Работа. Классификация микропроцессоров по числу бис
 Скачать 219.38 Kb.
|
|
КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ  1. По числу БИС: - Однокристальные. Весь микропроцессор размещен на одном кристалле в одной микросхеме (chip). - Многокристальные (multi-chip). В этом случае различные блоки МП размещены на разных кристаллах. Тем самым можно повысить выход годных изделий, повышается тестируемость и ремонтопригодность МП. 2. По назначению: - Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач. - Среди, специализированных микропроцессоров, можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных и к определению их подобия. Конволюция дает возможность в реальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума. 3. По виду обрабатываемых сигналов: - Цифровые – т.е. работающие с числовыми данными. - Аналоговые – предназначены для обработки аналоговых сигналов и имеющие в качестве входных и выходных данных аналоговые сигналы. По сути, все современные аналоговые МП являются цифровыми сигнальными МП, имеющими на входе встроенные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а на выходе – встроенные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). 4. По количеству выполняемых программ: - Однопрограммные (однозадачные) – предназначены для выполнения только одной задачи. Таковыми являются все микроконтроллеры и часть специализированных МП. Их можно разделить еще на две группы: - Не загружаемые МП, единственная программа которых записана в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) МП. Так делается, например в микроконтроллерах. - Загружаемые МП, у которых основная программа может загружаться из внешних устройств через интерфейсы . Таким внешним устройством может быть и дисковод, и другой МП , и специальное ПЗУ . - Много- или мультипрограммные микропроцессоры одновременно выполняют несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации. Здесь тоже есть две разновидности МП: По типу параллелизма операндов: - Скалярные МП, где операнды инструкций являются скалярами, т.е. один операнд – это одно число. - Векторные МП, где операндом является вектор, т.е. набор чисел. Это, как правило, математические МП предназначенные для векторных или матричных операций. - МП с набором инструкций типа SIMD (Single Instruction Multiple Data: одна инструкция – много данных). Конечно, можно было бы считать их векторными МП, но в инструкциях типа SIMD операнды представляют собой наборы чисел жестко фиксированного размера, которые размещаются в специальных регистрах, а в векторных МП, размер векторных операндов может быть различным. Примечание. В настоящее время, практически все фирмы-изготовители универсальных МП, имеют в своих изделиях SIMD технологии, это: MMX (Intel), AltiVec (PowerPC), MDMX (MIPS), Max-2 (HP), VIS (SPARC), MVI (Alpha) и др. Причем, часто такие технологии называют SWAR (SIMD Within A Register – SIMD внутри регистра). Их присутствие обусловлено реализацией таких приложений, как: - Упаковка/распаковка звука, видео и изображений - Протоколы передачи данных - Шифрование - Построение реалистических изображений в реальном времени - Распознавание речи и образов - Нейронные сети По типу параллелизма работы МП: - Суперскалярные МП – рассматривают последовательный код программы, ищут инструкции, которые можно выполнить параллельно и выполняют их в параллельно работающих функциональных устройствах. - Мультискаляные МП – получают от компилятора программу уже разбитую на множество связанных друг с другом задач, которые МП исполняет на параллельных процессорных устройствах, соблюдая зависимости между задачами. - VLIW МП – являются неким промежуточным звеном между суперскаляными и мультискалярными МП (но ближе к первым). Командное слово типа VLIW формируется компилятором и содержит не одну, а несколько инструкций, которые могут (и должны) выполняться одновременно. 5. По характеру временной организации работы: - Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов). - Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными. 6. По объему набора инструкций: - CISC – Complete Instruction Set Computer – процессоры с полным набором инструкций . С одной стороны широкие возможности программирования, но с другой стороны, система команд не простая, что усложняет обработку инструкций и препятствует увеличению частоты МП. - RISC - Reduced Instruction Set Computer – процессоры с сокращенным набором инструкций. Простая система коротких инструкций позволяет быстро декодировать и выполнять их за минимальное время (в пределе за 1 такт). КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ По назначению различают универсальные, сигнальные, медийные и специализированные микропроцессоры. Универсальные микропроцессоры предназначаются для применения в вычислительных системах: персональных компьютерах, рабочих станциях, в параллельных суперкомпьютерах. Цифровые сигнальные микропроцессоры рассчитаны на обработку на обработку в реальном времени цифровых потоков, образованных путем оцифровывания аналоговых сигналов. Современные сигнальные микро- процессоры способны проводить вычисления с плавающей точкой над 32-40- разрядными операндами. Универсальные микропроцессоры с классической CISC-архитектурой (Complicated Instruction Set Computer— компьютер со сложным набором команд) применяются, главным образом, в персональных компьютерах и серверах. Лидером в этой области является фирма Intel, микропроцессорами которой комплектуется более 80% выпускаемых персональных компьютеров. Микропроцессоры семейства М68000 фирмы Motorola используются в персональных компьютерах типа Macintosh, составляющих около 10% мирового производства. Микропроцессоры этого семейства широко применяются также в устройствах управления, встраиваемых в различные приборы и системы: контрольно-измерительную и связную аппаратуру, лазерные принтеры и контроллеры дисководов, роботы и системы промышленной автоматики. Универсальные микропроцессоры с RISC-архитектурой (Reduced Instruction Set Computer— компьютер с сокращенным набором команд) применяются, в основном, в рабочих станциях и мощных серверах. В этой области имеются несколько ведущих производителей. Широкое применение находят RISC-микропроцессоры семейств SPARC фирмы Sun Microsystems и Rx000 фирмы MIPS Computer Systems. За последние годы очень активно внедряются в различную аппаратуру RISC-микропроцессоры семейства PowerPC - совместная разработка фирм IBM, Motorola и Apple Computers. Среди фирм, выпускающих RISC-микропроцессоры, находятся также Intel, Hewlett-Packard, Digital Equipment. Необходимо также отметить транспьютеры — оригинальные RISC-микропроцессоры, разработанные фирмой Inmos для построения мультипроцессорных систем. Медийные микропроцессоры представляют собой законченные системы для обработки аудио- и видеоинформации. Специализированные микропроцессоры предназначаются для решения определенного класса задач или одной конкретной задачи. Среди специализированных микропроцессоров можно выделить микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений. С помощью специализированных МП можно эффективно решать сложные задачи параллельной обработки данных. По составу команд различают RISC- и CISC- процессоры. Анализ кода программ, генерируемого компиляторами языков высокого уровня, показал, что практически используется только ограниченный набор простых команд форматов «регистр↔регистр, регистр↔память». Компиляторы не в состоянии эффективно использовать сложные команды. Это способствовало формированию концепции процессоров с сокращенным набором команд(RISC-процессоров). RISC- процессоры эффективны в тех областях применения, в которых можно продуктивно использовать структурные способы уменьшения времени доступа к оперативной памяти. Если программа генерирует произвольные последовательности адресов обращения к памяти и каждая единица данных используется только для выполнения одной команды, то фактически производительность процессора определяется временем обращения к основной памяти. В этом случае использование сокращенного набора команд только ухудшает эффективность, так как требует пересылки операндов между памятью и регистром вместо выполнения команд «память, память- память». Процессоры с традиционными наборами команд называют CISC- процессорами с полными наборами команд. Как правило, в этих процессорах команды имеют много разных форматов и требуют для своего представления различного числа ячеек памяти. Это обуславливает определение типа команды в ходе ее дешифрации при исполнении, что усложняет устройство управления процессора и препятствует повышению тактовой частоты до уровня, достижимого в RISC-процессорах на той же элементной базе. В классе специализированных микропроцессоровв настоящее время наиболее широко представлены DSP (Digital Signal Processor — процессор для цифровой обработки сигналов), основными производителями которых являются фирмы Texas Instruments, Analog Devices, Motorola, NEC. Кроме DSP выпускаются также микропроцессоры, специализированные для передачи информации в системах телекоммуникации — коммуникационные контроллеры, для обработки графической информации и ряда других применений. Одним из ведущих производителей этой продукции является фирма Motorola. 