Микропроцессорные устройства.

Микропроцессорным устройством (МПУ) называется цифровое устройство обработки информации, содержащее в своем составе один или несколько микропроцессоров, модули памяти, устройства ввода/вывода, блоки управления вводом/выводом (контроллеры), связанные внутрисистемной магистралью. В общем случае состоящей из шин адреса, управления и данных. Специализированное микропроцессорное устройство (СМПУ) используется для управления некоторым заданным алгоритмом обработки информации. Упрощенно цикл управления команды в СМПУ можно разбить на фазу выборки кода команды и фазу ее выполнения. Процесс дешифрирования кода команды в последовательность управляющих сигналов в макропрограммируемых микропроцессорах осуществляется внутри БИС микропроцессора, а в микропрограммируемых - вне БИС микропроцессора, т.к. ПЗУ микропрограмм команд в этом случае реализуется в виде отдельных БИС. Если при этом выясняется, что участвующие, в операции данные расположена не в команде, а в памяти или в периферийном устройстве, то микропроцессор выставляет на шину адреса адрес их хранения и после выдачи принимает их через шину данных, и затем выполняется операция. Под архитектурой микропроцессорных устройств понимают совокупность следующих характеристик и параметров:

• разрядность адресов и данных;

• состав, имена и назначение программно доступных регистров;

• форматы и систему команд;

• режимы адресации памяти;

• способы машинного представления данных разного типа;

• структура адресного пространства;

• способы адресации периферийных устройств и средства выполнения операций ввода/вывода;

• классы прерываний, особенности инициирования и обработки прерывания.

Различают универсальные и специализированные микропроцессоры:

• универсальные по своей структуре архитектуре ориентированы на выполнение достаточно большого числа классов различных задач необязательно в реальном масштабе времени. Сюда относится, например, семейство микропроцессоров Intel 80х86.

• специализированные микропроцессоры по своей структуре архитектуре предназначены для решения одного или нескольких классов специальных, близких между собой задач. Сюда относятся, например микропроцессоры семейства TMS 320 предназначенные для цифровой обработки сигналов, алгоритмы которой содержат большое количество операций умножения и деления.

Лекция 11. Производство микропроцессоров

Поколения микропроцессоров и их основные характеристики. Технологические достижения при производстве микропроцессоров. Производственные линии микропроцессоров. Основные микропроцессорные комплекты и их функциональный состав. Секционированный микропроцессорный комплект БИС серии К589.

Поколения микропроцессоров и их основные характеристики

История персональных компьютеров (ПК) начинается с 1971г., когда американская фирма Intel разработала 4-разрядный микропроцессор (МП) 4004 для калькулятора. Он содержал около тысячи транзисторов и мог выполнять 8000 операций в секунду. Вскоре для терминала была выпущена 8-битная версия данного МП, получившая название 8008. Оба МП всерьез восприняты не были, поскольку рассчитывались для конкретных применений. Они относятся к МП первого поколения.

В конце 1973 г. фирма Intel разработала однокристальный 8-разрядный МП 8080, рассчитанный для многоцелевых применений. Он был сразу замечен компьютерной промышленностью и быстро стал "стандартным". По стоимости он был доступен даже для любителей. Одни фирмы начали выпускать МП 8080 по лицензиям, другие - предложили его улучшенные варианты. Так, группа инженеров фирмы Intel, образовав собственную фирму Zilog, в 1976 г. выпустила МП Z80, сохраняющий базовую архитектуру 8080. Фирма Motorola разработала собственный 8-разрядный МП М6800, нашедший впоследствии широкое применение и развитие.

Сама фирма Intel усовершенствовала свой МП, выпустив его модификацию 8085, отличающуюся повышенным быстродействием, встроенными генератором и системным контроллером, дополнительным последовательным вводом-выводом и улучшенной системой прерываний.

Для программируемых контроллеров, решающих несложные задачи, стали разрабатываться однокристальные микроЭВМ, объединяющие в одном корпусе МП подсистему ввода-вывода и память (8048 фирмы Intel, TMS1000 фирмы Texas Instruments и др.). Описанные 8-разрядные МП относятся ко второму поколению микропроцессоров.

ЭВМ на основе 8-разрядных МП получили широкое распространение и работали под управлением операционной системы (ОС) CP/M (Control Programm/Microcomputers). В 1978 г. фирма Intel начинает выпуск 16-разрядного МП 8086. Вскоре фирмы Motorola и Zilog отвечают созданием 16-разрядных МП M68000 и Z8000. Перечисленные МП относятся к микропроцессорам третьего поколения.

Однако рынок уже был наполнен 8-разрядными компонентами и периферийными устройствами. С целью преемственности в 1979 г. фирмой Intel выпускается компромиссный вариант - микропроцессор 8088. Повторяя внутри МП 8086, новый МП имел 8-разрядную внешнюю шину данных, что, хотя несколько и снижало производительность, позволяло легко использовать его с имевшейся в достатке 8-битной периферией.

Осенью 1981 г. фирма IBM объявила о создании серии ЭВМ IBM PC, основой которой был МП 8088. Разработка имела колоссальный успех, объясняемый отчасти использованием новой операционной системы MS-DOS [23, 24]. К началу 1988 г. в мире было выпущено более 60 млн. персональных ЭВМ, в том числе 25 млн. IBM PC-совместимых. Из них более 15 млн. было произведено самой фирмой IBM.

