Розділ VII основи метрології та електричних вимірювань

Розділ VII МІКРОПРОЦЕСОРНІ ЗАСОБИ ВИМІРЮВАНЬ

В теперішній час неможливо уявити діяльність людини без сучасних персональних комп'ютерів, великих ЕОМ і інших засобів обчислювальної техніки. Масовому впровадженню комп'ютерів у діяльність людини сприяли успіхи, досягнуті в напівпровідниковій електроніці. Важко повірити, що перша електронно-обчислювальна машина (1948р.) була створена до винаходу першої інтегральної мікросхеми. Без прогресу в технології напівпровідникової електроніки, на базі якої створюються інтегральні схеми, не з'явилася б світова інформаційна павутина — Інтернет і глобальні системи мобільного зв'язку, не були б досягнуті успіхи в освоєнні космічного простору.

XX століття можна сміливо вважати століттям високих технологій. Найбільш яскравий приклад високих технологій XX століття — напівпровідникова електроніка, на базі якої і створюються інтегральні схеми. Дуже знаменно, що в останній рік минулого сторіччя Нобелівським лауреатом в області фізики став американський учений Дж. Кілбі — один із творців першої інтегральної мікросхеми (вересень 1958р., фірма Texas Instruments). Необхідно відзначити, що транзистор був винайдений десятьма роками раніше (1947р.), а ідея інтегральної схеми була запропонована американським ученим Д. Даммером у 1954р. Перша інтегральна схема складалася усього з одного германієвого транзистора, трьох резисторів і конденсатора. Проте, це було революційним відкриттям в електроніці. Дж. Кілбі винайшов не просто інтегральну схему — він відкрив дорогу в майбутнє.

Повною мірою оцінити прогрес засобів обчислювальної техніки за останні 50 років можна простим порівнянням технічних характеристик перших ЕОМ із можливостями і характеристиками сучасних мікропроцесорів типу Pentium III чи Pentium IV.

Перша в СРСР електронно-обчислювальна машина була створена в 1951р. Споживана нею потужність складала 25 КВт, а універсальний арифметико-логічний пристрій виконував всього 50 арифметичних чи логічних операцій у секунду.

Супер-ЕОМ Cray-1 була реалізована на мікросхемах у 1975р. Тривалість машинного циклу Сгау-1 складала 12.5 нс, що забезпечувало продуктивність порядку 100 мільйонів арифметичних операцій у секунду. Сгау-1 містила приблизно 300 000 мікросхем, що були розміщені в об’ємі 2.8 м³. Концентрація великої кількості мікросхем у малому об’ємі була обумовлена мінімізацією довжини з'єднувальних провідників і створювала серйозну проблему щодо відведення тепла, виділюваного при роботі. У Сгау-1 теплова енергія виділялася по каналах охолодження стиснутим фреоном. Вартість Сгау-1 складала від 10 до 15 млн. доларів у залежності від обсягу пам'яті і периферійного устаткування.

Оскільки в розвитку засобів обчислювальної техніки першочергову роль грають досягнення в технології напівпровідникової електроніки, розглянемо особливості сучасної мікроелектронної бази.

Продуктивність процесорів у першу чергу залежить від тактової частоти й архітектури процесорів. Під архітектурою мікропроцесорів (МП)) тут і далі розуміється структурна організація процесора, що містить процесорне (обчислювальне) ядро, пам'ять, функціональні пристрої, периферійні контролери і зв'язки між ними. Складність і функціональні можливості архітектури в основному визначаються кількістю логічних елементів, інтегрованих на кристалі. Для збільшення тактової частоти і реалізації складних процесорних архітектур необхідно зменшувати розміри окремих транзисторів. Для порівняння, МП серії 386 (Intel) має 275 тис. транзисторів, МП 486SX — 1.6 млн., Pentium — 3.4 млн. транзисторів, а його наступні модифікації Pentium Pro — 5.5 млн. транзисторів, Pentium II — 7.5 млн., Pentium III — 8.5 млн., а новий Pentium IV має 42 млн. транзисторів. Збільшення інтеграції забезпечує реалізацію на одному кристалі зовнішніх стосовно МП пристроїв, у першу чергу, пам'яті, що дозволяє позбутися зовнішніх ліній зв'язку і тим самим підвищити швидкодію системи в цілому. Сьогодні можна вважати освоєною технологію, що забезпечує на базі фотолітографічного процесу одержання транзистора з розмірами 0.13 мкм. Слід зазначити, що, на думку фахівців, прогнозований мінімальний розмір транзистора складе 0.1 мкм до 2005 р., 70 нм до 2008 р., 50 нм до 2011 р. і 20 нм до 2014 р.

Сучасний рівень напівпровідникової технології яскраво ілюструють параметри нових процесорів фірми Intel і Texas Instruments.

