Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
КАФЕДРА РЕЗ
РЕФЕРАТ
НА ТЕМУ:
«Основи мікропроцесорних систем»
МІНСЬК, 2009
Розвиток мікроелектроніки на початку 1970-х р.р. призвело до появи мікропроцесорів (МП) - нового різновиду великих інтегральних схем (ВІС), що представляють собою універсальні за призначенням, функціонально закінчені пристрої, за своїми функціями і структурою нагадують спрощений варіант процесорів звичайних ЕОМ, але мають незрівнянно менші розміри. Мікропроцесори відносяться до класу мікросхем, особливістю яких є можливість програмного керування роботою БІС за допомогою певного набору команд.
Мікропроцесор - це функціонально закінчений універсальне програмно-керований пристрій, що здійснює процес обробки цифрової інформації і управління ним, виконане на одній або декількох БІС.
Мікропроцесорна БІС (МП ВІС) - інтегральна мікросхема, що виконує функцію МП чи його частини. По суті, це БІС з процесорної організацією, розробленої для побудови мікропроцесорних систем.
Мікропроцесорний комплект (МПК) - це сукупність МП і інших ВІС і НВІС, сумісних по конструкторсько-технологічного виконання і призначених для спільного застосування при побудові МП, мікроЕОМ та інших обчислювальних засобів. (Чіпсет).
Логічна організація (архітектура) мікропроцесорів орієнтована на досягнення універсальності застосування, високої продуктивності та технологічності. Універсальність МП визначається можливістю їх різноманітного використання і забезпечується програмним управлінням мікропроцесором, що дозволяє виробляти програмну настройку МП на реалізацію певних функцій, магістрально-модульним принципом побудови, а також спеціальними апаратно -логічними засобами: сверхоперативной реєстрової пам'яттю, багаторівневою системою переривань, прямим доступом до пам'яті, програмно-налаштованим схемами керування введенням-виведенням і т.п.
Відносно висока продуктивність МП досягається використанням для їх побудови швидкодіючих ВІС і НВІС і спеціальних архітектурних рішень, таких, як стекова пам'ять, різноманітні способи адресації, гнучка система команд і ін
Технологічність мікропроцесорних засобів забезпечується модульним принципом конструювання, який передбачає реалізацію цих коштів у вигляді набору функціонально закінчених БІС, легко об'єднуються у відповідні обчислювальні пристрої, машини, комплекси і системи.
Мікропроцесори при великих обчислювальних і логічних можливості, високої універсальності і гнучкості характеризується низькою вартістю, унікально малими розмірами, високою надійністю. Завдяки зазначеним особливостям МП служать системними елементами, на основі яких створюються різні універсальні і спеціалізовані мікропроцесорні системи, мікроЕОМ, програмовані мікроконтролери, безпосередньо вбудовуються в прилади, машини, технологічні установки, і що дозволяють досягти значного підвищення рівня автоматизації технологічних процесів, економії енергії, сировини, матеріалів , підвищення продуктивності та якості праці.
Перевагою МП в порівнянні з великими процесорами є те, що потужності останніх розділяються між багатьма користувачами (завданнями), в той час як МП призначений для використання одним користувачем (завданням). У результаті значно спрощується програмне забезпечення. У великих ЕОМ програмні засоби підтримки їх функціонування (насамперед операційна система) вимагають великих накладних витрат на додаток до значних витрат на апаратні засоби. Такого роду витрати значно менше або практично відсутні в мікропроцесорних системах. Переваги МП ще більше зростають у міру збільшення їх розрядності і швидкодії. Існуючі МП у багатьох відношеннях перевершують процесори звичайних і міні-ЕОМ, які випускалися 10 років тому. Тому префікс "мікро" слід інтерпретувати з точки зору розмірів і вартості МП і МП-систем, а не їх можливостей.
МП характеризується великим числом параметрів, так як він, з одного боку, функціонально є складним програмно-керованим цифровим процесором, тобто пристроєм ЕОМ, а з іншого - інтегральної схемою або схемами з високим ступенем інтеграції елементів, тобто електронним приладом.
У загальному випадку МП можуть бути класифіковані за різними характеристиками основними з яких є:
1) тип мікроелектронної технології, яка використовується при виготовленні МП ВІС.
За технологічною реалізації розрізняють:
р-МПД-технології (перші види МП), n-МДП-технології, КМДП-технології, TTL-технології, ЕСЛ-технології, І 2 Л-технології. За винятком р-МПД-технології та обмеженого застосування TTL-технології, всі інші ефективно застосовуються в даний час при виготовленні ВІС і НВІС.
2) кількість кристалів, що утворюють МП (однокристальні і багатокристальні).
Однокристальний МП мають фіксовану розрядність без можливості її нарощування, а також фіксовану систему команд, так як відповідні командам мікропрограми "зашиті" всередині кристалу. Багатокристальні МП мають можливість нарощування розрядності за рахунок послідовного з'єднання однотипних мікропроцесорних елементів (секцій), реалізованих у вигляді окремих БІС.
Відмінною особливістю многокристального МП в порівнянні з однокристальними є також те, що в них відсутня фіксована система команд. Користувач має можливість створювати власну систему команд.
Однак проектування обчислювальних пристроїв на основі многокристального МП відрізняється більшою складністю.
3) тип корпусу (їх близько двох десятків);
4) розрядність. Розрядність МП показує, скільки біт даних він може прийняти і обробити в свої регістрах за один раз (за один такт).
Розрядність МП багато в чому визначає рівень складності завдань, які можуть вирішуватися за допомогою конкретного комплекту МП.
