Лекции по МП. Что такое микропроцессор
 Скачать 436.56 Kb.
|
1 2 Что такое микропроцессор Микропроцессор (MPU) содержит функционал компьютерного центрального процессора, или ЦП (CPU) на одном полупроводниковом кристалле. По своей сути – это микрокомпьютер, который используется для выполнения арифметических и логических операций, управления системами, хранения данных и прочих. Микропроцессор обрабатывает данные, поступающие с входных периферийных устройств и передает обработанные данные на выходные периферийные устройства. Существует четыре основных типа процессоров, различающихся своей архитектурой: Микропроцессоры с полным набором команд (Complex Instruction Set Computer, CISC-архитектура). Характеризуются нефиксированным значением длины команды, кодированием арифметических действий одной командой, небольшим числом регистров, выполняющих строго определённые функции. Примером такого типа процессоров служит семейство x86. Микропроцессоры с сокращенным набором команд (Reduced Instruction Set Computer, RISC-архитектура). Обладают, как правило, повышенным быстродействием за счёт упрощения инструкций, что позволяет упростить процесс декодирования и, соответственно, сократить время их выполнения. Большинство графических процессоров разрабатываются, используя этот тип архитектуры. Микропроцессоры с минимальным набором команд (Minimal Instruction Set Computer, MISC-архитектура). В отличие от RISC-архитектуры, в них используются длинные командные слова, что позволяет выполнять достаточно сложные действия за один цикл работы устройства. Формирование длинных «командных слов» стало возможным благодаря увеличению разрядности микропроцессорных устройств. В суперскалярных процессорах (Superscalar Processors) используются несколько декодеров команд, которые загружают работой множество исполнительных блоков. Планирование исполнения потока команд происходит динамически и осуществляется самим вычислительным ядром. Микропроцессоры специального назначения (ASIC – Application Specific Integrated Circuit). Как следует из названия, предназначены для решения конкретной задачи. В отличие от микропроцессоров общего назначения, применяются в конкретном устройстве и выполняют определенные функции, характерные только для данного устройства. Специализация на выполнении узкого класса функций приводит к увеличению скорости работы устройства и, как правило, позволяет снизить стоимость такой интегральной схемы.  Микропроцессорная система  Микроконтроллер Микроконтроллер не что иное, как микропроцессорная система со всеми опорными устройствами, интегрированными в одном чипе. Если вы хотите создать устройство, взаимодействующее с внешней памятью или блоком ЦАП/АЦП, вам нужно только подключить соответствующий источник питания постоянного напряжения, цепь сброса и кристалл кварца (источник тактовой частоты). Их просто проблематично интегрировать в полупроводниковый кристалл. Ядро микроконтроллера (центральный процессор), как правило строится на основе RISC-архитектуры. Программа, записанная в память микроконтроллера может быть защищена от возможности ее последующего чтения/записи, что обеспечивает защиту от ее несанкционированного использования. Микропроцессор выполняет следующие основные функции: – чтение и дешифрацию команд из основной памяти; – чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств; – прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств; – обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств; – выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера. Цикл выполнения команды – это последовательность действий, которая совершается процессором при выполнении одной машинной команды. При выполнении каждой машинной команды процессор должен выполнить как минимум три действия: выборку, декодирование и выполнение. Если в команде используется операнд, расположенный в оперативной памяти, то процессору придётся выполнить ещё две операции: выборку операнда из памяти и запись результата в память. Ниже описаны эти пять операций. Выборка команды. Блок управления извлекает команду из памяти (из очереди команд), копирует её во внутреннюю память процессора и увеличивает значение счётчика команд на длину этой команды (разные команды могут иметь разный размер). Декодирование команды. Блок управления определяет тип выполняемой команды, пересылает указанные в ней операнды в АЛУ и генерирует электрические сигналы управления АЛУ, которые соответствуют типу выполняемой операции. Выборка операндов. Если в команде используется операнд, расположенный в оперативной памяти, то блок управления начинает операцию по его выборке из памяти. Выполнение команды. АЛУ выполняет указанную в команде операцию, сохраняет полученный результат в заданном месте и обновляет состояние флагов, по значению которых программа может судить о результате выполнения команды. Запись результата в память. Если результат выполнения команды должен быть сохранён в памяти, блок управления начинает операцию сохранения данных