Универсальные МП это — такие, в системе команд которых заложена алгоритмическая универсальность. Последнее означает, что выполняемый машиной состав команд позволяет получить преобразование информации в соответствии с любым заданным алгоритмом. К универсальным МП относятся и секционные микропроцессоры, поскольку для них система команд может быть оптимизирована в каждом частном проекте создания секционного микропроцессора. Эта группа МПК наиболее многочисленна, в нее входят такие комплекты как КР580, Z80, Intel 80x86 К582, К587, К1804, К1810.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций; математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например матричных методов их выполнения; МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных — входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных — и к определению их подобия. Конволюция дает возможность в реальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума. Существовавшие до сих пор конвольверы. на базе набора ИС имели большие размеры и потребляли значительную мощность. Кроме того, как правило, и конволюция и корреляция, которые являются видами цифровой согласованной фильтрации, нуждаются в обширном программном обеспечении, особенно при “бедности” аппаратурных средств конвольвера или коррелятора.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры — цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т. д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной “настройки” цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов.

Обычно в составе однокристальных аналоговых МП имеется несколько каналов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. В аналоговом микропроцессоре разрядность обрабатываемых данных достигает 24 бит и более, большое значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметических операций.

Отличительная черта аналоговых микропроцессоров — способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью, при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый преобразователь. При этом согласно теореме Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частоту сигнала.

Сравнение цифровых микропроцессоров производится сопоставлением времени выполнения ими списков операций. Сравнение же аналоговых микропроцессоров производится по количеству эквивалентных звеньев аналого-цифровых фильтров — рекурсивных фильтров второго порядка. Производительность аналогового микропроцессора определяется его способностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрее осуществляется умножение, тем больше эквивалентное количество звеньев фильтра в аналоговом преобразователе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровых сигналов можно задавать в микропроцессоре.

По числу БИС в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.

Процессоры даже самых простых ЭВМ имеют сложную функциональную структуру, содержат большое количество электронных элементов и множество разветвленных связей. Реализовать принципиальную схему обычного процессора в виде одной или нескольких БИС практически невозможно из-за специфических особенностей БИС (ограниченность количества элементов, сложность выполнения разветвленных связей, сравнительно небольшое число выводов корпуса). Поэтому необходимо изменять структуру процессора так, чтобы полная принципиальная схема или ее части имели количество элементов и связей, совместимое с возможностями БИС. При этом микропроцессоры приобретают внутреннюю магистральную структуру, т. е. в них к единой внутренней информационной магистрали подключаются все основные функциональные блоки (арифметическо-логический, рабочих регистров, стека, прерываний, интерфейса, управления и синхронизации и др.).

Для обоснования классификации микропроцессоров по числу БИС надо распределить все аппаратурные блоки процессора между основными тремя функциональными частями: операционной, управляющей и интерфейсной. Сложность операционной и управляющей частей процессора определяется их разрядностью, системой команд и требованиями к системе прерываний; сложность интерфейсной части — разрядностью и возможностями подключения других устройств ЭВМ (памяти, внешних устройств, датчиков и исполнительных механизмов и др.). Интерфейс процессора содержит несколько десятков шин информационных магистралей данных (МД), адресов (МА) и управления (МУ).

Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно, а для построения развитого процессора не требуется организации большого количества новых связей и каких-либо других электронных ИС БИС. (Типичный пример - МПК БИС серии К581).

На рис. 2.1,а показано функциональное разбиение структуры процессора при создании трехкристального микропроцессора (пунктирные линии), содержащие БИС операционного 077, БИС управляющего УП и БИС интерфейсного ИП процессоров.

Операционный процессор ОП служит для обработки данных, управляющий процессор УП выполняет функции выборки, декодирования и вычисления адресов операндов и также генерирует последовательности микрокоманд. Автономность работы и большое быстродействие БИС УП позволяет выбирать команды из памяти с большей скоростью, чем скорость их исполнения БИС ОП. При этом в УП образуется очередь еще не исполненных команд, а также заранее подготавливаются те данные, которые потребуются ОП в следующих циклах работы. Такая опережающая выборка команд экономит время ОП на ожидание операндов, необходимых для выполнения команд программ. Интерфейсный процессор ИП позволяет подключить память и периферийные средства к микропроцессору; по существу, является сложным контроллером для устройств ввода — вывода информации. БИС ИП выполняет также функции канала прямого доступа к памяти.

Рис. 2.1. Функциональная структура процессора (а) и ее разбиение для реализации процессора в виде комплекта секционных БИС МП (б)

Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями (рис. 2.1,6). Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС МП в них добавляются средства “стыковки”.

Таким образом, микропроцессорная секция — это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Секционность БИС МП определяет возможность “наращивания” разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессором при “параллельном” включении большего числа БИС.

За 10 лет с момента создания однокристальные микропроцессоры развились от простых специализированных 4-разрядных до 16-разрядных процессоров, сравнимых по параметрам с процессорами средних мини-ЭВМ начала 80-х годов. Трехкристальные микропроцессоры имеют разрядность до 32 бит и параметры, сравнимые с параметрами старших моделей рядов мини-ЭВМ и средних ЭВМ общего применения.

Многокристальные секционные микропроцессоры имеют разрядность от 2—4 до 8—16 бит и позволяют создавать разнообразные высокопроизводительные процессоры ЭВМ. (Примером может служить отечественная БИС К589ИК02 и К1804ВС1 .)

Однокристальные и трехкристальные БИС МП, как правило, изготовляют на основе микроэлектронных технологий униполярных полупроводниковых приборов, а многокристальные секционные БИС МП — на основе технологии биполярных полупроводниковых приборов.

Входные алгоритмические языки отображаются в виртуальной машине программным способом. Поэтому любое задание машине, выраженное на входном алгоритмическом языке, обязательно проходит этап трансляции с использованием компиляторов или интерпретаторов, если входной алгоритмический язык и машинный язык виртуальной ЭВМ не совпадают. Повышение уровня машинного языка, приближение его к алгоритмическим входным языкам высокого уровня снижают затраты на разработку программного обеспечения. При этом усложняются структуры операций и операндов, воспринимаемых виртуальной машиной, например вместо отдельных операндов-слов в программе компактно описываются массивы информации (матрицы, наборы слов — строки, удовлетворяющие заданным условиям, и т. д.).

При проектировании систем для однократного решения потоков разнообразных задач желательно сдвигать уровень языка виртуальной микромашины в сторону алгоритмических языков. Приближение входного и машинного языков снижает затраты на программирование. Повышение уровня машинного языка, реализуемое, например, в микропроцессоре 432, обеспечивает построение систем для данного направления применения. Промежуточное направление, позволяющее за счет обеспечения разнообразных модулей программного и аппаратурного обеспечения создавать конфигурации вычислительных средств, удовлетворяющие различным интересам показателей, базируется на применении однокристальных 5-, 8-, 16-разрядных микропроцессоров и специальных БИС МПК.

Важным направлением в развитии микропроцессоров является создание и применение эмуляторов на основе заказных БИС. Среди них первыми были микро-ЭВМ LSI-11 фирмы “DEC” и отечественная микро-ЭВМ “Электроника-60”. Эмуляторы являются младшими моделями известных серий (рядов) мини-ЭВМ, для которых создано развитое программное обеспечение.

Регистровая архитектура микропроцессора (архитектура типа “регистр — регистр”) определяет наличие достаточно большого регистрового файла внутри БИС микропроцессора. Этот файл образует поле памяти с произвольной записью и выборкой информации. Микропроцессоры с регистровой архитектурой имеют высокую эффективность решения научно-технических задач, поскольку высокая скорость работы СОЗУ позволяет эффективно использовать скоростные возможности арифметическо-логического блока. Однако при переходе к решению задач управления эффективность таких микропроцессоров падает, так как при переключениях программ необходимо разгружать и загружать регистры СОЗУ.

Архитектура микропроцессора, ориентированная на оперативную память (архитектура типа “память — память”), обеспечивает высокую скорость работы и большую информационную емкость рабочих регистров и стека при их организации в ОЗУ. Эта архитектура отнесена к типу “память — память”, поскольку в МП с такой архитектурой все обрабатываемые числа после операции в микропроцессоре вновь возвращаются в память, а не хранятся в рабочих регистрах.

Рис. 5.1. Иллюстрированные схемы выполнения операций в микропроцессорах с архитектурой, ориентированной на оперативную память (а) и регистровой (б)

Другая отличительная особенность архитектуры микропроцессора, ориентированная на оперативную память,— двухадресный формат команд. В этих микропроцессорах нет специального накапливающего регистра, выполняющего функции подразумеваемой ячейки результата для всех двухоперандных команд.

Рассмотрим выполнение операции сложения содержимого двух ячеек памяти с номерами /и/по команде “Сложить //” (рис. 5. 1, а). Поскольку в архитектуре типа “память — память” любая ячейка памяти может содержать либо исходный операнд, либо операнд-результат, эта операция выполняется по одной команде. В то же время в процессорах с одноадресной регистровой архитектурой для достижения той же самой цели приходится использовать две команды: команду пересылки операнда / во внутренний регистр, команду / сложения содержимого регистра с содержимым ячейки памяти / и пересылки результата в ячейку / (рис. 5.1, б).

В отличие от микропроцессоров с архитектурой, ориентированной на оперативную память, в микропроцессорах с регистровой архитектурой рабочие области регистров размещаются в логических частях процессоров. Однако малая плотность логических схем по сравнению с плотностью схем памяти ограничивает возможность регистровой архитектуры. В свою очередь, микропроцессоры с архитектурой, ориентированной на память, обеспечивают быстрое подключение к рабочим областям, когда необходимо заменять контексты. Смена контекстов осуществляется изменением векторов трех регистров — счетчика команд, регистра состояния и указателя рабочей области. Достоинство этой архитектуры в отношении смены контекстов связано с выполнением только одной команды для передачи полного вектора контекста.