МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ

7.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МИКРОПРОЦЕССОРАХ

История развития современных средств вычислительной тех­ники насчитывает около 50 лет, однако за этот период уже сменилось четыре поколения ЭВМ, существенно отличающихся друг от друга своей элементной базой

Первое поколение ЭВМ составляли громоздкие системы на элек­тронных лампах ЭВМ первого поколения не отличались высокой над­ежностью и имели быстродействие порядка нескольких десятков тысяч операций в секунду Применение дискретных транзисторов в ЭВМ вто­рого поколения значительно повысило их надежность и быстродействие (до сотен тысяч операций в секунду) Элементную базу ЭВМ третьего поколения в основном составляли цифровые ТТЛ — ИС малой и сред­ней степени интеграции, что обеспечивало их достаточно высокую надежность и быстродействие на уровне миллиона операций в секунду Степень интеграции цифровой ИС определяется количеством разме­щенных в ней логических элементов (ЛЭ) К микросхемам малой степе­ни интеграции (МИС) относят ИС, содержащие не более десяти ЛЭ, к средней степени интеграции (СИС) — ИС с числом ЛЭ в пределах 10 — 100 ИС большой степени интеграции (БИС) содержат 100 — 1000 ЛЭ, сверхбольшой (СБИС) — 1 — 10 тысяч ЛЭ, супербольшой степени интеграции (ССБИС) — 10 — 100 тысяч ЛЭ на одном кристалле

Переход к ЭВМ четвертого поколения был достигнут не только благодаря заметному прогрессу в области схемотехники и технологии производства ИС Весьма важным для дальнейшего развития вычис­лительной техники явилось создание в 70-х годах новых универсальных Цифровых ИС, так называемых микропроцессоров ( МП ) — разновид­ности БИС, способных выполнять полный перечень функций централь­ного процессора ЭВМ С появлением микропроцессоров отпала необхо­димость для каждого нового применения проектировать новую ИС вместо этого можно было взять готовый микропроцессор, разработав ^я него новую программу для выполнения требуемых функций

Спектр возможных применений микропроцессоров оказался настоль­ко широким, что построенные на их основе различного рода микропро. цессорные системы сбора и обработки информации, управления и кон­троля технологическими процессами и т.п. стали проникать почти во все отрасли человеческой деятельности — от научных исследований и произ­водственной сферы до медицины и повседневного быта. Микропроцессо­ры позволили разрешить казавшиеся ранее несовместимыми требо­вания резкого увеличения скорости обработки информации и объема памяти и столь же резкого снижения размеров, стоимости и энергопот­ребления ЭВМ. Вслед за первыми однокристальными МП было освоено массовое производство нескольких видов микропроцессорных комплек­тов и наборов, представляющих собой совокупность микропроцессорных и других ИС, номенклатура и количество которых необходимы и доста­точны для построения любого конкретного изделия вычислительной и управляющей техники На их основе были созданы многочисленные персональные ЭВМ (ПЭВМ), впервые появившиеся на рубеже 80-х го­дов, а также совершенно новый класс малопотребляющих компактных машин — микрокомпьютеров, быстродействие которых почти не уступа­ет настольным вариантам, но их размеры и масса таковы, Что они вполне помещаются в небольшом чемоданчике.

Эволюция архитектуры микропроцессоров пошла по нескольким различным направлениям, в результате чего появились следующие их классы:

простые однокристальные 4- и 8- разрядные контроллеры относитель­но невысокой производительности для применения в бытовых приборах и небольших подсистемах:

быстродействующие секционные комплекты микропроцессорных БИС для создания ЭВМ произвольной разрядности с наращиваемой систе­мой команд;

мощные однокристальные 16- и 32- разрядные ССБЙС микропроцес­соров с фиксированной системой команд для персональных ЭВМ, произ­водительность которых приближается к возможностям полупрофессио­нальных и миниЭВМ;

специализированные процессоры цифровой обработки, предназначен­ные для ускоренного выполнения арифметических операций и алгорит­мов спектрального анализа сигналов;

аналоговые процессоры — устройства с аналоговым входом и выходом. внутри которых вся обработка сигналов ведется в цифровом виде

Построенные на основе универсальных и специализированных миропроцессоров средства вычислительной техники относят к ЭВМ четвертого поколения. Они представляют собой многопроцессорные и мно­гомашинные комплексы, отличающиеся высокой надежностью и быстро­действием (десятки миллионов операций в секунду).