Малоразрядние МП застосовуються в пристроях з двійково-десяткового системою числення і невисоким швидкодією обробки даних (калькуляторах, касових апаратах, вимірниках параметрів і т.д.).
Восьми-і шістнадцяти розрядні МП володіють істотними обчислювальними можливостями і знаходять застосування при обробці алфавітно-цифрової інформації, в системах зв'язку, верстатах з ЧПК та ін
Мікропроцесори високої розрядності (32 і вище) дозволяють створювати більш компактні програми з мінімумом команд, що різко знижує вартість налагодження програм, яка може досягати 50 ... 70% вартості всіх технічних засобів мікропроцесорного комплексу.
5) швидкодія (тактова частота, час виконання команд). Виконання кожної команди займає певну кількість тактів. Чим вище частота тактів, тим більше команд може виконати МП в одиницю часу, тим вище його продуктивність.
Продуктивність МП визначається часом рішення ряду тестових завдань і залежить від швидкодії виконання простих операцій, розрядності, числа регістрів загального призначення, структури схем введення-виведення та інших факторів.
6) ємність пам'яті, що адресується. (Обсяг).
Вона характеризує інформаційні можливості МП-комплексу (до теперішнього часу досягає десятків Гбайт) і з урахуванням широкої номенклатури периферійних пристроїв, що підключаються до МП в складі комплексу (блоки ОЗУ великої ємності, накопичувачі на гнучких магнітних дисках, CD, принтери, сканери і т.д .), організація адресації пам'яті є однією з найважливіших проблем проектування МП-комплексу.
7) тип керуючого пристрою;
8) система команд (кількість команд, способи адресації).
У процесі роботи МП обслуговує дані, що знаходяться в його регістрах (внутрішніх комірках), в полі оперативної пам'яті, а також дані, що знаходяться в зовнішніх портах процесора. Частина даних він інтерпретує безпосередньо як дані, частина даних - як адресні дані, а частина - як команди. Сукупність усіх можливих команд, які може виконати МП над даними, утворює так звану систему команд МП. МП, що відносяться до одного сімейства, мають однакові або близькі системи команд. МП, що відносяться до різних родин, розрізняються по системах команд і невзаємозамінні.
Розрізняють МП з розширеною і скороченою системою команд. Чим ширше набір системних команд МП, тим довше формальна запис команди (у байтах), тим вище середня тривалість виконання однієї команди, виміряна в тактах роботи МП. Так, наприклад, система команд процесорів Intel Pentium в даний час налічує більше тисячі різних команд. Такі процесори називають процесорами з розширенням системою команд - CISC-процесорами (CISC - Complex Instruction Set Computer).
На противагу CISC-процесорам в середині 80-х років з'явилися процесори архітектури RISC (Reduced Instruction Set Computer) - процесори з скороченою системою команд.
При такій архітектурі кількість команд у системі набагато менше, і кожна з них виконується набагато швидше.
CISC-процесори використовують в універсальних обчислювальних системах.
RISC-процесори використовують у спеціалізованих обчислювальних системах або пристроях, орієнтованих на виконання однакових операцій.
Компанія AMD випускає МП сімейства AMD-K6, в основі яких лежить внутрішньо ядро, виконане по RISC-архітектурі, і зовнішня структура виконана з архітектури CISC. Таким чином, з'явилися МП сумісні з МП х86, але мають гібридну архітектуру.
Система команд МП, як правило, містить наступні типи команд:
а) команди обчислень (арифметичних і логічних);
б) команди пересилання даних;
в) команди управління (умовних і безумовних переходів);
г) команди введення-виведення;
д) команди звернення до підпрограм;
е) допоміжні команди;
Відповідно до адресної частиною команди може здійснюватися звернення до пам'яті, регістру або пристрою введення-виведення.
До речі, МП х86 мають найскладнішу у світі систему команд.
9) число рівнів переривання;
10) можливість прямого доступу до пам'яті;
11) число і рівні живлячої напруги;
У міру розвитку МП відбувається поступове зниження напруги живлення. Ранні моделі процесорів х86 мали напругу живлення 5В. З переходом до процесорів Intel Pentium воно було знижено до 3,3 В, а в даний час воно складає менше 3В. Причому ядро МП харчується зниженою напругою 2,2 В. Зниження робочої напруги дозволяє зменшити відстань між структурними елементами в кристалі МП до десяти тисячних часток міліметра не побоюючись електричного пробою. Пропорційно квадрату напруги зменшується і тепловиділення в МП, а це дозволяє збільшити його продуктивність без загрози перегріву.
12) рівні сигналів;
13) споживана потужність;
В даний час вона складає від 10 ... 20 мВт до 1 ... 3 Вт у сучасних МП в залежності від виконуваної роботи.
14) температурний діапазон;
15) завадостійкість;
16) здатність навантаження;
17) надійність і т.д.;
Протягом останніх 20 років технологія, архітектура і схемотехніка МП розвивалася дуже швидко. Це розвиток ознаменувалося змаганням МДП і біполярної технологій мікроелектроніки. В даний час можна виділити шість поколінь МП в Intel і сім у AMD, що розрізняються технологією виготовлення, швидкодією, розрядністю, особливостями структури і архітектури.
Під архітектурою МП розуміється його програмна модель (універсальність застосування, висока продуктивність, технологічність), тобто програмно-видимі властивості.
Під мікроархітектурою розуміється внутрішня реалізація цієї програмної моделі. Так для однієї і тієї ж архітектури IA-32 (Intel Architecture 32 bit - 32 розрядний МП сімейства х86) різними фірмами і в різних поколіннях застосовуються різні мікроархітектурние реалізації, при цьому, природно, прагнуть до максимального підвищення продуктивності (швидкості виконання програм).
