Микропроцессор: что нужно знать начинающим электронщикам

Микропроцессор (CPU или Центральный процессор*) – устройство обработки цифровой и аналоговой информации, основная часть аппаратного контроля системы, а заодно и главный инструмент, способный проводить арифметические и логические операции, записанные с использованием машинного кода.

Основных функций у ЦП* несколько – передача данных между оперативной памятью и остальными компонентами ПК, синхронизация информации на внешних и внутренних накопителях, организация многопотоковой и многопрограммной работы в бесперебойном режиме, дешифрация машинного кода, синхронизация чисел разного регистра. И хотя перечисленные функции сложно переводимы на «обывательский язык», запомнить стоит следующее – «Центральный процессор» – важнейший элемент любого персонального компьютера.

И еще на заметку удивительный факт – за все те годы развития микропроцессоров им так и не нашлось никакой альтернативы. Даже современные новинки от Intel, справляющиеся с нагрузкой в тысячу раз быстрее, чем все конкуренты из далекого прошлого, и домашние чипы, обгоняющие по скорости все компьютеры, находившиеся на базе космического корабля «Аполлон», покорившего Луну, так и остаются процессорами с одинаковыми задачами и целями…

Назначение и область применения микропроцессоров

Функционально микропроцессор предназначен для решения следующих задач:

1. Поэтапное чтение и расшифровывание команд из основной и оперативной памяти, регистров и адаптеров внешних устройств.
2. Обработка запросов при обслуживании компонентов персонального компьютера.
3. Синхронизация данных на накопителях данных.
4. Генерация сигналов управления узлами и блоками ПК.

Кроме того, важно понимать, из каких именно частей состоит любой процессор:

1. Устройство обработки арифметических, логических и любых других числовых, символьных операций, появляющихся по ходу взаимодействия с компьютером.
2. Центр управления и координации взаимодействия различных компонентов ПК (речь обо всем и сразу – об оперативной памяти, подключаемых клавиатурах и мышках, контроллерах USB, наушниках и прочем).
3. Микропроцессорная память, отвечающая за последовательное хранение различных данных, действий и команд, для увеличения скорости обработки информации и непосредственной экономии времени (зачем дважды высчитывать один и тот же пример, если ответ уже хранится в заранее подготовленной ячейке?).
4. Интерфейсная система – возможности взаимодействия с процессором через системы ввода-вывода.

Архитектура CISC

Complex Instruction Set Computer — комплексные инструкции для компьютера. Характеристики микропроцессора с данной архитектурой являются таковыми:

1. Имеют большое число команд, которые отличаются своим функционалом, длиной и форматом.
2. Используются различные системы адресации.
3. Присутствует сложная кодировка команд.

Что такое микропроцессоры данной архитектуры? Это сложные устройства, главный упор в которых делается на функциональность.

История развития: первый микропроцессор

Транзисторы, электромеханические реле, сердечники, вакуумные лампы – первые процессоры, старательно выполнявшие несложные арифметические и логические операции, появились еще в далеком 1940 году, но оставались ненадежными, громоздкими, да и неприменимыми в бытовых условиях (основное назначение – государственные разработки, крупные и набирающие обороты перерабатывающие фирмы) – слишком большое выделение энергии, неконтролируемая теплоотдача, низкая скорость обработки данных. Мечтать о домашнем применении подобных чипов и не приходилось, хотя бы из-за нехватки свободного места. Поставить в какой-нибудь из комнат ЭВМ с микропроцессором получилось бы лишь во дворце.

Со временем все изменилось. В 1970 году Эдвард Хофф, представлявший крупнейший отдел разработки компонентов для электронно-вычислительных машин, представил руководителям компании Intel интегральную схему, выполнявшую те же функции, что и чипы ЭВМ, но с маленьким нюансом – плата Эдварда помещалась в руке, обрабатывала 4 бита информации в секунду (конкуренты выдавали мощности в разы серьезнее – до 32 бит одновременно), и стоила в тысячу раз дешевле.

Первые калькуляторы снабжали именно процессором 4004 Эдварда Хоффа, которые появились в продаже в начале 1971 года. С этого момента, как принято считать, и началась эра новых процессоров, изменивших мир.

Дальше история развития микропроцессоров двинулась следующим путем:

1. 1 апреля 1974 года. Intel вновь шокирует заинтересованную публику – на закрытых прилавках появилась модель 8080 с 6 тысячами транзисторов на крошечной схеме, объем памяти увеличен до 64 килобайт, проблемы с потреблением энергии решены, теплоотдача – практически нулевая. Чуть позже появился чип 8086, заложивший основы разрядности современных компьютеров.
2. Октябрь 1985 года. В центре внимания снова Intel, с еще более неожиданной новинкой – моделью i 32-битная архитектура, новые возможности по управлению памятью, увеличенные мощности, тактовая частота в 16 МГц и общее быстродействие на уровне 6 Mips – мир и представить не мог, насколько быстро меняются возможности тех допотопных компьютеров, неожиданно получивших возможность работать с 4 Гб оперативной памяти и проводить тысячи арифметических действий всего за несколько секунд. А ведь впереди еще больше открытий!
3. Осень 1989 года. Микропроцессор i80486DX, уместивший на крошечной плате 1.2 миллиона транзисторов, а еще сопроцессор и кэш-память, позволившая увеличивать текущую работоспособность компьютера путем промежуточного хранения некоторых данных, чисел, команд и действий. Общая производительность увеличилась до 16.5 Mips. Тактовая частота возросла до 16 МГц.
4. Начало 1991 года. Появление i80486SX – штатное увеличение мощностей, долгие раздумья разработчиков из Intel на счет внедрения появляющихся чипов в ноутбуки и иные портативные устройства. Как результат – разные версии процессоров, рассчитанные под меняющиеся (иногда вычислительные, порой – контролирующие) нужды. Все эксперименты закончились появлением 2-го поколения МП (вроде i486DX2), поддерживающих новую технологию распределения мощностей между двумя разными ядрами центральной системы.
5. Март 1995 года. Мир впервые знакомится с Intel Pentium, поставки чипов в магазинах для обычных пользователей – не за горами. Мощности увеличены до возможного (по тем годам) предела – 1 млрд. Mips.

Далее появились поставки многоядерных процессоров, затем появился Xeon и Intel Core, а после на мировом рынке загорелась новая звезда – модульные процессоры AMD. С тех пор (а именно с 2007 года) между двумя компаниями и ведется беспрерывная война за внимание пользователей.

На текущий момент хотя бы примерно описать состояние рынка МП невозможно – Intel Core представляет новые архитектуры микропроцессора (Coffee Lake, Skylake, Haswell, Kaby Lake) чуть ли не каждый год, а заодно меняет наименования семейства процессоров (Intel Core i3, i5, i7, i9). AMD старается удивлять низкими ценами и внушительными возможностями разгона. И кто в таком хаосе лидер – до сих пор не разобрать.

Архитектура MISC

Multipurpose Instruction Set Computer – многоцелевые инструкции для управления компьютером. Является попыткой совмещения в себе преимуществ CISC и RISC. Здесь элементная база собирается из отдельных частей (которые часто объединяют в одном корпусе):

1. Основная часть. Базируется на архитектуре RISC.
2. Расширяемая часть. На ней находится подключенное ПЗУ микропрограммного управления.

Сама система приобретает свойства CISC. Так, основные команды здесь работают на базисе, предоставленном RISC. Одновременно существует расширение, которое «создаёт» микропрограммы. Базис RISC выполняет все свои команды за один такт. А расширение использует сложный набор команд. Благодаря наличию ПЗУ устраняется тот недостаток RISC, что когда с языка высокого уровня компилируется код операции, то он является уже дешифрированным и открытым для программиста. Вот что такое микропроцессоры, и такими свойствами они должны обладать с точки зрения данной архитектуры их построения.

Разновидности микропроцессоров

И современные, и давно известные миру МП легко разделить на четыре части:

1. CISC – универсальная архитектура, появившаяся в 1980-ом году. Поддерживается расширенный список команд, простые операции выполняются достаточно долго, зато проблем со сложными не бывает из-за многозадачности.
2. RISC – альтернатива первому варианту с усеченной памятью. Каждый процесс при выполнении разбивается на маленькие команды.
3. VLIW, поддерживающие сразу несколько вычислительных устройств, и выполняющие операции параллельно для обеспечения максимального быстродействия.
4. MISC – хитрая архитектура, позволяющая укладывать разные команды в одну большую ячейку. В итоге, при одном цикле работы, центральный процессор считывает все записанные команды за раз.

