Поколения микропроцессоров.

Характеристики микропроцессоров

Кратко перечислим основные характеристики микропроцессоров:

· разрядность;

· быстродействие (тактовая частота, время выполнения "короткой" команды;

· потребляемая мощность;

· технология (уровень логических сигналов);

· архитектурные особенности: система операций, способы адресации, наличие и организация подсистем прерываний и ПДП, объем и организация СОЗУ, конвейер операций, аппаратная поддержка системы виртуальной памяти и т.п.;

· структурные особенности: количество и назначение шин (стандарт интерфейса), внутренняя структура;

· число источников питания;

· число БИС в комплекте;

и др.

В первые десятилетия своего развития микропроцессоры было принято делить на поколения, причем границы поколений (разумеется, весьма условно) проводились по признаку технологии, освоенной на данном этапе эволюции МП. Рассмотрим кратко особенности первых трех поколений МП.

1.4.1. Микропроцессоры 1 поколения. Первый МП был разработан фирмой INTEL и выпущен в 1971г. на основе p-МОП технологии (i4004). В 1972 и 1973 годах этой же фирмой были выпущены модели i4040, i8008. Фирма Rockwell выпустила модели МП PSS-4, PSS-8. Все они могут быть отнесены к МП 1 поколения, характеристиками которого являются:

· разрядность - 4..8 бит;

· технология - p-МОП;

· быстродействие (RR) - 5..60 мкС;

· тактовая частота - 200..800 КГц;

· совмещение шин адреса и данных;

· число вспомогательных ИС и СИС - 15..50;

· подсистемы прерываний и ПДП - отсутствуют.

Первые МП 1 поколения - 4-разрядные приборы, использовались для организации десятичной арифметики (калькуляторы). Так, i4004 имел 4-разрядное АЛУ с блоком десятичной коррекции, 16 РОНов, внутренний трехуровневый стек. Объем адресного пространства 212 (возможен выбор одного из 4 банков такого размера). Система команд включала 46 команд: пересылки, ввод/вывод, сдвиги, арифметические команды (+ - ФЗ).

В процессе эволюции МП первого поколения (МП-1) имело место увеличение разрядности (до 8) и некоторое расширение функций. Так, в i4040 добавлены логические операции, увеличен массив РОН (до24), введено одноуровневое прерывание. i8008 предназначался прежде всего для использования в системах управления. В нем, по сравнению с i4004, увеличена разрядность (до 8), добавлены логические команды, но исключен блок десятичной коррекции. Все МП-1 выпускались в стандартном 16-выводовом корпусе.

1.4.2. Микропроцессоры 2 поколения. Совершенствование технологии МОП, переход на n-МОП технологию привел к появлению МП второго поколения, которые отличались от МП-1 не только количественными характеристиками, но и качественно. В 1974г. был выпущен МП i8080, который стал первым и наиболее популярным МП второго поколения (МП-2). Он же положил начало семейству однокристальных МП, которому суждено было стать (и оставаться до настоящего времени) доминирующим на мировом рынке МП. Вслед за i8080 другими фирмами были выпущены МП со сходными (иногда несколько лучшими) характеристиками. Наиболее известными являются. Z80 фирмы Zilog и MS6800 (Motorola). Эти МП, как и i8080, имеют своих 16- и 32-разрядных "потомков". Характерными признаками МП-2 можно считать:

· переход на более прогрессивные технологии n-МОП и КМОП, позволившие повысить быстродействие МП до 2..2,5 МГц (200..500 тыс. операций RR), снизить потребление мощности (КМОП);

· значительные архитектурные отличия: расширение системы операций, использование широкого набора способов адресации (прямая, косвенная, относительная, безадресная, непосредственная),введены подсистемы прерываний и прямого доступа в память (ПДП), предусмотрен механизм универсального стека;

· структурные отличия: шины адреса и данных разделены, уменьшено число вспомогательных ИС и СИС.

МП-2 пришли на смену МП-1, значительно расширив сферу применения МП. Правда, МП-1 (по признаку технологии p-МОП) возродились позже в новом качестве - дешевых приборов бытовой электроники.

Другая судьба ожидала МП-2. Появившиеся микропроцессоры третьего поколения (МП-3) стали развиваться параллельно с МП-2, причем МП-2 легли в основу т.н. однокристальных МП и микро-ЭВМ, а МП-3 - секционированных многокристальных МП.

1.4.3. Переход к третьему поколению МП связан со стремлением к увеличению быстродействия МПС и переходом на биполярные технологии - ТТЛ и ТТЛШ.

Исходя из соотношения dE´dt = const,

где dt - время переключения, dE - энергия переключения

очевидно, что повышение быстродействия связано с увеличением рассеиваемой мощности, а следовательно - к снижению степени интеграции кристалла. Первые МП-3 приборы были двухразрядными, что не приводило к увеличению производительности МП, хотя тактовая частота увеличивалась значительно (на порядок). Это обстоятельство повлекло значительные структурные изменения в МП-3 по сравнению с МП-2:

· микропроцессоры выпускаются в виде секций со средствами межразрядных связей, позволяющими объединять в одну систему произвольное число секций для достижения заданной разрядности. В состав секций включалось АЛУ, РОН и некоторые элементы УУ;

· устройство управления вынесено на отдельный кристалл (группу кристаллов), общий для всех процессорных секций;

· за счет резерва внешних выводов (малая разрядность) предусмотрены отдельные шины ввода и вывода данных, адреса, причем данные от разных источников вводились по различным шинам. Так, первый МП-3 i3000 (серия К589 - отечественный аналог) имел три двухразрядные входные шины данных (от памяти, УВВ и УУ) и две выходные шины - данных и адреса;

· кристаллы управления реализуют УУ с программируемой логикой, что позволяет достаточно легко реализовать практически любую систему команд на фиксированной структуре операционного устройства.

1.4.4. Тенденции развития поколений. В настоящее время технология не является решающим фактором классификации МП, ибо появились разновидности технологий одного типа, обеспечивающие очень широкий спектр характеристик МП, широкое распространение получили комбинированные технологии (например, И2Л + ТТЛШ).

Современные микропроцессоры принято разделять на два больших класса : однокристальные и многокристальные. В свою очередь, однокристальные МП можно разделить на собственно микропроцессоры и однокристальные микро-ЭВМ.

Направление развития однокристальных МП - непрерывное наращивание вычислительной мощности процессора за счет увеличения разрядности, расширения системы команд, появления дополнительных функций - Кэш-памяти, конвейера операций, встроенных процессоров плавающей запятой, аппаратной поддержки виртуальной памяти и др.

Однокристальные микро-ЭВМ, сохраняя вычислительную мощность процессора практически неизменной (на уровне 8-разрядного МП), содержат на кристалле все элементы МПС : тактовый генератор, память программ и данных, контроллеры параллельного и последовательного ввода/вывода, контроллеры прерываний, таймеры, а некоторые микро-ЭВМ - АЦП и ЦАП и другие спец. средства (например, динамические схемы управления восьмисегментной индикацией). Такие БИС можно непосредственно подключать к периферийным устройствам для создания микро-ЭВМ или включать в контур управления.

Многокристальные микропрограммируемые МП используются как элементная база "больших" ЭВМ или специализированных средств, для которых характерны нетрадиционные параметры.

На Рис. 1.1 показаны направления развития различных типов МПС.

 

 

Рис. 1.1. Микропроцессоры (дерево развития)

 

Из Рис. 1.1 видно, что наиболее многочисленное (и распространенное в мире) семейство микропроцессоров - INTEL. Далее будем иллюстрировать основные положения курса примерами организации МП этого семейства : однокристальные МП - i8080-i8086-i80286-i80386-i80486-Pentium-PentiumPro; однокристальные микро-ЭВМ - i8035-i8051/52