Тема 3.3. Класифікація і основні характеристики мікропроцесорів

 

План

1. Класифікація мікропроцесорів.

2. Основні характеристики МП.

3. Охолодження мікропроцесора.

 

Мікропроцесором у кібернетиці називають програмно-керований пристрій обробки інформації, виконаний на одній великій інтегральній мікросхемі (ВІС) або на певному наборі ВІС. З точки зору теорії цифрових пристроїв, МП – це найбільш складний на сьогоднішній день багатофункціональний цифровий пристрій, який вміщує як послідовні так і комбінаційні вузли.

 

1. Класифікація мікропроцесорів

1. За функціональним призначенням розрізняють універсальні і спеціалізовані мікропроцесори.

Універсальні МП мають алгоритмічно універсальний набір команд, за допомогою якого можна здійснювати перетворення інформації відповідно до будь-якого заданого алгоритму. Продуктивність (швидкодія) таких процесорів практично не залежить від специфіки розв'язуваних задач.

Спеціалізовані МП призначені для рішення обмеженого і строго визначеного кола задач, іноді навіть для рішення однієї конкретної задачі. До спеціалізованих МП належать: сигнальні; медійні та мультимедійні; трансп’ютери; мікроконтролери.

Сигнальні процесори (процесори цифрових сигналів) призначені для цифрової обробки сигналів у реальному масштабі часу.

Медійні та мультимедійні процесори призначені для обробки аудіо сигналів, графічної інформації, відеозображень, а також для розв’язування ряду задач у мультимедіакомп’ютерах, ігрових приставках, побутовій техніці.

Трансп’ютери призначені для масових паралельних обчислень і роботи у мультипроцесорних системах. Для них характерним є наявність внутрішньої пам’яті та вбудованого міжпроцесорного інтерфейсу, тобто каналів зв’язку з іншими МП.

Серед спеціалізованих мікропроцесорів також можна виділити мікроконтролери – МП, призначені для рішення задач керування будь-якими процесами або пристроями.

 

Рис. 39. Класифікація МП за функціональним призначенням.

 

На допомогу центральному процесорові в комп'ютер іноді вводять співпроцесори, орієнтовані на ефективне виконання будь-яких специфічних функцій. Раніше широко були поширені математичні співпроцесори, що обробляють числові дані у форматі з плаваючою комою; графічні співпроцесори, що виконують геометричні побудови й обробку графічних зображень; співпроцесори введення-виведення, що розвантажують центральний процесор від нескладних, але численних операцій взаємодії з зовнішніми пристроями. Можливі й інші співпроцесори, однак усі вони несамостійні – виконання основного обчислювального процесу здійснюється центральним процесором, що відповідно до програми видає «завдання» співпроцесорам на виконання їхніх допоміжних функцій.

2. За кількістю великих інтегральних схем, що використовується для побудови функціонально повного мікропроцесора, розрізняють однокристальні, багатокристальні і багатокристальні секційні мікропроцесори.

Однокристальні МП реалізуються у вигляді одної ВІС. Логічна структура багатокристального МП розбивається на складні функціональні вузли, кожен з яких реалізується у вигляді окремої ВІС.

Однокристальні МП можуть бути одноядерними та багатоядерними. Багатоядерний процесор має декілька обчислювальних пристроїв, розташованих на одному кристалі, які можуть працювати паралельно та мають загальні кола вводу-виводу.

Багатокристальні секційні (розрядно-модульні) МП використовуються для побудови багаторозрядних МП на основі паралельно включених мікропроцесорних секцій. Мікропроцесорна секція являє собою ВІС для обробки декількох розрядів даних (від 2 до 16), що може використовуватися як самостійно, так і як модуль для побудови МП, що обробляє більш довгі кодові слова.

3. За розрядністю оброблюваних кодових слів даних МП можуть бути з фіксованою або нарощуваною розрядністю слів.

Процесорами з нарощуваною розрядністю кодів слів є тільки багатокристальні секційні МП, всі інші МП обробляють слова фіксованої розрядності.

4. За способом керування обчислювальним процесом розрізняють МП із мікропрограмним і з апаратним керуванням.

Мікропроцесори із апаратним керуванням мають фіксований набір команд, розроблений фірмою-виробником, який не може змінювати користувач. У МП з мікропрограмним керуванням систему команд розробляють при проектуванні конкретного мікропроцесорного комплекту на базі набору найпростіших мікрокоманд з урахуванням класу задач, для яких призначений мікропроцесорний комплект.

Взагалі мікропроцесорним комплектом називають сукупність інтегральних схем, сумісних за електронними, інформаційними та конструктивними параметрами і призначених для побудови електронно-обчислювальної апаратури та мікропроцесорних систем керування.

5. За типом архітектури, або принципом побудови розрізняють МП з фон нейманівською архітектурою та МП з гарвардською архітектурою.

Архітектура фон Неймана — архітектура електронних обчислювальних машин, основною відмінністю якої від інших подібних архітектур є спільне зберігання даних та машинних команд в комірках однієї й тієї ж пам'яті, що унеможливлює їх розрізнення за способом представлення або кодування. Названа так на честь відомого математика та теоретика обчислювальної техніки Джона фон Неймана (John von Neumann), та на сьогодні залишається домінуючою схемою організації ПК загального призначення.

Гарвардська архітектура — архітектура обчислювальних машин, головною відмінністю якої від інших подібних архітектур є те, що дані та оператори (алгоритм) зберігаються окремо. Першим комп'ютером, який застосовував гарвардську архітектуру, був MarkI, який експлуатувався в Гарварді (звідки назва архітектури) та зберігав дані окремо на перфокартах, а команди в релейному запам'ятовуючому пристрої.

Така структура має одну важливу перевагу над архітектурою фон Неймана: дані можна завантажувати для обробки з запам'ятовувального пристрою одночасно з командами. У фон-нейманівській архітектурі для зв'язку операційного та керувального пристроїв (які разом складають центральний процесор), використовується одна шина, тому необхідно спочатку завантажити в процесор команду, а вже потім, звернувшись за адресою і завантажити дані. Наявність в гарвардській архітектурі двох незалежних підсистем пам'яті з окремими шинами, дозволяє вести процес завантаження команд і даних практично паралельно.

Головним недоліком гарвардської архітектури є порівняна з фон-нейманівською складність реалізації. Адже для кожного з запам'ятовуючих пристроїв необхідний свій контролер, своя шина, що зі збільшенням розрядності призводить до зростання кількості з'єднань в системі, і це негативно впливає як на складність проектування, так і на швидкодію.

Гарвардська архітектура широко застосовується в спеціалізованих обчислювачах, зокрема в мікроконтролерах та цифрових сигнальних процесорах, де необхідний високоінтенсивний обмін даними. Також за гарвардською архітектурою зазвичай організується кеш-пам'ять в комп’ютерах загального призначення, яка розділяється окремо на кеш-пам'ять команд та кеш-пам'ять даних (але це стосується внутрішньої організації процесора, а не архітектури комп’ютера).