Принцип формирования адресов

Поставим задачу сформировать 20–разрядный адрес (addr20), обеспечивающий доступ к 220 = 1М байт памяти, с помощью двух 16–разрядных регистров. Каждый из 16–разрядных регистров обеспечивает доступ к 216 ячейкам или к 64К байт памяти. Поэтому выделим в 1М байт памяти сегмент емкостью 64К байт с условием, чтобы младший разряд его шестнадцатеричного кода начального адреса был равен нулю, т. е. код адреса имел вид ХХХХ0

h, где X = 0 или 1, h — обозначение 16–ричного кода (hexadecimal). Один из регистров выберем в качестве селектора сегмента(sel), другой — в ка­честве регистра смещения (offset). Представим адрес в виде суммы addr20 = 1 6 x sel +offset =XXXX0h +YYYYh.

Из выражения следует, что путем изменения содержимого селектора (ХХХХ h) и регистра смещения (YYYYh) от 0000 h до FFFFh, можно получить 164х164 комбина­ций адресов. Однако среди них имеются одинаковые коды. Общее число ячеек памяти с различными адресами составляет 220 – 24 + 216.

На рис. 2.2.4, а показано, как можно обеспечить доступ к памяти с числом ячеек 220 (или емкостью 1 M байт при использовании однобайтных ячеек).

В качестве селектора, который можно рассматривать как указатель сегмента, в процессорах используются сегментные регистры (регистры кода CS, стека SS, данных DS и дополнительный регистр ES), а в качестве регистров смещения — регистры общего назначения (программный счетчик IP, указатель стека SP, указа­тель базы BP и регистры автоинкрементной SI и автодекрементной DI адреса­ции). Возможны следующие пары регистров:

CS <�—>IP,

SS <�—>SP,

DS <�—>BP,

DS <�—>SI,

ES <�—>DI. На рис. 2.2.4, б показана в качестве примера реализация принципа адре­сации с использованием пары

SS <�—>SP.

Особенности российских микропроцессоров

С 1998 года и по сей день в отечественном сегменте разработкой микропроцессоров занимается . Результаты впечатляющие – стабильное производство RISC систем, внедрение серии Эльбрус в применение на военно-оборонительных комплексах, космических станциях и засекреченных базах для передачи данных с максимальным уровнем шифрования. Заслуги серьезные, хотя многими обывателями подобные «успехи» кажутся смешными, на фоне мировых гигантов вроде Intel и AMD.

Да, достижения еще не те, но и цели совсем разные, верно? Едва ли «Эльбрус» стоит расценивать, как игровой чип, способный запустить все современные развлечения в максимальном качестве – это, в первую очередь, система для сверхбыстрой обработки данных (прежде всего, военного назначения) в полевых и даже экстремальных условиях.

История развития процессоров из России:

1. 1998 год. Первая модель SPARC с частотой 80 МГц.
2. 2001 год. Корректировка модели SPARC, увеличение мощностей, снижение уровня потребляемой энергии, работа над третьей версией процессора с частотой в 500 МГц.
3. 2004 год. Представлен E2K – процессор нового поколения, способный работать практически в любых условиях.
4. 2005 год. Появление первых образцов «Эльбруса», эксперименты и взгляд в будущее – впереди долгие годы борьбы за мировое лидерство в области современных технологий…

Архитектура RISC

Reduced Instrucktion Set Computer – однородные инструкции для компьютера. Характеристики микропроцессора с данной архитектурой являются таковыми:

1. Применяет упрощенный тип системы команд: все они обладают одинаковым форматом с простой кодировкой. Данные из ОЗУ в регистр микропроцессора и наоборот перемещаются с помощью загрузочных инструкций.
2. Несмотря на высокое быстродействие, данные микропроцессоры могут обладать сравнительно низкой тактовой частотой и меньшей степенью интеграции СБИС.
3. Команды производят меньшую нагрузку на ОЗУ.
4. Но отлаживать работу программ на RISC значительно сложней, чем на CISC.
5. Невозможно использовать одинаковые программы с CISC.

16–разрядные микроконтроллеры

16–разрядные микроконтроллеры помимо повышенной разрядности обрабатываемых данных характеризуются:

• более высокой производительностью;
• расширенной системой команд и способов адресации;
• увеличенным набором регистров и объемом адресуемой памяти;
• возможностью расширения объема памяти программ и данных до нескольких мегабайт путем подключения внешних микросхем памяти;
• программной совместимостью с 8–разрядными микроконтроллерами и други­ми возможностями.

