Основные типы и характеристики микропроцессоров

Содержание

 

Введение .…………………………………………………………………..…2

1. История развития первых микропроцессоров …………………………4
2. Области применения микропроцессорных вычислительных систем…10
3. Классификация……………………………………………………………14
4. Структура микропроцессора……………………………………………22
1. Физическая структура …………………………………………22
2. Логическая структура………………………………………….27
5. Характеристики микропроцессоров…………………………………….31
6. Архитектура . …....…………………………………………….…………34
1. Функции типового микропроцессора…………………………34
2. Устройство управления.… ……………………………………35
3. Система команд……………………………….………………..37
4. Режимы адресации………………………………………………40
5. Типы архитектур……………………………………………….41
6. Организация прерываний ………………………………………43

Заключение …………………………………………………………………46

  Список литературы ...………… ……………………………………………47

 

 

Введение

 

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.

Микропроцессор выполняет следующие  основные функции:

• Чтение и дешифрацию команд из основной памяти;
• Чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;
• Прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;
• Обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;
• Выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера. [ 1 ]

Данная работа посвящена изучению микропроцессоров, а именно:

1 История развития первых микропроцессоров;

2 Области их применения;

3 Классификация;

4 Структура микропроцессора;

5 Основные характеристики;

6 Архитектура МП.

Курсовой проект является самостоятельной  творческой работой, и поэтому в задании на проектирование указываются назначение задачи. Все остальные данные, необходимые для проектирования, выбираются самостоятельно из нормативной, технической и учебной литературы. При работе над курсовым проектом студент должен показать умение самостоятельно находить, изучать и обрабатывать информацию.

Дата выдачи задания для курсового  проекта 7 сентября 2011 года. Срок сдачи  законченного проекта 25 декабря 2011 года.

1 История развития первых микропроцессоров

 

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.

МП Intel-4004 был размером менее 3 см и  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. Он работал на частоте 108 кГц (108000 тактов в секунду, или 0.1 МГц). Процессор 4004 содержал 2300 транзисторов и производился с использованием 10 микронной технологии. Это означает, что каждая линия, дорожка или транзистор располагались от других элементов на расстоянии около 10 микрон (миллионная часть метра). Максимальный адресуемый объем памяти был равен 640 байт. Процессор 4004 предназначался для использования в калькуляторах, однако в конечном итоге нашел и другие применения в связи с широкими возможностями программирования. Например, процессор 4004 использовался для управления светофорами, при анализе крови и даже в исследовательской ракете Pioneer 10, запущенной NASA.

В апреле 1972 года Intel выпустила процессор 8008, который работал на частоте 200 кГц. Он содержал 3500 транзисторов и  производился все по той же 10 микронной  технологии. Шина данных была 8 разрядной, что позволяло адресовать 16 Кбайт памяти. Этот процессор предназначался для использования в терминалах и программируемых калькуляторах.

Следующая модель процессора, 8080, была анонсирована в апреле 1974 года. Этот процессор содержал 6000 транзисторов и мог адресовать уже 64 Кбайт памяти. На нём был собран первый персональный компьютер (не PC) Altair 8800. В этом компьютере использовалась операционная система CP/M, а Microsoft разработала для него интерпретатор языка BASIC. Это была первая массовая модель компьютера, для которого были написаны тысячи программ.

Со временем процессор 8080 стал настолько  известен, что его начали копировать. В конце 1975 года несколько бывших инженеров Intel, занимавшихся разработкой  процессора 8080, создали компанию Zilog. В июле 1976 года эта компания выпустила процессор Z80, который представлял собой значительно улучшенную версию 8080. Этот процессор был не совместим с 8080 по контактным выводам, но сочетал в себе множество различных функций, например интерфейс памяти и схему обновления ОЗУ (RAM), что давало возможность разработать более дешевые и простые компьютеры. В Z80 был также включен расширенный набор команд процессора 8080, позволяющий использовать его программное обеспечение. В этот процессор вошли новые команды и внутренние регистры, поэтому программное обеспечение, разработанное для Z80, могло использоваться практически со всеми версиями 8080. Первоначально процессор Z80 работал на частоте 2,5 МГц (более поздние версии работали уже на частоте 10 МГц), содержал 8,5 тыс. транзисторов и мог адресовать 64 Кбайт памяти. Компания Radio Shack выбрала процессор Z80 для своего первого персонального компьютера TRS80 Model 1. Следует заметить, что Z80 стал первым процессором, используемым во многих новаторских системах, в том числе Osborne и Kaypro. Этому примеру последовали другие компании, и вскоре Z80 стал стандартным процессором для систем, работающих с операционной системой CP/M и наиболее распространенным программным обеспечением того времени.

