ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Развитие технологии и схемотехники микроэлектронных - схем привело к созданию больших интегральных схем (БИС), представляющих собой универсальные по назначению, функционально законченные устройства, по своим функциям и структуре напоминающие упрощенный вариант процессора обычных ЭВМ, но имеющие несравнимо меньшие размеры. Такие БИС получили название микропроцессоров.
Микропроцессор (МП) — это микросхема или совокупность небольшого числа микросхем (соответственно один или несколько кристаллов БИС),Г над данными арифметические и логические операции и осуществляющая программное управлениё вычислительным процессом.
Микропроцессорные средства выпускаются промышленностью в виде наборов совместимых по уровням напряжения питания, сигналам и представлению информации БИС и СИС (наборов микропроцессорных схем), включающих МП, микросхемы оперативной и постоянной памяти, управления вводом выводом, генератора тактовых сигналов и др.
Микропроцессоры (микропроцессорные средства) служат основой для создания различных универсальных и специализированных микро-ЭВМ, микропроцессорных информационно-управляющих систем, программируемых микроконтроллеров, разнообразных микропроцессорных приборов и устройств контроля, управления и обработки данных.
Микро-ЭВМ, или микрокомпьютером, называют устройство обработки данных, содержащее один или несколько микропроцессоров, БИС постоянной и оперативной памяти, БИС управления вводом и выводом информации и некоторые другие схемы. Микрокомпьютер такого состава иногда называют голым из-за отсутствия в нем периферийных устройств (внешних ЗУ и устройств ввода и вывода информации). Микрокомпьютеры в такой конфигурации часто применяют в качестве встраиваемых в различные станки, машины, технологические процессы управляющих устройств (контроллеров).
Микрокомпьютеры широкого назначения, используемые для выполнения вычислительных работ, управления сложными технологическими процессами, оснащаются необходимыми периферийными устройствами (дисплеями, печатающими устройствами, ЗУ на гибких дисках, аналого- цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями и др.).
Микропроцессорной системой (МП-системой) обычно называют специализированную информационную или управляющую Систему, построенную на основе микропроцессорных средств.
Микрокомпьютер с небольшими вычислительными ресурсами и упрощенной системой команд, ориентированный не на производство вычислений, а на выполнение процедур логического управления различным оборудованием, называют программируемым микроконтроллером или просто микроконтроллером.
Логическая организация (архитектура) микропроцессоров (микропроцессорных средств) ориентирована на достижение универсальности применения, высокой производительности и Технологичности.
Универсальность микропроцессоров (микропроцессорных средств) определяется ВОЗМОЖНОСТЬЮ их разнообразного применения и обеспечивается программным управлением МП, позволяющим производить программную настройку МП на выполнение определенных функций, магистрально-модульным принципом построения, а также специальными аппаратурно-логическими средствами:
сверхоперативной регистровой памятью, многоуровневой системой прерывания, прямым доступом к памяти, программно-настраиваемыми схемами управления вводом-выводом и т. п.
Относительно высокая производительность МП достигается использованием для их построения быстродействующих больших и сверхбольших интегральных электронных схем и специальных архитектурных решений, таких как стековая память, разнообразные способы адресации, гибкая система команд (или микрокоманд) и др.
Технологичность Микропроцессорных средств обеспечивается модульным принципом - конструирования, который предлагает реализацию этих средств в виде, набора функционально законченных БИС, просто объединяемых в соответствующие вычислительные устройства, машины и комплексы.
Высокая универсальность и гибкость МП, достигаемая благодаря программному управлению, низкая стоимость, небольшие размеры, повышенная надежность, возможность встраивания микропроцессорных средств в приборы, машины и технологические процессы обеспечивают микропроцессорам исключительно широкое применение в различных управляющих и обрабатывающих данные цифровых устройствах и системах.
Использование микропроцессоров приводит к изменению характера проектной работы разработчика устройств и с автоматики: во многих случаях проектирование схем заменяется разработкой программ настройки микропроцессорной аппаратуры на выполнение определенных функций.
1.2. Основные характеристики и типы мп
К основным характеристикам МП (микропроцессорных наборов БИС) можно отнести следующие показатели: тип микроэлектронной технологии, используемой при изготовлении микропроцессорных БИС; количество кристаллов, образующих микропроцессор; размеры кристалл а, количество элементов (транзисторов) на кристалле; количество выводов корпуса кристалла; длину (количество разрядов) слова, обрабатываемого микропроцессором; быстро действие МП (тактовая частота, время выполнения команд основных операций); емкость адресуемой памяти; тип управляющего устройства (схемное или микропрограммное управление); эффективность системы команд (количество команд, выполняемые операции, возможные способы адресации, наличие команд работы со стековой памятью, команд операций с битами, десятичными числами, числа ми с плавающей точкой и т. п.); число уровне прерывания; возможность прямого доступа к памяти; пропускная способность интерфейса ввода—вывода; количество и уровни питающих напряжений; номинальные параметры используемых сигналов; мощность, рассеиваемая БИС микропроцессора; число входящих в микропроцессорный набор дополнительных БИС и СИС и выполняемые ими функций; наличие и доступность для пользователя аппаратно-программных средств поддержки проектирования программ для МП и отладки микропроцессорных устройств и систем.
