Глава 10. Микропроцессоры и системы на их основе

МИКРОПРОЦЕССОРЫ И СИСТЕМЫ НА ИХ ОСНОВЕ

11.1. Микропроцессор как элемент вычислительной системы

Микроэлектронная элементная база предоставляет широкие возможности аппаратной реализации цифровых вычислительных систем. По виду структуры и способу получения функциональной зависимости цифровые преобразователи подразделяют на два типа устройств:

• с жесткой логикой, когда реализуемая функция определяется составом и соединением логических элементов;

• с гибкой организацией процесса обработки данных программным способом.

На современном этапе развития цифровой электроники преимущественное применение получили устройства с гибкой логикой программного управления на основе аппаратных средств микропроцессорных систем. В качестве самостоятельного полупроводникового устройства (элемента цифровой системы) производятся интегральные схемы микропроцессоров, выполняющих преобразование входных кодов чисел в соответствии с алгоритмом, зафиксированным во внешней программе,. Универсальность микропроцессоров обусловлена существенной аппаратной избыточностью по сравнению со специализированными устройствами на основе жесткой логики, что влечет за собой уменьшение степени интеграции. Кроме того, программное выполнение математических и логических операций, как правило, обладает меньшим быстродействием, а возможность воспроизведения множества логических функций базируется на избыточных системных ресурсах.

Микропроцессоры представляют собой сложнейшую продукцию массового электронного производства, используемую в самых различных областях. Типовые микропроцессорные вычислительные структуры (микропроцессорные системы) содержат один или несколько микропроцессоров и устройств аппаратной поддержки организации заданных численных процедур (устройства памяти различного уровня, системы синхронизации, приемо-передатчики, таймеры) и схем согласования (склеивающая логика). Схемы аппаратной поддержки могут быть выполнены в виде функционально завешенных БИС в отдельном корпусе. Достаточно простые схемы сопряжения (регистры, мультиплексоры, триггеры) часто строят на базе программируемой логики (ПЛИС).

Развитие вычислительной техники и полупроводниковой технологии в середине прошлого cтолетия закономерно привели к созданию микропроцессора. Была подробно разработана теория программно управляемых автоматов и создан класс миниЭВМ на полупроводниковых приборах. Когда уровень интеграции достиг значений (более миллиона транзисторов на кристалле), позволивших разместить на чипе основную часть элементов вычислительной системы аналогичной миниЭВМ, появился микропроцессор. Гибкая структура преобразователя была получена за счет управления взаимодействием фиксированных аппаратных средств, расположенных на кристалле, с помощью последовательности внешних сигналов (команд управления) на каждом шаге обработки данных.

За достаточно короткий срок своего существования микропроцессорные системы (МПС) прошли целый ряд этапов развития и продолжают совершенствоваться весьма высокими темпами. В 1971 году корпорация Intel (от Integrated Electronics – интегральная электроника) объявила о выпуске первого микропроцессора 4004, который на чипе площадью 0,1 см² содержал 2300 транзисторов p-МОП, выполненных по технологии 10 мкм. Он имел тактовую частоту 108 кГц и выполнял примерно 60 000 вычислительных операций в секунду с четырехразрядными числами. По мере совершенствования технологии и повышения степени интеграции возрастала длина машинного слова. Так микропроцессор 8080 той же фирмы, выпущенный в 1974 году, содержал на чипе размером 4,2  4,9 мм 6000 транзисторов, выполненных по n-МОП технологии с нормой 6 мкм. Тактовая частота микропроцессора 8080 составляла 2 МГц, что позволяло выполнять около 200 000 операций в секунду с восьмиразрядными числами.

Первое поколение микропроцессоров имело структуру во многом повторяющую структуру процессоров: арифметическое логическое устройство (АЛУ) с регистровой памятью и устройство управления, объединенные общей магистралью для передачи данных, команд и сигналов управления. Для получения микрокомпьютера приведенный состав необходимо дополнить устройствами ввода – вывода, памятью достаточного быстродействия и емкости, а также организовать шины (магистрали) для передачи данных.

Последующее совершенствование микропроцессоров охватывало как элементную базу, так и архитектуру (структуру, системы адресации и команд). Созданный в 1993 году микропроцессор Intel PENTIUM содержит на чипе 3 миллиона транзисторов, выполненных по технологии 0,35 мкм. Повышение быстродействие и увеличение нагрузочной способности обеспечивалось за счет применения логических Би - КМОП вентилей с биполярным транзистором на выходе. Трехслойная металлизация позволила оптимизировать топологию межсоединений и увеличить быстродействие за счет уменьшения значений нагрузочных емкостей. Использованные аппаратные средства совместно с архитектурными нововведениями (суперскалярная архитектура, предсказание правильного адреса перехода, наличие высокопроизводительного блока вычислений с плавающей запятой) позволили получить тактовую частоту 60…200 МГц при работе с 32-х разрядными числами.

Дальнейшие усовершенствования были направлены на создание широкой номенклатуры микропроцессоров с различными параметрами (повышение тактовой частоты, увеличение разрядности, оптимизация системы команд). Изменялось также и внешнее оформление микропроцессоров. Например, планарно-ленточный корпус (TCP – Tape Carrier Package) занимает на две трети меньшее пространство, чем стандартный SPGA корпус, что делает его незаменимым в мобильных и промышленных компьютерах.

Появились микропроцессоры, разработанные для применения в определенных приборах. По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры, обладающие существенно отличающимися характеристиками и параметрами.

У н и в е р с а л ь н ы е микропроцессоры предназначены для решения широкого круга весьма разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач.