Компания Intel не остановилась на достигнутом и в марте 1976 года выпустила процессор 8085, который содержал 6 500 транзисторов, работал на частоте 5 МГц и производился по 3 микронной технологии.

В этом же году компания MOS Technologies выпустила  процессор 6502, который был абсолютно не похож на процессоры Intel. Он был разработан группой инженеров компании Motorola.

Эта же группа работала над созданием  процессора 6800, который в будущем  трансформировался в семейство  процессоров 68000. Цена первой версии процессора 8080 достигала 300 долларов, в то время как 8 разрядный процессор 6502 стоил всего около 25 долларов. Такая цена была вполне приемлема для Стива Возняка (основателя компании Apple Computer) и он встроил процессор 6502 в новые модели Apple I и Apple II. Процессор 6502 использовался также в системах, созданных компанией Commodore и другими производителями. Этот процессор и его преемники с успехом работали в игровых компьютерных системах, в число которых вошла приставка Nintendo Entertainment System (NES).

Компания Motorola продолжила работу над созданием серии процессоров 68000, которые впоследствии были использованы в компьютерах Apple Macintosh.

В июне 1978 года Intel выпустила процессор 8086, который содержал набор команд под кодовым названием х86. Этот же набор команд будет поддерживался и в процессорах Pentium. Процессор 8086 была 16 разрядная шина данных и внутренних регистров. Он содержал 29000 транзисторов и работал на частоте 5 МГц. Благодаря 20 разрядной шине адреса он мог адресовать 1 Мбайт памяти. При создании процессора 8086 обратная совместимость с 8080 не предусматривалась. Но в то же время значительное сходство их команд и языка позволили использовать более ранние версии программного обеспечения. Это свойство впоследствии сыграло важную роль в развитии программного обеспечения ПК, включая операционную систему CP/M.

Несмотря на высокую эффективность  процессора 8086, его цена была все  же слишком высока по меркам того времени  и, что гораздо важнее, для его  работы требовалась дорогая микросхема поддержки 16 разрядной шины данных. Чтобы уменьшить себестоимость процессора, в 1979 году Intel выпустила упрощенную версию 8086, которая получила название 8088.

Процессор 8088 использовал те же внутреннее ядро и 16 разрядные регистры, что  и 8086, мог адресовать 1 Мбайт памяти, но в отличие от предыдущей версии, использовал внешнюю 8 разрядную шину данных. Это позволило обеспечить обратную совместимость с ранее разработанным 8 разрядным процессором 8085 и тем самым значительно снизить стоимость создаваемых системных плат и компьютеров. Именно поэтому фирма IBM выбрала для своего первого ПК «урезанный» процессор 8088, а не 8086.

Это решение имело далеко идущие последствия для всей компьютерной индустрии. Процессор 8088 был полностью  программно совместимым с 8086, что  позволяло использовать 16 разрядное программное обеспечение. В процессорах 8085 и 8080 использовался очень похожий набор команд, поэтому программы, написанные для процессоров предыдущих версий, можно было легко преобразовать для процессора 8088. Это, в свою очередь, позволяло разрабатывать разнообразные программы для IBM РС, что явилось залогом его будущего успеха. Так же Intel была вынуждена обеспечить поддержку обратной совместимости 8088/8086 с большей частью процессоров, выпущенных в то время.

