Основные понятия и определения электроники. Компонентная база электроники, страница 23

Обобщенная структурная схема микропроцессора приведена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Обобщенная структурная схема микропроцессора

Микропроцессор имеет несколько десятков (или сотен) внешних выводов, большую часть которых можно объединить в три шины: шину управления (control bus), шину данных (data bus) и шину адресов (address bus). Шины управления и адресов являются однонаправленными, и микропроцессор выставляет на эти шины требуемые логические уровни. Шина данных двунаправленная. Микропроцессор принимает по ней двоичные коды команд и данных, а также выдает двоичные коды данных.

В начале работы микропроцессор с помощью двоичного счетчика команд, формирователя адресов и блока управления выставляет на шины управления и адресов требуемые логические уровни, а затем принимает по шине данных двоичный код команды (instruction). Этот код записывается для временного хранения в регистр команд, а после декодируется дешифратором, включающим нужные логические цепи в блоке управления. Блок управления инициирует действия, предписанные декодированной командой. Эти действия заключаются в пересылке кода данных во внутреннюю память микропроцессора – регистр-аккумулятор или регистры общего назначения, – а также в запуске в работу вычислительного ядра микропроцессора – АЛУ. Необходимый двоичный код данных (data), т. е. некоторое число или значение адреса приходит в микропроцессор по шине данных сразу за кодом команды. Однако бывают команды, не содержащие данных. Тогда микропроцессор выполняет действия с ранее записанными в его регистры данными. Аккумулятор – это основной регистр, через который в первых микропроцессорах работало большинство команд. Однако в современных микропроцессорах этот регистр по функциональности практически не отличается от остальных регистров общего назначения. Всего в микропроцессорах может быть от 4 до 64 регистров общего назначения. В микропроцессорах для специализированных устройств таких регистров максимум. В микропроцессорах для персональных компьютеров их всего 4. Однако в этих микропроцессорах АЛУ содержит свои собственные регистры, а также имеются десятки и сотни тысяч регистров в так называемой кэш (cash) –памяти.

В микропроцессорах для специализированных устройств АЛУ выполняет простейшие арифметические, логические операции, а также операции сравнения. В микропроцессорах для персональных компьютеров АЛУ дополняется так называемым математическим сопроцессором, позволяющим выполнять сложные математические вычисления: тригонометрические функции, логарифмы, возведение в степень и т. д.

Основные характеристики микропроцессоров: тактовая частота, разрядность и быстродействие.

Все действия микропроцессора выполняются последовательно одно за другим с частотой, которая называется тактовой. Тактовые импульсы поступают в микропроцессор с внешнего генератора тактовой частоты. В современных микропроцессорах простейшие команды выполняются за один или два тактовых импульса. Микропроцессоры для специализированных устройств имеют тактовую частоту до 100 МГц, а микропроцессоры для персональных компьютеров – до 4 ГГц.

Разрядность микропроцессора равна разрядности его регистров общего назначения. Чем выше разрядность микропроцессора, тем с большим объемом данных он способен работать непосредственно. Микропроцессоры для специализированных устройств имеют разрядность 8 или 16, а микропроцессоры для персональных компьютеров – 32 или 64. Современные многоядерные микропроцессоры имеют несколько тридцатидвухразрядных ядер, работающих одновременно.

Быстродействие микропроцессора зависит от тактовой частоты и разрядности. При увеличении тактовой частоты, например, в 2 раза, быстродействие микропроцессора увеличивается менее чем в 2 раза из-за сложности внутренних процессов. Поэтому в простейшем случае быстродействие оценивают в MIPS – Mega Instruction Per Second – миллионов операций в секунду. Современные микропроцессоры для специализированных устройств имеют быстродействие до 100 MIPS.