2 MPU(Microprocessor Unit,微处理器) 3
2.1 MPU的组成 3
2.2 MPU的分类 3
2.3 MPU的体系结构:冯·诺伊曼结构和哈佛结构 3
2.4 MPU的典型代表:DSP(Digital Signal Processor,数字信号处理器) 4
2 MPU(Microprocessor Unit,微处理器)
就物理性来说,MPU就是一块集成了数量庞大的微型晶体管与其他电子组件的半导体集成电路(Integrated Circuit, IC)芯片。
微处理器(MPU)通常代表一个功能强大的CPU,但不是为任何已有的特定计算目的而设计的芯片。MPU与传统的CPU相比,具有体积小、重量轻和容易模块化等优点。
2.1 MPU的组成
MPU的组成部分有:
算术逻辑单元(ALU,Arithmetic Logical Unit);累加器和通用寄存器组;程序计数器;运算器;时序和逻辑控制电路;数据和地址总线。其中运算器和控制器是其主要组成部分。
MPU能完成取指令、执行指令,以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作,是微型计算机的运算控制部分。
它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。常见的MPU有Motorola的68K系列和Intel的X86系列。
2.2 MPU的分类
根据处理对象的不同分类:
用作处理通用数据时,叫作中央处理器(Central Processing Unit, CPU)这也是最为人所知的应用(如:Intel Pentium CPU);
专用于作图像数据处理的,叫作图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)(如Nvidia GeForce 6150 GPU);
用于音频数据处理的,叫作音频处理器(Audio Processing Unit, APU)(如Creative emu10k1 APU)等等。
2.3 MPU的体系结构:冯·诺伊曼结构和哈佛结构
冯·诺伊曼结构
冯·诺伊曼结构(或普林斯顿结构)是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置,因此程序指令和数据的宽度相同,如英特尔公司的8086中央处理器的程序指令和数据都是16位宽。
目前使用冯·诺伊曼结构的中央处理器和微控制器有很多。除了上面提到的英特尔公司的8086,英特尔公司的其他中央处理器、安谋公司的ARM7、MIPS公司的MIPS处理器也采用了冯·诺伊曼结构。
哈佛结构
哈佛结构是一种将程序指令存储器和数据存储器分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容,解码后得到数据地址,再到相应的数据存储器中读取数据,并进行下一步的操作(通常是执行)。
程序指令存储和数据存储分开,可以使指令和数据有不同的数据宽度,如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度,而数据是8位宽度。
哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和存储的,执行时可以预先读取下一条指令。
目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多,除了上面提到的Microchip公司的PIC系列芯片,还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和Advanced RISC Machines(安谋)公司的ARM9、ARM10和ARM11,51单片机也属于哈佛结构。
2.4 MPU的典型代表:
DSP(Digital Signal Processor,数字信号处理器)
DSP(Digital signal processor)是一种特殊结构的CPU,有自己的完整指令系统;它专门用于处理数字信号的各种功能,如FFT、数字滤波算法、加密算法和复杂控制算法等。
其工作原理是,接受模拟信号并转换成‘0’和‘1’的数字信号,再对数字信号进行修改、删除、强化,并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。
它不仅具有可编程性,而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序,远远超过通用微处理器,它的强大数据处理能力和高运行速度,是最值得称道的两大特色。
DSP芯片,也称数字信号处理器,是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器,包括控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等,在其外围还可以连接若干存储器,并可以与一定数量的外部设备互相通信,有软、硬件的全面功能,本身就是一个微型计算机。
其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。
根据数字信号处理的要求,DSP芯片一般具有如下主要特点:
(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法;
(2)程序和数据空间分开(哈佛结构),可以同时访问指令和数据;
(3)片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问;
(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持;
(5)快速的中断处理和硬件I/O支持;
(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器;
(7)可以并行执行多个操作;
(8)支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
目前有许多微处理器(MPU)逐渐演化为微控制器(MCU)比如arm,因此这些概念开始融合,所以处理器包括CPU,MCU,DSP。
ARM目前是嵌入式处理器的代名词:由CPU,少量的RAM,FLASH,和其它接口封装而组成的。