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 надёжностью и имели быстродействие порядка нескольких десятков тысяч операций в секунду. Применение дискретных транзисторов в ЭВМ второго поколения значительно повысило их надёжность и быстродействие (до сотен тысяч операций в секунду). Элементную базу ЭВМ третьего поколения в основном составляли цифровые ТТЛ - микросхемы малой и средней степеней интеграции, что обеспечивало их достаточно высокую надёжность и быстродействие на уровне миллиона операций в секунду.

Степень интеграции цифровой микросхемы определяется количеством размещённых в ней логических элементов (ЛЭ). К микросхемам малой степени интеграции (МИС) относят микросхемы, содержащие не более десяти ЛЭ, к средней степени интеграции (СИС) – с числом ЛЭ в пределах 10—100. Микросхемы большой степени интеграции (БИС) содержат 100—1000 ЛЭ, сверхбольшой (СБИС) – 1—10 тысяч ЛЭ, сверхсверхбольшой степени интеграции (ССБИС) – 10—100 тысяч ЛЭ на одном кристалле.

Переход к ЭВМ четвёртого поколения был достигнут не только благодаря заметному прогрессу в области схемотехники и технологии производства микросхем. Весьма важным для дальнейшего развития вычислительной техники явилось создание в 70-ых годах новых универсальных цифровых микросхем, 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 для него новую программу для выполнения требуемых функций.

Спектр возможных применений микропроцессоров оказался настолько широким, что построенные на их основе различного рода микропроцессорные системы сбора и обработки информации, управления и контроля технологическими процессами и тому подобные 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 объёма 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 совокупность микропроцессорных и других микросхем номенклатура и количество которых необходимы и достаточны для построения любого конкретного изделия вычислительной и управляющей техники. На их основе были созданы многочисленные персональные ЭВМ (ПВЭМ), впервые появившиеся на рубеже 80-ых годов, а также совершенно новый класс мало потребляющих 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 ССБИС микропроцессоров с фиксированной системой команд для персональных ЭВМ, производительность которых приближается к возможностям полупрофессиональных и малых ЭВМ;

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 ведётся в цифровом виде.

Построенные на основе универсальных и с специализированных микропроцессоров средства вычислительной техники относят к ЭВМ четвёртого поколения. Они представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, отличающиеся высокой надёжностью 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 четвёртого 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 всё 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 n-МОП транзисторах и ориентированного на применение в микрокалькуляторах. Значительно более совершенный 8-разрядный МП Intel 8080 (Отечественный аналог – МП КР580ВМ80А) был выпущен в 1974 году и уже содержал примерно 4500 транзисторов. В 1978 году на основе высокоплотной n-МОП технологии выпускается 16- разрядный МП Intel 8086 (отечественный аналог МП МК1810ВМ86) на 29000 транзисторах. На МП этой серии впервые были построены широко распространённые во всём мире ПЭВМ серии IBM. Наконец к началу 1986 года 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 «Hewlett Packard» 32- разрядный МП Focus, выполненный на 450000 транзисторах на МОП – кристалле. Такая высокая степень интеграции была достигнута путём существенного снижения (до 1.5 микрометра по ширине и 1 микрометра для интервалов между соседними областями) размеров транзисторов. Одновременно производительность МП выросла более, чем на три порядка.

В 1989 году фирма «Intel» сообщила о разработке ещё 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 DX/SX. С начала 90-ых годов 32- разрядные МП стали широко использоваться для производства на их основе портативных компьютеров (типа ноутбук или лэптоп), однако обычные микросхемы i386DX/SX не полностью отвечали требованиям разработчиков. Для удовлетворения этих требований в 1990 году фирмой «Intel» 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 год) 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 счёт использования нового МП среднее время автономной работы компьютера блокнота (около трёх часов) увеличивается примерно на один час. С марта 1993 года начались промышленные поставки новейшей версии МП, объявленного ранее как 586 или Р5, но зарегистрированного корпорацией «Intel» под торговой маркой Pentium. Новая микросхема была выполнена по 0.8- микронной КМОП – технологии и содержала около 3.1 миллиона 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 с кодовым названием Р54С, при производстве которых была использована 0.6- микронная КМОП – технология, что позволило снизить мощность рассеивания МП до 4 Вт при напряжении питания 3.3 В. Количество транзисторов в этих микропроцессорах было увеличено до 3.3 миллиона. С 1995 года фирма «Intel» объявила о начале коммерческих поставок микропроцессоров Pentium Pro, число транзисторов основного кристалла которого составляет примерно 5.5 миллиона. Внутренняя архитектура этого процессора оптимизирована для работы с 32- разрядными приложениями, где он существенно опережает даже самые быстродействующие модели Pentium. Корпорации «Intel» – совместно с фирмой «Hewlett-Packard» в 1998 году разработали совершенно необычный процессор Р7 с базовой 64- разрядной архитектурой и быстродействием до 1 миллиарда операций в секунду.

На рисунке 3.38 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 современный 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.

Рис. 3.38. Базовая конфигурация современной микропроцессорной системы

В свою очередь, ЗУ может включать в себя постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), 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 микросхем, и они идеально подходят для недорогих МС. Обычно их называют однокристальными компьютерами.

Особо отметим наличие в МС трёх 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 приёмник (куда надо записать данные) и передаёт по шине управлениясоответствующие сигналыо направлении передачи информации. Наконец, шина адреса служит для указания места расположения данных, по ней МП передаёт 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.