Развитие микроэлектроники
в начале 1970-х г.г. привело к появлению микропроцессоров (МП) – новой
разновидности больших интегральных схем (БИС), представляющих собой
универсальные по назначению, функционально законченные устройства, по своим
функциям и структуре напоминающие упрощённый вариант процессоров обычных ЭВМ,
но имеющие несравнимо меньшие размеры. Микропроцессоры относятся к классу
микросхем, особенностью которых является возможность программного управления
работой БИС с помощью определённого набора команд.
Микропроцессор – это функционально законченное
универсальное программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс
обработки цифровой информации и управление им, выполненное на одной или
нескольких БИС.
Микропроцессорная БИС (МП БИС) – интегральная микросхема,
выполняющая функцию МП или его части. По существу, это БИС с процессорной
организацией, разработанной для построения микропроцессорных систем.
Микропроцессорный
комплект (МПК) – это
совокупность МП и других БИС и СБИС, совместимых по
конструкторско-технологическому исполнению и предназначенных для совместного
применения при построении МП, микроЭВМ и других вычислительных средств.
(чипсет).
Логическая организация
(архитектура) микропроцессоров ориентирована на достижение универсальности
применения, высокой производительности и технологичности. Универсальность МП
определяется возможностью их разнообразного использования и обеспечивается
программным управлением микропроцессором, позволяющим производить программную
настройку МП на реализацию определённых функций, магистрально-модульным
принципом построения, а также специальными аппаратно-логическими средствами:
сверхоперативной регистровой памятью, многоуровневой системой прерываний,
прямым доступом к памяти, программно-настраиваемыми схемами управления
вводом-выводом и т.п.
Относительно высокая производительность
МП достигается использованием для их построения быстродействующих БИС и
СБИС и специальных архитектурных решений, таких, как стековая память,
разнообразные способы адресации, гибкая система команд и др.
Технологичность микропроцессорных средств
обеспечивается модульным принципом конструирования, который предполагает
реализацию этих средств в виде набора функционально законченных БИС, легко
объединяемых в соответствующие вычислительные устройства, машины, комплексы и
системы.
Микропроцессоры при
больших вычислительных и логических возможностях, высокой универсальности и
гибкости характеризуется низкой стоимостью, уникально малыми размерами, высокой
надёжностью. Благодаря указанным особенностям МП служат системными элементами,
на основе которых создаются различные универсальные и специализированные
микропроцессорные системы, микроЭВМ, программируемые микроконтроллеры,
непосредственно встраиваемые в приборы, машины, технологические установки, и
позволяющие достигнуть значительного повышения уровня автоматизации
технологических процессов, экономии энергии, сырья, материалов, повышения
производительности и качества труда.
Достоинством МП по
сравнению с большими процессорами является то, что мощности последних
разделяются между многими пользователями (задачами), в то время как МП
предназначен для использования одним пользователем (задачей). В результате
значительно упрощается программное обеспечение. В больших ЭВМ программные
средства поддержки их функционирования (прежде всего операционная система)
требуют больших накладных расходов в добавление к значительным затратам на
аппаратные средства. Такого рода затраты значительно меньше или практически
отсутствуют в микропроцессорных системах. Достоинства МП ещё больше возрастают
по мере увеличения их разрядности и быстродействия. Существующие МП во многих
отношениях превосходят процессоры обычных и мини-ЭВМ, которые выпускались 10
лет назад. Поэтому префикс "микро” следует интерпретировать с точки зрения
размеров и стоимости МП и МП-систем, а не их возможностей.
МП характеризуется
большим числом параметров, так как он, с одной стороны, функционально является
сложным программно-управляемым цифровым процессором, т.е. устройством ЭВМ, а с
другой – интегральной схемой или схемами с высокой степенью интеграции
элементов, т.е. электронным прибором.
В общем случае МП могут
быть классифицированы по различным характеристикам основными из которых
являются:
1) тип микроэлектронной
технологии, используемой при изготовлении МП БИС.
По технологической
реализации различают:
р-МПД–технологии (первые
виды МП), n-МДП–технологии, КМДП–технологии, TTL–технологии, ЭСЛ–технологии, И2Л–технологии.
За исключением р-МПД–технологии и ограниченного применения TTL–технологии, все остальные эффективно
применяются в настоящее время при изготовлении БИС и СБИС.
2) число кристаллов,
образующих МП (однокристальные и многокристальные).
Однокристальные МП имеют
фиксированную разрядность без возможности её наращивания, а также фиксированную
систему команд, так как соответствующие командам микропрограммы "зашиты” внутри
кристалла. Многокристальные МП имеют возможность наращивания разрядности за
счёт последовательного соединения однотипных микропроцессорных элементов
(секций), реализованных в виде отдельных БИС.
Отличительной
особенностью многокристальных МП по сравнению с однокристальными является также
то, что в них отсутствует фиксированная система команд. Пользователь имеет
возможность создавать собственную систему команд.
Однако проектирование
вычислительных устройств на основе многокристальных МП отличается большей
сложностью.
3) тип корпуса (их порядка
двух десятков);
4) разрядность.
Разрядность МП показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в
своих регистрах за один раз (за один такт).
Разрядность МП во многом
определяет уровень сложности задач, которые могут решаться с помощью конкретного
комплекта МП.
Малоразрядные МП
применяются в устройствах с двоично-десятичной системой счисления и невысоким
быстродействием обработки данных (калькуляторах, кассовых аппаратах,
измерителях параметров и т.д.).
Восьми- и шестнадцати
разрядные МП обладают существенными вычислительными возможностями и находят
применение при обработке алфавитно-цифровой информации, в системах связи,
станках с ЧПУ и др.
Микропроцессоры высокой
разрядности (32 и выше) позволяют создавать более компактные программы с минимумом
команд, что резко снижает стоимость отладки программ, которая может достигать
50…70% стоимости всех технических средств микропроцессорного комплекса.
5) быстродействие
(тактовая частота, время выполнения команд). Исполнение каждой команды занимает
определенное количество тактов. Чем выше частота тактов, тем больше команд
может исполнить МП в единицу времени, тем выше его производительность.
Производительность МП
определяется временем решения ряда тестовых задач и зависит от быстродействия
выполнения простых операций, разрядности, числа регистров общего назначения,
структуры схем ввода-вывода и других факторов.
6) ёмкость адресуемой
памяти. (объём).
Она характеризует
информационные возможности МП-комплекса (к настоящему времени достигает
десятков Гбайт) и с учётом широкой номенклатуры периферийных устройств,
подключаемых к МП в составе комплекса (блоки ОЗУ большой ёмкости, накопители на
гибких магнитных дисках, CD, принтеры, сканеры и т.д.), организация адресации памяти
является одной из важнейших проблем проектирования МП-комплекса.
7) тип управляющего
устройства;
8) система команд (число
команд, способы адресации).
|