Все многообразие МП удобно делить на два существен но различных типа:
1) однокристальные МП с фиксированной разрядностью слова, с фиксированной системой команд и, как правило, с управляющим устройством со схемной логикой;
2) многокристальные (секционные) макропрограммируемые МП с изменяемой разрядностью слова и с фиксированным набором микроопераций.
Такое разделение позволяет выявить основные особенности этих типов МП и учесть их при проектировании микропроцессорных устройств и систем.
Микропроцессоры первого типа имеют логическую организацию, напоминающую организацию процессоров обычных ЭВМ. В них в явной форме нашел отражение принцип обработки Данных на основе использования команд программы. Поэтому методы работы с МП первого типа в определенной степени подобны методам использования малых ЭВМ.
Однокристальные МП выполняются с использованием различных МОП-технологий микроэлектроники, позволяющих размещать на одном кристалле большое число элементарных схем МОП-транзисторов благодаря их уникально малым размерам и небольшой мощности рассеивания. Однако МОП-структуры (по крайней мере те, которые использовались в первых поколениях МП) существенно уступали в быстродействии биполярным структурам.
Биполярные БИС (например, с маломощными ТТЛ—схемами с диодами Шотки) обладали по сравнению с МОП-БИС намного большим быстродействием, но значительно меньшей плотностью упаковки компонентов на кристалле. Поэтому невозможно было построить биполярный микропроцессор на одном кристалле.
Появился второй тип МП многокристальный биполярный МП, основанный на конструктивном принципе функционально-разрядного слоя, предполагающем реализацию на кристалле малоразрядной (2—4 разряда) микропроцессорной секции (слоя). В этом случае для обеспечения за данной разрядности обрабатываемых слов микропроцессор составляется из соответствующего количества одинаковых кристаллов микропроцессорных секций ( объединяемых микропрограммным управляющим блоком, реализованным на отдельных кристаллах.
Микропрограммируемые многокристальные микропроцессоры обеспечивают большую гибкость в достижении нужных пользователю характеристик (в первую очередь нужного быстродействия) проектируемого МП -устройств а или МП-системы, предоставляя пользователю возможность задавать специализированную систему команд, ориентированную на определенное применение, даже на определенные процедуры обработки данных. Однако при этом пользователь должен разработать микропрограммы, реализующие эти команды, и завести их в управляющую память микропроцессора.
Использование микропрограммируемых микропроцессоров связано с определенными трудностями, требует от проектанта довольно высокой квалификации в вопросах вычислительной техники. Поэтому наиболее широко ис пользуемыми микропроцессорами являются разные вари анты однокристальных МП с фиксированной системой команд.
На протяжении последних 15 лет технология, архитектура и схемотехника микропроцессора быстро развивались Это развитие ознаменовалось соревнованием МОП- и биполярной технологий микроэлектроники. Первоначально наряду с признанием преимуществ МОП-технологии в отношении плотности размещения компонентов на кристалле остро ощущалось сравнительно небольшое быстродействие МОП-БИС, что стимулировало появление многокристальных микропрограммируемых быстродействующих микро процессоров на основе биполярной технологии. Впоследствии различные варианты улучшенной МОП-технологии позволили не только значительно уменьшить размеры элементарного транзистора и межсоединений и соответственно увеличить количество элементов на кристалле, но и опередить по быстродействию микропроцессоры на основе биполярной технологии.
В табл. 1.1 представлены некоторые сведения о поколениях микропроцессоров. Отметим, что в целом микро процессоры, представляющие собой цифровые устройства обработки информации, построенные на основе БИС следует относить к четвертому поколению средств вычисли тельной техники.
1.3. ТИПИЧНАЯ СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРНО ГО УСТРОЯСТВА (СИСТЕМЫ)
На рис. 1.1 представлена упрощенная типичная структура микропроцессорного устройства или системы, пред назначенной для обработки данных или управления некоторым процессом. Примерно такую же структуру имеют микро-ЭВМ широкого назначения.
Центральное место в этой структуре занимает микро процессор, который подобно процессору обычных ЭВМ не посредственно выполняет арифметические и логические
операции над данными, осуществляет программное управление процессом обработки информации, организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему. Работа МП происходит под воздействием сигналов схемы синхронизации и начальной установки (таймера), часто выполняемой в виде отдельного кристалла.
Показанный на рис. 1.1. МП может представлять собой или однокристальный МП с фиксированной системой команд или многокристальный МП с микропрограммным управлением.
Представленная на рис. 1.1 структура отражает магистрально-модульный принцип организации микропроцессорных устройств и систем. Отдельные блоки являются функционально законченными модулями со своими встроенными схемами управления, выполненными в виде одного или нескольких кристаллов ВИС или СИС, заключенных в корпуса с соответствующим количеством выводов. Межмодульные связи и обмен информацией между модулями осуществляются посредством коллективных шин (магистра лей), к которым имеют доступ все основные модули системы. В каждый данный момент возможен обмен информацией только между двумя модулями системы. Таким образом, обмен информацией производится путем разделения во времени модулями системы коллективных шин (магистра лей). Магистральный принцип построения сопряжений модулей (интерфейса) МП-системы предполагает наличие информационно-логической совместимости модулей, которая реализуется путем использования единых способов представления информации, алгоритма управления обменом, форматов команд управления обменом и способа синхронизации.
Для микропроцессоров характерна трехшинная структура (рис. 1.1), содержащая шину адреса ША, двунаправленную шину данных ШД и шину управления ШУ. Как видно из рис. 1.1, типовая структура МП-системы предполагает наличие общего сопряжения (общего или единого интерфейса) для модулей памяти — постоянных и оперативных запоминающих устройств (ПЗУ и ОЗУ) и периферийных устройств внешних ЗУ и устройств ввода — вы вода (УВВ).
В качестве периферийных устройств в МП-системах используются устройства ввода С перфоленты, дисплеи, кассетные магнитофоны, гибкие магнитные диски, телетайпы, печатающие устройства и т. д.
Периферийное устройство подсоединяется к шинам интерфейса (шинам МП) не непосредственно, а через программируемый периферийный адаптер (ППА) и программируемый связной адаптер (ПСА), обслуживающие ПУ соответственно с передачей информации параллельным И последовательным кодом. Наличие программно-настраиваемых адаптеров делает весьма гибкой и функционально богатой систему ввода — вывода информации в МП-системе.
Наличие единого интерфейса для модулей памяти и периферийных устройств, помимо прочего, объясняется ограниченным числом внешних выводов (обычно не более 40) корпуса микропроцессора. У большинства однокристальных МП, заключенных в 40-выводном корпусе, для интерфейса используются от 30 до 38 внешних выводов. При этом они обычно распределены следующим образом 16 выводов для подсоединения адресной шины, 8 выводов — для двунаправленной шины данных, 10—17 выводов—для шины управления, образованной однонаправленными линиями, входящими в МП или выходящими из него.
В структуре МП интерфейс является узким местом из-за ограниченного числа выводов корпуса. Узкий интерфейс МП приводит к необходимости использования двунаправленных линий передачи информации, что сопровождается усложнением схем буферов и необходимостью использования временного мультиплексирования шин. Мультиплексирование шин позволяет при ограниченном числе линий передавать по ним различную информацию: адреса, данные или команды. Однако это требует наличия специальных линий для идентификации передаваемой информации и приводит к снижению скорости передачи информации через интерфейс.
Ограниченная пропускная способность интерфейса. МП снижает производительность МП-системы и приводит к тому, что обычно МП-системы работают с небольшим числом источников и потребителей информации.
На рис. 1.2 представлены способы конструктивного оформления МП и микро-ЭВМ (МП-систем). Собствен но МП, изготавливаемые на основе различных вариантов МОП-технологии, выпускается в виде ВИС, заключенных в корпуса, имеющие от 26 до 48 выводов. Биполярные МП состоят из набора ВИС (корпусов), монтируемых на печатной плате.
Микро-ЭВМ или МП-система, содержащая, пМП, сравнительно небольшое число дополнительных ВИС (корпусов) из микропроцессорного набора (интегральная память, таймер, интерфейсные схемы и др.), может быть размещена на одной печатной плате (одноплатная микро-
ЭВМ).
При включении в состав микро-ЭВМ или МП-системы памяти большой емкости и разнообразного периферийного оборудования с соответствующими управляющими блока-
ми — различными контроллерами и адаптерами — конструкция микро-ЭВМ или МП-системы выполняется в виде нескольких печатных плат, заключенных в общий корпус. Габариты таких изделий, например персональных компьютеров, как правило, достаточно малы, и они представляют собой настольные ЭВМ.
С дальнейшим развитием технологии микроэлектроники, увеличением количества транзисторов на одном кристалле характеристики и конструкция МП, а также конструкции микро-ЭВМ и МП-систем претерпят изменения. Так, например, биполярные МП в перспективе будут одно кристальными. С размещением на кристалле МОП-микро процессора блоков памяти, таймера и интерфейсных схем он превратится в однокристальную микро-ЭВМ.