Одним из основных изменений стал переход от 16разрядной внутренней архитектуры процессора 286 и более ранних версий к 32разрядной внутренней архитектуре 386го и последующих процессоров, относящихся к категории IA32 (Intel Architecture 32 bit - 32 разрядная архитектура Intel). Эта архитектура была представлена в 1985 году, однако потребовалось 10 лет, чтобы на рынке появились такие операционные системы, как Windows 95 (частично 32 разрядные) и Windows NT (требующие использования исключительно 32 разрядных драйверов). И только еще через шесть лет появилась операционная система Windows XP, которая была 32 разрядной как на уровне драйверов, так и на уровне всех компонентов.

Теперь наблюдается очередной "скачок”  в развитии архитектуры ПК - компании Intel и AMD представили 64разрядные расширения для 32 разрядной архитектуры Intel. Еще несколько лет назад компания Intel представила архитектуру IA64 (Intel Architecture 64 bit - 64 разрядная архитектура Intel), выпустив процессоры Itanium и Itanium 2, однако данная архитектура была абсолютно несовместима с 32 разрядной архитектурой.

Архитектура IA64 была анонсирована в 1994 году в рамках проекта по разработке компаниями Intel и HP нового процессора с  кодовым именем Merced, первые технические  детали были опубликованы в октябре 1997 года. В результате в 2001 году был выпущен процессор Itanium, поддерживающий архитектуру IA64.

Но, IA64 не являлась расширением архитектуры IA32, а была совершенно новой архитектурой. Это хорошо для рынка серверов (для этого IA64 и разрабатывалась), однако совершенно неприемлемо для мира ПК, который всегда требует обратной совместимости. Хотя архитектура IA64 и поддерживает эмуляцию IA32, при этом обеспечивается очень низкая производительность.

Компания AMD пошла по другому пути и разработала 64 разрядные расширения для архитектуры IA32. В результате появилась архитектура AMD64 (которая также называется x86-64). Через некоторое время Intel представила собственный набор 64разрядных расширений, который назвала EM64T (IA32e). Расширения Intel практически идентичны расширениям AMD, что означает их совместимость на программном уровне. В результате впервые в истории сложилась ситуация, когда Intel следовала за AMD в разработке архитектуры ПК. В конце 1990-х уже главным препятствием для разработки новых микропроцессоров становится тепловыделение, возникающее из-за утечек тока и других факторов.

Персональные компьютеры прошли долгий путь развития. Первый используемый в  ПК процессор 8088 содержал 29 000 транзисторов и работал с частотой 4,77 МГц. Процессоры AMD Athlon 64 и AMD Athlon 64 FX содержат 106 млн. транзисторов. Процессор Pentium 4 работает с частотой 3,8 ГГц и содержит 125 млн. транзисторов. [ 4 ] В будущем количество транзисторов и объемы кэш памяти будут только возрастать.

В данном пункте была рассмотрена  история развития первых микропроцессоров. Первый микропроцессор был выпущен за 10 лет до появления первого компьютера IBM PC. Рост мощности микропроцессоров следует закону Мура, который утверждает, что число транзисторов на интегральной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев.

 

2 Области применения микропроцессорных  вычислительных систем

 

Микропроцессоры находят широкое  распространение в тестовых и  контрольно-измерительных системах; системах управления технологическими процессами; программного управления станками; контроля состояний линий связи; подсистемах первичной обработки информации и управляющих системах промышленного назначения и системах автоматизации научного эксперимента; подсистемах управления периферийным оборудованием вычислительных систем и комплексов; специализированных вычислительных устройствах.

Дешевые микропроцессоры применяют  в часах, калькуляторах, кино- и фотокамерах, радиоприемниках и телевизорах. Микропроцессоры (например, однокристальные  микропроцессоры серии К580) ставятся в замки и звонки, домашние приборы и устройства.

Более дорогие микропроцессоры  успешно конкурируют с механическими  и электромеханическими блоками  управления «жесткой» или «аппаратурной» логики.

Обобщая рассмотренные примеры  использования микропроцессоров, можно  выделить четыре основных направления в применении микропроцессоров и микропроцессорных систем: