История развития микропроцессоров

История развития цифровых систем тесно связана с развитием и применением средств вычислительной техники и преобразования сигналов, так как теоретические идеи могут получить свое экспериментальное подтверждение и развитие только будучи реализованными на определенной элементной базе, удовлетворяющей высоким требованиям функциональности и производительности.

Первые машины с цифровыми системами были созданы в 40-х годах прошлого столетия для решения задач криптографии, баллистики, ядерной физики, практического построения систем противовоздушной обороны. Системы и методы цифровой обработки также разрабатывались в оборонных отраслях в первую очередь для решения задач радиолокации, обработки гидроакустических и тепловизионных сигналов.

Для обнаружения и уничтожения летательных аппаратов служили комплексы, состоящие из радиолокаторов, управляющих вычислительных машин и ракетных установок. В области военного морского приборостроения цифровые системы использовались, в частности, для анализа гидроакустических сигналов, определения шумовых паспортов кораблей на основе спектральных характеристик, вычисления корреляционных зависимостей паспорта и реального гидроакустического сигнала.

Рассмотрим две разработки отечественных вычислительных систем цифровой обработки, выполненные инженерами и учеными в 70-80 годах прошлого века. Спецпроцессор преобразования Фурье СПФ СМ был создан в 1983 году для обработки изображений поверхности планеты Венера в рамках выполнения соответствующей программы. Разработка проводилась Институтом электронных управляющих машин (ИНЭУМ) совместно с Институтом радиоэлектроники Академии наук СССР - ИРЕ АН.

Цифровые вычислительные системы "Напев" и "Айлама" предназначались для обработки гидроакустического сигнала и были предложены ЦНИИ "Агат" в 1978-1979 годах по техническому заданию Военно-морского флота (ВМФ) СССР.

Вышеприведенные разработки в силу исторических причин не послужили непосредственной основой создания аппаратной части современных микропроцессоров цифровой обработки сигналов, однако приобретенный опыт проектирования программных и аппаратных компонентов позволяет коллективам-разработчикам поддерживать мировой уровень в своих дальнейших исследованиях.

Современное гражданское применение цифровых систем лежит в области мультимедийных технологий, то есть обработки звука и изображений, включающей их сжатие, кодировку. В области цифровой связи цифровыми методами выполняется модуляция и демодуляция данных для передачи по каналам связи. Сегодня многие пользователи, имеющие на своем рабочем столе персональный компьютер, даже и не подозревают о наличии вычислительных средств - микропроцессоров, построенных на принципах цифровой обработки сигналов, находящихся на расстоянии вытянутой руки.

Цифровые системы перерабатывают в "недрах" компьютера цифровую информационную руду: без устали фильтруют, анализируют, распознают, модулируют/демодулируют, уплотняют и разуплотняют, кодируют/декодируют - всего не перечислишь.

А беря в руку трубку сотового телефона,скажем, от Motorolla например, многие наверное и не знают, что держат в руках специализированное вычислительное устройство, основу которого составляет цифровая системы с процессором обработки цифровых сигналов.

В цифровых системах при обработке информации, каждой переменной величине в системе ставится в соответствие ее цифровой код. Функциональные зависимости в системе реализуются путем непосредственного решения уравнений системы теми или иными численными методами по заранее заложенной программе. Устройство, реализующее это решение называется процессором. 
 
Первый процессор, как программно-функционирующее устройство, способное выполнять арифметические и логические операции, а так же осуществлять ветвление алгоритма своего функционирования в зависимости от результата предыдущих вычислений, был создан в 40-е годы нашего столетия в США специалистами фирмы IBM. Он представлял собой устройство на электро-механических реле, занимал несколько этажей здания, имел крайне низкое быстродействие и надежность, и был пригоден лишь для очень узкого класса специфических вычислений. По мере прогресса электронной техники усовершенствовалась и элементная база для построения процессоров. Появлялись процессоры на электронных лампах, транзисторах, дискретных логических микросхемах малой степени интеграции. По мере совершенствования процессоры имели все меньшие габаритные размеры, потребляли все меньше энергии, обладали все большей производительностью и надежностью. Однако они все еще были мало пригодны для выполнения операций управления в реальном масштабе времени, а по тому использовались в основном только для определенного класса вычислительных задач. 
 
Настоящая революция в вычислительной технике произошла после появления первого “микропроцессора”, т.е. процессора, выполненного в виде одной микросхемы большой степени интеграции. Это был 4-разрядный микропроцессор 4004 фирмы INTEL (1971 г.). В 1973 г. фирма INTEL выпускает 8-разрядный микропроцессор 8080, а в 1978 г. - 16-разрядный микропроцессор 8086, имеющий 29 тысяч транзисторов на кристалле и начальную стоимость 360$.  
 
В 1965 году один из основателей фирмы Intel Гордон Мур (Gordon Earle Moore) сформулировал «закон Мура», согласно которому число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года. Дальнейшая эволюция микропроцессоров подтвердила его правоту. В 1993 г. микропроцессор INTEL PENTIUM имел уже 3.2. млн. транзисторов на кристалле и начальную стоимость 878$, а появившиеся на рынке в 2011 г. Микропроцессоры семейства Intel Core I имеют на кристалле порядка 1 млрд. транзисторов. Основными направлениями эволюции микропроцессоров являлись (и являются) увеличение разрядности одновременно производимых вычислений и уменьшение времени выполнения вычислений. 
 
Микропроцессор - программно-управляемое устройство цифровой системы, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное в виде одной (или нескольких) интегральной схемы с высокой степенью интеграции электронных элементов. 
 
Уменьшение стоимости, потребляемой мощности и габаритных размеров, повышение надежности и производительности микропроцессоров способствовали значительному расширению сферы их использования. Наряду с традиционными вычислительными системами они все чаще стали использоваться в задачах управления. При этом перед микропроцессором ставились задачи программного управления различными периферийными объектами в реальном масштабе времени.

На процессор возлагается задача выполнения всех программных действий, необходимых в соответствии с алгоритмом работы устройства. В блоке памяти хранятся команды программы функционирования процессора, а также значения констант и переменных величин, участвующих в вычислениях. Блок ввода-вывода выполняет функцию сопряжения микропроцессорной цифровой системы с объектом управления. 
 
Широкое использование микропроцессорной техники именно для задач управления привело к появлению на рынке специализированных микропроцессорных устройств, ориентированных на подобного рода применения. Особенностью этих микросхем является то, что помимо собственно процессора, на этом же кристалле расположен блок памяти и блок ввода-вывода, что позволяет снизить функциональную сложность и габаритные размеры микропроцессорной цифровой системы управления.

Отличительной особенностью микропроцессорных цифровых систем является последовательное во времени выполнение команд процессором. Все команды, каждая из которых имеет конечное время выполнения, исполняются последовательно, одна за другой. Следовательно, от момента начала выполнения алгоритма до получения конечного результата проходит некоторый интервал времени. Это отрицательно сказывается на быстродействии цифровых систем, и , в частности, на области устойчивости и полосе пропускания цифровых систем. Однако, процесс повышения быстродействия микропроцессорных устройств идет неуклонно вперед и в настоящее время существуют микропроцессоры, минимальное время выполнения команды у которых меньше 1 нс. Временные параметры цифровых систем не изменяются с течением времени и не зависят от внешних факторов.

Т.е., в настоящее время, благодаря всему вышеперечисленному идет полномасштабное внедрение микропроцессорных цифровых систем практически во все сферы деятельности.

Список использованной литературы:

1. Сайт http://ru.wikipedia.org/
2. Солонина А. Улахович Д. “Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов”
3. Давыдов С.А. “Цифровые системы”