1.7 Технология изготовления микропроцессоров
Структура микроЭВМ определяется организацией микропроцессора, составом входящих в него функциональных узлов, количеством внешних магистралей и организацией обмена информацией.
Уровни выходных сигналов, питающих напряжений, быстродействие и помехозащищенность МП зависят от вида технологии, по которой они изготовлены. По этому признаку все МП могут быть разделены на две группы: изготовленные на основе униполярной и биполярной технологии.
К первой группе относятся МП, в которых используются полевые транзисторы с каналами n- или p-типа проводимости, изготовленные соответственно по nМДП- и pМДП – технологиям; совместно транзисторы с n- и p-типами проводимости – КМДП (комплиментарные МДП); структуры «кремний на сапфире» (КНС).
Ко второй группе относятся МП, изготовленные по технологиям ТТЛ (транзисторно – транзисторная логика), ТТЛШ (транзисторно – транзисторная логика с диодами Шотки), И2Л (интегральная инжекционная логика) и ЭСЛ (эмиттерно – связанная логика).
Тип технологии определяет характеристики МП: высокая степень интеграции для nМДП – структур, низкая потребляемая мощность для КМДП – структур, простота изготовления и низкая стоимость для pМДП – структур, высокое быстродействие и устойчивость к воздействию климатических факторов для КНС - структур, высокое быстродействие при сравнительно большой потребляемой мощности для ТТЛ, ТТЛШ-, И2Л- и ЭСЛ – структур.
Классифицируя микропроцессорные БИС по составу функциональных блоков и их внутренней организации, можно выделить три группы: однокристальные МП, многокристальные МП на секционных МП БИС и однокристальные микроЭВМ.
Однокристальные МП отличаются фиксированной структурной разрядностью и системой команд. В одной БИС, реализующей МП, размещаются АЛБ, блок дешифрации команд, устройство управления внутренними блоками и внешним обменом информации, каскады согласования внутренних и внешних сигналов. Ограничения по числу внешних контактов БИС (обычно не более 50 ) лимитируют количество внешних магистралей и их разрядность. Для однокристальных МП характерны последовательная организация вычислительного процесса, последовательный обмен информацией по общей информационной магистрали, соединяющей все внутренние блоки МП. Устройство управления в однокристальных МП вырабатывает последовательность управляющих сигналов, обеспечивающих выполнение фиксированного для данного МП набора команд. Разработчик вычислительных устройств на однокристальных МП составляет на основе фиксированной системы команд конкретного МП и имеет возможности изменить ее, так как логика работы УУ реализуются аппаратно, как «жесткая логика».
В многокристальных МП используется совокупность БИС, образующих микропроцессорный комплект МПК. Каждая БИС, входящая в состав МПК, реализует узел или функциональный блок узла МП. Обычно АЛУ в таких МП реализуется в виде отдельных секционных БИС с фиксированной разрядностью, но допускающих простым соединением БИС увеличение разрядности МП пропорционально числу объединенных секций.
В секционных МП используют микропрограммный способ управления при котором команды реализуются как последовательность микрокоманд, записанных в специальном ПЗУ. Содержимое такого ПЗУ можно изменять по желанию пользователя, при этом изменится система команд МП. На рисунке 7.1 представлена обобщенная схема устройства управления микропроцессора, которая состоит из отдельных блоков и реализуется в виде одной или нескольких БИС.
Блок микропрограммной памяти содержит последовательность микрокоманд. Формат микрокоманды и ее состав определяются структурной микроЭВМ, количеством и видами устройств, подключенных к ней. Некоторые микроинструкции, входящие в состав микрокоманд, являются обязательными для всех УУ. Это микроинструкции управления операционным блоком, выбора следующего адреса, служебные и управляющие микроинструкции.
Микроинструкция управления операционным блоком определяет код выполняемой в АЛУ операции. Управляющие сигналы в АЛУ могут поступать непосредственно с выходом микропрограммной памяти либо с выходом дешифратора микрокоманд, работающего под управлением микроинструкций памяти микропрограмм. Код микроинструкции выбора следующего адреса используется в УУ для определения адресного кода следующей микрокоманды. Содержание и формат этой микроинструкции зависят от структуры блока генерации адреса.
Рисунок 7.1- Обобщенная схема устройства управления
Служебные и управляющие микроинструкции содержат информацию для управления узлами и блоками, входящими в состав микроЭВМ. К такой информации относятся коды по управлению устройствами памяти, коды, позволяющие маскировать входную информацию, организовывать условную синхронизацию и т.д.