Микропроцессоры и микро-ЭВМ

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РК

АЛМАТИНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

По дисциплине: «Автоматизация производства»

На тему: «Микропроцессоры и микро-ЭВМ»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

ст. гр. КТОРА 4-2

Терёхин С.

Проверил:

Каирбекова С.К.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы 2011

Содержание

 

Введение

1. Развитие микропроцессоров

2. Структурная схема, принцип работы микропроцессора

3. Архитектуры, типы, характеристики и параметры микропроцессоров

Список литературы, источники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Характерной чертой  научно-технического прогресса, определяющей мощный дальнейший подъем  общественного производства, является широкое внедрение электроники  во все отрасли народного хозяйства.

Современная  электронная  цифровая вычислительная техника широко применяется в народном хозяйстве. В настоящее время создано четыре поколения ЭВМ с улучшающимися технико-экономическими показателями, что способствует  дальнейшему расширению  сферы применения  ЭВМ  и  их  эффективности.

Четвертое поколение  ЭВМ на основе интегральных схем  с  большой степенью интеграции элементов (БИС)  появилась в начале 70-х  годов и существенно изменило параметры  ЭВМ всех   классов. Вместе с тем возник совершенно новый  класс ВТ на  основе БИС - микропроцессорные вычислительные машины – микро-ЭВМ.

В конце 70-х годов в  результате интеграции всех электронных  устройств ЭВМ в одном кристалле  были созданы однокристальные микро-ЭВМ, вычислительная мощность которых не уступает  вычислительной  мощности средних ЭВМ начала 70-х  годов.

Микропроцессоры  и  микро-ЭВМ стали новым массовым классом ЭВМ вследствие  малой   материалоемкости и стоимости, низкого энергопотребления и высокой надежности.

Массовость этого нового класса и его высокие  технико-экономические  параметры оказывают революционизирующее влияние на целое поколение приборов, оборудования, агрегатов со встроенными микропроцессорными средствами.   

Микропроцессоры и микро-ЭВМ применяют в различных областях народного хозяйства (в управлении технологическими процессорами, информационных и измерительных комплексах, энергетике, медицине и др.). На базе выпускаемых микропроцессоров и микро-ЭВМ созданы высокопроизводительные устройства числового программного управления. Крупносерийное производство ряда моделей мини-ЭВМ позволяет начать работы по созданию нескольких типов проблемно-ориентированных комплексов для автоматизации научных исследований и технологических процессов. Особое значение микро-ЭВМ приобретают в связи с реализацией школьной реформы.  Микро-ЭВМ положены в основу  организуемых в каждой школе учебных классов по дисциплине «Основы информатики и вычислительной техники».

Микропроцессор – функционально законченное устройство обработки информации, управляемое хранимой в памяти программой. Появление микропроцессоров (МП) стало возможным благодаря развитию интегральной электроники. Это позволило перейти от схем малой и средней степени интеграции к большим и сверхбольшим интегральным микросхемам (БИС и СБИС).

По логическим функциям и структуре МП напоминает упрощенный вариант процессора обычных ЭВМ. Конструктивно он представляет собой одну или несколько БИС или СБИС.

По конструктивному  признаку МП можно разделить на однокристальные  МП с фиксированной длиной (разрядностью) слова и определенной системой команд; многокристальные (секционные) МП с наращиваемой разрядностью слова и микропрограммным управлением (они состоят из двух БИС и более).

Архитектура многокристального  МП с микропрограммным управлением  позволяет достичь гибкости в  его применении и сравнительно простыми средствами организовать параллельное выполнение отдельных машинных операций, что повышает производительность ЭВМ на таких МП.

Несмотря на то, что  возможности многокристальных МП существенно  выше, чем у однокристальных, многие прикладные задачи успешно решаются на основе однокристального микропроцессора.

 

 

1. Развитие микропроцессоров.

 

  ЭВМ получили широкое распространение, начиная с 50-х годов. Прежде это были очень большие и дорогие устройства, используемые лишь в государственных учреждениях и крупных фирмах. Размеры и форма цифровых ЭВМ неузнаваемо изменились в результате разработки новых устройств, называемых микропроцессорами.

Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов.

В 1970 году Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ - первый микропроцессор Intel-4004, который уже в 1971 году был выпущен в продажу.

15 ноября 1971 г. можно считать  началом новой эры в электронике.  В этот день компания приступила  к поставкам первого в мире  микропроцессора Intel 4004.

Это был настоящий прорыв, ибо  МП Intel-4004 размером менее 3 см был производительнее гигантской машины ENIAC. Правда работал  он гораздо медленнее и мог  обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ  обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил первый МП в десятки тысяч раз дешевле.

