Mikroprocesoriai. Pagrindinės techninės charakteristikos

Mikroprocesoriai. Pagrindinės techninės charakteristikos

Mikroprocesorius yra pagrindinis SVS elementas, kuris koordinuoja atskirų sistemos elementų darb¹ ir vykdo bendr¹j¹ valdymo funkcij¹. MP veikia pagal program¹, kuri saugoma atmintyje. Programa susideda iš nuoseklios komandų (instrukcijų) sekos. Kiekvienas MP turi tik jam būding¹ komandų rinkinį (komandų sistem¹), kiekviena iš kurių atmintyje gali turėti nuo 1 iki 5 baitų ilgį. MP skaito komandas iš eilės, jas dešifruoja, kuria valdymo signalus, kurie naudojami vidiniams MP ir išoriniams sistemos elementams valdyti. MP valdo visus duomenų mainus ir atlieka aritmetines bei logines operacijas.

MP charakterizuojamas šiomis pagrindinėmis techninėmis charakteristikomis;

MP tipas (vienkristaliai, daugiakristaliai).

MP gamybos technologija. Nuo jos priklauso MP greitaeigiškumas, suderinamumas su kitų tipų MP ir DIG, MP kaip DIG elementų integracijos laipsnis (elementų kiekis kristale), suvartojamos elektros energijos kiekis (išsiskiria šilumos pavidale).

MP informacinio (duomenų) žodžio ilgis. Tai dvejetainio kodo bitų (skilčių) skaičius, kurį vienu metu gali apdoroti MP. Gali būti: 2, 4, 8, 16, 32, 64. MPS plačiai naudojamį 8 skilčių (1 baitas) MP. Vienkristaliams MP informacinio žodžio ilgis fiksuotas, sekcijiniams gali būti keičiamas.

MP adresų magistralės linijų (skilčių) skaičius. Ši charakteristika nustato atminties l¹stelių arba įvedimo ir išvedimo įrenginių skaičių, kurį gali naudoti MP: N= 2^m, čia N – atminties lastelių ar įvedimo ir išvedimo įrenginių skaičių; m – adresų magistralės linijų (skilčių) skaičius. Dažniausiai m=16, tada N=2¹⁶=65536 arba N=64K, čia K=1024.

MP greitaeigiškumas, matuojamas:

- paprasčiausios operacijos (pvz.duomenų persiuntimo iš vieno registro į kit¹) laiku;

operacijų skaičiumi, atliekamu per 1sek.

MP greitaeigiškumas priklauso nuo gamybos technologijos, taktinio dažnio ir architektūros. Kiekvienam MP nurodomas ribinis taktinis dažnis.

Maitinimo įtampa ir suvartojama galia. Ši charakteristika parodo kiek ir kokių įtampų reikia MP maitinti, kokia gali¹ sunaudoja MP. Pvz.: I8080 naudoja -5V, +5V, +12V (3 šaltiniai), o I8085 - tik +5V (1 šaltinis). Suvartojama galia neviršija 2W.

MP darbo aplinkos s¹lygos: temperatūrų diapazonas (-60 C +125 C); drėgmė (santykinė drėgmė procentais); vibracijų diapazonas (matuojamas pagreičiu g=9,8 m/s²), atsparumas įvairioms spinduliuotėms.

Viena iš svarbiausių šiuolaikinių SVS vystymosi tendencijų yra greitaeigiškumo didėjimas. Greitaeigiškumas didinamas, tobulinant technines ir programines priemones.

Svarbiausiojo elemento MP greitaeigiškumas didinamas šiais būdais:

konvejerinis apdorojimas;

greitaeigė (keš) atmintis;

persidengiantys registrų langai;

valdymas ir sinchronizacija. 

Konvejerinis apdorojimas tai būdas komandų veikimui spartinti, skaidant veiksm¹ į atskirus segmentus, kurie vykdomi lygiagrečiai. Kiekvienas segmentas dažniausiai sudarytas iš loginės kombinacinės schemos, atskirtos nuo kitų schemų registru.

Šis apdorojimo būdas taikomas komandoms (komandų konvejeris) ir aritmetinėms operacijoms (aritmetinis konvejeris).

Komandų konvejerio atveju, skaitant komandas iš atminties kartu tuo pat metu vykdomos kituose segmentuose anksčiau skaitytos komandos. Todėl sutapatinamos komandos išrinkimo (skaitymo) (angl. fetch) ir vykdymo (angl. execute) fazės ir viena komanda atliekama per vien¹ takt¹.

Greitaeigė (angl. cach – keš) atmintis tai operatyviosios atminties rūšis žymiai greitesnė už yprastinź, esanti MP arba atskirame įrenginyje. Šioje atmintyje saugomos komandos ir duomenys apdorojami daug greičiau, nes kreipimosi laikas į toki¹ atmintį mažesnis ( apie 7 kartus). Pvz. MP 68030 Motorola firmos turi keš atmintį komandoms ir duomenims kiekvienai po 256 baitus.

Persidengiančius registrų langus sudaro MP išplėstas (didelis) registrų kiekis, sudarantis registų fail¹, kuriame registrai suskirstyti į persidengiančias grupes pagal paskirtį:

globalieji (jungtiniai) registrai, skirti globaliesiems kintamiesiems saugoti;

lokalieji (vietiniai) registrai, skirti lokaliesiems kintamiesiems saugoti;

bendrosios paskirties registrai, skirti paprogramių faktiniams parametrams ir duomenims (rezultatams) perduoti, nenaudojant operatyviosios atminties.

Naudojant toki¹ persidengiančių registrų langų atminties organizacij¹ sumažėja kreipimusi į operatyvi¹j¹ atmintį (lėtesnź, lyginant su registrų atmintimi) skaičius ir paspartėja MP darbas.

MP veikia, valdant sinchronizuotai jo atskirų mazgų darb¹ taktiniais impulsais, kuriuos generuoja taktinių impulsų generatorius. MP naudojami šie pagrindiniai valdymo organizavimo būdai:

aparatūrinis (techninis);

mikroprograminis.

Aparatūrinio valdymo MP turi kombinacinź loginź valdymo schem¹, kuri sinchronizuojama impulsais,  patenkančiais iš skaitiklio. Toks valdymas yra labai greitaeigiškas, tačiau tinka tik, esant paprastoms komandoms, turinčioms fiksuot¹ ilgį.

Mikroprograminiame valdyme naudojama mikroprograma saugoma pastoviojoje atmintyje. Kiekvien¹ į MP patenkanči¹ išorinź komand¹ atitinka tam tikra mikrokomandų seka, kuri skaitoma iš mikrokomandų pastoviosios atminties. Mikrokomanda patenka į valdantyjį duomenų registr¹, kuris formuoja vidinius ir išorinius valdymo signalus reikalingus komandai vykdyti. Šis valdymo būdas dažniausiai taikomas MP, turintiems sudėtingas kintamo ilgio komandas.

Kiekvienas MP turi tam tikr¹ apibrėžt¹ komandų rinkinį (komandų sistem¹), kurių komandas jis gali vykdyti. Pagal naudojamų komandų sudėtingum¹ ir kiekį MP būna:

pilno komandų rinkinio (MP CISC architektūros, angl. Complete Instruction Set Computer);

sumažinto komandų rinkinio (MP RISC architektūros, angl. Reduce Instruction Set Computer ).

CISC architektūros MP būdingos sudėtingos komandos, kurios greitina duomenų apdorojim¹. Svarbiausios CISC MP charakteristikos yra:

didelis komandų kiekis (iki 250);

specialiosios komandos, kurios vartojamos gana retai;

didelis adresavimo būdų skaičius (nuo 5 iki 20);

komandos turi skirting¹ ilgį (nuo 1 iki 5 baitų);

komandos, kurios valdo operandus atmintyje;

specializuotosios komandos, kurios atlieka kai kurias aukšto lygio kalbų procedūras ir leidžia sumažinti mašininio kodo apimtis;

mikroprograminis (mikrokomandinis) valdymas.

RISC architektūros MP turi supaprastint¹ komandų rinkinį ir dauguma komandų atliekama per vien¹ takt¹, todėl pagreitėja MP darbas. Pagrindinės RISC MP chatakteristikos:

nedidelis komandų kiekis ir paprastas jų formatas;

mažas adresavimo būdų skaičius (tiesioginis ir netiesioginis registrų, betarpiškas);

didelis MP vidinių registrų kiekis;

persidengiantys registrų langai;

kreipiamasi į atmintį tik, skaitant komandas ar rašant duomenis;

viena komanda vykdoma per vien¹ takt¹, naudojant konvejerinį apdorojim¹;

aparatūrinis valdymas.