Микропроцессоры ПК их назначение и характеристики

Введение

Более чем четверть века, начиная с конца Второй мировой войны, ЭВМ оставались громоздкими, дорогостоящими и доступными только узкому кругу специалистов устройствами, не смотря на то, что их элементная база постоянно совершенствовалась - от электронных ламп к транзисторам, а от них - к интегральным схемам.
Ситуация изменилась коренным образом в 1971 году, когда группа специалистов корпорации Intel - Тед Хофф, Фредерико Феджин и Стэн Мэйзор - создали первый микропроцессор.
История создания первого в мире микропроцессора началась в 1969 году, когда Intel получила от японской фирмы Busicom заказ на разработку первого набора микросхем для семейства калькуляторов, которая производилась этой фирмой. Начальная конструкция калькуляторов Busicom предусматривала использование около десяти микросхем. Но Хоффу, Феджину и Мейзору удалось спроектировать единую универсальную микросхему - центральный процессор ЭВМ общего пользования. Этот процессор взял на себя выполнение целого комплекса разнообразных функций, для реализации которых ранее приходилось использовать большое количество разнообразных узкоспециализированных компонентов.
Концепцию процессора общего назначения предложил Тед Хофф. Им же была разработана архитектура универсальной микросхемы, которая вмещала в себе около 2000 транзисторов. Система команд первого микропроцессора была разработана Стэн Мейзором, а саму микросхему спроектировал Федерико Феджин. В середине ноября 1971 года Intel официально объявила о создании универсального МП, который получил фирменное название «микросхема 4004».
О значении революции в вычислительной технике, которую вызвало появление МП красноречиво свидетельствует тот факт, что в 1996 году фамилии Теда Хоффа, Фредерико Феджина и Стэна Мейзора были внесены в список лауреатов Национального зала Славы изобретателей США, и теперь они стоят рядом с именами Томаса Эдисона, Александра Белла и других выдающихся американских изобретателей.
Именно появление МП открыла путь к созданию персональных компьютеров, использованию цифровой обработки сигналов в радиотехнике и др. МП являются основой современной вычислительной техники - как универсальной, так и специализированной.
Микропроцессор является основным вычислительным блоком компьютера. Это устройство, что выполняет программу - последовательность команд (инструкций), написанную программистом и оформленную в виде модуля, выполняется. МП семейства Intel х86, начало которому было положено в 1979 году выпуском модели 8086, является основой построения IBM PC - совместимых персональных компьютеров, хотя сфера их применения не ограничивается ПК данной архитектуры.

Характеристики микропроцессоров

Микропроцессором в кибернетике называют программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной большой интегральной микросхеме (БИС) или на определенном наборе ВИС. С точки зрения теории цифровых устройств, МП -это наиболее сложный на сегодняшний день многофункциональный цифровой автомат, который вмещает как последовательности так и комбинационные узлы.
1. По функциональному назначению различают универсальные и специализированные МП.
Универсальные МП имеют алгоритмически универсальный набор команд, с помощью которого можно осуществлять преобразования информации в соответствии с любым заданным алгоритмом. Производительность (быстродействие) таких процессоров практически не зависит от специфики решаемых задач.
Специализированные МП предназначены для решения ограниченного и строго определенного круга задач, иногда даже для решения одной конкретной задачи. К специализированным МП относятся: сигнальные; медийные и мультимедийные; транспьютеры; микроконтроллеры.
Сигнальные процессоры (процессоры цифровых сигналов) предназначены для цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени (например, фильтрация сигналов, вычисления свертки и корреляционной функции, усиления, ограничения и трансформация сигнала, прямое и обратное преобразования Фурье).
Медийные и мультимедийные процессоры предназначены для обработки аудио сигналов, графической информации, видеоизображений, а также для решения ряда задач в мультимедиакомпьютерах, игровых приставках, бытовой технике.
Транспьютеры предназначены для массовых параллельных вычислений и работы в мультипроцессорных системах