У процесорі Pentium III, реалізованому на базі технології 0.18 мкм, досягнута тактова частота процесора 1 ГГц, а тактова частота системної шини складає 133 МГц. У новому процесорі Pentium IV на базі тієї ж технології тактова частота процесора складає 1.4 ГГц. Така висока тактова частота при 64-розрядній шині даних забезпечує швидкість обміну даними з пам'яттю, рівну 3.2 Гбайта/с. Крім того, на кристалі процесора інтегрована кеш-пам'ять першого рівня об’ємом 8 кбайт і другого рівня об’ємом 256 кбайт. У Pentium III і Pentium IV, реалізованих на базі технології 0.13 мкм, тактова частота буде складати відповідно 1.26 Ггц і 2 Ггц. Збільшення реальної продуктивності процесора залежить не тільки від підвищення тактової частоти, але і від розвитку архітектури.

За оцінкою фахівців фірми Texas Instruments, світового лідера в області сигнальних процесорів, у 2005 р. буде освоєна технологія 0.075 мкм, що дозволить довести кількість транзисторів, інтегрованих на кристалі одного сигнального процесора, до 100 мільйонів. У майбутньому освоєння нових технологій дозволить збільшити тактову частоту сигнальних процесорів до 1.1 ГГц, а кількість транзисторів у складі одного сигнального процесора до 500 мільйонів. До 2010 р. передбачається створення сигнального процесора з продуктивністю 3 трильйони інструкцій за секунду. У сигнальних процесорах другого покоління TMS320C64x, побудованих на базі удосконаленої VLIW (Very Long Instruction Word) архітектури і технології 0.1 мкм, передбачається збільшити тактову частоту до 1.1 ГГц, що забезпечить продуктивність 8 800 MIPS.

Прийнята така класифікація процесорних пристроїв, реалізованих на одному кристалі:

• мікропроцесори загального призначення для числової обробки (універсальні мікропроцесори);

• мікроконтролери для простих систем керування/контролю;

• сигнальні процесори для цифрової обробки сигналів;

• програмовані логічні інтегральні схеми.

Дана класифікація з удосконаленням архітектури процесорного ядра і впровадженням нових технологій перетерпіла істотні зміни. З урахуванням взаємного впливу архітектури мікропроцесорів різних типів надалі можливо будуть потрібні нові принципи класифікації мікропроцесорів.

Універсальні мікропроцесори призначені для використання в обчислювальних системах: персональних ЕОМ, робочих станціях, а в останній час і в масово-паралельних супер-ЕОМ. Основною їх характеристикою є наявність розвинутих приладів для ефективної реалізації операцій із плаваючою точкою над 64-розрядними операндами.

Цифрові сигнальні процесори розраховані на обробку в реальному часі цифрових потоків, утворених шляхом оцифрування аналогових сигналів. Це зумовлює їх порівняно малу розрядність і переважно цілочисельну обробку. Але сучасні сигнальні процесори здатні проводити обчислення із плаваючою точкою над 32-40 – розрядними операндами.

Програмовані логічні інтегральні схеми – це матричні інтегральні схеми, що дозволяють програмно скомпонувати в одному корпусі електронну схему, еквівалентну схемі, що містить від кількох десятків до кількох сотень інтегральних схем стандартної логіки. У порівнянні з іншими мікроелектронними технологіями, технологія програмованих логічних інтегральних схем забезпечує рекордно короткий проектно-технологічний цикл (від кількох годин до кількох днів), мінімальні затрати на проектування, максимальну гнучкість при необхідності модифікації апаратури.

Найбільша спеціалізація і різноманітність функцій у мікроконтролерах, які використовуються у вбудованих системах вимірювання та керування, у тому числі і в побутових приладах. Загальна кількість кристалів з різними системами команд перевищує 500.

Дотепер десятки фірм, серед яких Analog Devices, Atmel, Dallas Semiconductor, Oki, Philips, Infineon Technologies, Silicon Storage Technologies, Temic і інші, продовжують випуск аналогів мікроконтролера 8051 (фірма Intel) — родоначальника всіх мікроконтролерів. У мікроконтролері 8051 реалізована CISC (Complex Instruction Set Computer) архітектура процесорного ядра, що оперує з повним набором інструкцій. У класичному мікроконтролері 8051 для виконання більшості інструкцій потрібно 12 машинних тактів. Фірма Dallas Semiconductor випускає аналог мікроконтролера 8051, у якому основні інструкції виконуються за чотири такти. В аналогах мікроконтролера 8051, що випускаються фірмами Infineon і Philips Semiconductors, для виконання основних інструкцій потрібно шість машинних тактів. Усього в мікроконтролері 8051 реалізовано 255 інструкцій. Фірмою Intel випускаються також мікроконтролери MCS151/251, цілком сумісні на рівні кодів інструкцій з мікроконтролером 8051. У 1994 р. фірма Philips Semiconductors, що випускає більше 60 модифікацій мікроконтролера 8051, створила на базі популярної 8-розрядної архітектури оригінальний 16-розрядний мікроконтролер 8051ХА, сумісний на рівні кодів інструкцій з мікроконтролером 8051. Мікроконтролер 8051ХА може працювати в двох режимах: розширеному й у режимі сумісності. У розширеному режимі використовуються нові можливості мікроконтролера, у тому числі й ефективні інструкції для обробки мультизадач. У мікроконтролері 8051ХА більшість інструкцій типу регістр-регістр виконується за три машинних такти (100 нс) при тактовій частоті 30 МГц. Усього в мікроконтролері 8051ХА реалізовано 479 інструкцій.