Презентация к уроку Подготовил учитель информатики Габриков А. А. Микропроцессоры МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА 7 г. ИРКУТСКА ИРКУТСК 2011

Понятие о микропроцессоре Микропроцессор – функциональный блок микросхемотехники, выполненный, как правило, на одной СБИС и предназначенный для цифровой обработки информации и управления ходом этой обработки на основе кодов команд программы, считываемых из запоминающих устройств.

Из истории создания Первые микропроцессоры появились в 1970-х и применялись в электронных калькуляторах. 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 создать первые бытовые микрокомпьютеры.

Микропроцессор характеризуется: 1) тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ; 2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов. Разрядностть МП обозначается m/n/k/ и включает: m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров; n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации; k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20 3) архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Основные характеристики микропроцессора

Микропроцессор выполняет следующие функции: - выборку команд программы из основной памяти; - дешифрацию команд; - выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах; - управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода; - отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств; - управление и координацию работы основных узлов МП. Назначение микропроцессора

Функциональная классификация микропроцессоров

Микропроцессоры с аппаратным принципом управления характеризуются фиксированной разрядностью шин адреса и данных и неизменяемой системой команд. Последняя характеристика подразумевает, что набор возможных элементарных действий процессора образует конечное фиксированное множество, причем каждому действию соответствует конкретный управляющий код – код команды. Указанное свойство определяется тем, что в состав процессора входит блок дешифрации команд, функционирующий по жесткой аппаратной логике.

Микропроцессорный комплект (МПК) - набор СБИС и БИС с общими конструктивно-технологическими принципами и электрическими характеристиками (уровни сигналов, быстродействие), предназначенных для построения функционально полнофункциональной микропроцессорной системы (МПС) для задач вычислений или управления. В состав МПК входят собственно центральный процессор (ЦП), или микропроцессор, арифметический сопроцессор - средство эффективной реализации вычислительных действий под управлением ЦП, а также контроллеры периферийных функций с программной настройкой режимов: порты параллельной и последовательной связи, таймеры - средства реализации временных интервалов, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти.Микросхемы ПЗУ и ОЗУ не входят в состав МПК и образуют самостоятельные функциональные группы. Функциональная классификация микропроцессоров

Универсальные микропроцессоры ориентированы на использование в различных вычислительных, информационных и управляющих системах, в которых требуется обработка больших объемов информации (например, для цифровой обработки изображений, управления базами данных, визуализации данных оператору или экипажу), но нет специальных требований к архитектуре вычислителя, большому количеству средств УСО (устройства связи с объектом), габаритным размерам и энергопотреблению. Универсальность микропроцессора подразумевает как широкую сферу использования, так и типовую структуру вычислительной системы. Функциональная классификация микропроцессоров ГТИ – генератор тактовой частоты

Однокристальный микроконтроллер (МК)представляет собой микропроцессорную систему, реализованную на одном кристалле СБИС. Типичная архитектура МК включает в себя собственно процессор, генератор тактовых импульсов (ГТИ), блоки памяти (ОЗУ и ПЗУ), порты ввода-вывода, таймеры, контроллер прерываний. Функциональные возможности этих блоков ниже, чем у соответствующих специализированных БИС из МПК. Основными достоинствами МК являются конструктивное и схемотехническое единство всех блоков, общий электрический интерфейс, удобство программной настройки режимов работы всех подсистем. Благодаря этому микроконтроллеры являются популярным средством для построения встраиваемых цифровых управляющих систем. Функциональная классификация микропроцессоров

МК для задач логического управления - логические процессоры- имеют специальные аппаратные расширения (память с битовой адресацией, порты с индивидуальной настройкой каждой линии) и расширенный набор команд логической обработки данных. В современных разработках широкое применение нашли МК серии К1816 (аналог Intel MCS-51), а также AVR - и PIC- контроллеры. Существуют также многочисленные расширения стандартного MCS-51 – с повышенным быстродействием, увеличенными объемами памяти и набором функций.

Аналоговые процессоры для обработки сигналов – включают в себя, кроме типовых блоков МК, включают в себя многоканальные АЦП и ЦАП, блоки формирования управляющих импульсов (например, ШИМ- импульсов). Такой процессор представляет собой интегрированную систему обработки аналоговой информации в цифровом виде. Еще одна разновидность МК – конвейерные сигнальные процессоры, содержащие конвейеры для реализации алгоритмов цифровой фильтрации данных и обработки изображений. Такие алгоритмы состоят из последовательности операций умножения и суммирования. Конвейер представляет собой набор однотипных блоков для выполнения операций умножения-суммирования, включенных последовательно друг за другом. Таким образом, результат выполнения операции в одном блоке автоматически является входными данными для следующего блока. Применение конвейерной обработки позволяет выдавать на каждом такте работы системы очередной результат вычислений. Функциональная классификация микропроцессоров ШИМ – широтно-импульсная модуляция

