Лекция № 11
Тема: «Общие принципы построения микропроцессоров (МП)»
Текст лекции по дисциплине: «Цифровые устройства и
микропроцессоры»
КАЛИНИНГРАД
Г
Содержание
Введение.
Учебные вопросы (основная часть):
1. Общие сведения о МП
2. Принципы построения МП
Заключение
Литература:
Основная литература
Л1. А.К.Нарышкин «Цифровые устройств и микропроцессоры»: учеб. пособие для студ. Высш. Учебн. Заведений/ А. К. Нарышкин, 2 – е изд. - Издательский центр «Академия», 2008г. с. 239 – 251
Л.2. Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров «Аналоговая и цифровая электроника», М.-Горячая линия- Телеком, 2000г. с. 736-762
Дополнительная литература
Л. 7. В.В.Корнеев, А.В.Киселев «Современные микропроцессоры». М.- НОЛИДЖ, 2003г. с. 14-16, 36-39
Л.9 Б.А.Калабеков «Цифровые устройства и микропроцессорные системы», М.: «Горячая линия - телеком», 2000 г. с. 196-204, 233-238
Учебно-материальное обеспечение:
1. Полилюкс
2. Слайды
Текст лекции
Введение
Развитие технологии и схемотехники микроэлектронных схем привело к созданию больших интегральных схем (БИС). Такие схемы представляют собой универсальные по назначению, функционально законченные устройства. По своим функциям и структуре данные устройства напоминают упрощенный вариант процессора обычной ЭВМ, но имеют несравнимо меньшие размеры. Такие БИС получили название микропроцессоров (МП).
Совсем недавно (2011 году) отмечался 40-летний юбилей появления первого микропроцессора. Скромный четырехразрядный калькуляторный кристалл фирмы Intel дал за это время могучее потомство, роль которого в жизни современного человечества трудно переоценить. И все эти годы не прекращалось острое соперничество ведущих электронных фирм за лидерство в этой высокоперспективной области. Результатом этого соперничества является разработка все новых семейств и типов микропроцессоров, расширение их функциональных возможностей, быстрый рост производительности и снижение стоимости.
|
|
К сожалению, отечественная электронная промышленность, также имевшая некоторые успехи в этой области, в настоящее время утратила свои позиции среди производителей микропроцессоров. При разработке современных электронных приборов и систем российские специалисты используют, в основном, зарубежную элементную базу, которая стала доступной широкому кругу потребителей. Поэтому для отечественного разработчика сейчас особенно важно ориентироваться в потоке электронных компонентов, которые предлагаются на российском рынке ведущими мировыми производителями.
1. Общие сведения о МП
Основные понятия и определения.
Микропроцессор - программно-управляемое устройство, которое служит для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки. МП выполняется в виде одной или нескольких БИС с высокой степенью интеграции электронных компонентов.
Функционально МП предназначены для выполнения над данными арифметических и логических операций и осуществления программного управления вычислительным процессом. МП служит основой для создания различных универсальных и специализированных микро‑ЭВМ, микропроцессорных электронно-управляющих систем, программируемых микроконтроллеров, разнообразных микропроцессорных приборов и устройств контроля, управления и обработки данных.
|
|
Микро‑ЭВМ - это устройство обработки данных, содержащее один или несколько МП, БИС постоянной и оперативной памяти, БИС управления вводом и выводом информации и некоторые другие схемы. В такой конфигурации микро‑ЭВМ применяют как встраиваемые контролеры.
Микро‑ЭВМ с небольшими вычислительными ресурсами и упрощенной системой команд, ориентированных на выполнение процедур логического управления различным оборудованием, называют программируемым микроконтроллером (или просто микроконтроллером).
Микропроцессорной системой (МПС) - обычно называют специализированную информационную или управляющую систему, построенную на основе микропроцессорных средств. МПС применяются автономно или встраиваются в управляемый объект.
