10.1. Загальні відомості та визначення

Мікропроцесорна техніка – область електроніки. яка на даному етапі найшвидше розвивається.

Основною особливістю сучасного етапу розвитку мікропроцесорних систем (МПС) є завершення переходу від систем, виконаних на основі декількох великих ІС, до однокристальних мікроконтролерів (МК), які поєднують в одному кристалі всі основні елементи МШС: центральний процесор (ЦП), постійний запам’ятовуючий пристрій (ПЗП), оперативний запам’ятовуючий пристрій (ОЗП), порти вводу/виводи, таймери.

Перші мікропроцесори з’явилися на початку 1970-х і використовувалися в електронних калькуляторах для обробки 4-бітних слів, що являли десяткові цифри в двійковому представленні. Досить скоро з’явилися інші вбудовані реалізації, такі як термінали, принтери, автоматичні прилади тощо, що використовували 4-бітні і 8-бітні мікропроцесори. Поява 8-бітних процесорів з 16-бітною адресацією в середині 1970-х забезпечила достатній простір можливостей для реалізації перших мікропроцесорів загального призначення в мікрокомп’ютерах.

Довгий час процесори складалися з малих і середніх інтегральних схем, що містили в собі еквівалент від кількох до кількасот транзисторів.

Інтеграція цілого центрального процесора в один чип значно зменшила вартість процесорної потужності. Послідовне впровадження мікросхем з більшим ступенем інтеграції робило цілі класи комп’ютерів застарілими, мікропроцесори з’явилися в широкому класі пристроїв, від малих вбудованих систем і ручних комп’ютерів до найбільших мейнфреймів і суперкомп’ютерів.

Починаючи з 1970-х збільшення процесорної потужності розвивається за правилами так званого закону Мура, який стверджує, що складність інтегральних мікросхем подвоюється кожні 18 місяців, за ті ж мінімальні гроші.

Першим загальнодоступним мікропроцесором був 4-розрядний Intel 4004 (рис. 10.1).

Рис. 10.1. мікропроцесор Intel 4004

Виконання того чи іншого алгоритму можливо при наявності мікропроцесора та пристроїв, в яких зберігається програма. Відомо, що програма – це сукупність команд (правил), що виконуються в послідовності, заданій алгоритмом. Команди вибираються з пам’яті в послідовності, що задається процесором. Процесор визначає адреси елементів пам’яті, в яких зберігаються необхідні данні. Дані передаються в процесор, де перетворюються згідно з командами, і результати операції передаються знову в пам’ять.

Будь-яка мікропроцесорна система працює разом з рядом зовнішних пристроїв, одержуючи від них необхідну інформацію та передаючи іншу. Для зв’язку з зовнішніми пристроями існує інтерфейс (англ. interface). Цим терміном позначається весь комплекс пристроїв, правил та технічних засобів, що регламентують та забезпечують обмін інформацією між мікропроцесором (включаючи пам’ять) та зовнішніми пристроями.

Головними в інтерфейсі є шини, або, як їх ще часто називають, магістралі. Магістраль – це сукупність провідників, для яких строго нормовані логічні рівні «0» та «1». Потужність сигналів на шинах має бути достатньою для живлення необхідної кількості приєднаних до них пристроїв. Для забезпечення цієї потужності використовуються спеціальні мікросхеми — шинні підсилювачі (ШП).

.Мікропроцесор (МП) – пристрій, який здійснює приймання, оброблення і видачу інформації. Конструктивно МП містить одну або кілька інтегральних схем і виконує дії за програмою, записаною в пам’яті.

Мікропроцесорна система – обчислювальна, контрольно-вимірювальна або керуюча система, в якій основним пристроєм обробки інформації є МП. Мікропроцесорна система складається з набору великих інтегральних схем (ВІС).

Мультимікропроцесорна (мультипроцесорна) система – система, яка утворюється об’єднанням деякої кількості універсальних або спеціалізованих МП, завдяки чому забезпечується паралельна обробка інформації і роздільне керування.