Перший МП з'явився в 1971р. (Intel 4004) - 4-х розрядний, виконаний по р-МДП-технології.
Перший 16-розрядний процесор i8086 фірма Intel випустила в 1978 році. Частота - 5 МГц. Технологія 3 мкм, 29000 транзисторів. Адресуемая пам'ять 1 Мбайт. З нього почалася історія IBM PC, нерозривно пов'язана з усім подальшим розвитком процесорів Intel.
Процесор i80286 (друге покоління), що знаменує наступний етап архітектури, з'явився в 1982 році. Він мав 134000 транзисторів (технологія 1,5 мкм) і адресував до 16 Мбайт фізичної пам'яті.
Третє покоління ознаменувався переходом до 32-розрядної архітектури IA-32 у 1985 році випуском моделі i80386 (275000 транзисторів, технологія 1,5 мкм). Розрядність шини даних (як і внутрішніх регістрів) досягла 32 біт, що адресується фізична пам'ять - 4 Гбайт. МП знайшов широке застосування в PC. На його основі почав розвиватися MS Windows з додатками.
Четверте покоління ознаменувався появою МП Intel 486 DX в 1989 році. Транзисторів - 1,2 млн., технологія - 1 мкм. Цей МП в архітектурну модель великих змін не вніс, але значно підвищив його продуктивність. Тактова частота в цьому поколінні досягла 133 МГц (в AMD) і 100 МГц (у Intel).
У 1993 році з'явилися перші процесори Pentium з частотою 60 і 66 МГц (п'яте покоління) - 32 розрядні МП із 64-розрядною шиною даних. Транзисторів 3,1 млн., технологія 0,8 мкм, харчування 5В. Від 486 МП Pentium принципово відрізняється суперскалярной архітектурою. Пояснимо це.
У мікроархітектурі процесорів п'ятого і шостого поколінь - Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Celeron, Pentium III - істотне значення має реалізація різних способів конвеєризації та розпаралелювання обчислювальних процесів, а також інших технологій, не властивих процесорам колишніх поколінь.
Конвейеризация припускає розбивку виконання кожної команди (інструкції) на кілька етапів, причому кожен етап виконується на своїй ступені конвеєра МП. При виконанні команда просувається по конвеєру в міру звільнення наступних ступенів. Таким чином, на конвеєрі одночасно може оброблятися декілька послідовних команд, і продуктивність МП можна оцінювати темпом виходу виконаних команд з усіх його конвеєрів. Для досягнення максимальної продуктивності МП - забезпечення повного завантаження конвеєрів - програма повинна складатися з урахуванням архітектурних особливостей процесора.
Конвеєр "класичного" процесора Pentium має п'ять щаблів. Конвеєри процесорів з суперконвейерной архітектурою мають більше число ступенів, що дозволяє спростити кожну з них і, отже, скоротити час перебування в них команд (інструкцій).
Скалярним називають процесор з єдиним конвеєром. До цього типу належать усі процесори Intel до 486 включно.
Суперскалярний процесор має більше одного конвеєра, здатних обробляти команди паралельно. Pentium є двохпотокові процесором (має два конвеєри), Pentium Pro - трехпотоковим.
Таким чином, МП п'ятого покоління Pentium в Intel і К5 в AMD - привнесли суперскалярную архітектуру. У процесорів п'ятого покоління після блоків попередньої вибірки і першої стадії декодування команд є два конвеєри, U-конвеєр і V-конвеєр. Кожен з цих конвеєрів має щаблі остаточного декодування, виконання команд і буфер запису результатів. Процесор з такою архітектурою може одночасно "випускати" до двох виконаних команд, але в середньому виходить 1 такт на команду. Для швидкого постачання конвеєрів командами і даними з пам'яті шина даних процесора має розрядність 64 біт (через що спочатку їх навіть помилково називали 64-розрядними процесорами).
Процесори Pentium з частотою 75, 90 і 100 МГц, що з'явилися в 1994 році, представляли друге покоління процесорів Pentium. При майже тому же числі транзисторів вони виконувалися по технології 0.6 мкм, що дозволило знизити споживану потужність. Від першого покоління відрізнялися внутрішнім множенням частоти, підтримкою мультипроцесорних конфігурацій і іншим типом корпусу. З'явилися версії (75 МГц в мініатюрному корпусі) для мобільних застосувань (блокнотних PC). Процесори Pentium другого покоління стали досить популярні в РС.
У 1995 році були випущені процесори на 120 і 133 МГц, виконані вже по технології 0,35 мкм (перші процесори на 120 МГц робилися по технології 0.6 мкм).
1996 називають роком Pentium - з'явилися процесори на 150, 166 і 200 МГц і Pentium став рядовим процесором в масових РС.
Шосте покоління процесорів Intel почалося з Pentium Pro і продовжується до цього дня в процесорах Pentium II, Pentium III, Celeron і Xeon. Pentium Pro містить 5,5 млн. транзисторів ядра і 15,5 млн. транзисторів для вторинного кеша обсягом 256 Кбайт. Перший процесор з частотою 150 МГц з'явився в початку 1995 року (технологія 0,6 мкм), а вже в кінці року були досягнуті частоти 166, 180 і 200 МГц (технологія 0,35 мкм), а КЕШ збільшений до 512 Кбайт.