3,По числу БИС в микропроцессорном комплекте различают МП однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные. Однокристальные МП получаются при реализации всех аппаратурных средств процессора в виде одной БИС или СБИС. Но возможности однокристальных МП ограничены аппаратурными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора его логическую структуру разбивают на функционально законченные части и реализуют их в виде БИС и СБИС. Функциональная законченность означает, что МП выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно. При этом, для построения развитого процессора не требуется организации большого числа связей и какихлибо других электронных ИС БИС. Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются функционально законченные части (секции) логической структуры процессора. По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные. Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно. Разбиение логической структуры можно выполнить двумя способами. Первый способ состоит в разделении логической структуры на функционально законченные части, например, операционное устройство (ОУ), память и устройство управления (УУ), как было сделано микропроцессоре i432(рис. 7, а)). Второй способ состоит в размещении на кристалле всех функциональных блоков (ОУ, память, УУ), но небольшой разрядности, например 2 или 4 разряда. На рис. 7, б) данный способ иллюстрируется вертикальными штриховыми линиями. Каждая микросхема дополняется входами/выходами для соединения друг с другом. В результате рассмотренного функционального разделения структуры микропроцессора на функционально и конструктивно законченные части создаются условия реализации каждой из них в виде БИС. Все они образуют комплект секционных БИС МП. Секционность БИС МП определяет возможность "наращивания" разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессора при "параллельном" включении большего числа БИС. Однокристальные и трехкристальные БИС МП, как правило, изготовляют на основе микроэлектронных технологий униполярных полупроводниковых приборов, а многокристальные секционные БИС МП на основе технологии биполярных полупроводниковых приборов. Использование многокристальных микропроцессорных высокоскоростных биполярных БИС, имеющих функциональную законченность при малой физической разрядности обрабатываемых данных и монтируемых в корпус с большим числом выводов, позволяет организовать разветвление связи в процессоре, а также осуществить конвейерные принципы обработки информации для повышения его производительности. По виду входных сигналов - различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами МП - цифровые устройства. Поэтому для обработки аналоговых сигналов к их входу и выходу подключают внешние АЦП и ЦАП соответственно. В этом случае МП называют цифровыми. В случае встраиваемых АЦП и ЦАП, с архитектурной точки зрения, МП называют аналоговыми. Такие МП выполняют функции любой аналоговой схемы. При этом, применение аналогового МП значительно повышает точность обработки информации. Сами микропроцессоры цифровые устройства, могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются. После обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной "настройки" цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов. Обычно в составе однокристальных аналоговых МП имеется несколько каналов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. В аналоговом микропроцессоре разрядность обрабатываемых данных достигает 24 бит и более, большое значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметических операций. Отличительная черта аналоговых микропроцессоров - способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый преобразователь. Производительность аналогового микропроцессора определяется его способностью быстро выполнять операции умножения. Одним из направлений дальнейшего совершенствования аналоговых микропроцессоров является повышение их универсальности и гибкости. Поэтому вместе с повышением скорости обработки большого объема цифровых данных будут развиваться средства обеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой информации за счет реализации аппаратных блоков прерывания программ и программных переходов. 6. По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные. Синхронные МП - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов). Асинхронные МП - микропроцессоры, позволяющие начало выполнения каждой операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов). Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными. 7 По организации структуры МПСразличают микроЭВМ одно- и много магистральные. В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали. Такая магистраль служит для передачи кодов данных, адресов и управляющих сигналов. В много магистральных микроЭВМустройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. 8. По способу управления микропроцессоры различают на микро- и макропрограммируемые. Микропрограммноеуправление характерно для секционных МП с наращиваемой разрядностью. При этом, пользователь может установить свой собственный набор инструкций, оптимальных для реализации некоторых конкретных задач. Макропрограммное (жесткое аппаратное) управление принципиально не допускает такой возможности. 9. По количеству выполняемых программ МП делятся на одно- и многопрограммные микропроцессоры. В однопрограммныхМП выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы. В многопрограммных (мультипрограммных)МП одновременно выполняется несколько (обычно до нескольких десятков) программ. 10. По разрядности МП подразделяются на МП с фиксированной разрядностью и с изменяемой разрядностью (модульные). При фиксированной разрядности имеем МП 8-, 16-, 32-, 64- разрядные МП. При модульном принципе возможно построение 8, 16, 32, 64х разрядных МП. Для этого используются секции разрядностью 2, 4, 8. 11. Технология изготовления является одним из определяющих факторов в МПС. От нее зависят параметры МП по быстродействию, температурному диапазону, потребляемой мощности, стоимости и др. Широко используются следующие технологии: pМОП, nМОП, КМОП, КМОП/КНС, И2Л, ТТЛШ, ЭСЛ. 12. Число источников питанияопределяет сложность монтажа МПС, ее габариты, надежность, стоимость. Различают МПС с одним, двумя или тремя источниками питания. Помимо приведенной системы классификации существует и более детальная классификация МП. Например, по таким признакам, как число шин МП, организация вводавывода, число программных счетчиков, аккумуляторов, регистров общего назначения и т.д. С другой стороны, в процессе 30-летнего развития МП произошла дифференциация микропроцессоров по функционально-структурным особенностям и областям применения. Поэтому в настоящее время более широко распространена другая система классификации. · универсальные микропроцессоры с CISC-архитектурой; · универсальные микропроцессоры с RISC-архитектурой; · специализированные микропроцессоры (DSP и ряд других); · микроконтроллеры. О первых трёх типах говорилось выше в пункте 1 классификациию. О 4 классе – микроконтроллерах, можно сказать следующее. Микроконтроллеры являются наиболее массовым представителем микропроцессорной техники. Интегрируя на одном кристалле высокопроизводительный процессор, память и набор периферийных устройств, микроконтроллеры позволяют с минимальными затратами реализовать большую номенклатуру систем управления различными объектами и процессами. Благодаря этому микроконтроллеры находят широкое применение в промышленной автоматике, контрольно-измерительной технике, аппаратуре связи, бытовой технике и многих других применениях. Лидером в производстве микроконтроллеров является фирма Motorola (около 17 % общемирового выпуска), в числе ведущих производителей этих изделий находятся также фирмы NEC, Mitsubishi, Hitachi, Intel, Texas Instruments, Philips. Доминирующее положение на рынке универсальных микропроцессоров занимают микропроцессоры компании Intel и их клоны с системой команд х86. В 1999 году по предположительным оценкам таких микропроцессоров было выпущено около 100 млн. штук, и продолжение тенденций предыдущих лет указывает на возрастание выпуска на 10—15% в год. Остальные производители универсальных микропроцессоров выпускают RISC-процессоры, суммарная доля которых составляет около 10% рынка. В настоящее время на рынке присутствуют следующие высокопроизводительные микропроцессоры: · Архитектура х86 - Компания Intel: линия Pentium (Р5), Pentium Pro (Р6) и процессоры на его основе Pentium II, Pentium III, Pentium 4 (и их упрощённый вариант Celeron), Merced (P7) и усовершенствованные модели IA-64; - Компания AMD (NexGen): К5, К6 (K6-II), K7 , линия Athlon (Duron); - Компания Cyrix: М 1, М2. · Архитектура Power PC - Компания Motorola: Power PC 603, 604, 620. · Архитектура PA - Компания HP: PA-8000. · Архитектура Alpha - Компания DEC: линия Alpha (21064, 21164,21164A). · Архитектура SPARC - Компания SUN: линия SPARC. · Архитектура MIPS - Компания Silicon Graphics: линия MIPS R-x(R10000). Несмотря на разнообразие линеек микропроцессоров в военной технике наиболее применимыми являются МП с системой команд х86. Таким образом, наиболее применимыми в технике являются МП с системой команд х86. |