Назначение микропроцессоров

Микропроцессоры. Цифровые ЭВМ

Микропроцессор

Назначение микропроцессоров.

Эффективное функционирование автоматизированных систем управления производственными, технологическими и другими процессами связано с необходимостью непрерывной или периодической оценки параметров объекта, обработки этой информации, принятия оптимальных решений для воздействий на объект и т.п. Эту сложную задачу удобно решать с помощью ЭВМ, обеспечивающей автоматическую обработку всей информации по требуемой программе управления объектом. К сожалению, стационарные ЭВМ общего назначения трудно применять для управления производственными процессами из-за их громоздкости и дороговизны, а также сложности подключения к ним информационных датчиков управляемого объекта. Между тем микропроцессоры, а также разрабатываемые на их основе микроЭВМ позволяют решить поставленную задачу, так как они малогабаритны, дешевы и способны функционировать в любых условиях эксплуатации, включая морской, авиационный и даже автомобильный транспорт.

Микропроцессор (МП) — универсальное микроэлектронное устройство с программным управлением, предназначенное для обработки цифровой информации и обладающее широкими функциональными возможностями.

Микропроцессорная система может рассматриваться как частный случай электронной системы, предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов. В качестве входных и выходных сигналов при этом могут использоваться аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигналы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Внутри системы может производиться хранение, накопление сигналов (или информации). Если система цифровая (а микропроцессорные системы относятся к разряду цифровых), то входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательности кодов выборок с помощью АЦП, а выходные аналоговые сигналы формируются из последовательности кодов выборок с помощью ЦАП. Обработка и хранение информации производятся в цифровом виде.

Первый микропроцессор был разработан в 1971 г. в США фирмой «Intel» в виде большой интегральной схемы (БИС) на кристалле площадью 9 мм² и был предназначен для обработки четырехразрядной двоичной информации. Он содержал свыше 2000 транзисторов и имел наименование I 4004. Несколько позже эта фирма изготовила восьмиразрядный образец I 8008 с площадью кристалла 13,7 мм². Он включал арифметическо-логическое устройство и несколько регистров для хранения данных. Число исполняемых МП команд составляло 45, конструктивно же он был выполнен в виде небольшой микросхемы с 16 выводами.

В 1975 г. начался выпуск 16-разрядных микропроцессоров (например, I 8086) с площадью кристалла свыше 30 мм², на котором размещалось более 30000 транзисторов. С этого времени к выпуску микропроцессоров (сначала 8-, а затем 16- и даже 32-разрядных) подключились ведущие фирмы многих стран. Было налажено форсированное производство МП и в СССР. В настоящее время уже имеются четыре поколения непрерывно совершенствующихся устройств с мировым производством свыше 150 млн. экземпляров в год. Отличительная особенность развития МП состоит в том, что каждое последующее поколение не вытесняет предыдущее, а мирно сосуществует с ним, способствуя расширению сфер внедрения МП в науку и технику.

Микропроцессоры изготовляют по микроэлектронной технологии, а потому их важнейшие показатели (быстродействие, потребляемая мощность и степень интеграции) определяются конструктивно-технологическими особенностями логических микросхем.

Функциональная схема вычислительного устройства может быть представлена в виде двух блоков: операционного и управляющего.

Операционный блок предназначен для выполнения арифметических и логических операций над данными. Для этого он должен включать в себя следующие основные элементы: регистры для хранения информации; сумматоры, логические и другие устройства, обеспечивающие обработку информации; магистральную сеть для передачи информации; коммутационные устройства (шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры и т. п.), реализующие управление информационными потоками.

Управляющий блок предназначен для координации работы всех устройств операционного блока. Для этого он снабжается тактовым генератором импульсов, формирующим с заданной временной последовательностью требуемые управляющие воздействия на элементы операционного блока.

Различают два типа процессоров: со схемной аппаратной логикой и с программируемой логикой.

Процессор со схемной логикой может быть представлен в виде набора логических и других микросхем, которые в сочетании со схемой их соединения обеспечивают выполнение поставленной задачи. Программирование в таком устройстве достигается соответствующим выбором микросхем и схемы монтажных соединений. Для реализации другой задачи требуются уже иные схема и набор элементов. Поэтому вычислительные устройства со схемной логикой относят к аппаратным средствам обработки информации. Они отличаются высоким быстродействием и функциональной жесткостью (даже при незначительном изменении задачи требуется применение иного устройства). По этой причине принцип схемной логики находит ограниченное применение в вычислительной технике.

Процессор с программируемой логикой представляет собой универсальное вычислительное устройство, в котором обработка информации проводится по программе, занесенной в специальную память. Меняя программу, содержащуюся в памяти, можно изменять информацию, получаемую на выходе такого вычислительного устройства. Программируемая логика, обеспечивающая исключительную гибкость процессора, особенно широко используется в микропроцессорной технике. Быстродействие вычислителей с программируемой логикой существенно ниже, чём у процессоров схемного (аппаратного) типа.

Рассмотрим работу вычислителя с программным управлением на примере цифрового вычислителя, в котором роль операционного блока исполняет арифметическо-логическое устройство (АЛУ), а управляющего блока — система управления (СУ), как показано на рис.1.

Рис.1.

Для удобства АЛУ снабжено входом и выходом. К последнему подключен регистр, обеспечивающий хранение результата. Программа, управляющая работой всего вычислителя, хранится в памяти программ (ПП) и после расшифровки пересылаются в АЛУ для выполнения заданной операции над числовыми данными. Вызов команды из ПП осуществляется указанием ее адреса. Эту процедуру выполняет СУ. Одновременно СУ обеспечивает пересылку в АЛУ данных, над которыми требуется выполнить заданную арифметическую или логическую операцию, производит обмен информацией с внешними устройствами и т.д.

Взаимосвязанная работа всех устройств МП обеспечивается устройством управления (УУ), снабженным автономной шиной управления. Устройство управления совместно с тактовым генератором обеспечивает требуемую последовательность работы элементов МП на всех этапах обработки информации (извлечение команды из памяти, ее дешифровка, пересылка данных в АЛУ, реализация текущей операции и т. п.). Особая роль в этом процессе отводится счетчику команд (СК), соединенному с шиной данных и обеспечивающему совместно с УУ контроль за исполнением текущей команды. Одновременно СК организует периодическую подготовку МП к выполнению каждой последующей команды. Для этого СК имеет непосредственную связь с шиной адреса и, получив адрес очередной команды, фиксирует начало процесса ее выполнения. С этого момента СК изменяет свое значение, формируя адрес следующей команды, и т. п.

Исходя из изложенного принципа работы МП, следует, что он должен состоять из следующих функциональных элементов:

арифметическо-логического устройства,

устройства управления и вспомогательных устройств, включающих набор регистры,

многоразрядные шины.

Реальные МП содержат и другие элементы.

Классификация МП.

Признаками классификации микропроцессоров могут служить их конструктивное иcпoлнeниe и способ организации управления МП.

По конструктивному исполнению МП подразделяют на:

однокристальные;

многокристальные.

Микропроцессор, выполненный в виде БИС на одном кристалле, именуют однокристальным МП. В большинстве случаев и остальные функциональные узлы микропроцессора представляют в виде БИС, получая многокристальный МП, монтируемый на одной печатной плате.

По способу организации управления МП подразделяют на два типа: со встроенной («вшитой» в МП) системой команд

с внешней системой команд.

Встроенная система команд характерна для однокристальных МП, имеющих жесткую логическую программу, рассчитанную на реализацию задач определенного класса. При необходимости решения задач иного плана, для которых требуются отсутствующие в «списке» команды, можно использовать специальные подпрограммы. Это усложняет работу вычислительной системы и ухудшает ее временные показатели. На практике такие МП снабжают оптимальным «списком» команд, обеспечивающим заданную гибкость при решении типовых задач.

Внешняя система команд предполагает использование микропрограммного управления, при котором каждая из команд представляется как некоторый заданный набор микрокоманд. Это позволяет получить гибкое микропроцессорное устройство с широкой областью применения. Между тем эффективность микропрограммного управления определяется относительным быстродействием устройства памяти, хранящего микрокоманды. Для поддержания быстродействия такого МП на надлежащем уровне скорость считывания микрокоманд должна в 5...10 раз превышать этот же параметр для команд (за время прохождения одной команды должно гарантироваться выполнение нескольких микрокоманд).

На практике микропрограммное управление реализуется в МП с фиксированной разрядностью обрабатываемой информации и в МП с наращиваемой (не фиксированной) разрядностью. В первом типе МП разрядность устройства фиксируется при изготовлении и не может быть принудительно изменена. В основе МП с наращиваемой разрядностью лежит модульный принцип конструирования, при котором применяют автономные микросхемы (модули) малой разрядности (2-х, 4-х или 8-ми). Объединяя такие модули (секции), можно достичь кратного увеличения (наращивания) разряда двоичных чисел в системе обработки информации. Важная роль при этом отводится вопросам совместимости такого МП с внешними функциональными узлами.

Стремление сократить время выполнения одной команды при программном управлении обусловило практическую реализацию принципа совмещения во времени микрокоманд различных циклов, при котором в процессе выполнения микрокоманд данного цикла проводятся подготовительные процедуры для последующих микрокоманд. Этот принцип называют конвейерным. С разработкой быстродействующих постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) с высокой степенью интеграции микропрограммное управление получило широкое развитие в вычислительной технике.

Маркировка МП регламентируется ГОСТ 18682—73, который служит основой для маркировки любых интегральных микросхем. В соответствии с этим для маркировки МП используют следующее 5-элементное буквенно-цифровое обозначение: 1-й элемент — одна или две буквы, идентифицирующие последовательно назначеиие микросхемы (К — коммерческая, О—опытная) и тип используемого корпуса (Р — пластмассовый, М — керамический и т. д.); 2-й элемент — одна цифра, указывающая конструктивно-технологическое исполнение (цифрами 1 и 5 обозначают полупроводниковые МП); 3-й элемент — две или три цифры, обозначающие порядковый номер серии (разработки); 4-й элемент — две буквы, идентифицирующие функциональное назначение устройства (табл. 23.1); 5-й элемент — цифра или цифро-буквенный шифр, указывающий порядковый номер разработки в данной серии.

Например, микропроцессор с маркировкой КР588ВС2 расшифровывается следующим образом: коммерческий (К), с пластмассовым корпусом (Р), полупровод-никовый (5), 88-й серии (88), секционный микропроцессор (ВС), 2-й разработки (2). Аналогично, для маркировки К1801ВМ1 имеем: коммерческий (К), полупроводниковый (1), 801-й серии (801), микропроцессор (ВМ), 1-й разработки (1).

Характеристики МП

Характеристики МП оценивают следующими показателями.

1. Разрядностью обрабатываемого одновременно слова без наращивания. Этот параметр удобно измерять в бинарных единицах — битах. Различают МП с разрядностью слова от 2 до 16 и даже 64.

2. Быстродействием МП, определяемым временем реализации вычислительного цикла при выполнении простейших операций.

3. Максимальным числом команд (микрокоманд), реализуемым при обработке информации.

4. Информационной емкостью памяти, оцениваемой в первом приближении числом внутренних регистров общего назначения.

5. Конструкторско-технологическими особенностями производства, определяющими логическую основу МП.

6. Электрическими параметрами и внешним оформлением, оцениваемыми потребляемой мощностью, напряжением питания и числом выводов корпуса МП.

Цифровые ЭВМ