Pentium Pro відрізняється "динамічним виконанням", спрямованим на збільшення числа паралельно виконуваних команд, тобто не в тому порядку, як це передбачається програмним кодом, а в тому, як "зручно" процесору. Команди, що надходять на конвеєр, розбиваються на найпростіші мікрооперації (μ-ops), які далі виконуються суперскалярні процесорним ядром в порядку зручному процесору.
На початку 1997 року фірма Intel випустила процесори Pentium MMX. Технологія MMX (Multi Media extensions, мультимедійні розширення) передбачає паралельну обробку групи операндів (змінних і констант) однією командою. Технологія ММХ покликана прискорити виконання мультимедійних додатків, зокрема операцій з зображеннями і обробки сигналів. Процесори Pentium ММХ мають 4,5 млн. транзисторів і виконані по технології 0,35 мкм, тактові частоти 166, 200 і 233 МГц.
У травні 1997 року з'явився процесор Pentium II. Він являє собою злегка урізаний варіант ядра Pentium Pro з більш високою внутрішньою тактовою частотою, в що ввели підтримку ММХ. Перші процесори мали частоту ядра 233, 266 і 300 МГц (технологія 0,35 мкм), влітку 1998 року була досягнута частота 450 МГц (технологія 0,25 мкм), причому зовнішня тактова частота з 66 МГц підвищилася до 100 МГц.
У 1999 році з'явилися процесори Pentium III. Частота ядра близько 1 ГГц, частота системної шини - 100 і 133 МГц.
На базі Pentium II з'явилося сімейство "полегшених" процесорів Celeron, спочатку без вторинного кеша, а потім і з інтегрованим вторинним кешем розміром 128 Кбайт.
Для потужних комп'ютерів є сімейство процесорів Xeon, які охоплюють і Pentium II і Pentium III. Для цих процесорів характерний великий обсяг вторинного кеша і підтримка більш ніж двопроцесорних конфігурацій.
Є процесори Pentium II / III і для мобільних застосувань.
Сьоме покоління (за AMD) почалося з процесора Athlon. Процесор Athlon (К7) на сьогоднішній день є самим високопродуктивним (з реально випускаються) членом сімейства х86. Цей процесор з багатьох номінаціях був визнаний кращим процесором 1999 року. Продуктивність досягається не тільки високою тактовою частотою (до 1 ГГц - 2000р.), А й особливою суперконвейерной і суперскалярной мікроархітектурою.
Процесор має три незалежних конвеєра цілочисельних обчислень, три конвеєра для обчислення адрес операндів і трьохканальної пристрій для обчислень з плаваючою точкою. Для обчислень з плаваючою точкою вперше в історії х86 застосовується повністю конвейерізірованная суперскалярна "машина" з зміною порядку виконання команд.
Перша модель процесора Athlon (починаючи з 500 МГц) виконувалася за технологією 0,25 мкм, близько 22 млн. транзисторів розміщувалося на площі 184 мм 2. Друга модель (починаючи з 550 МГц) проводиться за технологією 0,18 мкм і площа кристала зменшилася до 102 мм 2.
Процесори 550-750 МГц (модель 2, КЕШ 512 Кбайт) має напругу живлення ядра 1,6 В і споживає потужність 28-35 Вт Процесор на 800 МГц харчується від 1,7 В і споживає 43 Вт
Електрично Athlon і Pentium II / III несумісні.
Навесні 2000 року випущений процесор Duron - полегшений варіант К7 (кодова назва - Spitfire). У нього вторинний кеш, зменшений до 256 Кбайт, але працює на частоті ядра, розташовується на кристалі ядра. Це дозволяє упакувати процесор в корпус шнуром висновками (Socket-A). Тактова частота - 600, 650 і 700 МГц, частота шини - 200 МГц.
У висновку відзначимо, що перерахованими моделями не вичерпується весь світовий асортимент мікропроцесорів. Це тільки представники сімейства процесорів, що мають узагальнену назву х86. Ряд фірм (AMD, Cyrix, IBM) випускає процесори, сумісні з перерахованими процесорами Intel і мають свої характерні особливості. Ряд фірм (DEC, Motorola, Texas Instruments, IBM) мають розробки процесорів, що істотно відрізняються від сімейства х86; є інші класи процесорів і в Intel. Серед них присутні і набагато більш потужні процесори.
Вітчизняною промисловістю освоєно випуск ряду МП різного класу. Серед МП з фіксованою системою команд можна виділити 2 основні групи. Першу групу становлять МП К1801, К1806, К588, другу - МП серій К580, К1821, К 1810.
Клас секціонованими МП з мікропрограмного управлінням становлять МПК БІС К589, К1802, К1804.
ЛІТЕРАТУРА
1. Новіков Ю.В. Основи цифрової схемотехніки. Базові елементи і схеми. Методи проектування. М.: Світ, 2001. - 379 с.
2. Новіков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основи мікропроцесорної техніки. Курс лекцій. М.: ІНТУІТ.РУ, 2003. - 440 с.
3. Пухальський Г.І., Новосельцева Т.Я. Цифрові пристрої: Учеб. посібник для Втузов. СПб.: Політехніка, 2006. - 885 с.
4. Преснухін Л.М., Воробйов Н.В., Шішкевіч А.А. Розрахунок елементів цифрових пристроїв. М.: Вищ. шк., 2001. - 526 с.
5. Букрєєв І.М., Горячев В.І., Мансуров Б.М. Мікроелектронні схеми цифрових пристроїв. М.: Радіо і зв'язок, 2000. - 416 с.
6. Соломатін Н.М. Логічні елементи ЕОМ. М.: Вищ. шк., 2000. - 160 с.
