Особенности организации однокристальных и секционных микропроцессоров

Практически во всех современных МП системах используются сложные развитые системы команд. Их ядро, состоящее из набора универсальных команд, реализуется аппаратным способом в центральном МП. Кроме того, специализированные части наборов системы команд реализуются вспомогательными или периферийными микропроцессорами МПС. Эти специальные арифметические и логические микропроцессоры расширяют возможности обработки данных и позволяют ускорить выполнение определенных команд и тем самым сократить время исполнения программ.

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

а - однокристальный МП, б – трёхкристальный МП,
в – МП на базе секционных БИС

Однокристальные МП получены в результате реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС. По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных МП улучшаются. Однако возможности однокристальных МП ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Поэтому более широко распространены многокристальные МП, а также многокристальные секционные МП.

Для получения многокристального МП необходимо разбиение его логической структуры на функционально законченные части: операционную, управляющую и интерфейсную. Сложность операционной и управляющей частей МП определяется их разрядностью, системой команд и требованиям к системе прерываний; сложность интерфейсной части - разрядностью и возможностями подключения других устройств - памяти, внешних устройств, датчиков и исполнительных механизмов и т.д. Интерфейс МП содержит несколько десятков шин информационных магистралей данных МД, адресов МА и управления МУ. При этом микропроцессорная система приобретает магистрально-модульную структуру, когда к единой внутренней информационной магистрали подключаются все основные функциональные блоки. Функциональная законченность БИС многокристального МП 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 БИС.

В качестве примера рассмотрено функциональное разбиение структуры процессора при создании трехкристального микропроцессора, содержащего БИС операционного, БИС управляющего и БИС интерфейсного процессоров. Операционный процессор ОП служит для обработки данных, управляющий процессор УП выполняет функции выборки, декодирования и вычисления адресов и также генерирует последовательности микрокоманд. Автономность работы и большое быстродействие БИС УП позволяет выбирать команды из памяти с большей скоростью, чем скорость их исполнений 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 устройства и МП, он, по существу, является сложным контроллером для УВВ. БИС ИП выполняет также функции канала прямого доступа к памяти.

Многокристальные секционные МП получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части-секции логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями. Для построения многоразрядных процессоров при параллельном включении секции БИС в них добавляются средства «стыковки».

Для создания высокопроизводительных многоразрядных МП требуется столько аппаратных средств, не реализуемых в доступных БИС, что может возникнуть необходимость еще и в функциональном разбиение структуры МП горизонтальными плоскостями. В результате функционально и конструктивно законченные части процессора реализуются в виде БИС каждая. Все они образуют комплекс секционных БИС МП. Таким образом, микропроцессорная секция - это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Секционность БИС МП позволяет «наращивать» разрядность обрабатываемых данных или усложнять УУ при «параллельном» включении большого числа БИС.

Кроме того, выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются каждой частью МП автономно, и поэтому может быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС МП, т.е. конвейерный поточный режим выполнения последовательности команд программы. Такой режим работы значительно повышает производительность МПС.

Использование многокристальных МП БИС, имеющих функциональную законченность при малой физической разрядности обрабатываемых данных и монтируемых в корпус с большим числом выводов, позволяет организовать разветвление связи в процессоре, а также осуществить конвейерные принципы обработки информации и повысить производительность ЭВМ и ВС.