Zaloguj się
Wszystkie
18 lutego 2025
45
CPU, MPU, MCU
Szybki rozwój branży półprzewodnikowej i mikrokontrolerów spowodował, że terminologia w tym zakresie często jest dosyć nieprecyzyjna. Dlatego na początek wyjaśnimy kluczowe pojęcia.
Procesor jest definiowany jako układ cyfrowy, który pobiera dane z pamięci lub innego źródła, interpretuje je jako rozkazy – określone działania do zrealizowania, wykonuje je i zwraca wyniki do pamięci lub strumienia danych. Termin ten jest zwykle używany do określenia jednostki centralnej systemu – CPU (Central Processing Unit), ale odnosi się również do innych układów przetwarzających dane, takich jak:
- koprocesory arytmetyczne – układy wyspecjalizowane do obliczeń na liczbach, również zmiennoprzecinkowych (wtedy określane są jako FPU, czyli Floating-Point Unit);
- układy przetwarzania grafiki – GPU (Graphics Processing Unit), przeznaczone do wykonywania operacji potrzebnych do uzyskania grafiki 3D i obsługujące szereg rozkazów, którymi nie dysponuje standardowy procesor;
- procesory sygnałowe – DSP (Digital Signal Processor), czyli wyspecjalizowane procesory do cyfrowej obróbki sygnałów. Ich budowa pozwala na wydajne wykonywanie prostych i zaawansowanych operacji występujących przy przetwarzaniu sygnałów, np. filtracji FIR i IIR czy też transformacji Fouriera.
Pierwsze procesory były konstruowane z wielu układów scalonych małej skali integracji, jednak takie rozwiązanie miało sporo wad i ograniczeń. Poprzez zintegrowanie procesora w jednym układzie scalonym o wyższej skali integracji udało się znacząco zwiększyć szybkość działania i możliwości takiego układu, a dodatkowo zmniejszył się koszt jego produkcji. Nowy komponent integrujący wszystkie wymagane bloki w jednym obwodzie został nazwany mikroprocesorem – μP lub MPU (Microprocessing Unit). Pierwszym dostępnym komercyjnie mikroprocesorem był Intel 4004 opracowany w 1971 r. – pierwotnie przeznaczony do pracy wewnątrz kalkulatorów biurowych. Wybrane parametry tego układu:
- maksymalna częstotliwość taktowania – 740 kHz,
- osobna pamięć programu i danych – architektura harwardzka,
- 46 instrukcji,
- 16 czterobitowych rejestrów,
- 2300 tranzystorów (technologia produkcji 10 μm).
Od tamtej pory mikroprocesory stały się najbardziej rozpowszechnioną formą CPU. Obecnie każdy nowoczesny procesor jest w istocie mikroprocesorem, ale oba terminy pozostają w użyciu, ponieważ pozwalają rozróżnić komponenty o innym zakresie funkcjonalności. Procesor, jako komponent elektroniczny, pozostaje charakterystycznym elementem typowego komputera i jest przeznaczony do szerokiego zakresu zadań. Natomiast mikroprocesor będzie zoptymalizowany do konkretnego zastosowania. Może mieć mniejszą częstotliwość taktowania, ale mimo to będzie lepiej radził sobie z zadaniem, do którego został opracowany niż porównywalny, uniwersalny procesor – jeśli nie pod względem wydajności, to w kontekście zapotrzebowania na energię. Ponadto mikroprocesor będzie komponentem o mniejszych wymiarach i (zazwyczaj) znacznie tańszym.
Kolejną grupą komponentów są mikrokontrolery – μC lub MCU. Mikroprocesor to tylko jednostka przetwarzająca dane, która – choć dość wydajna pod względem obliczeniowym – wymaga jednak dodatkowych układów sprzętowych do działania, takich jak pamięć operacyjna, magistrala systemowa itd. Mikrokontroler zawiera nie tylko jednostkę przetwarzania danych, ale także pamięci ROM i RAM, uniwersalne porty I/O, układy taktujące i czasowe (timery) i wiele innych bloków peryferyjnych. Łączy wszystkie niezbędne elementy systemu mikrokomputerowego w jednym elemencie sprzętowym i praktycznie nie wymaga prawie żadnych dodatkowych komponentów ani złożonych systemów operacyjnych.
Ekonomiczne, małe i energooszczędne mikrokontrolery sprawdzają się w wielu nowoczesnych dziedzinach elektroniki, od nieskomplikowanych kontrolerów sprzętu AGD, przez szeroki wachlarz rozwiązań z grupy IoT, po zaawansowaną elektronikę motoryzacyjną, medyczną i kosmiczną. Jednym z pierwszych mikrokontrolerów, który w pojedynczym układzie scalonym zawierał procesor, pamięci RAM i ROM, układy wejścia/wyjścia oraz zegar taktujący, był TMS 1000 od Texas Instruments. Był produkowany od 1971 r. i instalowany w kalkulatorach SR-16 z 1974 r., a wersja TMS1100 znalazła zastosowanie w konsolach do gier Microvision. Wybrane parametry mikrokontrolera TMS1000:
- 4-bitowa architektura harwardzka,
- zegar: 300 kHz,
- wszystkie rozkazy sprzętowe są wykonywane w 6 cyklach zegara,
- przestrzeń adresowa równa 1024,
- brak przerwań,
- zasilanie: 15 V.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