КАФЕДРА РЕЗ
РЕФЕРАТ
НА ТЕМУ:
«Основи мікропроцесорних систем»
МІНСЬК, 2009
Розвиток мікроелектроніки на початку 1970-х р.р. призвело до появи мікропроцесорів (МП) - нового різновиду великих інтегральних схем (ВІС), що представляють собою універсальні за призначенням, функціонально закінчені пристрої, за своїми функціями і структурою нагадують спрощений варіант процесорів звичайних ЕОМ, але мають незрівнянно менші розміри. Мікропроцесори відносяться до класу мікросхем, особливістю яких є можливість програмного керування роботою БІС за допомогою певного набору команд.
Мікропроцесор - це функціонально закінчений універсальне програмно-керований пристрій, що здійснює процес обробки цифрової інформації і управління ним, виконане на одній або декількох БІС.
Мікропроцесорна БІС (МП ВІС) - інтегральна мікросхема, що виконує функцію МП чи його частини. По суті, це БІС з процесорної організацією, розробленої для побудови мікропроцесорних систем.
Мікропроцесорний комплект (МПК) - це сукупність МП і інших ВІС і НВІС, сумісних по конструкторсько-технологічного виконання і призначених для спільного застосування при побудові МП, мікроЕОМ та інших обчислювальних засобів. (Чіпсет).
Логічна організація (архітектура) мікропроцесорів орієнтована на досягнення універсальності застосування, високої продуктивності та технологічності. Універсальність МП визначається можливістю їх різноманітного використання і забезпечується програмним управлінням мікропроцесором, що дозволяє виробляти програмну настройку МП на реалізацію певних функцій, магістрально-модульним принципом побудови, а також спеціальними апаратно -логічними засобами: сверхоперативной реєстрової пам'яттю, багаторівневою системою переривань, прямим доступом до пам'яті, програмно-налаштованим схемами керування введенням-виведенням і т.п.
Відносно висока продуктивність МП досягається використанням для їх побудови швидкодіючих ВІС і НВІС і спеціальних архітектурних рішень, таких, як стекова пам'ять, різноманітні способи адресації, гнучка система команд і ін
Технологічність мікропроцесорних засобів забезпечується модульним принципом конструювання, який передбачає реалізацію цих коштів у вигляді набору функціонально закінчених БІС, легко об'єднуються у відповідні обчислювальні пристрої, машини, комплекси і системи.
Мікропроцесори при великих обчислювальних і логічних можливості, високої універсальності і гнучкості характеризується низькою вартістю, унікально малими розмірами, високою надійністю. Завдяки зазначеним особливостям МП служать системними елементами, на основі яких створюються різні універсальні і спеціалізовані мікропроцесорні системи, мікроЕОМ, програмовані мікроконтролери, безпосередньо вбудовуються в прилади, машини, технологічні установки, і що дозволяють досягти значного підвищення рівня автоматизації технологічних процесів, економії енергії, сировини, матеріалів , підвищення продуктивності та якості праці.
Перевагою МП в порівнянні з великими процесорами є те, що потужності останніх розділяються між багатьма користувачами (завданнями), в той час як МП призначений для використання одним користувачем (завданням). У результаті значно спрощується програмне забезпечення. У великих ЕОМ програмні засоби підтримки їх функціонування (насамперед операційна система) вимагають великих накладних витрат на додаток до значних витрат на апаратні засоби. Такого роду витрати значно менше або практично відсутні в мікропроцесорних системах. Переваги МП ще більше зростають у міру збільшення їх розрядності і швидкодії. Існуючі МП у багатьох відношеннях перевершують процесори звичайних і міні-ЕОМ, які випускалися 10 років тому. Тому префікс "мікро" слід інтерпретувати з точки зору розмірів і вартості МП і МП-систем, а не їх можливостей.
МП характеризується великим числом параметрів, так як він, з одного боку, функціонально є складним програмно-керованим цифровим процесором, тобто пристроєм ЕОМ, а з іншого - інтегральної схемою або схемами з високим ступенем інтеграції елементів, тобто електронним приладом.
У загальному випадку МП можуть бути класифіковані за різними характеристиками основними з яких є:
1) тип мікроелектронної технології, яка використовується при виготовленні МП ВІС.
За технологічною реалізації розрізняють:
р-МПД-технології (перші види МП), n-МДП-технології, КМДП-технології, TTL-технології, ЕСЛ-технології, І 2 Л-технології. За винятком р-МПД-технології та обмеженого застосування TTL-технології, всі інші ефективно застосовуються в даний час при виготовленні ВІС і НВІС.
2) кількість кристалів, що утворюють МП (однокристальні і багатокристальні).
Однокристальний МП мають фіксовану розрядність без можливості її нарощування, а також фіксовану систему команд, так як відповідні командам мікропрограми "зашиті" всередині кристалу. Багатокристальні МП мають можливість нарощування розрядності за рахунок послідовного з'єднання однотипних мікропроцесорних елементів (секцій), реалізованих у вигляді окремих БІС.
Відмінною особливістю многокристального МП в порівнянні з однокристальними є також те, що в них відсутня фіксована система команд. Користувач має можливість створювати власну систему команд.
Однак проектування обчислювальних пристроїв на основі многокристального МП відрізняється більшою складністю.
3) тип корпусу (їх близько двох десятків);
4) розрядність. Розрядність МП показує, скільки біт даних він може прийняти і обробити в свої регістрах за один раз (за один такт).
Розрядність МП багато в чому визначає рівень складності завдань, які можуть вирішуватися за допомогою конкретного комплекту МП.
Малоразрядние МП застосовуються в пристроях з двійково-десяткового системою числення і невисоким швидкодією обробки даних (калькуляторах, касових апаратах, вимірниках параметрів і т.д.).
Восьми-і шістнадцяти розрядні МП володіють істотними обчислювальними можливостями і знаходять застосування при обробці алфавітно-цифрової інформації, в системах зв'язку, верстатах з ЧПК та ін
Мікропроцесори високої розрядності (32 і вище) дозволяють створювати більш компактні програми з мінімумом команд, що різко знижує вартість налагодження програм, яка може досягати 50 ... 70% вартості всіх технічних засобів мікропроцесорного комплексу.
5) швидкодія (тактова частота, час виконання команд). Виконання кожної команди займає певну кількість тактів. Чим вище частота тактів, тим більше команд може виконати МП в одиницю часу, тим вище його продуктивність.
Продуктивність МП визначається часом рішення ряду тестових завдань і залежить від швидкодії виконання простих операцій, розрядності, числа регістрів загального призначення, структури схем введення-виведення та інших факторів.
6) ємність пам'яті, що адресується. (Обсяг).
Вона характеризує інформаційні можливості МП-комплексу (до теперішнього часу досягає десятків Гбайт) і з урахуванням широкої номенклатури периферійних пристроїв, що підключаються до МП в складі комплексу (блоки ОЗУ великої ємності, накопичувачі на гнучких магнітних дисках, CD, принтери, сканери і т.д .), організація адресації пам'яті є однією з найважливіших проблем проектування МП-комплексу.
7) тип керуючого пристрою;
8) система команд (кількість команд, способи адресації).
У процесі роботи МП обслуговує дані, що знаходяться в його регістрах (внутрішніх комірках), в полі оперативної пам'яті, а також дані, що знаходяться в зовнішніх портах процесора. Частина даних він інтерпретує безпосередньо як дані, частина даних - як адресні дані, а частина - як команди. Сукупність усіх можливих команд, які може виконати МП над даними, утворює так звану систему команд МП. МП, що відносяться до одного сімейства, мають однакові або близькі системи команд. МП, що відносяться до різних родин, розрізняються по системах команд і невзаємозамінні.
Розрізняють МП з розширеною і скороченою системою команд. Чим ширше набір системних команд МП, тим довше формальна запис команди (у байтах), тим вище середня тривалість виконання однієї команди, виміряна в тактах роботи МП. Так, наприклад, система команд процесорів Intel Pentium в даний час налічує більше тисячі різних команд. Такі процесори називають процесорами з розширенням системою команд - CISC-процесорами (CISC - Complex Instruction Set Computer).
На противагу CISC-процесорам в середині 80-х років з'явилися процесори архітектури RISC (Reduced Instruction Set Computer) - процесори з скороченою системою команд.
При такій архітектурі кількість команд у системі набагато менше, і кожна з них виконується набагато швидше.
CISC-процесори використовують в універсальних обчислювальних системах.
RISC-процесори використовують у спеціалізованих обчислювальних системах або пристроях, орієнтованих на виконання однакових операцій.
Компанія AMD випускає МП сімейства AMD-K6, в основі яких лежить внутрішньо ядро, виконане по RISC-архітектурі, і зовнішня структура виконана з архітектури CISC. Таким чином, з'явилися МП сумісні з МП х86, але мають гібридну архітектуру.
Система команд МП, як правило, містить наступні типи команд:
а) команди обчислень (арифметичних і логічних);
б) команди пересилання даних;
в) команди управління (умовних і безумовних переходів);
г) команди введення-виведення;
д) команди звернення до підпрограм;
е) допоміжні команди;
Відповідно до адресної частиною команди може здійснюватися звернення до пам'яті, регістру або пристрою введення-виведення.
До речі, МП х86 мають найскладнішу у світі систему команд.
9) число рівнів переривання;
10) можливість прямого доступу до пам'яті;
11) число і рівні живлячої напруги;
У міру розвитку МП відбувається поступове зниження напруги живлення. Ранні моделі процесорів х86 мали напругу живлення 5В. З переходом до процесорів Intel Pentium воно було знижено до 3,3 В, а в даний час воно складає менше 3В. Причому ядро МП харчується зниженою напругою 2,2 В. Зниження робочої напруги дозволяє зменшити відстань між структурними елементами в кристалі МП до десяти тисячних часток міліметра не побоюючись електричного пробою. Пропорційно квадрату напруги зменшується і тепловиділення в МП, а це дозволяє збільшити його продуктивність без загрози перегріву.
12) рівні сигналів;
13) споживана потужність;
В даний час вона складає від 10 ... 20 мВт до 1 ... 3 Вт у сучасних МП в залежності від виконуваної роботи.
14) температурний діапазон;
15) завадостійкість;
16) здатність навантаження;
17) надійність і т.д.;
Протягом останніх 20 років технологія, архітектура і схемотехніка МП розвивалася дуже швидко. Це розвиток ознаменувалося змаганням МДП і біполярної технологій мікроелектроніки. В даний час можна виділити шість поколінь МП в Intel і сім у AMD, що розрізняються технологією виготовлення, швидкодією, розрядністю, особливостями структури і архітектури.
Під архітектурою МП розуміється його програмна модель (універсальність застосування, висока продуктивність, технологічність), тобто програмно-видимі властивості.
Під мікроархітектурою розуміється внутрішня реалізація цієї програмної моделі. Так для однієї і тієї ж архітектури IA-32 (Intel Architecture 32 bit - 32 розрядний МП сімейства х86) різними фірмами і в різних поколіннях застосовуються різні мікроархітектурние реалізації, при цьому, природно, прагнуть до максимального підвищення продуктивності (швидкості виконання програм).
Перший МП з'явився в 1971р. (Intel 4004) - 4-х розрядний, виконаний по р-МДП-технології.
Перший 16-розрядний процесор i8086 фірма Intel випустила в 1978 році. Частота - 5 МГц. Технологія 3 мкм, 29000 транзисторів. Адресуемая пам'ять 1 Мбайт. З нього почалася історія IBM PC, нерозривно пов'язана з усім подальшим розвитком процесорів Intel.
Процесор i80286 (друге покоління), що знаменує наступний етап архітектури, з'явився в 1982 році. Він мав 134000 транзисторів (технологія 1,5 мкм) і адресував до 16 Мбайт фізичної пам'яті.
Третє покоління ознаменувався переходом до 32-розрядної архітектури IA-32 у 1985 році випуском моделі i80386 (275000 транзисторів, технологія 1,5 мкм). Розрядність шини даних (як і внутрішніх регістрів) досягла 32 біт, що адресується фізична пам'ять - 4 Гбайт. МП знайшов широке застосування в PC. На його основі почав розвиватися MS Windows з додатками.
Четверте покоління ознаменувався появою МП Intel 486 DX в 1989 році. Транзисторів - 1,2 млн., технологія - 1 мкм. Цей МП в архітектурну модель великих змін не вніс, але значно підвищив його продуктивність. Тактова частота в цьому поколінні досягла 133 МГц (в AMD) і 100 МГц (у Intel).
У 1993 році з'явилися перші процесори Pentium з частотою 60 і 66 МГц (п'яте покоління) - 32 розрядні МП із 64-розрядною шиною даних. Транзисторів 3,1 млн., технологія 0,8 мкм, харчування 5В. Від 486 МП Pentium принципово відрізняється суперскалярной архітектурою. Пояснимо це.
У мікроархітектурі процесорів п'ятого і шостого поколінь - Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Celeron, Pentium III - істотне значення має реалізація різних способів конвеєризації та розпаралелювання обчислювальних процесів, а також інших технологій, не властивих процесорам колишніх поколінь.
Конвейеризация припускає розбивку виконання кожної команди (інструкції) на кілька етапів, причому кожен етап виконується на своїй ступені конвеєра МП. При виконанні команда просувається по конвеєру в міру звільнення наступних ступенів. Таким чином, на конвеєрі одночасно може оброблятися декілька послідовних команд, і продуктивність МП можна оцінювати темпом виходу виконаних команд з усіх його конвеєрів. Для досягнення максимальної продуктивності МП - забезпечення повного завантаження конвеєрів - програма повинна складатися з урахуванням архітектурних особливостей процесора.
Конвеєр "класичного" процесора Pentium має п'ять щаблів. Конвеєри процесорів з суперконвейерной архітектурою мають більше число ступенів, що дозволяє спростити кожну з них і, отже, скоротити час перебування в них команд (інструкцій).
Скалярним називають процесор з єдиним конвеєром. До цього типу належать усі процесори Intel до 486 включно.
Суперскалярний процесор має більше одного конвеєра, здатних обробляти команди паралельно. Pentium є двохпотокові процесором (має два конвеєри), Pentium Pro - трехпотоковим.
Таким чином, МП п'ятого покоління Pentium в Intel і К5 в AMD - привнесли суперскалярную архітектуру. У процесорів п'ятого покоління після блоків попередньої вибірки і першої стадії декодування команд є два конвеєри, U-конвеєр і V-конвеєр. Кожен з цих конвеєрів має щаблі остаточного декодування, виконання команд і буфер запису результатів. Процесор з такою архітектурою може одночасно "випускати" до двох виконаних команд, але в середньому виходить 1 такт на команду. Для швидкого постачання конвеєрів командами і даними з пам'яті шина даних процесора має розрядність 64 біт (через що спочатку їх навіть помилково називали 64-розрядними процесорами).
Процесори Pentium з частотою 75, 90 і 100 МГц, що з'явилися в 1994 році, представляли друге покоління процесорів Pentium. При майже тому же числі транзисторів вони виконувалися по технології 0.6 мкм, що дозволило знизити споживану потужність. Від першого покоління відрізнялися внутрішнім множенням частоти, підтримкою мультипроцесорних конфігурацій і іншим типом корпусу. З'явилися версії (75 МГц в мініатюрному корпусі) для мобільних застосувань (блокнотних PC). Процесори Pentium другого покоління стали досить популярні в РС.
У 1995 році були випущені процесори на 120 і 133 МГц, виконані вже по технології 0,35 мкм (перші процесори на 120 МГц робилися по технології 0.6 мкм).
1996 називають роком Pentium - з'явилися процесори на 150, 166 і 200 МГц і Pentium став рядовим процесором в масових РС.
Шосте покоління процесорів Intel почалося з Pentium Pro і продовжується до цього дня в процесорах Pentium II, Pentium III, Celeron і Xeon. Pentium Pro містить 5,5 млн. транзисторів ядра і 15,5 млн. транзисторів для вторинного кеша обсягом 256 Кбайт. Перший процесор з частотою 150 МГц з'явився в початку 1995 року (технологія 0,6 мкм), а вже в кінці року були досягнуті частоти 166, 180 і 200 МГц (технологія 0,35 мкм), а КЕШ збільшений до 512 Кбайт.
