС постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) в состав микропроцессорного комплекта могут входить не всегда.

Разные БИС микропроцессорного комплекта могут выполняться по разным технологиям, например, если последние разработки микропроцессоров реализуются на основе КМОП (CMOS) технологии, то шинные формирователи, которые работают на линии системной магистрали и должны обеспечивать крутые фронты, могут иметь технологию ТТЛШ.

Микропроцессорная система

Микропроцессорная система может быть описана на различных уровнях абстрактного представления.

Существующую микропроцессорную систему можно описать на любом известном уровне представления, но в начальной стадии проектирования ее можно описать только на концептуальном уровне. В процессе разработки системы происходит переход от одного уровня ее представления к другому, более детальному. Каждая абстракция несет в себе только информацию, которая соответствует данному уровню, и не содержит каких-либо сведений относительно более низких уровней. Микропроцессорная система может быть описана, например, на одном из следующих уровней абстрактного представления:

1) «черный ящик»;

2) структурный;

3) программный;

4) логический;

5) схемный.

На уровне «черного ящика» микропроцессорная система описывается внешними спецификациями; перечисляются внешние характеристики.

Структурный уровень создается компонентами микропроцессорной системы: микропроцессорами, запоминающими устройствами, устройствами ввода/вывода, внешними запоминающими устройствами, каналами связи. Микропроцессорная система описывается функциями отдельных устройств и их взаимосвязью, информационными потоками.

Программный уровень разделяется на два подуровня: команд процессора и языковой. Микропроцессорная система интерпретируется как последовательность операторов или команд, вызывающих то или иное действие над некоторой структурой данных.

Логический уровень присущ исключительно дискретным системам. На этом уровне выделяются два подуровня: переключательных схем и регистровых пересылок. Подуровень переключательных схем образуется вентилями и построенными на их основе операторами обработки данных. Переключательные схемы подразделяются на комбинационные и последовательностные; первые, в отличие от последних, не содержат запоминающих элементов. Поведение системы на этом уровне описывается алгеброй логики, моделью конечного автомата, входными/выходными последовательностями «1» и «0». Комбинационные схемы представляются таблицей истинности, в которой каждому входному набору значений сигналов ставится в соответствие набор значений сигналов на выходах. Последовательностные схемы могут описываться диаграммами или таблицами входов/выходов, в которых определены взаимно однозначные соответствия между входами схемы, внутренними состояниями (комбинациями значений элементов памяти) и выходами. Подуровень регистровых пересылок характеризуется более высокой степенью абстрагирования и представляет собой описание регистров и передачу данных между ними. Он включает в себя две части: информационную и управляющую. Информационная часть образуется регистрами, операторами и путями передачи данных. Управляющая часть определяет зависящие от времени сигналы, инициирующие пересылку данных между регистрами.

Сxемный уровень образуется резисторами и конденсаторами. Показателями поведения системы на этом уровне служат напряжение и ток, представляемые в функции времени или частоты. Этот уровень описания дискретной системы широко используется в описаниях аналоговых систем и не является ни самым низшим из возможных, ни достаточным для полной характеристики системы.

Рис. 1.2 Типовая структура микропроцессорной системы

В состав МП системы входят:

1) АЛУ (арифметически-логическое устройство)

2) УУ (устройство управления)

3) РЗУ (регистровое запоминающее устройство)

4) ОЗУ (оперативное запоминающее устройство)

5) Интерфейсные устройства (устройства сопряжения), предназначенные для подключения внешних устройств.

6) Контроллеры прямого доступа и прерывания

Линия, шина, магистраль

Линия – элемент системы, предназначенный для передачи сигнала. Физически это может быть дорожка печатной платы, провод, оптоволокно.

Шина - группа линий, близких по функциональному назначению.

Вся совокупность линий называется магистралью (либо системной шиной, системной магистралью).

Могут выделяться шины:

- Шина данных (ШД)

- Шина адреса (ША)

- Шина управления (ШУ)

- Шина сигналов состояния

- Шина команд настройки

Конструктивно шина представляет собой n проводников и один общий проводник (земля). Данные по шине передаются в виде слов, которые являются группами бит.

В параллельной шине п бит информации передаются по отдельным линиям одновременно, в последовательной шине — по одной линии последовательно во времени. Параллельные шины выполняют в виде плоского кабеля, а последовательные — в виде коаксиального или волоконно-оптического кабеля. Коаксиальный кабель используют при передаче данных на расстояние до 100 метров, согласовывая передающие и приемные каскады с волновым сопротивлением линии. Волоконно-оптический кабель используют для передачи на большие расстояния.

Все основные блоки МПС соединены с единой параллельной шиной, которая называется системной шиной SB (System Bus). Системная шина обычно содержит три шины: адреса, данных и управления.

Типы магистралей

Мультиплексированными называют шину и магистраль, если на одних и тех же линиях в разные интервалы времени присутствует различная информация: адрес и данные.

Основным достоинством мультиплексированной шины является уменьшение числа линий шины.

Примером мультиплексированной магистрали может служить магистраль VME, которая применяется в изделиях военного и аэрокосмического назначения.

Основными недостатками мультиплексированной шины являются:

- Увеличение количества линий управления.

- Усложнение интерфейсных блоков.

- Снижение быстродействия.

Соответственно, в системе оказываются либо 2 шины, либо 3. Получаются системы с 2-шинной (общая шина данных и адреса, мультиплексированная) или 3-шинной организацией (ША, ШД, ШУ).

Два и более процесса называются синхронными, если их длительность ограничивается некоторым интервалом времени, а смена состояний этих процессов взаимонезависима.

Процессы называются асинхронными, если смена состояний одного процесса приводит к смене состояний другого процесса, то есть можно говорить об отношении предшествования одного процесса другому.

В таком случае смена состояний взаимозависима, а на длительность процессов не накладывается слишком жестких ограничений.

В асинхронных магистралях обязательно должен присутствовать сигнал обратной связи.

Магистрали бывают:

- синхронными;

- асинхронными;

- синхронно-асинхронными.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