. Для них характерным является наличие внутренней памяти и встроенного микропроцессорного интерфейса, то есть каналов связи с другими МП.
Среди специализированных МП можно выделить микроконтроллеры -- МП, предназначенные для решения задач управления какими-либо процессами или устройствами.
На помощь центральному процессору в компьютер иногда вводят сопроцессоры, ориентированные на эффективное выполнение каких-либо специфических функций. Ранее широко были распространены математические сопроцессоры, что обрабатывают числовые данные в формате с плавающей запятой; графические сопроцессоры, выполняющие геометрические построения и обработки графических изображений; сопроцессоры ввода-вывода, разгружающих центральный процессор от несложных, но многочисленных операций взаимодействия с внешними устройствами. Возможны и другие сопроцессоры, однако все они несамостоятельные - исполнение основного вычислительного процесса осуществляется центральным процессором, что в соответствии с программой выдает "задания" сопроцессорам на выполнение их вспомогательных функций.
2. По числу БИС, используемых для построения функционально полного МП, различают однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные МП.
Однокристальные МП реализуются в виде один БИС. Логическая структура багатокристального МП разбивается на сложные функциональные узлы, каждый из которых реализуется в виде отдельной БИС.
Однокристальные МП могут быть одноядерными и многоядерными. Многоядерный процессор имеет фактически несколько вычислительных устройств, расположенных на одном кристалле, которые могут работать параллельно и имеют общие цепи ввода-вывода.
Многокристальные секционные (разрядно-модульные) МП используются для построения многоразрядных МП на основе параллельно включенных микропроцессорных секций. Микропроцессорная секция представляет собой БИС для обработки нескольких разрядов данных (от 2 до 16), может использоваться как самостоятельно, так и как модуль для построения МП, что обрабатывает более длинные кодовые слова.
Подавляющее большинство современных универсальных МП являются однокристальными.
3. За разрядностью обрабатываемых кодовых слов данных МП могут быть с фиксированной или наращиваемой разрядностью слов.
Процессорами с наращиваемой разрядностью кодов слов есть только многокристальные секционные МП, все остальные МП обрабатывают слова фиксированной разрядности.
4. По способу управления вычислительным процессом различают МП с микропрограммным и со схемным (аппаратным) управлением.
Микропроцессоры со схемным управлением имеют фиксированный набор команд, разработанный фирмой-производителем, который не может изменять пользователь. В МП с микропрограммным управлением систему команд разрабатывают при проектировании конкретного микропроцессорного комплекта на базе набора простейших микрокоманд с учетом класса задач, для которых предназначен МПК.
Вообще микропроцессорным комплектом называют совокупность интегральных схем, совместимых по электрическим, информационным и конструктивным параметрам и предназначенных для построения электронно-вычислительной аппаратуры и микропроцессорных систем управления.
По типу архитектуры, или принципу построения различают МП с неймановскойю архитектурой и МП с гарвардской архитектурой.
По типу системы команд различают CISC (Complete Instruction Set Computing) - процессоры с полным набором команд, и RISC (Redused Instruction Set Computing) - процессоры с уменьшенным набором команд.
МП, являясь сложным вычислительным устройством, реализованным в виде БИС, характеризуется многими параметрами и свойствами.

Как ВИС, МП может быть охарактеризован следующими параметрами: степенью интеграции (размерами кристалла и количеством транзисторов на нем), типом корпуса, числом выводов, количеством и величинами питающих напряжение, мощностью рассеиваемой, рабочим температурным диапазоном, надежностью, нагрузочной способностью и т.п. Эти параметры существенно различаются у разных процессоров, и имеют существенное значение только для разработчиков аппаратного обеспечения ЭВМ.
Разработчики программного обеспечения ЭВМ используют интегральные системные характеристики МП как вычислительного устройства, к которым, например, относятся:
- используемая система команд;
- структура системы прерываний;
- возможность организации различных структур памяти и типов обмена информацией с внешними устройствами;
- способы организации совместной работы нескольких процессоров и др.
Наиболее практически важными для конечного пользователя конструктивными и функциональными характеристиками являются:
- разрядность МП