Мощность микропроцессора

Почти все микропроцессоры изготовляются на кремниевых кристаллах. Длина стороны куба-кристалла равна 0,64 см. Такой кремниевый кристалл с содержащимися в нем электрическими схемами микропроцессора упаковывается в корпус так называемой интегральной схемы, имеющей от 16 до 64 выводов. Вот почему кристалл увидеть нельзя. Да в этом и нет необходимости, ибо его внешний вид мало что может сообщить нам о «мощности» заключенной в нем схемы микропроцессора.

Под «мощностью» микропроцессора понимают его способность обрабатывать данные. Ее принято оценивать тремя основными характеристиками: длиной слова данных, количеством адресуемых слов памяти и скоростью выполнения команд. Наиболее часто микропроцессоры сравнивают по
длине слов данных. Каждый микропроцессор оперирует данными, представляемыми словами фиксированной длины, ибо в этом
случае существенно упрощается построение процессора. В настоящее время типичными являются слова длиной 4,8,12 и 16 бит (разрядов). В ближайшее время широко доступными должны стать и микропроцессоры, оперирующие 32-битовыми словами. Рис. 1.5 иллюстрирует слова различной длины. Восьмибитовое слово используется столь широко, что даже получило специальное название байт. Благодаря распространенности байта даже 16-разрядные микропроцессоры часто имеют команды, обрабатывающие 16-битовые слова данных как пары байтов. На рис. 1.6 показано 16-битовое слово данных, составленное из двух 8-битовых слов: старшего байта (биты
с 8-го по 15-й) и младшего байта (биты с 0-го по 7-й). Часто байт используется для оценки некоторого объёма (пространства) в микро-ЭВМ. Например, иногда говорят, что программа микропроцессора занимает объем 4000 байт. В общем случае байт используют как некий «общий знаменатель» для измерения объема микропроцессора. Байт предпочитают слову данных, потому что размер
последнего меняется в зависимости от типа процессоров, байт же всегда равен 8 бит. При одном и том же числе байтов 8-разрядный процессор содержит в два раза меньше слов, чем 4-разрядный, и в два раза больше, чем 16-разрядный. Например, 4000 байт 8-разрядного микропроцессора равно его 4000 словам; это же количество байтов 4-разрядного микропроцессора равно его 8000 словам; а для 16-разрядного микропроцессора-2000 словам.

Первыми были разработаны 4-разрядные микропроцессоры, которые и сейчас еще находят применение. Четыре бита-это длина двоично-кодированного десятичного числа, т.е. числа в коде BCD (Binary-Coded Decimal). В калькуляторах, промышленных системах управления и некоторых других устройствах микропроцессору приходится иметь дело только с числами в коде BCD. В таких случаях использование 4-раэрядного микропроцессора - это идеальное решение. Другой причиной продолжающегося производства и применения 4-разрядных микропроцессоров является их чрезвычайно низкая стоимость.

Восьмиразрядные микропроцессоры также широко распространены и недороги. Они появились вслед за 4-разрядными микропроцессорами, во-первых, потому, что слово длиной 8 бит - это два 4-битовых слова, во-вторых, поскольку 8-битовое слово позволяет «упаковать» в нем два числа в коде
BCD, в-третьих, 8 бит позволяют представить символ (букву, цифру, знак) в коде
ASCII (American Standard Code for Information Interchange - Стандартный американский код для обмена информацией), широко используемом при обработке информации.

Большинство первых 16-разрядных микропроцессоров выпускались как стандартные 16-разрядные мини-ЭВМ в виде БИС. Примером могут служить микропроцессоры LSI-11 фирмы Digital Equipment, являющиеся копией мини-ЭВМ PDP-11, микропроцессоры DGMN фирмы Data General Micro Nova, родственные мини-ЭВМ Nova, микропроцессоры 9900 фирмы Texas Instruments, аналогичные мини-ЭВМ 990. Позже стали появляться 16-разрядные микропроцессоры, имеющие присущую только им архитектуру, которая не является копией архитектуры какой-либо мини-ЭВМ.

С каждым удваиванием длины слова микропроцессора последний становится более мощным. Увеличение длины слов вызвало совершенствование технологии БИС. Результатом этого явилось улучшение и других характеристик 16-разрядных микропроцессоров.

Другой «мерой» мощности микропроцессора является количество слов или байтов памяти, к которым он может адресоваться. И в этом случае длина слова данных играет важную роль. Длина слова данных в памяти - это, по существу, тот же параметр, что и длина слова данных, которыми оперирует микропроцессор. Так, 4-разрядный микропроцессор оперирует 4-битовыми словами данных, хранимыми в памяти.

Каждому слову в памяти присваивается номер его местоположения - так называемый адрес. Для извлечения слова из памяти ЭВМ обращается по соответствующему адресу. Адреса памяти начинаются с нуля и представляются в двоичной форме. ЭВМ разного типа имеют различные значения максимального адреса памяти. Чем больше значение максимального адреса памяти, тем больше вычислительная мощность микропроцессора. Табл. 1.1 демонстрирует способность адресации к памяти одного 4-битового слова: 4 бит позволяют
получить доступ к 16 различным словам памяти.

Таким образом, диапазон адресации 4-битового слова равен 16 словам. Диапазон адресации 8-битового слова равен 256 словам памяти, а 16-битового слова - 65536 словам. Конечно, возможность адресации к данным, находящимся в памяти, большинства процессоров не ограничена единственным словом, поэтому и диапазон адресации не ограничен длиной слова данных. Адреса памяти могут иметь длину 22 бит и более. Некоторые микропроцессоры обращаются к миллионам слов памяти.

В табл. 1.2 показаны диапазоны адресации для некоторых широко распространенных микропроцессоров, оперирующих словами длиной 4, 8 и 16 бит. Для 4-разрядных микропроцессоров обычными являются диапазоны адресации, равные 4096 и 8192 словам памяти. Для 8-разрядных микропроцессоров зачастую этот диапазон составляет 65536 слов Что же касается 16-разрядных микропроцессоров, то значения диапазона могут простираться от 32.768 до 4.194.304 слов. При работе с микропроцессорами часто
приходится ссылаться на подобные большие числа. Поскольку эти числа не круглые, их нелегко запомнить, а их произношение затруднительно. Поэтому предложены сокращенные обозначения этих чисел, упрощающие манипулирование ими. В табл. 1.2 эти сокращения указаны в круглых скобках.
Так, диапазон адресации, равный 4096 словам, есть диапазон 4К. Буква К происходит от приставки «кило», заимствованной из греческого языка и означающей «тысяча».

В данном случае - это условное обозначение величины 1000. Выражение 4К означает число 4096, округленное до ближайшей тысячи. Аналогично формируются краткие формы записи других размеров памяти. Когда эти размеры оказываются чрезвычайно большими, используется буква М, соответствующая приставке «мега», т.е. миллион.

Для 8-разрядных микропроцессоров типичной является память размером
65 Кбайт. Более современные 16-разрядные микропроцессоры оперируют адресными пространствами, простирающимися до нескольких мегабайт.

Говоря о размере памяти микро-ЭВМ, следует помнить, что этот параметр может быть выражен в байтах или словах. В данной книге в дальнейшем для этой цели будут использоваться только байты. А поскольку 1 байт равен 8 бит, то память в 65536 слов 8 разрядной микро ЭВМ имеет тот же размер, что и память в 32768 слов 16-разрядной микро-ЭВМ. В обоих случаях размер памяти равен 65536 байт. Если же это сравнение непонятно, можно сравнить размеры памяти в битах, умножая величину, выраженную в словах памяти, на длину слова в битах:

65536 слов х 8 бит/слово = 524 288 бит и

32758 слов х 16 бит/слово = 524288 бит.

Третьей характеристикой микропроцессора, используемой для измерения его мощности, является скорость, с которой он выполняет команды. Она оценивается продолжительностью во времени цикла «выборка-выполнение» для одного шага программы. Скорость одних микропроцессоров в 20-100 раз превосходит скорость других. «Медленные» микропроцессоры используют генератор тактовых импульсов частотой в несколько сотен килогерц. Для выполнения
одной команды им требуется от 10 до 20 мкс. Тактовая частота быстродействующих микропроцессоров достигает 5-10 МГц, что позволяет выполнить команду за несколько десятых долей микросекунды. Поскольку скорость работы микропроцессора связана с максимальной частотой генератора тактовых импульсов, иногда микропроцессоры сравнивают по значению этой частоты. Однако больший смысл имеет сравнение продолжительности выполнения одной и той же операции на разных процессорах. Для упрощения подобных сравнений создаются специальные короткие программы так называемого контрольного Быстродействие различных микропроцессоров оценивается путем сравнения времени выполнения подобной программы.