1. Повышение тактовой частоты.

Для повышения тактовой частоты: более совершенный технологический процесс; увеличение числа слоев металлизации; более совершенная схемотехника меньшей каскадности с более совершенными транзисторами, а также более плотная компоновка функциональных блоков кристалла.

Уменьшение размеров транзисторов, сопровождаемое снижением напряжения питания с 5 В до 2,5-3 В, увеличивает быстродействие и уменьшает выделяемую тепловую энергию. Все производители микропроцессоров перешли с проектных норм 0,35-0,25 мкм на 0,18 мкм и 0,12 мкм и стремятся использовать уникальную 0,07 мкм технологию:

2005 2006 2007 2010 2013 2016

DRAM, нм 80 70 65 45 32 32

МП, нм 80 70 65 45 32 32

Uпит, В 0,9 0,9 0,7 0,6 0,5 0,4

Р, Вт 170 180 190 218 251 288

2. Увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти.

Решения: многоуровневая кэш-память, увеличение пропускной способности интерфейсов между процессором и кэш-памятью и конфликтующей с этим увеличением пропускной способности между процессором и основной памятью. Совершенствование интерфейсов реализуется как увеличением пропускной способности шин, так и введением дополнительных шин, расшивающих конфликты между процессором, кэш-памятью и основной памятью.

Наиболее используемое решение состоит в размещении на кристалле отдельных кэш-памятей первого уровня для данных и команд с возможным созданием внекристальной кэш-памяти второго уровня.

3. Увеличение количества параллельно работающих исполнительных устройств.

Каждое семейство микропроцессоров демонстрирует в следующем поколении увеличение числа функциональных исполнительных устройств и улучшение их характеристик, как временных (сокращение числа ступеней конвейера и уменьшение длительности каждой ступени), так и функциональных (введение ММХ - расширений системы команд и т.д.).

В настоящее время процессоры могут выполнять до 6 операций за такт, однако число операций с плавающей точкой в такте ограничено 2 или 4. Широко используются архитектуры с длинным командным словом – VLIW - объединение нескольких инструкций в одной команде (EPIC). Это позволяет упростить процессор и ускорить выполнение команд.

4. Системы на одном кристалле (SoC) и новые технологии.

В настоящее время получили широкое развитие SoC (System On Chip). Сфера применения SoC - от игровых приставок до телекоммуникаций. Такие кристаллы требуют применения новейших технологий.

Вопрос #30 – “Тенденции развития микропроцессоров ЦОС”

По прогнозам компаний-производителей (2001 год) дальнейшее развитие микропроцессоров - увеличения плотности транзисторов, исп. трехмер­ных транзисторов с тремя затворами, по­вышения тактовой частоты с уменьшением напряжения.

Можно выделить следующие классы микросхем:

• СБИС с аппаратной реализацией алгоритмов обработки данных: микропро­цессоры универсальные и сигнальные, а также микроконтроллеры;

• микросхемы памяти: статические и динамические;

• программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).

Микропроцессоры и микроконтроллеры.

Основной характеристикой вычислительных микропроцессоров является наличие устройств для реализации опера­ций с плавающей точкой, над 32- и 64-разрядными и более длинными опе­рандами. В последнее время в состав микропроцессоров включаются блоки для обработки мультимедийной информации.

ЦСП предназначены для обработки в цифровых потоков. Это обусловливает сравнительно малую разрядность и преимущественно целочисленную обработку. Современные сигналь­ные процессоры способны проводить вычисления с плавающей точкой над 32—40-разрядиыми операндами. Кроме того, появился класс про­цессоров, представляющих собой законченные системы для обработки ау­дио- и видеоинформации.

Наибольшей специализацией и разнообразием функций обладают микро­контроллеры во встроенных системах управления.

ПЛИС.

ПЛИС - это матричные большие схемы, позволяющие программно скомпоновать в одном кор­пусе электронную схему, эквивалентную нескольким сотням интегральных схем стандартной логики. Технология ПЛИС обеспечивает рекордно короткий проектирования, максимальную гибкость модификации.

Основные производители выпускают микросхемы с архитектурой EPLD - многократно программируемые и FPGA (Field Programmable Gale Array) — многократно реконфигурируемые. Память в EPLD реализована через полупостоянное запоминающее устройство (ППЗУ) с ультрафиолетовым стиранием, а у FPGA - статическое запоминающее устройство.