Пример простейшей структуры сигнального процессора показан на рисунке. Особенность микропроцессора данного типа состоит в том, что в его состав входит блок аппаратного умножения (MUL), который совместно с арифметико-логическим устройством (ALU) и сдвигающими регистрами (SHIFTER) образует блок для эффективной реализации вычислений по алгоритмам цифровой фильтрации данных. Функциональная классификация микропроцессоров

МП с микропрограммным принципом управления конструктивно выполняют в виде секций БИС малой разрядности, имеющих средства для наращивания разрядности обрабатываемых данных. Для подобных МП в принципе отсутствует понятие системы команд. Действия процессора на тот или иной управляющий код (считанный из памяти код команды) определяются программистом путем настройки специального блока или БИС - блока микропрограммного управления. Таким образом, разработчики системы могут сформировать систему команд, ориентированную на эффективное решение определенного круга задач. Существенным недостатком подобных систем является громоздкость аппаратных модулей на их основе, а также необходимость написания программного обеспечения буквально в машинных кодах, что затрудняет разработку. Функциональная классификация микропроцессоров

Процессор – это функциональный блок вычислительного устройства, предназначенный для реализации обработки цифровых данных и управления ходом этой обработки. Указанные действия выполняются процессором по командам, которые он автоматически считывает из памяти вычислителя. В обобщенном виде функционирование процессора может быть представлено как циклическое чередование двух этапов – (1) выборки (чтения) команд из памяти и их дешифрации, и (2) выполнения команд. Выборка (чтение) команд является автоматическим процессом, происходящим под воздействием импульсов от генератора тактовых импульсов (ГТИ), и не зависит от программиста в смысле механизма реализации, который жестко определяется аппаратной структурой процессора. Дешифрация команды представляет собой процесс формирования последовательности управляющих сигналов для всех узлов процессора и других блоков вычислителя на основе информации (т.е. кода), содержащегося в команде. Обобщенная структура микропроцессора

Действия, выполняемые в соответствии с командой, могут представлять собой арифметическую или логическую обработку данных, пересылку данных, формирование адреса следующей команды или изменение режимов работы процессора. В любом случае эти действия определяются программистом в рамках имеющейся в его распоряжении системы команд конкретного процессора. После выполнения действий, задаваемых командой, процессор автоматически переходит к выборке следующей команды из памяти. Современные микропроцессоры существенно различаются набором функциональных блоков и связями между ними. Тем не менее, в структуре любого процессора можно выделить основные элементы, определяющие специфику процессора как управляющего центра вычислителя. Прежде всего, речь идет о двух блоках: устройстве управления и операционном устройстве. Обобщенная структура микропроцессора

Устройство управления (УУ) предназначено для реализации выборки команд, их дешифрации, и на основе этого – для управления обменом и обработкой информации путем генерации последовательности управляющих сигналов. Операционное устройство (ОУ) служит для обработки цифровой информации (арифметические и логические операции, сдвиги, анализ чисел и т.п.). Обобщенная структура микропроцессора

Основным элементом для хранения информации внутри процессора являются регистры, которые выполняют функцию сверхоперативного ОЗУ с минимальным временем записи и считывания. Регистр команд РгК (англ. IR - insructionregister) используется для фиксации кода команды после считывания ее из памяти. Как правило, в этом регистре фиксируется лишь код операции (КОП) - часть кода команды, определяющая выполняемое действие и способ адресации операндов (см. ниже). Регистры операндов служат для хранения данных в процессе их обработки, позволяют избегать постоянных обращений к памяти. В современных процессорах количество регистров операндов может достигать штук. По сути, они образуют внутреннюю память процессора. Обобщенная структура микропроцессора

В однокристальных микроконтроллерах количество регистров операндов доведено до нескольких десятков, и применительно к ним вводится понятие регистрового файла. Некоторые из регистров операндов могут использоваться также для хранения или формирования адресов других операндов, т.е. на их основе реализуется механизм косвенной адресации данных в памяти (см. ниже). Данные, размещенные в регистрах операндов, поступают на обработку в арифметико- логическое устройство (АЛУ). В некоторых типах процессоров один из регистров операндов всегда является и приемником результата операции в АЛУ – такой регистр принято называть регистром-аккумулятором Процессоры, в которых принята схема выполнения операций в виде: (операция) Þ, называются процессорами с аккумуляторно-ориентированной структурой. Обобщенная структура микропроцессора

Счетчик команд (англ. PC - programmingcounter) – регистр, в котором при выборке или выполнении текущей команды формируется адрес следующей команды. Модификация содержимого регистра PC – это средство управления последовательностью выборки команд из памяти и, следовательно, управления ходом вычислительного процесса (т.е. реализация ветвлений в алгоритмах). Указатель стека (англ. SP - stackpointer ) – регистр, в котором при выполнении программы хранится адрес границы той области памяти, для которой программист использует принцип последовательного доступа к данным (так называемый протокол работы со стеком). Регистр адреса – регистр, в котором формируется адрес любого устройства, внешнего по отношению к процессору (ячейки памяти или порта ввода-вывода), перед обращением к этому устройству. Данный регистр необходим, поскольку источником адресной информации могут являться различные регистры процессора. При этом регистр адреса играет роль накапливающего буфера, из которого адресная информация выдается на внешнюю шину адреса. Обобщенная структура микропроцессора

Регистр признаков (англ. F - flags) – это элемент внутренней памяти, в котором в виде отдельных битов фиксируются признаки, характеризующие результат операции, выполненной в АЛУ (нулевой результат, переполнение разрядной сетки и т.п.). Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – функциональный блок процессора, предназначенный для реализации действий по обработке данных. Результат операции, выполненной в АЛУ, заносится в один из регистров или пересылается в память (в зависимости от команды). В регистре признаков автоматически формируются признаки, характеризующие этот результат. Обобщенная структура микропроцессора

Функционирование процессора всегда синхронизируется от внешнего генератора тактовых импульсов (ГТИ). Именно под влиянием импульсов от ГТИ устройство управления процессора автоматически реализует действия, связанные с выборкой команд из памяти и их дешифрацией. Выполнение команды всегда занимает некоторое количество периодов тактовой частоты и состоит из последовательности элементарных действий процессора (выборка команды, чтение операнда, вычисление в АЛУ). Эти элементарные действия называют машинными циклами (МЦ). В течение каждого МЦ происходит генерация строго определенной комбинации управляющих сигналов для соответствующих узлов процессора и всей вычислительной системы. Обобщенная структура микропроцессора

Многоядерный процессор центральный процессор, содержащий два и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе. Многоядерные процессоры можно классифицировать по наличию поддержки когерентности кешей между ядрами. Бывают процессоры с такой поддержкой и без нее. Способ связи между ядрами: Разделяемая шина, Сеть (Mesh) на каналах точка-точка, сеть с коммутатором, Общие кеши. Кэш или кеш – промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Многоядерные процессоры

Во всех существующих на сегодняшний день многоядерных процессорах кэш-память первого уровня у каждого ядра своя, а кэш 2-го уровня существует в нескольких вариантах: разделяемый кэш расположен на одном кристалле с ядрами и доступен каждому из них в полном объёме. Используется в процессорах семейств Intel Core. индивидуальный отдельные кэши равного объёма, интегрированные в каждое из ядер. Обмен данными из кэшей L2 между ядрами осуществляется через контроллер памяти интегрированный (Athlon 64 X2, Turion X2, Phenom) или внешний (использовался в Pentium D, в настоящее время Intel отказалась от использования такого подхода). Многоядерные процессоры

1. SMP-системы (Symmetrical Multi Processor systems). В подобной системе все процессоры имеют совершенно равноправный доступ к общей оперативной памяти. Создавать подобные системы крайне трудно: 2-4 процессора – практический предел для стоящих разумные деньги SMP-систем. Типы многопроцессорных систем

2. NUMA-системы (Non- Uniform Memory Access systems). Память становится «неоднородной»: одна её часть работает«быстрее», другая – «медленнее». В системе при этом образуются своеобразные «островки» со своей, быстрой «локальной» оперативной памятью, соединенные относительно медленными линиями связи. Типы многопроцессорных систем

3. Кластеры. Берется некоторое количество «почти самостоятельных» компьютеров (узлы кластера или «ноды») и они объединяются быстродействующими линиями связи. «Общей памяти» здесь может и не быть вообще. Типы многопроцессорных систем

1. Независимые процессорные ядра, каждое со своей кэш- памятью, расположены на одном кристалле и просто используют общую системную шину. Это – 90- нанометровый Pentium D на ядре Smithfield. 2. Похожий вариант – когда несколько одинаковых ядер расположены на разных кристаллах, но объединены вместе с одном корпусе процессора (многочиповый процессор). Таким будет 65-нанометровое поколение процессоров семейств Pentium и Xeon на ядрах Presler и Dempsey. 3. Наконец, ядра могут быть тесно переплетены между собой на одном кристалле и использовать некоторые общие ресурсы кристалла (скажем, шину и кэш-память). Таким является ближайший Itanium на ядре Montecito. Мультиядерность процессоров

Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel, AMD и IBM. Большинство процессоров, используемых в настоящее время, являются Intel- совместимыми, то есть имеют набор инструкций и интерфейсы программирования, используемые в процессорах компании Intel ,9 %13,1 %8,0 % ,4 %19,3 %0,3 % ,7 %20,1 %0,2 % ,8%18,9%0,3% Производители микропроцессоров

roc/ roc/ htmlhttp://dfe3300.karelia.ru/koi/posob/microcpu/arch. html Источники информации: