Введение

История развития микропроцессорной техники

Итак, работа простейшей микроЭВМ осуществляется с помощью основных составляющих ее компонентов: микропроцессора, запоминающих, интерфейсных и других устройств. Однако микропроцессор – центральный элемент микроЭВМ (микропроцессорной системы), выполняющий функции управления процессами и обработки информации. Остановимся на истории его развития.

Первый 4-разрядный микропроцессор 4004 (фирма Intel) появился в 1971 г. благодаря работе американского ученого Хоффа. Он предназначался для производства японских микрокалькуляторов, которые в то время занимали основную долю в области вычислительной техники. Первая программно-управляемая микросхема (микропроцессор) содержала около 2 тысяч транзисторов, имела рабочую частоту 108 кГц при среднем времени выполнения команды не менее десяти тактов.

16-разрядный микропроцессор 8086 (1978 г.) с тактовой частотой 4,77 МГц был использован в начальной модели IBM PC. Микропроцессор 80286 (1982 г.) работал в три-шесть раз эффективнее за счет увеличения тактовой частоты (до 20 МГц). Микропроцессор 80386 (1985 г.) с тактовой частотой 33 МГц имел 32-разрядную шину данных и потому был в пять раз производительнее, чем 80286.

В 1989 г. был разработан первый микропроцессор 80486, выполняющий некоторые основные операции за один такт. Скорость работы этого микропроцессора повышена за счет «буферизации» часто используемых данных в кэш-памяти (8 Кбайт) и использования встроенного сопроцессора для ускорения математических вычислений. Кроме того, в 90-е годы были выпущены его «дорогие» аналоги с повышенной тактовой частотой 66 МГц и 100 МГц и «дешевые» модели без встроенного математического сопроцессора.

Первый микропроцессор 80586 был анонсирован фирмой Intel в 1993 г., который получил «собственное» название Pentium. Микропроцессоры Pentium первого поколения работали на тактовой частоте 60 МГц или 66 МГц и могли выполнять две операции за один такт синхронизации, т. е. вдвое быстрее микропроцессора 80486 с той же тактовой частотой. Высокая производительность обусловлена наличием высокоскоростного сопроцессора и 16 Кб кэш-памяти. Микропроцессоры Pentium второго и третьего поколений работают быстрее своего «собрата» за счет «умножения» тактовой частоты (до 200 МГц).

С 1996 г. конкурирующая компания Advanced Micro Devices стала выпускать семейство микропроцессоров AMD K5, ориентированных на рынок домашних и офисных компьютеров. Они были полностью совместимы с микропроцессорами фирмы Intel, но их стоимость была на 30 % ниже аналогичных по производительности микропроцессоров Pentium. Дальнейшее развитие конкуренции на компьютерном рынке обусловило появление альтернативных Pentium микропроцессоров 6×86 фирм IBM и Cyrix.

В 1995 г. фирма Intel разработала 64-разрядный микропроцессор 80686 или Pentium Pro (4 поколение). Благодаря наличию в нем встроенной кэш-памяти второго уровня, не зависящей от частоты системной шины, значительно улучшается работа многозадачных систем. Другим расширением семейства Pentium является микропроцессор Pentium MMX (5 поколение), предназначенный для ускорения работы игровых, обучающих, коммуникационных и других программ, использующих графику и звук, за счет появления восьми новых регистров сопроцессора и около 60 новых команд для решения задач мультимедиа. Конкурирующие с корпорацией Intel компании AMD и Cyrix также выпускают MMX-версии своих процессоров – AMD K6 и 6×86MX.

Современное состояние средств микропроцессорной техники

Дальнейшие разработки в области микропроцессоров (Pentium II и далее) были направлены в основном на увеличение их тактовой частоты. Современныe микропроцессоры содержат более 200 млн транзисторов, могут работать на тактовых частотах до 5 ГГц и выполнять команды не более чем за один такт (доли такта).

Как следует из вышесказанного, развитие полупроводниковой техники сопровождалось интенсивным интегрированием нескольких элементов в одном кристалле, что привело к появлению так называемых «однокристальных микроЭВМ» – микроконтроллеров. Конечно, микроконтроллер обладает меньшим объемом памяти с ограниченным составом интерфейсных устройств и реализует менее сложные алгоритмы по сравнению с «настоящей» микроЭВМ. Однако благодаря своей функциональной «законченности» он позволяет решить в полном объеме задачи управления конкретными техническими устройствами или определенными технологическими процессами.

Первый 8-разрядный микроконтроллер 8048 был выпущен фирмой Intel в 1976 г. В настоящее время выпускаются 8-, 16- и 32-разрядные микроконтроллеры с разнообразным набором интерфейсных схем, таких как порты ввода/вывода, таймеры и др. На современном рынке 8-разрядных микроконтроллеров можно отметить серии 8051 (фирма Intel), AVR (фирма Atmel), PIC (фирма Microchip) и отечественные микроконтроллеры К1816ВЕ51.

Применение микроконтроллеров поддерживается такими областями массового производства, как бытовая аппаратура, автомобильная промышленность, военное и другое оборудование.

1 Основные понятия и определения

Микропроцессорная техника (МПТ) включает технические и программные средства, используемые для построения различных микропроцессорных систем, устройств и персональных микроЭВМ.

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом микропроцессорных: микропроцессора и/или микроконтроллера.

Микропроцессорное устройство (МПУ) представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в состав которых входит микропроцессор; оно предназначено для выполнения определенного набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление.

Микропроцессором (МП) называется программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс цифровой обработки информации и управления им и построенное, как правило, на одной БИС.

Микроконтроллер (МК) это устройство, состоящее из микропроцессора, памяти, устройства ввода-вывода, размещенном на одном кристалле.

Разные МП или МК объединяют в семейство как технология «микроядра», в качестве которого выступает процессорное ядро, взаимодействующее с периферийными устройствами различной номенклатуры, так и принципы свойственные открытым системам: совместимость (compatibility), масштабируемость (scalability), переносимость (portability) и взаимодействие приложений (introperability).

Совместимость, состоящая в выполнении приложений на всех версиях МК, обеспечивается использованием в качестве базовой системы команд интерфейса МП с последующей унификацией путём добавления дополнительных команд и внешних выводов, повышающих эффективность использования в задачах, на которые ориентируется семейство МК.

Масштабируемость обеспечивается выполнением приложений в пределах полного диапазона архитектур.

Переносимость для открытых систем рассматривается как возможность выполнения приложения на различных ПК с одной ОС.

Взаимодействие приложений - возможность общения приложений разных систем, использующих одни протоколы.

При создании систем любого назначения на базе МК либо МП необходимо выполнить следующие этапы:

1. системный анализ задачи - выделяются процессы и функции, реализация которых будет возложена на МК либо МП;

2. Алгоритмизация процессов и функций - разрабатываются алгоритмы решения задачи;

3. Выбор МК либо МП и комплексная разработка программно-аппаратных средств.

Если взять за критерий комплексный показатель «Количество данных – количество вычислений», то возможны следующие его значения, определяющие классы задач и основные характеристики МК.( табл. 1)

Таблица 1 – Область использования МК

Значение критерия	Характеристика задач	Разрядность МК/ производительность
Мало данных - мало вычислений	Задачи логического управления неслож­ными объектами и процессами	8/Низкая
Мало данных - много вычислений	Локальные регуляторы, системы управ­ления электрическими двигателями, под­вижными аппаратами, различными элект­рическими агрегатами, роботами-мани­пуляторами, станками, портативное обо­рудование и т. д.	16/Средняя
Много данных - мало вычислений	Многие сетевые задачи, системы управ­ления потоками данных, коммутаторы, концентраторы, маршрутизаторы и т.п.	32/Высокая
Много данных - много вычислений	Задачи управления реального времени, обработка сигналов с интенсивным об­меном, системы распознавания речи, изображений и т. п.	32/Сверхвысокая

Основными направлениями развития микропроцессоров является увеличение их производительности и расширение функциональных возможностей, что достигается как повышением уровня микроэлектронной технологии, используемой для производства микропроцессоров, так и применением новых архитектурных и структурных вариантов их реализации.