Существует точка зрения, что ПЛИС вытеснят серий­ные микропроцессоры, т, к. пользователь может реализовать требуемую ему систему программными средствами, учитывая всю специфику своего при­ложения. Однако более вероятно другое направление развития СБИС, со­стоящее из интеграции ПЛИС и микропроцессоров. В ПЛИС встраиваются готовые блоки, разработанные фирмой-производителем, или IP-блоки, яв­ляющиеся блоками интеллектуальной собственности (Intellectual Property) других фирм. IP-блоки могут быть программными, в которых не фик­сирована топология, и аппаратными, в которых топология фиксиро­вана, что позволяет достигать высокой эффективности схемной реализации в большей степени защиты прав на интеллектуальную собственность.

Отличительной особенностью ПЛИС архитектуры FPGA является наличие поля конфигурируемых логических блоков (КЛБ) и блоков ввода/вывода, связанных между собой по­средством коммутационных блоков.

Конфигурируемый логический блок — один из базовых элементов архитек­туры ПЛИС FPGA — может выполнять любую логическую функцию, реализуемую таблицей преобразования (LUT) и соответствии с заданной битовой последовательностью (рис. 1.13). Изменять выполняемую функцию можно неограниченное количество раз путем загрузки другой битовой последовательности.

Направление развития микроэлектронных компонентов вычислительных систем

Для создания высокоэффективных вычислительных систем важно интегри­ровать па кристалле как можно больше функций по обработке и хранению данных, а также интерфейс с пользователем и другими вычислительными системами.

Стремление к нитрации совокупности функций обусловлено рядом фак­торов. Во-первых, при однокристальной реализации пропускная способ­ность интерфейсов между подсистемами обработки и хранения данных не ограничивается количеством выводов корпуса кристалла и может достигать требуемого значения. Во-вторых, упрощается системная плата, на которую монтируется кристалл, уменьшается объем монтажных работ, повышаются показатели надежности и производительности вычислительной системы и уменьшается ее стоимость. В-третьих, снижаются требования к количеству выводов корпуса кристалла, т. к. минимизируется интерфейс с другими компонентами вычислительной системы, например с устройствами отобра­жения информации И, наконец, в-четвертых, реализуются возможности миллионов транзисторов, которые могут быть размешены на кристалле. Эти транзисторы можно использовать как для построения специализированной системы, состоящей из совокупности проблемно-ориентированных блоков, так и для создания параллельных систем из совокупности одинаковых про­цессоров.

Наряду с созданием однокристальных систем, существует проблема органи­зации быстрых интерфейсов между микросхемами в многокристальных сис-гемах. например между микросхемами процессора и памяти. В Pentium Pro эта проблема решается путем размещения в одном корпусе двух кристаллов: собственно микропроцессора и кэш-памяти второго уровня. Другое возмож­ное решение эtoй проблемы заключается в создании многокристальных микросборок, в которых бескорпусные СБИС монтируются на кремниевой подложке с нанесенными, возможно, несколькими слоями межкристальных соединений.

Вопрос #31 – “Программное обеспечение микропроцессорных систем”

Особенность написания и отладки программного обеспечения для однокристальных микро-ЭВМ (микроконтроллеров) и процессоров цифровой обработки сигналов (ЦПОС) состоит в том, что для этого, как правило, совершенно недостаточно иметь системы, состоящей только из программируемого микроконтроллера или ЦПОС. Это связано с тем, что,

• во-первых, как правило, ресурсов микроконтроллера (объема памяти, быстродействия) не достаточно для размещения и функционироввания даже простейших сервисных программ (редактора текста, транслятора и отладочного монитора) необходимых для написания и отладки программы, если она даже будет нвписана на Ассемблере;

• во вторых, некоторые архитектурные особенности (раздельные области памяти для хранения программ и данных, устройства защиты памяти программ) микроконтроллеров затрудняют или делают просто невозможным редактирование (написание, отладку) программ, по которым они работают.

Все это заставляет при разработке программ для микроконтроллеров использовать специальные средства - называемыми инструментальными средствами разработки и отладки .

В случае построения средств разработки и отладки на базе универсального компьютера становится возможным существенно облегчить разработку программ - использовать языки высокого уровня - C, Паскаль, построить дружественный интерфейс, использовать принципы объектного и визуального программирования и пр. Рассмотрим различные варианты построения инструментальных средств разработки и отладки. К числу основных инструментальных средств отладки относятся:

• Внутрисхемные эмуляторы;

• Программные симуляторы;

• Платы развития;

• Мониторы отладки;

• Эмуляторы ПЗУ.

Данный список не исчерпывает всех типов существующих инструментальных средств отладки. Кроме указанных, существуют и комбинированные устройства и наборы, которые позволяют компенсировать недостатки основных средств, взятых порознь.

Внутрисхемный эмулятор - программно аппаратное средство, способное замещать собой эмулируемый (моделируемый) процессор в реальной схеме. Внутрисхемный эмулятор - это наиболее мощное и универсальное отладочное средство.