До недавнего времени появление каждого следующего поколения ЭВМ в основном связывалось с созданием новой элементной базы. Отли­чительной чертой перехода к ЭВМ пятого поколения считается разработка новых конфигураций центральных и специализированных микропроцессоров, а не применение новой элементной базы, поскольку ССБИС микропроцессоров использовались ранее и в составе ЭВМ чет­вертого поколения. В настоящее время выпускается много модификаций перспективных высокопроизводительных 32-разрядных МП, на основе которых построены некоторые модели микрокомпьютеров, относящиеся по реализованным в них идеям к ЭВМ пятого поколения.

Совершенствование микропроцессоров шло параллельно с развитием микроэлектронной технологии, позволяющей размещать в одном крис­талле все большее и большее количество транзисторов. Достигнутое можно проследить на примере семейства МП фирмы "Intel", до настояще­го времени прочно удерживающей лидирующие позиции в этой области. Это семейство началось с выпущенного впервые в 1971 г. 4-разрядного МП Intel 4004, выполненного на 2300 «-МОП транзисторах и ориентированного на применение в микрокалькуляторах. Значительно более совершенный 8-разрядный МП Intel 8080 (отечественный аналог — МП КР580ВМ80А ) был выпущен в 1974 г. и уже содержал примерно 4500 транзисторов. В 1978 г. на основе высокоплотной n-МОП техноло­гии выпускается 16-разрядный МП Intel 8086 (отечественный аналог — МП КМ1810ВМ86) на 29000 транзисторах. На МП этой серии впервые были построены широко распространенные во всем мире ПЭВМ серии IBM. Наконец, к началу 1986 г. на основе совместного использования экономичных КМОП-схем и отличающихся более высоким быстродей­ствием n-МОП схем был создан перспективный 32-разрядный МП Intel 80386, содержащий до 275000 транзисторов. В этой связи также отме­тим разработанный фирмой "HewlettPackard" 32-разрядный МП Focus, выполненный на 450000 транзисторах на МОП-кристалле. Такая высокая степень интеграции была достигнута путем существенного снижения (до 1,5 мкм по ширине и 1 мкм для интервалов между соседними областя­ми) размеров транзисторов. Одновременно производительность МП вы­росла более, чем на три порядка.

В 1989 г. фирма "Intel" сообщила о разработке еще более совершен­ного МП i486DX. Одним из важнейших событий 1991 года вполне можно считать появление нового МП i486SX, производительность которого примерно на 40% превышала показатели лучших образцов МП Intel 80386 DX/SX. С начала 90-х годов 32-разрядные МП стали широко использоваться для производства на их основе портативных компьюте­ров (типа ноутбук или лэптоп ), однако обычные микросхемы i80386DX/ SX не полностью отвечали требованиям разработчиков. Для удовлетво­рения этих требований в 1990 г. фирмой "InteP был разработан эконо­мичный вариант МП i80386SL, который содержал 885 тысяч транзисто­ров. Это позволило создавать на площади, ненамного превышающей раз­меры игральной карты, 32-разрядные весьма миниатюрные компьюте­ры. Последующая разработка этой фирмы ( 1992 г. ) ИС МП i486SL представляла собой, пожалуй, самый производительный процессор серии SL. По производительности этот процессор не уступает i486DX, но благо­даря пониженному напряжению питания ( 3,3 В ) и высокой экономич­ности только за счет использования нового МП среднее время автоном­ной работы компьютера-блокнота (около трех часов) увеличивается при­мерно на один час. С марта 1993 г. начались промышленные поставки новейшей версии МП, объявленного ранее как 586 или Р5 , но зарегис­трированного корпорацией "Intel" под торговой маркой Pentium. Новая ИС была выполнена по 0,8-микронной КМОП технологии и содержала около 3,1 млн. транзисторов. Современные персональные компьютеры, построенные на базе МП Pentium, полностью совместимы со 100 миллио­нами ПЭВМ, использующих МП Intel 8086, 8088, 80286, 80386 и i486.