Спрос на ПК намного превысил предложение, особенно после появления компактных компьютеров класса Laptop ("наколенный"). Так, фирма Compaq Computer в конце 1982 г. выпустила компьютер Compaq Portable весом 12 кг, программно совместимый с IBM PC.

Весной 1983 г. фирма IBM выпускает модель PC XT с жестким диском. Осенью этого же года фирма Compaq отвечает появлением совместимого ПК Compaq Plus. Кроме того, фирма Intel начинает выпуск усовершенствованных модификаций прежнего МП - микропроцессоров 80186 и 80188, а также объявляет о создании нового поколения микропроцессоров - 80286.

В 1984 г. фирма IВМ выпускает упрощенную, "домашнюю", версию ПК под названием PCjr или Junior. Вопреки ожиданиям, модель оказалась неудачной, и в 1985 г. ее выпуск был прекращен. Во многом это было обусловлено успехом нового компьютера IBM PC AT (Advanced Technologies), построенного на основе МП 80286. Компьютеры этой серии быстро завоевали весь мир и несколько лет оставались наиболее популярными.

В апреле 1987 г. фирма IBM объявляет о создании нового семейства компьютеров PS/2 (Personal Systems), а в конце года для него появляется многозадачная операционная система OS/2 [10]. На разработки возлагались очень большие надежды, оправдавшиеся не в полной мере, поскольку лишь немногие производители совместимого оборудования поддержали новые стандарты, оставив фирму IBM практически в одиночестве.

Первые 32-разрядные микропроцессоры появились на мировом рынке в 1983-1984 гг., но их широкое использование в высокопроизводительных ПК началось с 1985 г. после выпуска фирмами Intel и Motorola микропроцессоров 80386 и М68020 соответственно. Эти БИС открыли новое микропроцессорное поколение, реализующее обработку данных на уровне "больших" ЭВМ.

В 1989 г. был начат выпуск более мощного МП 80486 с быстродействием более 50 млн. операций в секунду. Необходимо заметить, что фирма Intel называет свои процессоры - iAPX186, iAPX286, iAPX386, iAPX486, хотя вне ее их называют 80186, 80286, 80386, 80486. В марте 1993 г. фирма Intel продолжает ряд 80х86 выпуском микропроцессора Р5 "Pentium" с 64-разрядной архитектурой. Возможность использования имеющихся программ обеспечила новым разработкам большой коммерческий успех.

В настоящее время продаются процессоры серии Pentium-III с частотами более 700 Мгц.

Помимо традиционных компьютеров с полным набором команд (Complex Instruction Set Computer - CISC) развивается относительно новое направление компьютеров с сокращенным набором команд (Reduced Instruction Set Computer - RISC). Так, фирма Intel в 1989 г. выпустила 64-разрядный RISC-микропроцессор 80860.

В 1990 г. фирма IBM создала RISC-процессор POWER PC (Performance Optimization With Enhanced RISC). Обладая примерно равной производительностью с процессором Pentium, он потребляет меньшую мощность и в несколько раз дешевле. ПК RS/6000 стал первым компьютером с микропроцессором POWER PC. В сентябре 1993 г. был изготовлен процессор POWER 2. Новые МП активно поддержала фирма Apple, выпустив ряд компьютеров POWER Macintosh (до этого ПК серии Macintosh использовали МП 680х0 фирмы Motorola).

Серьезным конкурентом разработчикам мощных ПК стала фирма SUN Microsystems. Ее компьютеры с открытой архитектурой SPARC (Scalable Processor Architecture), используя RISC-процессоры серий MicroSPARC и SuperSPARC, показывают очень высокую производительность при малых аппаратных затратах. Эти компьютеры, оснащенные высококачественной графической видеосистемой, используются для САПР, систем мультимедиа, а также в качестве мощных файл-серверов в разнородных вычислительных сетях.

Снижение цены высокопроизводительных МП привело к тому, что за рубежом практически прекращен выпуск ПК с процессором, ниже Pentium-II.

Таблица 1

Модельный ряд процессоров, выпущенных корпорацией Intel в 1969...2000 гг.

Название процессора	Тактовая частота CPU, МГц	Количество транзисторов, млн	Технология изготовления, мкм	Напряжение питания, В
4004	0,108	0,0023	3	5
8086	5	0,029	3	5
80286	12...16	0,134	1,5	5
80386	25...33	0,275	1,5	5; 3,3
80486	25...120	1,2...1,8	1	5; 3,3
Pentium	60...200	3,1...3,3	0,8; 0,5; 0,35	5; 3,3
Pentium MMX	166...233	4,5	0,35	2,8
Pentium Pro	166...200	5,5	0,5; 0,35	3,3
Pentium II	233...450	7,5	0,35; 0,25	2,8; 2,0
Pentium III	450...1000	18; 25	0,25; 0,18	1,5; 1,65
Pentium 4	1300...1500	42	0,18	1,7

Технологические достижения при производстве процессоров.

В последние несколько лет исследовательские лаборатории IBM, ведущие разработки полупроводниковых технологий, сделали целый ряд крупных достижений, ставших прямым результатом ежегодных крупных инвестиций в НИОКР. Помимо собственно технологических достижений, IBM значительно ускорила процесс разработки продукции. Это позволило выпустить в кратчайшие сроки такие революционные системы, как IBM @server pSeries 690 и zSeries 900. Разработка новых технологий позволяет IBM оставаться ключевым игроком на динамичном компьютерном рынке.