Pentium Pro відрізняється "динамічним виконанням", спрямованим на збільшення числа паралельно виконуваних команд, тобто не в тому порядку, як це передбачається програмним кодом, а в тому, як "зручно" процесору. Команди, що надходять на конвеєр, розбиваються на найпростіші мікрооперації (μ-ops), які далі виконуються суперскалярні процесорним ядром в порядку зручному процесору.
На початку 1997 року фірма Intel випустила процесори Pentium MMX. Технологія MMX (Multi Media extensions, мультимедійні розширення) передбачає паралельну обробку групи операндів (змінних і констант) однією командою. Технологія ММХ покликана прискорити виконання мультимедійних додатків, зокрема операцій з зображеннями і обробки сигналів. Процесори Pentium ММХ мають 4,5 млн. транзисторів і виконані по технології 0,35 мкм, тактові частоти 166, 200 і 233 МГц.
У травні 1997 року з'явився процесор Pentium II. Він являє собою злегка урізаний варіант ядра Pentium Pro з більш високою внутрішньою тактовою частотою, в що ввели підтримку ММХ. Перші процесори мали частоту ядра 233, 266 і 300 МГц (технологія 0,35 мкм), влітку 1998 року була досягнута частота 450 МГц (технологія 0,25 мкм), причому зовнішня тактова частота з 66 МГц підвищилася до 100 МГц.
У 1999 році з'явилися процесори Pentium III. Частота ядра близько 1 ГГц, частота системної шини - 100 і 133 МГц.
На базі Pentium II з'явилося сімейство "полегшених" процесорів Celeron, спочатку без вторинного кеша, а потім і з інтегрованим вторинним кешем розміром 128 Кбайт.
Для потужних комп'ютерів є сімейство процесорів Xeon, які охоплюють і Pentium II і Pentium III. Для цих процесорів характерний великий обсяг вторинного кеша і підтримка більш ніж двопроцесорних конфігурацій.
Є процесори Pentium II / III і для мобільних застосувань.
Сьоме покоління (за AMD) почалося з процесора Athlon. Процесор Athlon (К7) на сьогоднішній день є самим високопродуктивним (з реально випускаються) членом сімейства х86. Цей процесор з багатьох номінаціях був визнаний кращим процесором 1999 року. Продуктивність досягається не тільки високою тактовою частотою (до 1 ГГц - 2000р.), А й особливою суперконвейерной і суперскалярной мікроархітектурою.
Процесор має три незалежних конвеєра цілочисельних обчислень, три конвеєра для обчислення адрес операндів і трьохканальної пристрій для обчислень з плаваючою точкою. Для обчислень з плаваючою точкою вперше в історії х86 застосовується повністю конвейерізірованная суперскалярна "машина" з зміною порядку виконання команд.
Перша модель процесора Athlon (починаючи з 500 МГц) виконувалася за технологією 0,25 мкм, близько 22 млн. транзисторів розміщувалося на площі 184 мм 2. Друга модель (починаючи з 550 МГц) проводиться за технологією 0,18 мкм і площа кристала зменшилася до 102 мм 2.
Процесори 550-750 МГц (модель 2, КЕШ 512 Кбайт) має напругу живлення ядра 1,6 В і споживає потужність 28-35 Вт Процесор на 800 МГц харчується від 1,7 В і споживає 43 Вт
Електрично Athlon і Pentium II / III несумісні.
Навесні 2000 року випущений процесор Duron - полегшений варіант К7 (кодова назва - Spitfire). У нього вторинний кеш, зменшений до 256 Кбайт, але працює на частоті ядра, розташовується на кристалі ядра. Це дозволяє упакувати процесор в корпус шнуром висновками (Socket-A). Тактова частота - 600, 650 і 700 МГц, частота шини - 200 МГц.
У висновку відзначимо, що перерахованими моделями не вичерпується весь світовий асортимент мікропроцесорів. Це тільки представники сімейства процесорів, що мають узагальнену назву х86. Ряд фірм (AMD, Cyrix, IBM) випускає процесори, сумісні з перерахованими процесорами Intel і мають свої характерні особливості. Ряд фірм (DEC, Motorola, Texas Instruments, IBM) мають розробки процесорів, що істотно відрізняються від сімейства х86; є інші класи процесорів і в Intel. Серед них присутні і набагато більш потужні процесори.
Вітчизняною промисловістю освоєно випуск ряду МП різного класу. Серед МП з фіксованою системою команд можна виділити 2 основні групи. Першу групу становлять МП К1801, К1806, К588, другу - МП серій К580, К1821, К 1810.
Клас секціонованими МП з мікропрограмного управлінням становлять МПК БІС К589, К1802, К1804.
ЛІТЕРАТУРА
1. Новіков Ю.В. Основи цифрової схемотехніки. Базові елементи і схеми. Методи проектування. М.: Світ, 2001. - 379 с.
2. Новіков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основи мікропроцесорної техніки. Курс лекцій. М.: ІНТУІТ.РУ, 2003. - 440 с.
3. Пухальський Г.І., Новосельцева Т.Я. Цифрові пристрої: Учеб. посібник для Втузов. СПб.: Політехніка, 2006. - 885 с.
4. Преснухін Л.М., Воробйов Н.В., Шішкевіч А.А. Розрахунок елементів цифрових пристроїв. М.: Вищ. шк., 2001. - 526 с.
5. Букрєєв І.М., Горячев В.І., Мансуров Б.М. Мікроелектронні схеми цифрових пристроїв. М.: Радіо і зв'язок, 2000. - 416 с.
6. Соломатін Н.М. Логічні елементи ЕОМ. М.: Вищ. шк., 2000. - 160 с.