Микропроцессорные системы управления

Характеристики микропроцессора

Микропроцессор в основном характеризуется:

1) тактовой частотой, то есть количеством импульсов, создаваемых генератором за одну секунду .

Работа всех устройств микропроцессора синхронизируется, т.е. согласовывается благодаря электрическим импульсам тактовой частоты, вырабатываемых специальной микросхемой, называемой тактовым генератором. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц, млн. тактов в секунду). За время каждого такта микропроцессор выполняет одну элементарную операцию. Чем выше тактовая частота, тем быстрее работает микропроцессор и выше производительность компьютера. Микропроцессору каждого типа соответствует определённая оптимальная для него тактовая частота (clock), рекомендованная компанией-производителем. Существует возможность некоторого увеличения тактовой частоты процессора пользователем путём перестановки специальных перемычек на материнской плате либо изменением настроек в программе конфигурации компьютера, однако делать это без крайней нужды не следует по ряду причин: фирма- производитель назначает тактовую частоту оборудования не произвольно, а так, чтобы компьютер работал с максимальной скоростью устойчиво, без сбоев. Современные микропроцессоры, работая на полной мощности, выделяют до 70- 130 Вт тепловой энергии и их оснащают массивными радиаторами и вентиляторами, чтобы обеспечить оптимальный для этих микросхем тепловой режим, составляющий 50 — 60оС. При произвольном увеличении тактовой частоты процессора владельцем компьютера (так называемый «разгон процессора», overclocking) система охлаждения может не справиться с растущим тепловыделением и процессор будет работать в неблагоприятном режиме повышенных температур, ускоряющем выработку ресурса микросхемы и сокращающем продолжительности его работы.

Средний срок службы обычной интегральной схемы составляет 50-75 лет при температуре 60°C и всего лишь 1000-1500 ч при температуре 125°C. Для современных процессоров (в частности Phenom и Penryn), отличающихся гораздо более тонкой микроструктурой, чем «среднестатистическая» микросхема, средний срок службы сокращается ещё быстрее и составляет не более 1000-1500 ч при подъёме температуры от оптимальной до 85-90°C.

При опасном перегреве микропроцессора (около 90оС) начинаются перебои в его работе либо полный выход из строя. В микропроцессорах предусмотрена защита от перегрева (интегрированный в ядро процессора термодиод), поддерживаемая BIOS и материнской платой, на которую устанавливается процессор, своевременно выключающая электропитание процессора и сберегающая его от сгорания в случае неосторожного разгона или отказа системы охлаждения. На процессорах Intel, дополнительно к полному отключению электропитания, предусмотрена также более мягкая защита, обеспечивающая в случае опасного подъёма температуры (до 70-80оС) отработку процессором «пустых тактов» (Thermal Throttling), т.е. кристалл начинает работать через такт, снижая свою производительность приблизительно на 50%, остывая и не прекращая работы.

Как следует из сказанного, на современных персональных компьютерах при чрезмерном повышении тактовой частоты микропроцессора пользователь взамен ожидаемого роста производительности получает либо снижение скорости работы, либо сокращение срока службы машины и перебои в работе, либо лишается её совсем.

2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

Информация внутри компьютера представлена в виде двоичных чисел, т.е. сочетаний логических единиц и нулей, называемых битами (1 бит- один двоичный разряд, 1 или 0). Между устройствами компьютера данные передаются не сплошным потоком, а порциями- машинными словами, одно машинное слово передаётся за один такт работы компьютера. Количество бит в машинном слове называется разрядностью. Чем больше разрядность, т.е. чем длиннее машинное слово, тем быстрее передаётся и обрабатывается информация, тем быстрее работает компьютер.

Применительно к микропроцессору, различают три вида разрядности:

  • 1. разрядность регистров микропроцессора;
  • 2. разрядность шины данных;
  • 3. разрядность шины адреса .

Разрядность регистров — это длина машинного слова внутри микропроцессора. Разрядность этого вида диктуется вместимостью внутренних ячеек памяти процессора- вместимостью регистров. Когда классифицируют микропроцессор и употребляют термин «разрядность микропроцессора», то подразумевается внутренняя разрядность, поскольку именно разрядность регистров определяет эффективность обработки данных микропроцессором, диктует диапазон допустимых значений операндов.

Под шиной данных понимается группа проводников, по которым от микропроцессора к другим устройствам компьютера передаются данные. Разрядность шины данных — это число проводников в ней. Этот вид разрядности диктует длину машинных слов при передаче информации вне процессора, т.е. это длина «внешнего машинного слова». Длина машинных слов внутри микропроцессора и длина внешнего машинного слова могут не совпадать.

Разрядность шины адреса- это число проводников в адресной шине. По этим проводникам от микропроцессора к оперативной памяти передаётся информация для определения ячеек памяти, к которым надо получить доступ. Чем шире шина адреса, тем к большему числу ячеек памяти может адресовываться микропроцессор. Адресное пространство микропроцессора, т.е. наибольший теоретически возможный размер оперативной памяти, доступный для данного микропроцессора, определяется величиной 2n, где n- разрядность адресной шины.

3) архитектурой, т.е. логической организацией микропроцессора, однозначно определяющей свойства, особенности и возможности построения вычислительной системы на базе данного микропроцессора.

Современные микропроцессоры, при всем разнообразии их типов, моделей и производителей, имеют одну из трех типов архитектуры: CISC, RISC и MISC (это относится к микропроцессорам универсального, а не специального применения).

Архитектура CISC (Complex Instruction Set Computer) — командо-комплексная система управления компьютером. Отличается повышенной гибкостью и расширенными возможностями РС, выполненного на микропроцессоре, и характеризуется:

  • 1) большим числом различных по длине и формату команд;
  • 2) использованием различных систем адресации;
  • 3) сложной кодировкой команд.

Архитектура RISC (Reduced Instrucktion Set Computer) — командо-однородная система управления компьютером, имеет свои особенности:

  • 1) использует систему команд упрощенного типа: все команды имеют одинаковый формат с простой кодировкой, обращение к памяти осуществляется командами загрузки (данных из ОЗУ в регистр микропроцессора) и записи (данных из регистра микропроцессора в память), остальные используемые команды — формата регистр-регистр;
  • 2) при высоком быстродействии допускается более низкая тактовая частота и меньшая степень интеграции СБИС VLSI;
  • 3) команда меньше нагружает ОЗУ;
  • 4) отладка программ на RISC более сложна, чем на CISC;
  • 5) с архитектурой CISC программно несовместима.

Архитектура MISC (Multipurpose Instruction Set Computer) — многоцелевая командная система управления компьютером, сочетает в себе преимущества CISC и RISC. Элементная база состоит из отдельных частей (могут быть объединены в одном корпусе): основная часть (HOST — ведущая), архитектуры RISC CPU, а расширяемая часть — с подключением ПЗУ (ROM) микропрограммного управления. При этом вычислительная система приобретает свойства CISC: — основные команды работают на HOST, а команды расширения образуют адрес микропрограммы для своего выполнения. HOST выполняет команды за один такт, а расширение эквивалентно CPU со сложным набором команд (CISC). Наличие ПЗУ устраняет недостаток RISC, связанный с тем, что при компиляции с языка высокого уровня код операции (микропрограмма) уже дешифрирована и открыта для программиста.

4) Быстродействием микpопpоцессоpа, то есть числом элементарных операций, выполняемых микpопpоцессоpом в единицу времени (операции/секунда) .

Быстродействие микропроцессоров в наиболее общем смысле быстродействие МП, так же, как и любых цифровых вычислительных средств, определяется как средняя скорость выполнения некоторого алгоритма, состав команд которого представляет собой смесь, отражающую специфику класса решаемых задач. Смеси для различных классов задач составляются на основе статистического обобщения команд всех характерных для данного класса алгоритмов.

Однако необходимо учитывать, что полученное таким образом значение носит усредненный характер и может отличаться от значения, полученного для конкретной задачи.

Из-за трудности количественного определения быстродействия в приведенном выше смысле на практике пользуются менее общим, но более доступным упрощенным понятием. Также употребимы понятия времени цикла и тактовой частоты, косвенно связанные с быстродействием.

Чаще всего быстродействие МП характеризуется временем или скоростью выполнения короткой операции сложения содержимого регистра R с содержимым аккумулятора с последующей пересылкой результата в регистр R (операция типа RJR), хотя в литературе встречаются и другие определения. Однако сравнение МП по быстродействию в приведенном смысле не может считаться корректным в произвольном случае и, больше того, нередко приводит к заблуждениям. Дело в том, что алгоритмы выполняемых задач, отражая специфику самих задач, могут содержать различное количество операций типа RR, время выполнения которых в данном случае принято за быстродействие. К тому же, сам МП может быть ориентирован, как уже отмечалось, на выполнение различных алгоритмов, в которых удельный вес операции сложения может быть практически любым.

Таким образом, по скорости выполнения операции RR можно судить только о быстродействии универсальных МП, а сравнивать по этой характеристике можно лишь функционально одинаковые МП при решении ими одной и той же задачи .

Временем цикла или обращения принято называть период времени, затрачиваемый МП на обращение к одному слову в памяти. Это время может определяться быстродействием как самого МП, так и запоминающего устройства.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *