Мікропроцесори та властивості

Мікропроцесор — інтегральна схема, яка виконує функції центрального процесора (ЦП) або спеціалізованого процесора. Сьогодні слово мікропроцесор є практично повним синонімом слова процесор, оскільки функціональний блок, що на ранніх стадіях розвитку обчислювальної техніки займали цілу плату чи навіть шафу, тепер вміщається в одну невеличку інтегральну схему із сотнями мільйонів транзисторів всередині. З середини 1980;х мікропроцесори витіснили інші види ЦП. Проте загалом це не так: центральні процесорні пристрої деякихсуперкомп’ютерів навіть сьогодні є складними комплексами великих (ВІС) і надвеликих (НВІС) інтегральних схем.

Структура мікропроцесора

Архітектура типової невеликої обчислювальної системи на основі мікро ЭВМ. Мікро ЭВМ містить усі 5 основних блоків цифрової машини: пристрій введення інформації, керуючий пристрій (КП), арифметико-логічний пристрій (АЛП) (що входять до складу мікропроцесора), що запам’ятовують пристрої (ЗП) і пристрій висновку інформації.

Мікропроцесор координує роботу всіх пристроїв цифрової системи за допомогою шини керування (ШК). Крім ШК мається 16-розрядна адресна шина (ША), що служить для вибору визначеної комірки пам’яті, порту введення або порту висновку. По 8-розрядній інформаційній шині або шині даних (ШД) здійснюється двонаправлене пересилання даних до мікропроцесора і від мікропроцесора. Важливо відзначити, що МП може посилати інформацію в пам’ять мікроэвм або до одному з портів висновку, а також одержувати інформацію з пам’яті або від одного з портів уведення.

Постійний запам’ятовуючий пристрій (ПЗП) у мікроэвм містить деяку програму (на практиці програму ініціалізації ЕОМ). Програми можуть бути завантажені в запам’ятовуючий пристрій з довільною вибіркою (ЗУПВ) і з зовнішнього запам’ятовуючого пристрою (ЗЗП). Це програми користувача.

У більшості мікропроцесорних систем (МШС) передача інформації здійснюється способом, аналогічним розглянутому вище. Найбільш істотні розходження можливі в блоках введення і висновку інформації.

Підкреслимо ще раз, що саме мікропроцесор є ядром системи і здійснює керування всіма операціями. Його робота представляє послідовну реалізацію мікропроцедур вибірки-дешифрації-виконання. Однак фактична послідовність операцій у МШС визначається командами, записаними в пам’яті програм. обчислювальний програмний забезпечення мікропроцесор Таким чином, у МШС мікропроцесор виконує наступні функції: — вибірку команд програми з основної пам’яті; - дешифрацію команд; - виконання арифметичних, логічних і інших операцій, закодованих у командах; - керування пересиланням інформації між регістрами й основною пам’яттю, між пристроями введення/висновку; - відпрацьовування сигналів від пристроїв уведення/висновку, у тому числі реалізацію переривань з цих пристроїв; - керування і координацію роботи основних вузлів МП.

Логічна структура мікропроцесора, тобто конфігурація складовий мікропроцесор логічних схем і зв’язків між ними, визначається функціональним призначенням. Саме структура задає склад логічних блоків мікропроцесора і те, як ці блоки повинні бути зв’язані між собою, щоб цілком відповідати архітектурним вимогам. Спрацьовування електронних блоків мікропроцесора у визначеній послідовності приводить до виконання заданих архітектурою мікропроцесора функцій, тобто до реалізації обчислювальних алгоритмів. Ті самі функції можна виконати в мікропроцесорах зі структурою, що відрізняється набором, кількістю і порядком спрацьовування логічних блоків. Різні структури мікропроцесорів, як правило, забезпечують їхні різні можливості, у тому числі і різній швидкості обробки даних.

Загальна логічна структура мікропроцесора: I — керуюча частина, II — операційна частина; БУПК — блок керування послідовністю команд; Бквоп — блок керування виконанням операцій; БКФКА — блок керування формуванням кодів адрес; БКВП — блок керування віртуальною пам’яттю; БЗП — блок захисту пам’яті; Бкпрпр — блок керування перериванням роботи процесора; БКВВ — блок керування введенням/висновком; Рззп — реєстрове зверхоперативний запам’ятовуючий пристрій; АЛБ — арифметико-логічний блок; БДА — блок додаткової арифметики; БС — блок синхронізації.

При проектуванні логічної структури мікропроцесорів необхідно розглянути: 1) номенклатуру електронних блоків, необхідної і достатню для реалізації архітектурних вимог; 2) способи і засоби реалізації зв’язків між електронними блоками; 3) методи добору якщо не оптимальних, те найбільш раціональних варіантів логічних структур з можливого числа структур зі складом блоків, що відрізняється, і конфігурацією зв’язків між ними.

При проектуванні мікропроцесора приводяться у відповідність внутрішня складність кристала і кількість висновків корпуса. Відносний ріст числа елементів у міру розвитку мікроелектронної технології в багато разів перевищує відносне збільшення числа висновків корпуса, тому проектування БІС у виді кінцевого автомата, а не у виді набору схем, що реалізують деякий набір логічних перемикальних функцій і схем пам’яті, дає можливість одержати функціонально закінчені блоки і пристрої ЕОМ.

Використання мікропроцесорних комплектів БІС дозволяє створити мікроэвм для широких областей застосування внаслідок програмної адаптації мікропроцесора до конкретної області застосування: змінюючи програму роботи мікропроцесора, змінюють функції інформаційно-керуючої системи. Тому за рахунок складання програми роботи мікропроцесорів у конкретних умовах роботи визначеної системи можна одержати оптимальні характеристики останньої.

Якщо рівень тільки програмної «настроювання» мікропроцесорів не дозволить одержати ефективну систему, доступний наступний рівень проектування — мікропрограмний. За рахунок зміни вмісту ПЗП або програмувальної логічної матриці (ПЛМ) можна «настроїтися» на більш специфічні риси системи обробки інформації. У цьому випадку частково за рахунок зміни мікропрограм зачіпається апаратний рівень системи. Техніко-економічні наслідки тут зв’язані лише з обмеженим втручанням у технологію виготовлення керуючих блоків мікроэвм.

Зміна апаратного рівня інформаційно-керуючої мікропроцесорної системи, що включає в себе функціональні БІС комплекту, одночасно з конкретизацією мікропрограмного і програмного рівнів дозволяє щонайкраще задовольнити вимогам, пропонованим до системи.

Рішення задач керування в конкретній системі чисто апаратними засобами (апаратна логіка) дає виграш у швидкодії, однак приводить до складностей при модифікації системи. Мікропроцесорне рішення (програмна логіка) є більш повільним, але більш гнучким рішенням, що дозволяє розвивати і модифікувати систему. Зміна технічних вимог до інформаційно-керуючої мікропроцесорної системи веде лише до необхідності перепрограмування роботи мікропроцесора. Саме ця якість забезпечує високу логічну гнучкість мікропроцесорів, визначає можливість їхнього широкого використання, а значить і багатосерійного виробництва виробництва.