Микропроцессор из чего состоит
Перейти к содержимому

Микропроцессор из чего состоит

  • автор:

Принципы работы микропроцессора

В процессорах с полным набором команд используется уровень микропрограммирования для того, чтобы декодировать и выполнить команду микропроцессора. В этих процессорах формат команды не зависит от аппаратуры процессора. На одной и той же аппаратуре при смене микропрограммы могут быть реализованы различные микропроцессоры. С другой стороны смена аппаратуры никак не влияет на программное обеспечение микропроцессора. С точки зрения пользователя у микропроцессора только увеличивается производительность, снижается потребление энергии, уменьшаются габариты устройств. Неявным недостатком таких процессоров является то, что производители микросхем стараются увеличить количество команд, которые может выполнять микропроцессор, тем самым увеличивая сложность микропрограммы и замедляя выполнение каждой команды в целом.

В процессорах с сокращЈнным набором команд декодирование и исполнение команды производится аппаратурно, поэтому количество команд ограниченно минимальным набором. В этих процессорах команда и микрокоманда совпадают. Преимуществом этого типа процессоров является то, что команда может быть в принципе выполнена за один такт (не требуется выполнение микропрограммы), однако для выполнения тех же действий, которые выполняет команда CISC процессора, требуется выполнение целой программы.

В большинстве случаев быстродействие RISC процессоров выше чем CISC процессоров, однако при выборе процессора нужно учитывать все параметры в целом, т.к. тактовая частота может оказаться значительно ниже по сравнению с CISC процессором (особенно если в нЈм применяются специальные меры по повышению производительности), разрядность команды может оказаться выше чем у CISC процессора (что чаще всего и бывает). В результате общий объЈм исполняемой программы для RISC процессора превысит объЈм подобной программы для CISC процессора.

  • Блок обработки сигналов;
  • Блок микропрограммного управления.

Блок обработки сигналов микропроцессора.

Основным принципом работы любого цифрового устройства с памятью, в том числе и микропроцессора, является наличие цепи синхронизации. Этот сигнал, как и цепь питания, подводится к любому регистру цифрового устройства.

Блок обработки сигналов предназначен для считывания команд из системной памяти и выполнения считанных команд. Эти действия он осуществляет под управлением блока микропрограммного управления, который формирует последовательность микрокоманд, необходимую для выполнения команды. Схема одного из вариантов построения блока обработки сигналов приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Блок обработки сигналов.

В этой схеме явно просматривается, что отдельные биты микрокоманды (показанной внизу схемы) управляют различными блоками БОС, поэтому их можно рассматривать независимо друг от друга. Такие группы бит называются полями микрокоманды и составляют формат этой микрокоманды. Кроме бит, управляющих блоком обработки сигналов есть биты, управляющие блоком микропрограммного управления. Формат микрокоманды рассматриваемого процессора приведЈн на рисунке 3. Результат выполнения микрокоманды записывается по сигналу общей синхронизации CLK.

Для хранения и декодирования выполняемой команды выделим восьмиразрядный регистр, который назовЈм RI.

Для реализации более простой системы команд выберем аккумуляторный процессор. Соответственно необходимо один из регистров выделить в качестве аккумулятора ACC.

Так как мы выбрали для примера восьмиразрядный микропроцессор, то и все регистры в этом процессоре восьмиразрядные. Максимальное число, которое можно записать в такой регистр — 255, но для большинства программ такого объЈма памяти недостаточно. В приведЈнной на рисунке 1 схеме для того, чтобы получить 16-ти разрядный адрес используется два 8-ми разрядных регистра адреса. Теперь максимальное число, которое можно записать в этих двух регистрах будет 65535, что вполне достаточно для записи программ и обрабатываемых ими данных. Для того, чтобы различать регистр старшего и младшего байта адреса обозначим их как PCH — старший байт и PCL- младший байт. Это позволяет при помощи восьмиразрядного АЛУ формировать 16-ти разрядный адрес.

Программный счЈтчик хранит текущее значение ячейки памяти из которой считывается команда, но процессор может обращаться и к данным, поэтому для формирования адреса выделим ещЈ пару регистров RAH — старший байт и RAL — младший байт. Выходы этих регистров выведем за пределы микросхемы и будем использовать в качестве шестнадцатиразрядной шины адреса.

