Класифікація та базова архітектура мікропроцесорів

 

Центральний процесор – частина апаратного забезпечення комп’ютера або програмованого логічного контролера, що відповідає за виконання арифметичних операцій, заданих програмами операційної системи, і що координує роботу всіх пристроїв комп'ютера.

Сучасні ЦП, виконані у вигляді окремих мікросхем (чіпів), таких, що реалізовують всі особливості, властиві даного роду пристроям, називають мікропроцесорами. З середини 1980-х останні практично витіснили інші види ЦП, унаслідок чого термін став все частіше сприйматися як звичайний синонім слова «мікропроцесор». Проте, це не так: центральні процесорні пристрої деяких суперкомп’ютерів навіть сьогодні є складними комплексами великих (ВІС) і надвеликих (НВІС) інтегральных схем.

Спочатку термін «центральний процесорний пристрій» описував спеціалізований клас призначених для виконання складних комп’ютерних програм. Унаслідок досить точної відповідності цього призначення функціям комп'ютерних процесорів, що існували у той час, він природним чином був перенесений на самі комп'ютери. Початок застосування терміну і його абревіатури по відношенню до комп’ютерних систем було покладено в 60-х роках XX століття. Пристрій, архітектура і реалізація процесорів з тих пір неодноразово змінювалися, проте їх основні функції залишилися тими ж, що і раніше.

Ранні ЦП створювалися у вигляді унікальних складових частин для унікальних, і навіть єдиних у своєму роді, комп'ютерних систем. Пізніше від дорогого способу розробки процесорів, призначених для виконання однієї єдиної або декількох вузькоспеціалізованих програм, виробники комп'ютерів перейшли до серійного виготовлення типових класів багатоцільових процесорних пристроїв. Тенденція до стандартизації комп'ютерних комплектуючих зародилася в епоху бурхливого розвитку напівпровідникових елементів, майнфреймів, а з появою інтегральних схем вона стала ще популярнішою. Створення мікросхем дозволило ще більше збільшити складність ЦП з одночасним зменшенням їх фізичних розмірів.

Стандартизація і мініатюризація процесорів призвели до глибокого проникнення заснованих на них цифрових пристроїв в повсякденне життя людини. Сучасні процесори можна знайти не лише в таких високотехнологічних пристроях, як комп'ютери, але і в мобільних телефонах і навіть в дитячих іграшках. Найчастіше вони представлені мікроконтроллерами, де крім обчислювального пристрою на кристалі розташовані додаткові компоненти (інтерфейси, порти вводу/виводу, таймери, та ін.). Сучасні обчислювальні можливості мікроконтроллера можна порівняти з процесорами персональних ЕОМ десятирічної давності, а частіше навіть значно перевершують їх показники.

 

 

 

 

Завдання управління системою покладається на центральний процесор (ЦП), який пов'язаний з пам'яттю і системою введення-виведення через канали пам'яті і введення-виведення відповідно. ЦП прочитує з пам'яті команди, які утворюють програму і декодує їх. Відповідно до результату декодування команд він здійснює вибірку даних з пам'яті і портів введення, обробляє їх і пересилає назад в пам'ять або порти виводу. Існує також можливість введення-виведення даних з пам'яті на зовнішні пристрої і назад, минувши ЦП (прямий доступ до пам'яті – ПДП).

Кожна складова частина мікропроцесорної системи має достатньо складну внутрішню структуру. З точки зору користувача при виборі мікропроцесора доцільно мати в своєму розпорядженні деякі узагальнені комплексні характеристики можливостей мікропроцесора. Розробник потребує з'ясування і розуміння лише тих компонентів мікропроцесора, які явно відбиваються в програмах і повинні бути враховані при розробці схем і програм функціонування системи. Такі характеристики визначаються поняттям архітектури мікропроцесора.

 

 

Архітектура мікропроцесора – це його логічна організація, що розглядається з точки зору користувача; вона визначає можливості мікропроцесора по апаратній і програмній реалізації функцій, необхідних для побудови мікропроцесорної системи. Поняття архітектури мікропроцесора відображає:

його структуру, тобто сукупність компонентів, що складають мікропроцесор, і зв'язків між ними; для користувача досить обмежитися регістровою моделлю мікропроцесора;

способи представлення і формати даних;

способи звернення до всіх програмно-доступних для користувача елементів структури (адресація до регістрів, елементів постійної і оперативної пам'яті, зовнішніх пристроїв) ;

набір операцій, що виконуються мікропроцесором;

характеристики слів і сигналів, що управляють, виробляються мікропроцесором і що поступають в нього ззовні;

реакцію на зовнішні сигнали (система обробки переривань і тому подібне).

 

 

За способом організації простору пам'яті мікропроцесорної системи розрізняють два основні типи архітектури.

Організація, при якій для зберігання програм і даних використовується один простір пам'яті, називається фон Нейманівською архітектурою. Програми і дані зберігаються в єдиному просторі, і немає ніяких ознак, що вказують на тип інформації в елементі пам'яті. Перевагами такої архітектури є простіша внутрішня структура мікропроцесора і менша кількість сигналів, що управляють.

Отже, розглянемо детальніше етапи циклічного процесу, що відбувається в процесорі за фон Нейманівською архітектурою.

У різній архітектурі і для різних команд можуть бути необхідними додаткові етапи. Наприклад, для арифметичних команд можуть стати потрібними додаткові звернення до пам'яті, під час яких проводиться прочитування операндів і запис результатів. Відмінною особливістю архітектури фон Неймана є те, що інструкції і дані зберігаються в одній і тій же пам'яті.

Етапи циклу виконання:

1. Процесор виставляє число, що зберігається в регістрі лічильника команд на шину адреси, та віддає пам’яті команду читання;

2. Виставлене число є для пам'яті адресою; пам'ять, отримавши адресу і команду читання, виставляє вміст, що зберігається за цією адресою, на