в памяти. Суммируем полученные знания и составим цикл выполнения команды: Выбрать из очереди команд команду, на которую указывает счётчик команд. Определить адрес следующей команды в очереди команд и записать адрес следующей команды в счётчик команд. Декодировать команду. Если в команде есть операнды, находящиеся в памяти, то выбрать операнды. Выполнить команду и установить флаги. Записать результат в память (по необходимости). Начать выполнение следующей команды с п.1. Это упрощённый цикл выполнения команды. К тому же действия могут отличаться в зависимости от процессора. Однако это даёт общее представление о том, как процессор выполняет одну машинную команду, а значит и программу в целом. Важнейшими характеристиками микропроцессора являются: тактовая частота. Характеризует быстродействие компьютера. Режим работы процессора задается микросхемой, называемой генератором тактовых импульсов. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций выполняет микропроцессор за одну секунду. Тактовая частота измеряется в МГц; разрядность процессора – это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция. Чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может обрабатывать в единицу времени и тем больше, при прочих равных условиях, производительность компьютера;
Сигнал – это некий специальный код, передаваемый в пространство одной или несколькими системами. В области передачи информации сигналом считают носитель данных, который применяется для передачи некоторых сообщений. Измерительный радиотехнический сигнал – это электрическое напряжение или ток, изменяющиеся во времени, с заранее известными характеристиками, используемые для измерения характеристик радиотехнических цепей и их контроля. Наиболее распространённые классификации сигналов известны из курса физики. Представим их в виде схемы на рисунке 6.  Рисунок 6 – Схема классификаций сигналов Обработка сигнала осуществляется для передачи и получения информации, зашифрованной (закодированной) в нём. Данные могут быть использованы только после извлечения, например, форматирования, сжатия, восстановления или передачи. При работе с дискретными, цифровыми и аналоговыми сигналами используются такие методы обработки, как фильтрация, свертка и корреляция. Они применяются для его восстановления от шума и повреждений. Форматирование сигналов осуществляется специальными устройствами – преобразователями: аналого-цифровым (АЦП) и цифро-аналоговым (ЦАП). Формы аналогового (сверху) и дискретного (снизу) сигналов в общем виде представлены на рисунке 7.  Рисунок 7 – Формы аналогового и дискретного сигналов Аналоговый сигнал – это непрерывный во времени способ передачи данных. Основным его недостатком является наличие помех, иногда приводящих к полной потере передаваемой информации. Доля шума может составлять значительную часть сигнала и в коде сложно определить, где нужные данные, а где искажения. По этой причине цифровая обработка находит большую популярность и вытесняет аналоговую. Пример искажения рассматриваемых сигналов представлен на рисунке 8.  Рисунок 8 – Пример искажения аналогового и дискретного сигналов Цифровой сигнал – это поток данных, который описывается некой дискретной по времени функцией, и амплитуда может быть принята из уже заданных значений (квантование по уровню). Его главным преимуществом является фильтрация большей части получаемых помех. Этот вид передачи данных представляет собой двоичный поток данных, который позволяет отправлять коды одновременно по нескольким физическим каналам. В ретрансляторе цифровой сигнал восстанавливается полностью, если шум не будет превышать определенного порога. Однако, если код поступает со значительными искажениями, то он не может быть восстановлен. В случае с аналоговым ретранслятором часть информации может быть воспроизведена. Решение этой проблемы для цифровой передачи данных более энергозатратен, хотя в современной технике реализован и активно применяется. Дискретный сигнал создаёт не саму форму сигнала, а её цифровой вид, что позволяет уменьшить общее количество передаваемых данных и организовать пакетную отправку. Чаще всего его используют для переноса непрерывной волны, применяемой для голосового или видео общения, где необходим канал с большой пропускной способностью. Метод цифровой передачи данных заключается в пересылке данных, собранных в особенные блоки, что позволяет отправлять небольшие объёмы информации. Таким образом, аналоговый сигнал описывает данные непрерывными функциями времени, при этом его амплитуда колебаний может принимать любые значения из определённого диапазона. Цифровой сигнал описывается дискретными функциями, и его амплитуда равна строго заданным значениям (квантование по уровню). Главным преимуществом цифровой передачи данных от аналоговой является малая чувствительность к помехам. Не вся имеющаяся техника способна принимать оба вида сигналов, поэтому переход на цифровые устройства, являющийся очевидным, займет не один год. 1 2 |