ЕщЈ один регистр используется для формирования сигналов управления системной шины микропроцессора. В простейшем случае это сигналы записи (WR) и чтения (RD). Для формирования необходимых сигналов достаточно записывать в определЈнный бит регистра логический 0 или 1. Определим формат регистра управления. Пусть нулевой бит этого регистра будет сигналом записи, а первый бит этого регистра будет сигналом чтения. Остальные биты этого регистра пока не важны. Полученный формат приведЈн на рисунке 2.

Рисунок 2. Формат регистра управления (CR).

Блок микропрограммного управления

Блок микропрограммного управления предназначен для формирования последовательности микрокоманд блока обработки сигналов. В простейшем случае его можно построить на счетчике с возможностью предзаписи и ПЗУ. Схема такого блока приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Блок микропрограммного управления.

В этой схеме адрес очередной микрокоманды формирует двоичный счЈтчик. Если требуется осуществить безусловный или условный переход, то новый адрес записывается из ПЗУ в этот счЈтчик как в обычный параллельный регистр по сигналу параллельной записи V. Переход к следующему адресу микрокоманды производится по сигналу общей синхронизации CLK.

Рисунок 4. Формат микрокоманды процессора.

Микропроцессор из чего состоит

Процессор

Основой ПК является центральное процессорное устройство (ЦПУ,CPU) или просто процессор. Процессор – это микросхема, которая вставляется в специальный разъем на материнской плате, и служит для обработки информации и двух видов операций: числовые операции и операции с плавающей точкой. Также в процессоре находится кэш память L1(level 1) и L2(level 2). Она используется для ускорения доступа к данным, находящимся в оперативной памяти.

Транспьютер

Microprocessor — процессор, выполненный в одной либо нескольких взаимосвязанных интегральных схемах. Микропроцессор, как и любой другой процессор, является устройством, предназначенным для обработки или передачи данных. Иногда не имеет памяти, средств ввода/вывода данных. Эти задачи решаются внешними (по отношению к микропроцессору) интегральными схемами. Все чаще используются 32- и 64-разрядные микропроцессоры. Последние позволяют значительно увеличивать адресуемую память и размер файлов, с которыми работают.

Наряду с универсальными производятся специальные микропроцессоры. Каждый из них выполняет ограниченный набор функций, но он дешевле и потребляет меньше электроэнергии. На базе микропроцессоров создаются транспьютеры, выполняющие операции не только обработки, но и передачи данных.

  1. выращивание кремниевых заготовок и получение из них пластин;
  2. шлифование кремниевых пластин;
  3. нанесение защитной пленки диэлектрика (SiO2);
  4. нанесение фоторезиста;
  5. литографический процесс;
  6. травление;
  7. диффузия;
  8. металлизация.

Все перечисленные этапы используются для того, чтобы создать на кремниевой основе сложную структуру полупроводниковых планарных транзисторов (CMOS-транзисторов) и связать их должным образом между собой.

В Германии, в предместье Дрездена, расположена крупнейшая фабрика по производству микропроцессоров компании AMD (Advanced Micro Device), получившая название Fab30, на которой производятся процессоры AMD Athlon XP, Athlon MP, Athlon 64 и AMD Opteron. Фабрика была заложена в 1996 г., и к 2003 г. вложения AMD составили 2,5 млрд долл. На сегодняшний день это самый крупный иностранный проект в восточной части Германии. Про¬цессоры AMD Athlon XP с ядром Thoroughbred производятся на Fab30 с использованием 0,13-микронного технологического процесса на пластинах (wafers) диаметром 200 мм. Наряду с этим на фабрике также выпускаются процессоры с использованием 0,18-микронной технологии (в дальнейшем — 90-нанометровая технология). Производственная мощность фабрики составляет 5 тыс. 200-миллиметровых пластин в неделю, на каждой из которых расположено 315 процессоров (Thoroughbred).

Архитектура и характеристики микропроцессора

Процессором является определенная функционально полная совокупность устройств, которая регулирует, управляет и контролирует соответствующий рабочий процесс. В ПК таким рабочим процессом является процесс обработки данных, а сама совокупность устройств называется процессором. С развитием микроэлектронной технологии и увеличением степени интеграции элементов размешенный в одной электронной схеме (кристалле-чипе) «процессор» стал далее называться «микропроцессором» (МП). По мере развития МП его состав, архитектура и параметры естественно менялись. Центральный процессор ПК IBM и совместимых с ними может быть реализован на микросхемах фирмы Intel, AMD, Cyrix (VIA) или совместимых.