Микропроцессорный комплект (МПК) - совокупность микропроцессорных и других интегральных микросхем, совместимых по архитектуре, конструктивному исполнению и электрическим параметрам и обеспечивающих возможность совместного применения.
Для включения МП в любую МПС необходимо установить единые принципы и средства его сопряжения с остальными устройствами системы, т.е. унифицированный интерфейс.
Унифицированный интерфейс - совокупность правил, устанавливающих единые принципы взаимодействия устройств МПС. Интерфейс включает аппаратные средства соединения устройств (разъемы и связи), номенклатуру и характер связей, программные средства, описывающие характер сигналов интерфейса и их временную диаграмму, а так же описание электрофизических параметров сигналов. Другими словами и более просто интерфейс - устройство, которое позволяет микропроцессору взаимодействовать с внешними устройствами.
|
|
Классификация МП и МПС.
На сегодняшний день в мире разработаны и существуют МП различающиеся как по своему функциональному назначению, так и по конструктивному исполнению. С одной стороны их можно рассматривать как программно-управляемые цифровые процессоры. С другой стороны - как интегральные схемы с высокой степенью интеграции элементов. Результат - большое число параметров и качеств их характеризующих. Соответственно, разработаны и различные системы классификации МП и МПС.
Один из возможных вариантов классификации МП рассматривается ниже.
1. По назначению - микропроцессоры делятся на универсальные и специализированные. Универсальные МП - это такие, в системе которых заложена универсальность и они пригодны для решения широкого круга задач. Набор команд МП позволяет получить преобразование информации в соответствии с любым заданным алгоритмом.
Универсальные микропроцессоры с классической CISC-архитектурой (Complicated Instruction Set Computer — компьютер со сложным набором команд) применяются, главным образом, в персональных компьютерах и серверах. Лидером в этой области является фирма Intel, микропроцессорами которой комплектуется более 80% выпускаемых персональных компьютеров. Микропроцессоры семейства М68000 фирмы Motorola используются в персональных компьютерах типа Macintosh, составляющих около 10% мирового производства. Микропроцессоры этого семейства широко применяются также в устройствах управления, встраиваемых в различные приборы и системы: контрольно-измерительную и связную аппаратуру, лазерные принтеры и контроллеры дисководов, роботы и системы промышленной автоматики.
Универсальные микропроцессоры с RISC-архитектурой (Reduced Instruction Set Computer — компьютер с сокращенным набором команд) применяются, в основном, в рабочих станциях и мощных серверах. В этой области имеются несколько ведущих производителей. Широкое применение находят RISC-микропроцессоры семейств SPARC фирмы Sun Microsystems и Rx000 фирмы MIPS Computer Systems. За последние годы очень активно внедряются в различную аппаратуру RISC-микропроцессоры семейства PowerPC - совместная разработка фирм IBM, Motorola и Apple Computers. Среди фирм, выпускающих RISC-микропроцессоры, находятся также Intel, Hewlett-Packard, Digital Equipment. Необходимо также отметить транспьютеры — оригинальные RISC-микропроцессоры, разработанные фирмой Inmos для построения мультипроцессорных систем.
Специализированные МП предназначены для решения определенного класса задач. Иногда, даже, для решения одной конкретной задачи. Их существенные особенности - простота управления, компактность аппаратных средств, низкая стоимость и малая мощность потребления.
В классе специализированных микропроцессоров в настоящее время наиболее широко представлены DSP (Digital Signal Processor — процессор для цифровой обработки сигналов), основными производителями которых являются фирмы Texas Instruments, Analog Devices, Motorola, NEC. Кроме DSP выпускаются также микропроцессоры, специализированные для передачи информации в системах телекоммуникации — коммуникационные контроллеры, для обработки графической информации и ряда других применений. Одним из ведущих производителей этой продукции является фирма Motorola.
2. По виду входных сигналов - различают цифровые и аналоговые микропроцессоры.
Сами МП - цифровые устройства. Поэтому для обработки аналоговых сигналов к их входу и выходу подключают внешние АЦП и ЦАП соответственно. В этом случае МП называют цифровыми.
В случае встраиваемых АЦП и ЦАП, с архитектурной точки зрения, МП называют аналоговыми. Такие МП выполняют функции любой аналоговой схемы. При этом, применение аналогового МП значительно повышает точность обработки информации.
3. По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.
Синхронные МП - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).
Асинхронные МП - микропроцессоры, позволяющие начало выполнения каждой операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.
4. По способу управления микропроцессоры различают на микро- и макропрограммируемые. Микропрограммное управление характерно для секционных МП с наращиваемой разрядностью. При этом, пользователь может установить свой собственный набор инструкций, оптимальных для реализации некоторых конкретных задач. Макропрограммное (жесткое аппаратное) управление принципиально не допускает такой возможности.
5. По количеству выполняемых программ МП делятся на одно- и многопрограммные микропроцессоры.
В однопрограммных МП выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.
В многопрограммных (мультипрограммных) МП одновременно выполняется несколько (обычно до нескольких десятков) программ.
6. По числу БИС в микропроцессорном комплекте различают МП однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.
Однокристальные МП получаются при реализации всех аппаратурных средств процессора в виде одной БИС или СБИС. Но возможности однокристальных МП ограничены аппаратурными ресурсами кристалла и корпуса.
Для получения многокристального микропроцессора его логическую структуру разбивают на функционально законченные части и реализуют их в виде БИС и СБИС. Функциональная законченность означает, что МП выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно. При этом, для построения развитого процессора не требуется организации большого числа связей и каких‑либо других электронных ИС БИС.
Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются функционально законченные части (секции) логической структуры процессора.
7. По организации структуры МПС различают микро‑ЭВМ одно- и много магистральные.
В одномагистральных микро‑ЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали. Такая магистраль служит для передачи кодов данных, адресов и управляющих сигналов.
В много магистральных микро‑ЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям.
8. По разрядности МП подразделяются на МП с фиксированной разрядностью и с изменяемой разрядностью (модульные). При фиксированной разрядности имеем МП 8-, 16-, 32-, 64- разрядные МП. При модульном принципе возможно построение 8, 16, 32, 64‑х разрядных МП. Для этого используются секции разрядностью 2, 4, 8.
9. Технология изготовления является одним из определяющих факторов в МПС. От нее зависят параметры МП по быстродействию, температурному диапазону, потребляемой мощности, стоимости и др. Широко используются следующие технологии: p‑МОП, n‑МОП, КМОП, КМОП/КНС, И2Л, ТТЛШ, ЭСЛ.
10. Число источников питания определяет сложность монтажа МПС, ее габариты, надежность, стоимость. Различают МПС с одним, двумя или тремя источниками питания.
Помимо приведенной системы классификации существует и более детальная классификация МП. Например, по таким признакам, как число шин МП, организация ввода‑вывода, число программных счетчиков, аккумуляторов, регистров общего назначения и т.д.
С другой стороны, в процессе 30-летнего развития МП произошла дифференциация микропроцессоров по функционально-структурным особенностям и областям применения. Поэтому в настоящее время более широко распространена другая система классификации.
· универсальные микропроцессоры с CISC-архитектурой;
· универсальные микропроцессоры с RISC-архитектурой;
· специализированные микропроцессоры (DSP и ряд других);
· микроконтроллеры.
О первых трёх типах говорилось выше в пункте 1 классификациию. О 4 классе – микроконтроллерах, можно сказать следующее.
Микроконтроллеры являются наиболее массовым представителем микропроцессорной техники. Интегрируя на одном кристалле высокопроизводительный процессор, память и набор периферийных устройств, микроконтроллеры позволяют с минимальными затратами реализовать большую номенклатуру систем управления различными объектами и процессами. Благодаря этому микроконтроллеры находят широкое применение в промышленной автоматике, контрольно-измерительной технике, аппаратуре связи, бытовой технике и многих других применениях. Лидером в производстве микроконтроллеров является фирма Motorola (около 17 % общемирового выпуска), в числе ведущих производителей этих изделий находятся также фирмы NEC, Mitsubishi, Hitachi, Intel, Texas Instruments, Philips.
Доминирующее положение на рынке универсальных микропроцессоров занимают микропроцессоры компании Intel и их клоны с системой команд х86. В 1999 году по предположительным оценкам таких микропроцессоров было выпущено около 100 млн. штук, и продолжение тенденций предыдущих лет указывает на возрастание выпуска на 10—15% в год.
Остальные производители универсальных микропроцессоров выпускают RISC-процессоры, суммарная доля которых составляет около 10% рынка.
В настоящее время на рынке присутствуют следующие высокопроизводительные микропроцессоры:
· Архитектура х86
- Компания Intel: линия Pentium (Р5), Pentium Pro (Р6) и процессоры на его основе Pentium II, Pentium III, Pentium 4 (и их упрощённый вариант Celeron), Merced (P7) и усовершенствованные модели IA-64;
- Компания AMD (NexGen): К5, К6 (K6-II), K7, линия Athlon (Duron);
- Компания Cyrix: М 1, М2.
· Архитектура Power PC
- Компания Motorola: Power PC 603, 604, 620.
· Архитектура PA
- Компания HP: PA-8000.
· Архитектура Alpha
- Компания DEC: линия Alpha (21064, 21164,21164A).
· Архитектура SPARC
- Компания SUN: линия SPARC.
· Архитектура MIPS
- Компания Silicon Graphics: линия MIPS R-x(R10000).
Несмотря на разнообразие линеек микропроцессоров в военной технике наиболее применимыми являются МП с системой команд х86.
Таким образом, наиболее применимыми в технике являются МП с системой команд х86.
2. Принципы построения МП
Так как широко используемыми в технике МП являются МП с системой команд х86 рассмотрим более подробно особенности схемотехники именно таких микропроцессоров.
Рис. 0.1 Общая структура микропроцессоров с системой команд х86
Устройство (архитектура) микропроцессоров с системой команд х86.
Под архитектурой МП принято понимать совокупность представлений о составе его компонентов, организации обмена информацией внутри МП и с внешней средой, реализуемых системой команд.
В состав микропроцессора входят (Рис. 0.1):
· устройство управления (УУ);
· операционное устройство (ОУ);
· блок интерфейса (БИ).
Устройство управления.
Устройство управления обеспечивает выполнение последовательности микроопераций в соответствии с кодом текущей команды и организует выборку команд программы в соответствие с выполняемой программой. Другими словами, осуществляется управление работой арифметико-логического устройства процессора и внутренними регистрами в процессе выполнения команды. Согласно коду операции, содержащемуся в команде, УУ формирует внутренние сигналы управления блоками МП. Адресная часть команды совместно с сигналами управления используется для считывания (записи) данных из памяти. По сигналам УУ осуществляется выборка очередной команды.
Обобщенная схема УУ представлена на Рис. 0.2
Рис. 0.2 Обобщенная схема устройства управления
Основными узлами УУ являются:
· блок микропрограммной памяти;
· блок генерации адреса микрокоманды;
· блок синхронизации;
· дешифратор микрокоманд.
Блок микропрограммной памяти служит для хранения выполняемых микрокоманд.
Блок генерации адреса микрокоманды формирует адрес очередной микрокоманды.
Блок синхронизации предназначен для приема управляющих сигналов и формирования последовательности синхросигналов для основных блоков процессора. Это обеспечивает определенную последовательность их работы.
Дешифратор команд формирует управляющие сигналы, поступающие в исполнительные блоки процессора.