Методические указания и задания к контрольной работе для студентов-заочников ссуз по специальности 230106 «Техническое обслуживание средств вычислительной техники и компьютерных сетей» 2009 (стр. 2 из 11)

Содержание учебной дисциплины

Введение

Студент должен иметь представление:

- о роли и месте знаний по дисциплине в процессе освоения основной профессиональной образовательной программы по специальности;

- об основных проблемах и перспективах развития микропроцессорной техники;

- о микропроцессорах (МП) и микропроцессорных системах (МПС),

Дисциплина «Микропроцессоры и микропроцессорные системы», ее основные задачи и связь с другими дисциплинами. Основные проблемы и перспективы развития современных микропроцессоров и микропроцессорных систем

Значение МП для вычислительной техники, назначение и применение МП в вычислительной технике.

Теоретическое обоснование

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, основу которой составляет микропроцессор

Рисунок 1 – Структура микропроцессорной системы

Особенности микропроцессорных систем:

- Гибкая логика работы — меняется в зависимости от задачи;

- Универсальность — может решать очень много задач;

- Простота проектирования аппаратуры — единообразие схемотехнических решений;

- Простота отладки — единообразие системы связей и протоколов обмена;

- Аппаратурная избыточность, особенно для простых задач;

- Ниже быстродействие, чем у устройств с жёсткой логикой;

- Необходимость разработки и отладки программного обеспечения.

Раздел 1. Архитектура микропроцессоров (МП)

Студент должен знать:

- классификацию микропроцессоров

- типовую структуру МП

- отличительные особенности архитектур МП типа CISC, RISC

- принципы определения производительности МП

- принципы охлаждения МП

Назначение, классификация и функции. Структура типового МП, логическая структура и устройство управления МП. Типы современных архитектур: CISC, RISC. Идентификация и сравнение производительности МП. Питание и охлаждение МП.

Теоретическое обоснование

В 1946 году фон Нейман и его коллеги по Институту современных исследований в Принстоне (Prinston Institute for Advanced Studies — IAS) начали работу над проектом нового компьютера с хранимой программой, известного в научном мире под именем компьютера IAS. Этой компьютер, проектирование и изготовление которого завершилось только в 1952 году, стал прототипом всех последующих компьютеров общего назначения с хранимой программой. На рисунке 2 показана блок-схема компьютера IAS. В состав компьютера входят:

- устройство оперативной памяти, в котором хранятся данные и команды
программы;

- арифметическое и логическое устройство (АЛУ), которое обрабатывает
данные, представленные в двоичной системе счисления;

- устройство управления выполнением программы (УУ), которое анализирует
команды программы, извлекаемые из памяти, и организует их выполнение;

- оборудование ввода-вывода, работающее в соответствии с сигналами, поступающими от УУ.

Рисунок 2 – Блок-схема компьютера IAS

Основные термины:

- Процессор — обработчик и вычислитель, выполняющий все операции над кодами и сигналами;

- Программа — набор управляющих кодов (команд), определяющих логику работы системы;

- Команда — управляющий код, указывающий процессору, что ему надо делать в данный момент;

- Шина (магистраль, канал) — линии связи, объединяющие устройства микропроцессорной системы;

- Интерфейс (сопряжение) — соглашение об обмене информацией, а также технические средства для реализации этого обмена.

Микропроцессор (МП) – это программно-управляемое устройство, которое предназначено для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки и выполнено в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).

Понятие большая интегральная схема в настоящее время четко не определено. Ранее считалось, что к этому классу следует относить микросхемы, содержащие более 1000 элементов на кристалле. И действительно, в эти параметры укладывались первые микропроцессоры. Например, 4-разрядная процессорная секция микропроцессорного комплекта К584, выпускавшегося в конце 1970-х годов, содержала около 1500 элементов. Сейчас, когда микропроцессоры содержат десятки миллионов транзисторов и их количество непрерывно увеличивается, под БИС будем понимать функционально сложную интегральную схему.

Микропроцессор характеризуется большим количеством параметров и свойств, так как он является, с одной стороны, функционально сложным вычислительным устройством, а с другой –электронным прибором, изделием электронной промышленности. Как средство вычислительной техники он характеризуется прежде всего своей архитектурой, то есть совокупностью программно-аппаратных свойств, предоставляемых пользователю. Сюда относятся система команд, типы и форматы обрабатываемых данных, режимы адресации, количество и распределение регистров, принципы взаимодействия с оперативной памятью и внешними устройствами (характеристики системы прерываний, прямой доступ к памяти и т. д.). По своей архитектуре микропроцессоры разделяются на несколько типов (рисунок 3).

Универсальные микропроцессоры предназначены для решения задач цифровой обработки различного типа информации от инженерных расчетов до работы с базами данных, не связанных жесткими ограничениями на время выполнения задания. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. К нему относятся такие известные микропроцессоры, как МП ряда Pentium, Core фирмы Intel и МП семейства Athlon фирмы AMD.

Рисунок 3 - Классификация микропроцессоров

Характеристики универсальных микропроцессоров:

- разрядность: определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ);

- виды и форматы обрабатываемых данных;

- система команд, режимы адресации операндов;

- емкость прямоадресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса;

- частота внешней синхронизации. Для частоты синхронизации обычно указывается ее максимально возможное значение, при котором гарантируется работоспособность схемы. Для функционально сложных схем, к которым относятся и микропроцессоры, иногда указывают также минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. В то же время в тех применениях МП, где не требуется высокое быстродействие, снижение частоты синхронизации - одно из направлений энергосбережения. В ряде современных микропроцессоров при уменьшении частоты он переходит в <спящий режим>, при котором сохраняет свое состояние. Частота синхронизации в рамках одной архитектуры позволяет сравнить производительность микропроцессоров. Но разные архитектурные решения влияют на производительность гораздо больше, чем частота;

- производительность: определяется с помощью специальных тестов, при этом совокупность тестов подбирается таким образом, чтобы они по возможности покрывали различные характеристики микроархитектуры процессоров, влияющие на производительность.

Универсальные микропроцессоры принято разделять на CISC- и RISC-микропроцессоры. CISC-микропроцессоры (completed instruction set computing - вычисления с полной системой команд) имеют в своем составе весь классический набор команд с широко развитыми режимами адресации операндов. Именно к этому классу относятся, например, микро процессоры типа Pentium. В то же время RISC-микропроцессоры (reduced instruction set computing - вычисления с сокращенной системой команд) используют, как следует из определения, уменьшенное количество команд и режимов адресации. Здесь прежде всего следует выделить такие микропроцессоры, как Alpha 21x64, Power PC. Количество команд в системе команд - наиболее очевидное, но на сегодняшний день не самое главное различие в этих направлениях развития универсальных микропроцессоров.

Как электронное изделие микропроцессор характеризуется рядом параметров, наиболее важными из которых являются следующие:

- Требования к синхронизации: максимальная частота, стабильность.

- Количество и номиналы источников питания, требования к их стабильности. В настоящее время существует тенденция к уменьшению напряжения питания, что сокращает тепловыделение схемы и ведет к повышению частоты ее работы. Если первые микропроцессоры работали при напряжении питания+-15В, то сейчас отдельные схемы используют источники менее 1 В.

- Мощность рассеяния - это мощность потерь в выходном каскаде схемы, превращающаяся в тепло и нагревающая выходные транзисторы. Иначе говоря, она характеризует показатель тепловыделения БИС, что во многом определяет требования к конструктивному оформлению микропроцессорной системы. Эта характеристика особенно важна для встраиваемых МПС.

- Уровни сигналов логического нуля и логической единицы, которые связаны с номиналами источников питания.

- Тип корпуса - позволяет оценить пригодность схемы для работы в тех или иных условиях, а также возможность использования новой БИС в качестве замены существующей на плате.