В состав микропроцессора входят несколько типовых компонентов.

УУ формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления, обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций. АЛУ предназначено для выполнения арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.

Основные понятия, связанные с работой процессора.

Команда, инструкция (instruction) — описание операции, которую нужно выполнить. Команды подразделяются на арифметические, логические, ввода/вывода, передачи данных. Каждая команда выполняется в компьютере за один либо несколько тактов.

Цикл процессора — период времени, за который осуществляется выполнение команды исходной программы в машинном виде; состоит из нескольких тактов .

Такт работы процессора — промежуток времени между соседними импульсами (tick of the internal clock) генератора тактовых импульсов , частота которых есть тактовая частота процессора .

Такт процессора (такт синхронизации) — квант времени, в течение которого осуществляется элементарная операция — выборка, сравнение, пересылка данных. Процедура, соответствующая такту, реализуется определенной логической цепью (схемой) процессора, обычно именуемой микропрограммой.

Регистры — устройства, предназначенные для временного хранения данных ограниченного размера. Важной характеристикой регистра является высокая скорость приема и выдачи данных.

Регистры общего назначения (РОН, General Purpose Registers) — общее название для регистров, которые временно содержат данные, передаваемые или принимаемые из памяти.

Регистр команды (РК, Instruction Register IR) служит для размещения текущей команды, которая находится в нем в течение текущего цикла процессора.

Сумматор — регистр, осуществляющий операции сложения (логического и арифметического двоичного) чисел или битовых строк, представленных в прямом или обратном коде.

Вопросы

  1. Микропроцессор. Принцип создания микропроцессора.

В чем разница между микропроцессорами и микроконтроллерами?

В чем разница между микропроцессорами и микроконтроллерами?

Микропроцессоры и микроконтроллеры являются внутренними компонентами электронных устройств. Микропроцессор – это очень маленький процессор внутри центрального процессора. Это единая интегральная схема на компьютерном чипе, которая выполняет различные арифметические и логические функции на цифровых сигналах. Несколько десятков микропроцессоров совместно работают на высокопроизводительных серверах для обработки и анализа данных.

С другой стороны, микроконтроллер – это базовый вычислительный блок в интеллектуальных электронных устройствах, таких как стиральные машины и термостаты. Это очень маленький компьютер с собственной оперативной памятью, ПЗУ и устройствами ввода-вывода, встроенными в один чип. Он может обрабатывать цифровые сигналы и реагировать на ввод данных пользователем, но его вычислительные мощности ограничены.

В чем сходство между микропроцессорами и микроконтроллерами?

Микропроцессоры и микроконтроллеры – это централизованные компьютерные чипы, обеспечивающие интеллектуальные возможности персональных компьютеров и электронных устройств. Они построены на основе полупроводниковых интегральных схем и имеют определенные внутренние части.

Интегральная схема

И микропроцессоры, и микроконтроллеры представляют собой полупроводниковые компоненты, построенные на интегральной схеме. Интегральная схема – это очень маленький квадратный или прямоугольный чип, содержащий тысячи или даже миллионы электронных компонентов. Интегральные схемы позволяют инженерам уменьшить размер электронных схем.

ЦПУ

И микропроцессоры, и микроконтроллеры имеют центральный процессор. Процессор – это централизованная часть компьютерного чипа, которая обрабатывает инструкции, предоставляемые приложениями или микропрограммным обеспечением. Процессор также оснащен специальным арифметико-логическим устройством (ALU). ALU вычисляет математические значения и оценивает логические задачи на основе компьютерных инструкций.

Регистры

Регистры – это модули памяти, используемые процессором для обработки данных. Процессор временно хранит инструкции или бинарные данные до, во время и после их обработки. И микропроцессоры, и микроконтроллеры построены с использованием внутренних регистров, хотя микроконтроллеры часто имеют больше регистров, чем микроконтроллеры.

Архитектурные различия микропроцессоров и микроконтроллеров

Архитектурные различия микропроцессоров и микроконтроллеров

Несмотря на то, что микропроцессоры и микроконтроллеры имеют форму компьютерных чипов, они построены на разных архитектурах.

Микропроцессоры разработаны по архитектуре фон Неймана, где программа и данные находятся в одном модуле памяти. Между тем микроконтроллеры используют гарвардскую архитектуру, которая отделяет память программ от пространства данных.

Микропроцессоры содержат больше компонентов интегральных схем, чем микроконтроллеры. Это архитектурное различие влияет на особенности проектирования микропроцессоров и микроконтроллеров в вычислительных и встроенных системных приложениях.

Память

Микропроцессоры не имеют модулей внутренней памяти для хранения данных приложений. Инженеры должны подключить микропроцессор к внешним хранилищам памяти, таким как ROM и RAM, с помощью внешней шины.

Шина – это набор параллельных электрических соединений, которые позволяют микропроцессору отправлять данные в другие устройства и получать их. Существует три типа шин.

  • Шина данных передает данные
  • Адресная шина передает информацию о том, где хранить и извлекать данные
  • Шина управления передает сигналы для координации с другими электрическими компонентами

Все три работают совместно в микропроцессорной системе.

С другой стороны, микроконтроллеры оснащены внутренней памятью ROM и RAM. Микроконтроллер использует внутреннюю шину для взаимодействия со встроенными модулями памяти.

Периферийные устройства

Периферийные устройства – это таймеры, средства связи, устройства ввода-вывода и другие возможности, позволяющие микроконтроллерам или микропроцессорам взаимодействовать с внешними компонентами или пользователями.

Микропроцессор не имеет встроенных периферийных устройств в интегральную схему. Вместо этого периферийные устройства подключаются извне, чтобы расширить возможности использования микропроцессора за пределы математической и логической обработки.

Напротив, микроконтроллеры соединяются со встроенными периферийными устройствами с помощью внутренней шины управления. Это позволяет микроконтроллеру управлять электронными устройствами с минимальным количеством дополнительных деталей или без них.

Вычислительная мощность

Микропроцессоры – это мощные компьютерные чипы, способные выполнять сложные вычислительные и математические задачи. Например, можно запустить программное обеспечение для статистической обработки, поскольку микропроцессор поддерживает операции с плавающей запятой.

И наоборот, микроконтроллеры имеют сравнительно меньшую вычислительную мощность и редко поддерживают вычисление с плавающей запятой. Вместо этого они сосредотачиваются на реализации определенной логики, например на управлении температурой нагревателя с помощью различных датчиков.

Другие ключевые отличия микропроцессоров и микроконтроллеров

Микропроцессоры поддерживают универсальные вычислительные операции на персональных компьютерах и корпоративных серверах. Между тем микроконтроллеры позволяют встроенным системам анализировать входные данные и реагировать на них в режиме реального времени.

Когда инженеры разрабатывают системы с микропроцессорами и микроконтроллерами, они учитывают такие различия.

Тактовая частота

Микропроцессоры обеспечивают высокоскоростные и надежные вычислительные мощности для различных приложений. Современный компьютерный процессор работает в диапазоне гигагерц (ГГц). Это позволяет компьютерной системе выполнять сложные математические вычисления и быстро возвращать результаты.

Хотя скорость микроконтроллера увеличивалась на протяжении десятилетий, она намного меньше скорости обработки данных микропроцессора. В зависимости от назначения тактовая частота микроконтроллера варьируется от килогерц (кГц) до сотен мегагерц (МГц). Несмотря на меньший диапазон скоростей, микроконтроллер может оптимально работать в пределах выделенной области применения.

Размер цепи

Микропроцессор не может работать сам по себе. Он использует внешние компоненты, такие как микросхемы связи, порты ввода-вывода, ОЗУ и ПЗУ, для формирования полноценной вычислительной системы. Таким образом, микропроцессорная схема состоит из адреса и шины данных, соединяющей множество периферийных устройств и микросхем памяти. Даже несмотря на развитие технологий печатных плат (PCB), микропроцессорная система требует значительного пространства.

Однако микроконтроллер имеет компактную конструкцию с более простой схемой. Большинство дополнительных компонентов, необходимых для микропроцессорной системы, легко доступны на том же чипе. Вместо использования отдельных компонентов инженеры при разработке электронных устройств используют один микроконтроллер. Таким образом освобождается больше места на электронной плате, что позволяет инженерам создавать компактные системы.

Потребляемая мощность

Микропроцессоры часто работают на более высокой скорости, чем микроконтроллеры, и потребляют больше энергии, поэтому для них требуется внешний источник питания. Аналогичным образом, вычислительная система на основе микропроцессорного блока имеет более высокое общее энергопотребление из-за большого количества дополнительных компонентов.

Между тем микроконтроллеры спроектированы так, чтобы эффективно работать при минимальном энергопотреблении. Кроме того, большинство микроконтроллеров имеют функции энергосбережения, которых нет в микропроцессорах.

Например, микроконтроллер может активировать режим энергосбережения и потреблять ограниченное количество энергии, когда данные не обрабатываются. Микроконтроллеры также могут отключать внутренние периферийные устройства, которые не используются, для экономии энергии. Благодаря этому микроконтроллеры – идеальный выбор для создания специализированных приложений с низким энергопотреблением, работающих на накопленном питании.

ОС

В практических приложениях микропроцессоры требуют операционной системы, обеспечивающей соответствующие функциональные возможности. Без операционной системы пользователям пришлось бы обучать микропроцессор на языке ассемблера или бинарном языке.

Между тем для работы микроконтроллеров не требуется операционная система. Однако существуют специальные операционные системы, которые помогают микроконтроллерам среднего и высокого уровня работать более эффективно.

Подключение

Микропроцессоры поддерживают более разнообразные коммуникационные технологии, чем микроконтроллеры. Например, микропроцессор обрабатывает высокоскоростные данные USB 3.0 или гигабитного Ethernet без дополнительного процессора.

Однако для большинства микроконтроллеров требуется специальный процессор для высокоскоростной передачи данных.

Стоимость

Микропроцессорная интегральная схема состоит только из процессора, арифметико-логического устройства (ALU) и регистров, что снижает производственные затраты на единицу продукции. Между тем один микроконтроллер имеет более сложную внутреннюю архитектуру и, как правило, дороже микропроцессора.

Однако микропроцессорная система дороже, так как требует дополнительных компонентов. В отличие от нее, микроконтроллер самостоятельно справляется с выбранной задачей.

Для микроконтроллера требуется меньше дополнительных компонентов, что приводит к удешевлению систем на основе микроконтроллеров. Например, плата кондиционера с микроконтроллером стоит дешевле, чем материнская плата компьютера с микропроцессорами.

Примеры использования микропроцессоров и микроконтроллеров

Как микропроцессоры, так и микроконтроллеры являются полезными электронными компонентами, если их применять в соответствующих сценариях использования.

Используйте микропроцессор, если вам требуется высокая вычислительная мощность для сложных или непредсказуемых вычислительных задач. Микропроцессоры используются во всех типах вычислительных устройств, таких как серверы, настольные компьютеры и мобильные вычислительные устройства. Организации используют серверы с множеством микропроцессоров для высокопроизводительных вычислений и запуска приложений искусственного интеллекта (ИИ).

С другой стороны, микроконтроллер – лучший выбор, если вы создаете систему управления с узкой областью применения. Микроконтроллеры также полезны для систем, требующих низкого энергопотребления. Некоторые микроконтроллеры могут работать месяцами от небольшой батареи. Например, система умного дома работает от микроконтроллеров. Компактные устройства, такие как дроны или портативные аудиоплееры, также содержат микроконтроллеры.

Микропроцессоры: назначение и область применения, поколения, характеристики. Структурная схема и принцип работы микропроцессора

В этой теме мы должны рассмотреть внутреннее устройство МП. Для начала рассмотрим его структурную схему и ее три основных узла: арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры данных и устройство управления. АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными, изменяя их; регистры данных являются быстродействующей внутренней памятью, каждый из них способен хранить одно слово данных. В заключение проанализируем функции внутренней шины МП, т.е. операции по перемещению данных из одного узла в другой.

Структурная схема микропроцессора

Структурная схема МП дает возможность наглядно рассмотреть его работу по выполнению двух основных функций: обработке и манипулированию данными. Использование такой схемы часто существенно облегчает понимание того, как микропроцессор решает поставленные задачи. В дальнейшем мы будем пользоваться следующей структурной схемой.

Изображенный на этом рисунке 8-разрядный МП с регистрами приведен в качестве типичного примера микропроцессора и не является какой-либо конкретной моделью. На практике при работе с тем или иным микропроцессором пользователю должна быть представлена соответствующая документация, включающая и структурную схему.

Согласно структурной схеме микропроцессор состоит из трех основных блоков: АЛУ, нескольких регистров и устройства управления. Для передачи данных между этими блоками микропроцессора используется внутренняя шина данных.

Видео: Как работает микропроцессор

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *