Общие сведения о микропроцессорах
Российская открытая академия транспорта
ОСНОВЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ
Конспект лекций
Москва 2013
ОРГАНИЗАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
Общие сведения о микропроцессорах
Развитие интегральной технологии и схемотехники цифровых электронных схем привело к созданию интегральных микросхем с большой и сверхбольшой степенью интеграции (БИС и СБИС). Это позволило разместить на одном или нескольких кристаллах все блоки, необходимые для программной реализации алгоритмов. На основе таких схем и были созданы микропроцессоры.
Микропроцессор (МП) – это программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой или аналоговой информации и выполненное в виде одной или нескольких интегральных схем.
По мере совершенствования микроэлектронной технологии производительность микропроцессоров и их функциональные возможности непрерывно возрастают. Уже начиная с 80-х годов, у наиболее развитых микропроцессоров эти характеристики не уступают по своим значениям аналогичным параметрам мини ЭВМ средней вычислительной мощности.
Малые габаритные размеры, универсальность, способность реализовать сложные функции обработки данных и управления позволяют на их основе строить различные микро-ЭВМ, персональные компьютеры, микропроцессорные устройства и системы управления.
Однако процессоры современных ЭВМ не могут быть реализованы в виде одной БИС. В связи с этим логическая схема процессора разбивается на отдельные функционально-законченные блоки, которые реализуются в виде отдельных БИС.
Совокупность таких БИС, выполненных по одной технологии и реализующих единую систему команд получили название микропроцессорных комплектов БИС (МПК).
Микропроцессорный комплект помимо самого микропроцессора содержит микросхемы, поддерживающие функционирование микропроцессора и расширяющие его логические возможности.
Необходимость выполнения сложных функций управления привели к созданию микроконтроллеров (МК) управляющих устройств, выполненных на одном или нескольких кристаллах.
В сравнении с универсальными микро-ЭВМ микроконтроллеры проще, так как имеют небольшой объем памяти и менее разнообразный состав внешних устройств. Поэтому более 30 лет тому назад оказалось возможным разместить практически всю схемотехнику МК на одном кристалле, что и дало начало их развитию. Вторым названием МК стало название однокристальная микро-ЭВМ.
Еще одним направлением развития микропроцессоров является создание специализированных БИС для цифровой обработки сигналов. Быстрое преобразование Фурье, лежащее в основе большинства алгоритмов цифровой обработки сигналов, предполагает выполнение операции умножения и запоминания большого количества промежуточных результатов. В связи с этим на кристалле таких БИС располагают матричный умножитель, позволяющий для выбранной технологии изготовления выполнять операцию умножения с максимальной скоростью, и блок регистров общего назначения. Такие МП, ориентированные на выполнение быстрого преобразования Фурье, получили название цифровых процессоров обработки сигналов (ЦПОС).
Развитие микропроцессоров общего применения происходило в направлении расширения набора команд и реализации многих функций аппаратными способами. Однако во многих практических применениях частота использования простых команд значительно выше, чем сложных. Это обстоятельство послужило толчком для создания микропроцессоров с сокращенным набором команд или RISC компьютеров (reduced instruction set computer). Благодаря небольшому набору команд упрощаются аппаратные средства, появляется возможность размещения на кристалле процессора памяти для хранения большого объема данных, увеличивается скорость выполнения команд, а время их выполнения становится примерно одинаковым.