Основные области применения — сложная промышленная автоматика, теле­коммуникационная аппаратура, медицинская и измерительная техника.

32–разрядные микроконтроллеры

32–разрядные микроконтроллеры ориентированы на применение в системах управления сложными объектами промышленной автоматики (сред­ствами комплексной автоматизации производства, робототехнические устрой­ствами, двигателями и др.), в контрольно–измерительной аппаратуре, телеком­муникационном оборудовании и других сложных устройствах. 32–разрядные микроконтроллеры содержат:

• высокопроизводительный CISC– или RISC–процессор, соответствующий по своим возможностям младшим моделям микропроцессоров общего назначе­ния. Например, в микроконтроллерах компании Intel используется процессор i386, а в микроконтроллерах компании Motorola — процессор 680×0. Введе­ние этих процессоров в состав микроконтроллеров позволяет использовать в соответствующих системах управления огромный объем прикладного и си­стемного программного обеспечения, созданный ранее для соответствующих персональных компьютеров. Некоторые типы микроконтроллеров содержат несколько исполнительных конвейеров, образующих суперскалярную структуру;
• внутреннюю память команд емкостью до десятков килобайт и память данных емкостью до нескольких килобайт;
• средства для подключения внешней памяти объемом до 16 Мбайт и выше;
• набор сложных периферийных устройств — таймерный процессор, коммуни­кационный процессор, модуль последовательного обмена и ряд других. Во внутренней структуре этих микроконтроллеров реализуется принстонская или гарвардская архитектура.

Цифровые сигнальные процессоры

Этот класс специализированных мик­ропроцессоров предназначен для цифровой обработки поступающих аналоговых сигналов в реальном времени. Архитектура цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) ориентирована на быстрое выполнение последовательности операций ум­ножения–сложения с накоплением промежуточного результата в регистре–аккуму­ляторе, что обусловлено особенностью алгоритмов обработки аналоговых сигна­лов. Поэтому набор команд этих процессоров содержит специальные команды MAC (Multiplication with Accumulation — умножение с накоплением), реализующие эти операции.

Значение оцифрованного аналогового сигнала может быть представлено в виде числа с фиксированной или с плавающей точкой. В соответствии с этим ЦСП де­лятся на два класса:

• на процессоры, обрабатывающие числа с фиксированной точкой. К этому классу относятся более простые и дешевые ЦСП, которые обычно обрабатывают 16– или 24–разрядные операнды, представленные в виде правильной дроби. Однако ограниченная разрядность в ряде случаев не позволяет обес­печить необходимую точность результатов;
• на процессоры, обрабатывающие числа с плавающей точкой. Процессоры этого класса проводят вычисления над 32– и 40–разрядными операндами и обеспечивают более высокую точность результатов.

Для повышения производительности при выполнении специфических опера­ций обработки сигналов в большинстве ЦСП реализуется гарвардская архитекту­ра с использованием отдельных шин для передачи адресов, команд и данных. В ряде ЦСП нашли применение также некоторые черты

VLIW–архитектуры, для ко­торой характерно совмещение в одной команде нескольких операций. Такое со­вмещение обеспечивает обработку имеющихся данных и одновременную загруз­ку в исполнительный конвейер новых данных для последующей обработки.

Медийные процессоры

Этот тип процессоров предназначен для обработки аудио–сигналов, графики, видеоизображений, а также для решения ряда комму­никационных задач в мультимедиа–компьютерах, игровых приставках, бытовых приборах и др.

Аппаратную поддержку операций с новыми типами данных, характерными для обработки видео– и звуковой информации обеспечивают универсальные процес­соры с мультимедийным расширением набора команд: Pentium ММХ, UltraSPARC, Cyrix 6х86МХ (М2), AMD–K6 и др. Однако, когда мультимедийные операции до­минируют над традиционными числовыми операциями, больший эффект дает ис­пользование мультимедийных микропроцессоров. Их архитектура представляет собой некоторый гибрид архитектурных решений сигнальных и универсальных процессоров. Производством медиа–процессоров заняты компании MicroUnity (процессор Mediaprocessor), Philips (TriMedia), Chromatic Research (Mpact Media Engine) и др.