Мікропроцесорний комплект (МПК) – сукупність інтегральних схем, сумісних за електричними, інформаційними та конструктивними параметрами і призначених для побудови електронно-обчислювальної апаратури й мікропроцесорних систем керування.

Типовий склад МПК:

• ВІС МП (один чи кілька корпусів інтегральних схем); ВІС оперативних запам’ятовувальних пристроїв (ОЗП);

• ВІС постійних запам’ятовувальних пристроїв (ПЗП); інтерфейси, або контролери, зовнішніх пристроїв;

• службові ВІС (тактовий генератор, регістри, шинні формувачі, контролери та арбітри шин).

Мікропроцесори та мікропроцесорні комплекти класиці-кують за такими ознаками: призначенням, кількістю ВІС, способом керування, типом архітектури і типом системи подавання команд.

За призначенням МП поділяють на універсальні та спеціалізовані. Універсальними мікропроцесорами є мікропро-цесори загального призначення, які дають змогу розв’язувати широкий клас задач – обчислення, оброблення і керування. Спеціалізовані мікропроцесори призначені для розв’язання задач лише певного класу. До них належать сигнальні, медійні та мультимедійні

Сигнальні процесори призначені для цифрового оброблення сигналів у реальному масштабі часу (наприклад, фільтрація сигналів, обчислення згортки, обчислення кореляційної функції, підсилення, обмеження і трансформація сигналу, пряме і зворотне перетворення Фур’є). До сигнальних процесорів належать процесори фірм “Texas Instruments” – TMS320C80, “Analog Devices” – ADSP2106x, “Motorola” – DSP560xx та DSP9600x.

Медійні й мультимедійні процесори використовують для оброблення аудіосигналів, графічної інформації, відеозображень та для розв’язання задач у мультимедіа-компютерах, ігрових приставках, побутовій техніці.

До медійних і мультимедійних процесорів належать процесори фірм “Micro Unity” – Mediaprocessor, “Philips” – Trimedia, “Chromatic Reserch” – Mpact Media Engine, “Nvidia” – NV1, “Cyrix” – MediaGX.

За кількістю ВІС у МПК розрізняють багатокристальні МПК та однокристальні мікроконтролери (ОМК). Багатокрис-альні комплекти – це МПК з однокристальними і секційними МП.

Однокристальний мікропроцесор, або мікропроцесор з фіксованою розрядністю даних, є конструктивно завершеним виробом у вигляді однієї ВІС. До цього типу належать процесори фірм “Intel” – Pentium (P5, P6, P7), “AMD” – K5, K6, “Cyrix” – 6x86, “Diqital Equipment” – Alpha 21064, 21164A, “Silicon Graphics” – MIPS R10000, “Motorola” – Power PC 603, 604, 620, “Hewlet Packard” – PA-8000, “Sun Microsystems” – Ultra SPARC II.

Однокристальний мікроконтролер – пристрій, що конструктивно виконаний в одному корпусі ВІС і містить основні складові МПК. До таких мікроконтролерів належать МПК фірм “Intel” – MCS-196 / 296, “MicroChip” – PIC17C4x, PIC17C75x, “Mitsubishi Electric” – M3820, “Motorola” – MC33035, MC33039.

За типом архітектури, або принципом побудови, розрізняють МП з фоннейманівською архітектурою і МП з гарвардською архітектурою.

За типом системи команд розрізняють CISC (Complete Instruction Set Computing) – процесори з повним набором команд і RISC (Reduced Instruction Set Computing) – процесори зі зменшеним набором команд.

Слід зазначити, що багато МПК підпадають під різні класифікаційні ознаки, оскільки здатні вирішувати задачі різних класів. Так, існують універсальні МП з мультимедійним розширенням наборів команд, наприклад, Pentium MMX, Pentium II, Cyrics 6x86MX, AMD K6, Ultra SPARC. У CISC-процесорах Pentium PRO реалізовано ядро з RISC-архітектурою.