С п е ц и а л и з и р о в а н н ы е микропроцессоры обладают проблемной ориентацией на ускоренное выполнение определенных функций, позволяющей резко увеличить эффективную производительность при решении задач определенного класса. Среди специализированных МП можно выделить математические процессоры, предназначенные для быстрого выполнения арифметических операций; микроконтроллеры, обеспечивающие сбор данных и управление в реальном масштабе времени, МП для обработки данных (сигнальные микропроцессоры).

Свойства современных микропроцессорных вычислительных систем зависят от совокупности взаимосвязанных аппаратных и программных средств, образующих понятие архитектуры, которое определяет состав, назначение, логическую организацию и порядок взаимодействия всех функциональных средств. Для удобства выбора струк­туры вычислительной системы принято классифицировать их по назначению и особен­ностям применения (рис.10.1).

Рис. 10.1. Классификация микропроцессорных систем.

По условиям эксплуатации выделяют офисные вычислительные средства (предназначены для работы в непроизводственных условиях) и промышленные системы (предназначены для непосредственного управления производственными и технологическими процессами), способные работать в условиях запыленности, больших перепадов температуры, вибрации и воздействия других факторов. В них обеспечена повышенная механическая прочность и стойкость к неблагоприятным воздействиям окружающей среды, защита от электромагнитных помех.

МикроЭВМ (микрокомпьютер) - это конструктивно завершенная микропроцессорная система, имеющая устройства связи с внешней аппаратурой, панель управления, собственный источник электропитания и комплект программного обеспечения, предназначенные для весьма широкого класса задач обработки больших массивов данных. По назначению и условиям эксплуатации в универсальных микроЭВМ выделяют несколько групп: персональные компьютеры (ПК, Personal Computer) - однопользовательские микроЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения; рабочие станции (Work Station) - однопользовательские мощные микроЭВМ, специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и др.); серверы (Server) - многопользовательские мощные микроЭВМ, выделенные для обработки запросов от всех станций вычислительной сети.

МикроЭВМ основаны на модульной структуре с организацией обмена данными и передачи управляющих сигналов по системной шине (магистрали), представляющей собой совокупность сигнальных линий, функционирующих в соответствии с протоколом. Универсальность ЭВМ получена за счет сложного системного управления и избыточности ресурсов, которые в ряде приложений применяют для конкретного использования и получают специализированные системы.

Периферийные программируемые контроллеры (Peripheral Interface Controller - PIC), разработанные для сопряжения МП с периферийными быстродействующими устройствами (дисплеями, фотосчитывателями, внешними ЗУ); по мере развития стали широко использоваться для контроля и управления объектами в режиме реального времени (on line) параллельно с основным вычислительным устройством.

Микроконтроллеры (МК), предназначенные для сбора информации, контроля и управления производственными и другими объектами. Микроконтроллеры разработаны с ориентацией на конкретную область применения в качестве встраиваемых приборов. Это определило их аппаратную реализацию, отличающуюся функциональной завершенностью, малыми габаритами и энергопотреблением, значительным числом портов для подключения внешних устройств, а также наличием специальных устройств: контроллеров обмена данными, генераторов и таймеров, аналого-цифровых преобразователей (АЦП), блоков автономного электропитания. МК имеют архитектурные отличительные признаки: упрощенный сравнительно небольшой набор команд, незначительную емкость ОЗУ и другие.

В распространенных промышленных системах управления (например, автоматизированном электроприводе) используются функционально и конструктивно завершенные микропроцессорные системы (“motion control”), имеющие, многоуровневую структуру. Нижний уровень непосредственного управления электродвигателем построен на базе микроконтроллера, который поддерживает встроенную или отдельную плату широтно-импульсного модулятора (ШИМ) для управления силовым блоком, а также АЦП для преобразования сигналов датчиков положения и тока в цифровой код. Верхний уровень управления представлен мощной микроЭВМ (или рабочей станцией), решающей задачи траекторного управления электроприводом одновременно по нескольким координатным составляющим (осям). Область применения систем motion control простирается от управления многокоординатными станками до применения в самолетах и подводных аппаратах.

Сигнальные микропроцессоры (СМП) предназначены для сложной цифровой обработки больших информационных потоков сигналов в реальном масштабе времени (система машинного зрения роботов, обработка метеорологических данных и многие другие задачи), что требует весьма больших вычислительных мощностей. Специализация СМП заключается в аппаратном выполнении математических операций, наиболее часто используемых при обработке сигналов (фильтрации, прогнозировании и т.п.). Основой СМП служит процессор для цифровой обработки сигналов (DSP – Digital Signal Processing), который добавлением АЦП и ЦАП используют для обработки непрерывных сигналов (аналоговый сигнальный процессор).

Многопроцессорные вычислительные системы (МПВС) или суперкомпьютеры созданы в виде параллельных структур с целью сверхскоростной обработки (производительностью свыше 100 миллионов операций с плавающей точкой в секунду) очень больших объемов данных. Например, многоцелевой суперкомпьютер среднего класса на микросхемах сверхвысокой степени интеграции Intel Pentium Pro 200 содержит 9200 процессоров Pentium Pro на 200 Мгц, обеспечивающих общую производительность 1,34·10¹² операций с плавающей точкой в секунду, имеет 537 Гбайт памяти и диски ёмкостью 2,25 Терабайт.

Микропроцессорные системы постоянно и достаточно быстро совершенствуются на основе новых моделей микропроцессоров и собственной архитектуры. Сложности выбора структуры вычислительного комплекса для обработки данных в основном связаны с множеством возможных вариантов при отсутствии четкой классификации устройств и разграничения областей применимости в зависимости от их свойств.