Классификация микропроцессоров: универсальные и специализированные, цифровые сигнальные процессоры и микроконтроллеры

Микропроцессор является универсальным устройством для выполнения программной обработки информации, которое может использоваться в самых разнообразных сферах человеческой деятельности. Десятки компаний-производителей выпускают несколько тысяч типов микропроцессоров, имеющих разные характеристики и предназначенные для различных областей применения. По функциональному признаку все это многообразие типов можно разделить на два класса: универсальные МП и специализированные МП. Среди специализированных микропроцессоров наиболее широкое распространение получили микроконтроллеры и цифровые сигнальные процессоры.

Универсальные МП предназначены для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации. Их основной областью использования являются вычислительные установки массового применения: персональные компьютеры, серверы, рабочие станции, а также специализированные системы, где требуется высокая производительность: телекоммуникационное оборудование, промышленные компьютеры, системы управления сложными объектами промышленной автоматики. Важной характеристикой этих МП является наличие развитых устройств для эффективной реализации операций с плавающей точкой над 32- и 64-разрядными операндами. В последнее время в составе этих МП включаются функциональные блоки для обработки мультимедийной информации.

Основным направлением развития универсальных микропроцессоров является повышение их производительности, которая определяется количеством вычислительной работы, выполняемой в единицу времени. Обычно это 32-разрядные МП (некоторые МП этого класса имеют 64-разрядную и даже 128-разрядную структуру), которые изготавливаются по самой современной микроэлектронной технологии, обеспечивающей частоту функционирования до нескольких гигагерц.

Цифровые сигнальные процессоры (ЦСП) (англоязычный термин: DSP – Digital Signal Processor) являются классом специализированных микропроцессоров, ориентированных на цифровую обработку поступающих аналоговых сигналов. Отличительной особенностью этих задач является поточный характер обработки больших объемов данных в реальном масштабе времени, требующий от технических средств высокой производительности и обеспечения возможности интенсивного обмена с внешними устройствами. Соответствие данным требованиям достигается благодаря специфической архитектуре сигнальных процессоров, проблемно-ориентированной системе команд.

ЦСП делятся на процессоры, обрабатывающие данные в формате с фиксированной точкой и в формате с плавающей точкой.

Наиболее простые и дешевые ЦСП с фиксированной точкой обрабатывают данные с разрядностью 16 бит. Однако ограничение разрядности в ряде случаев не позволяет обеспечить необходимую точность преобразования.

Работа с данными в формате с плавающей точкой существенно упрощает и ускоряет обработку. Такие ЦСП обычно используют 32-разрядный формат представления данных. Однако аппаратная реализация операций с плавающей точкой приводит к высокой сложности функциональных устройств, требует использования более сложных технологий производства микросхем, что существенно увеличивает цену ЦСП.

ЦСП находят широкое применение в коммуникационном оборудовании (сотовые и радиотелефоны, кодирование аудио- и видеопотоков), системах управления электроприводами, медицинской, диагностической и измерительной аппаратуре, а также в других областях, где необходима быстродействующая обработка сигналов.

Наибольшей спецификацией и разнообразием функций обладают микроконтроллеры, которые ориентированы на реализацию устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру. Ввиду огромного количества объектов, управление которыми обеспечивается с помощью микроконтроллеров, годовой объем их выпуска превышает 9 миллиардов экземпляров, на несколько порядков превосходя объем выпуска универсальных микропроцессоров.

Характерной особенностью структуры микроконтроллеров является размещение на одном кристалле с центральным процессором внутренней памяти и большого набора периферийных устройств: параллельных и последовательных портов ввода/вывода данных, таймеров, аналого-цифровых преобразователей и т.п. Благодаря использованию внутренней памяти и периферийных устройств реализуемые на базе микроконтроллеров системы управления содержат минимальное количество дополнительных элементов.

В связи с широким диапазоном решаемых задач управления требования, предъявляемые к производительности МК, объему внутренней памяти команд и данных, набору необходимых периферийных устройств, оказываются весьма разнообразными. Для удовлетворения запросов потребителей выпускается большая номенклатура микроконтроллеров, которые принято подразделять на 8-, 16- и 32-разрядные.

8-разрядные МК представляют наиболее многочисленную группу этого класса микропроцессоров. Они имеют относительно низкую производительность, которая, однако, вполне достаточна для решения широкого круга задач управления различными объектами. Это простые и дешевые МК, ориентированные на использование в относительно несложных устройствах массового выпуска. Основными областями их применения являются бытовая и измерительная техника, промышленная автоматика, автомобильная электроника, теле-, видео- и аудиоаппаратура, средства связи.

Для этих МК характерна реализация Гарвардской архитектуры, где используется отдельная память для хранения программ и данных. Внутренняя память программ обычно имеет объем от нескольких единиц до десятков Кбайт. Объем внутренней памяти данных составляет от нескольких десятков байт до нескольких Кбайт. МК этой группы обычно выполняют относительно небольшой набор команд (33 -100), использующих наиболее простые способы адресации.

16-разрядные МК во многих случаях являются усовершенствованной модификацией своих 8-разрядных прототипов. Они характеризуются не только увеличенной разрядностью обрабатываемых данных, но и расширенной системой команд и способов адресации, увеличенным набором регистров и объемом адресуемой памяти, а также рядом других дополнительных возможностей, использование которых позволяет повысить производительность и обеспечить новые области применения. Обычно эти МК позволяют расширить объем памяти программ и данных до нескольких Мбайт путем подключения внешних микросхем памяти. Основная сфера применения таких МК – сложная промышленная автоматика, телекоммуникационная аппаратура, медицинская и измерительная техника.

32-разрядные МК содержат высокопроизводительный процессор, соответствующий по своим возможностям младшим моделям универсальных микропроцессорам. В ряде случаях процессор, используемый в этих МК, аналогичен универсальным микропроцессорам, которые выпускались ранее как самостоятельные изделия. Кроме 32-разрядного процессора на кристалле МК размещаются внутренняя память программ емкостью до десятков Кбайт, память данных емкостью до нескольких Кбайт, а также сложно-функциональные периферийные устройства: таймерный процессор, коммуникационный процессор, модуль последовательного обмена и ряд других. Эти МК могут работать с внешней памятью объемом до 16 Мбайт и выше. 32-разрядные МК используются в системах управления сложными объектами промышленной автоматики, робототехнических устройства, автоматизированном электроприводе, в контрольно-измерительной аппаратуре и телекоммуникационной оборудовании.