Отметим, что повышение производительности процессоров всегда со­провождается существенным увеличением мощности потребления энер­гии Так, первые МП версии Pentium, по скоростным параметрам остав­ляя далеко позади всех своих предшественников, имели мощность рассе­ивания около 14 Вт. С марта 1994 г. начат выпуск второго поколения ( более экономичных ) МП Pentium с кодовым названием Р54С, при производстве которых была использована 0,6-микронная КМОП-техно- логия, что позволило снизить мощность рассеивания МП до 4 Вт при напряжении питания 3,3 В. Количество транзисторов в этих ИС было увеличено до 3,3 млн. С 1995 г. фирма "Intel" объявила о начале коммер­ческих поставок микропроцессоров нового поколения PentiumPro, число транзисторов основного кристалла которого составляет примерно 5,5 млн. Внутренняя архитектура этого процессора оптимизирована для работы с 32-разрядными приложениями, где он существенно опережает даже самые быстродействующие модели Pentium В планах корпорации "Intel" — совместная разработка с фирмой "HewlettPackard” к конку 1997 г совершенно необычного процессора Р7 с базовой 64-разрядной архитектурой и ожидаемым быстродействием до 1 млрд. операдий в секунду

Рис 7.1 Базовая конфигурация современной микропроцессорной системы

На рис. 7.1 представлена базовая конфигурация современной микроп­роцессорной системы ( МС ), ядром которой служит центральный про­цессор, выполненный на основе БИС МП Помимо МП в состав любой МС также входит и ряд вспомогательных устройств: устройства ввода/вывода (УВВ) и запоминающее устройство (ЗУ), без “поддерж­ки” которых даже самый совершенный МП практически бесполезен В ЗУ хранятся последовательности двоичных кодов управляющих про­грамм и набора данных, необходимые МП для выполнения обработки информации, а УВВ обеспечивают его взаимодействие с внешними устройствами.

В свою очередь, ЗУ может включать в себя постоянное запоминаю­щее устройство ( ПЗУ X обеспечивающее хранение управляющих про­грамм и набора исходных данных для организации процесса обработки информации, а также оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — для хранения изменяющейся части обрабатываемой информа­ции. Некоторые специализированные МП снабжаются внутренней па­мятью (для хранения программ и данных ) и встроенными УВВ, называ­емыми входными / выходными портами Для таких МП требуется минимальное количество внешних вспомогательных ИС, и они идеально подходят для недорогих МС Обычно их называют однокристальными компьютерами

Особо отметим наличие в МС трех типов шин (данных, управления, адреса), каждая из которых выполняется в виде набора проводников, свя­зывающих основные элементы МС между собой По шине данных пере­даются двоичные сигналы, соответствующие кодам данных и команд уп­равляющих программ. МП определяет устройство — источник данных (откуда их нужно считать) и их получателя или приемник (куда надо записать данные) и передает по шине управления соответствующие сиг­налы о направлении передачи информации. Наконец, шина адреса слу­жит для указания места расположения данных, по ней МП передает двоичный код соответствующей ячейки памяти (откуда взять или куда записать двоичный код, передаваемый по шине данных). Как правило, все неиспользуемые в данный момент вспомогательные устройства в составе МС переводятся в “ третье состояние ”, обеспечивающее их отключение от шин.

Вопрос 7.1. Какова главная отличительная особенность ЭВМ четвер­того поколения по сравнению с более ранними их моделями ?

Варианты ответа:

7.1.1. ЭВМ четвертого поколения используют ИС более высокой степени интеграции.

7.1.2. ЭВМ четвертого поколения отличаются более высокой произво­дительностью

7.1.3. ЭВМ четвертого поколения используют более сложное програм­мное обеспечение.

7.1.4. ЭВМ четвертого поколения используют микропроцессоры.

Вопрос 7.2. Какой элемент в составе МС непосредственно управляет всеми операциями в ней ?

Варианты ответа:

7.2.1. ЗУ, хранящее набор управляющих программ.

7.2.2. МП, выполняющий программы, хранящиеся в ЗУ.

7.2.3. УВВ, с помощью которого оператор с клавиатуры вводит одну из команд МП