Кристалл представлял собой 4-разрядный  процессор с классической архитектурой ЭВМ гарвардского типа и изготавливался по передовой p-канальной МОП технологии с проектными нормами 10 мкм. Электрическая схема прибора насчитывала 2300 транзисторов. МП работал на тактовой частоте 750 кГц при длительности цикла команд 10,8 мкс. Чип i4004 имел адресный стек (счетчик команд и три регистра стека типа LIFO), блок РОНов (регистры сверхоперативной памяти или регистровый файл - РФ), 4-разрядное параллельное АЛУ, аккумулятор, регистр команд с дешифратором команд и схемой управления, а также схему связи с внешними устройствами. Все эти функциональные узлы объединялись между собой 4-разрядной ШД. Память команд достигала 4 Кбайт (для сравнения: объем ЗУ миниЭВМ в начале 70-х годов редко превышал 16 Кбайт), а РФ ЦП насчитывал 16 4-разрядных регистров, которые можно было использовать и как 8 8-разрядных. Такая организация РОНов сохранена и в последующих МП фирмы Intel. Три регистра стека обеспечивали три уровня вложения подпрограмм. МП i4004 монтировался в пластмассовый или металлокерамический корпус типа DIP (Dual In-line Package) всего с 16 выводами. В систему его команд входило всего 46 инструкций.

Вместе с тем кристалл располагал весьма ограниченными средствами ввода/вывода, а в системе команд отсутствовали  операции логической обработки данных (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ), в связи  с чем их приходилось реализовывать  с помощью специальных подпрограмм. Модуль i4004 не имел возможности останова (команды HALT) и обработки прерываний.

Цикл команды процессора состоял из 8 тактов задающего генератора. Была мультиплексированная ША (шина адреса)/ШД (шина данных), адрес 12-разрядный передавался  по 4-разряда.

1 апреля 1972 г. фирма  Intel начала поставки первого в  отрасли 8-разрядного прибора  i8008. Кристалл изготавливался по  р-канальной МОП-технологии с  проектными нормами 10 мкм и  содержал 3500 транзисторов. Процессор  работал на частоте 500 кГц при  длительности машинного цикла 20 мкс (10 периодов задающего генератора).

В отличие от своих  предшественников МП имел архитектуру  ЭВМ принстонского типа, а в  качестве памяти допускал применение комбинации ПЗУ и ОЗУ.

По сравнению с i4004 число РОН уменьшилось с 16 до 8, причем два регистра использовались для хранения адреса при косвенной адресации памяти (ограничение технологии - блок РОН аналогично кристаллам 4004 и 4040 в МП 8008 был реализован в виде динамической памяти). Почти вдвое сократилась длительность машинного цикла (с 8 до 5 состояний). Для синхронизации работы с медленными устройствами был введен сигнал готовности READY.

Система команд насчитывала 65 инструкций. МП мог адресовать память объемом 16 Кбайт. Его производительность по сравнению с четырехразрядными МП возрасла в 2,3 раза. В среднем для сопряжения процессора с памятью и устройствами ввода/вывода требовалось около 20 схем средней степени интеграции.

Возможности р-канальной  технологии для создания сложных  высокопроизводительных МП были почти  исчерпаны, поэтому "направление главного удара" перенесли на n-канальную МОП технологию.

1 апреля 1974 МП Intel 8080 был  представлен вниманию всех заинтересованных  лиц. Благодаря использованию  технологии п-МОП с проектными  нормами 6 мкм, на кристалле  удалось разместить 6 тыс. транзисторов. Тактовая частота процессора была доведена до 2 Мгц, а длительность цикла команд составила уже 2 мкс. Объем памяти, адресуемой процессором, был увеличен до 64 Кбайт.

За счет использования 40-выводного корпуса удалось разделить ША и ШД, общее число микросхем, требовавшихся для построения системы в минимальной конфигурации сократилось до 6 (рис. 1).

Рис. 1. Микропроцессор Intel 8080.

В РФ были введены указатель  стека, активно используемый при  обработке прерываний, а также  два программнонедоступных регистра для внутренних пересылок. Блок РОНов был реализован на микросхемах статической памяти. Исключение аккумулятора из РФ и введение его в состав АЛУ упростило схему управления внутренней шиной.

Новое в архитектуре  МП - использование многоуровневой системы прерываний по вектору. Такое техническое решение позволило довести общее число источников прерываний до 256 (до появления БИС контроллеров прерываний схема формирования векторов прерываний требовала применения до 10 дополнительных чипов средней интеграции). В i8080 появился механизм прямого доступа в память (ПДП) (как ранее в универсальных ЭВМ IBM System 360 и др.).

ПДП открыл зеленую улицу  для применения в микроЭВМ таких  сложных устройств, как накопители на магнитных дисках и лентах дисплеи на ЭЛТ, которые и превратили микроЭВМ в полноценную вычислительную систему.

Традицией компании, начиная  с первого кристалла, стал выпуск не отдельного чипа ЦП, а семейства  БИС, рассчитанных на совместное использование.

 

2. Принцип работы микропроцессора и структурная схема

В состав МП (рис. 1) входят арифметическо-логическое устройство, устройство управление и  блок внутренних регистров.

Арифметическо-логическое устройство состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, сдвигающего регистры и регистров для временного хранения операндов. Обычно это устройство выполняет по командам несколько простейших операций: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2.

Устройство управления управляет работой АЛУ и внутренних регистров в процессе выполнения команды. Согласно коду операций, содержащемуся в команде, оно формирует внутренние сигналы управления блоками МП. Адресная часть команды совместно с сигналами управления используется для считывания данных из определенной ячейке памяти или для записи данных в ячейку. По сигналам УУ осуществляется выборка каждой новой, очередной команды.

Блок внутренних регистров БВР, расширяющий возможности АЛУ, служит внутренней памятью МП и используется для временного хранения данных и команд. Он также выполняет некоторые процедуры обработки информации.

На рисунке (2) приведена более  подробная структурная схема  однокристального МП. Здесь блок внутренних регистров содержит регистры общего назначения и специальные регистры: регистр-аккумулятор, буферный регистр адреса, буферный регистр данных, счетчик команд, стека, признаков.

Регистры общего назначения (РОН), число которых может изменятся  от 4 до 64, определяют вычислительные возможности  МП. Их функция – хранение операндов. Но могут выполнять также и роль регистров. Все РОН доступны программисту, который рассматривает их как сверхоперативное запоминающее устройство.

Регистр – аккумулятор («накопитель»), предназначен для временного хранения операнда или промежуточного результата действий производимой в АЛУ. Разрядность регистра равна разрядности информационного слова.

Буферный регистр адреса служит для приема и хранения адресной части  выполняемой команды. Возможное  количество адресов, определяется разрядностью  регистра.

Буферный регистр данных используется для временного хранения выбранного из памяти слова перед  передачей его во внешнюю шину данных. Его разрядность определяется количеством байт информационного  слова.

Регистр команд принимает  и хранит код очередной команды, адрес которой находится в счетчике команд. По сигналу УУ в него передается из регистра хранимая там информация.

Регистры стека делятся на стек и указатель стека. В МП стек –  набор регистров, хранящих адреса команд возврата при обращении к подпрограммам или состояние внутренних регистров при обработке прерываний. Стек может быть выполнен не только на внутренних регистрах МП, составляя его часть, но и находиться в ОЗУ, занимая там отведенную для него зону. В последнем случае для обращения к нему необходим специальный регистр – указатель стека.

Указатель стека хранит адреса последней  занятой ячейки стека, которую называют вершиной. Содержащее в указателе  число указывает, где находится  вершина стека. Когда в стек записывается очередное слово, то число в указателе стека соответственно увеличивается. Извлечение слова из стека сопровождается, наоборот, уменьшением числа, заполняющего указатель стека. Кроме такой процедуры предусматривается возможность считывания без разрушений содержимого любой ячейки стека при неизменном числе, хранимом в указателе стека

Регистр признаков представляет собой набор триггеров – флажков. В зависимости от результатов  операций, выполняемых АЛУ, каждый триггер  устанавливается в состояние 0 или 1. Флажковые биты, определяющие содержимое регистра, индицируют условные признаки: нулевого результата, знака результата, перевыполнения и т. п. Эта информация, характеризующая состояние процессора, важна для выбора дальнейшего пути вычислений.

Рассмотрим более подробно основные части микропроцессора (рис. 2).

Внутренняя шина данных соединяет собой основные части  МП.

Шиной называют группу линий передачи информации, объединенных общим функциональным признаком. В микропроцессорной схеме используется три вида шин: данных, адресов и управления.

Разрядность внутренней шины данных т. е. количество передаваемых по ней  одновременно (параллельно) битов числа  соответствует разрядности слов, которыми оперирует МП. Очевидно, что  разрядность внутренней и внешней  шин данных должна быть одной и той же. У восьмиразрядного МП внутренняя шина данных состоит из восьми линий, по которым можно передавать последовательно восьмиразрядные слова – байты. Следует иметь в виду, что по шине данных передаются на только обрабатываемые АЛУ слова, но и командная информация. Следовательно, недостаточно высокая разрядность шины данных может ограничить состав (сложность) команд и их число. Поэтому разрядность шины данных относят к важным характеристикам микропроцессора – она в большей мере определяет его структуру (числа разрядов указаны на рисунке в скобках рядом с названиями блоков).