Микропроцессорные системы

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.

          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.

          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.

         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.

          Микропроцессоры менялись из поколения в поколения, таким образом существуют 4 вида поколений МПС:

          Первое  поколение приходится на появление электронно-вакуумной лампы позволило ученым претворить в жизнь идею создания вычислительной машины. Она появилась в 1946 году в США для решения задач и получила название ЭНИАК (ENIAC - Electronic Numerical Integrator and Calculator, в переводе "электронный численный интегратор и калькулятор). От неё начался отсчет пути, по которому пошло развитие ЭВМ.

          Второе поколение пришлось на период от конца 50-х до конца 60-х годов. Был изобретён транзистор, который пришёл на смену электронным лампам. Это позволило изменить элементную базу ЭВМ.

          Третий период длился с конца 60-х до конца 70-х годов. Появление интегральных схем ознаменовало новый этап в развитии вычислительной техники. Первой ЭВМ, выполненной на интегральных схемах, была IBM-360 фирмы IBM.

          Четвертый период оказался самым длинным - от конца 70-х годов по настоящее время. Новые технологии создания интегральных схем позволили разработать ЭВМ четвертого поколения на больших интегральных схемах (БИС), степень интеграции которых составляет десятки и сотни тысяч элементов на одном кристалле.

 

 

 

1.       Микропроцессорные системы

1. Описание микропроцессорных систем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          1.2     Общие требования, предъявляемые  к микропроцессорам.

Основанные критерий оценки МПС:

- отношение стоимость/производительность.

- надежность и отказоустойчивость.

- масштабируемость.

- совместимость и мобильность  программного обеспечения.

По отношению показателя  стоимости  к производительности можно выделить два крайних полюса:

- категория больших универсальных  ЭВМ и суперкомпьютеров, которые стоят очень дорого;

- категория ЭВМ массового применения, к которой в первую очередь  следует отнести персональные  компьютеры, для которых характерной  тенденцией является минимизация  отношения стоимости к производительности.

Для достижения высокой производительности и надежности больших ЭВМ приходится игнорировать стоимостные характеристики. Между этими двумя крайними полюсами находится класс миникомпьютеров и рабочих станций, для которых характерной тенденцией является поиск компромисса между стоимостью и производительности.

Для сравнения различных МПС  между собой используются стандартные  методики измерения производительности. Следует отличать производительность микропроцессоров от производительности МПС, хотя производительность МПС существенно  зависит от производительности микропроцессоров. Для измерения производительности вычислительных систем применяют тестовые программы. До усложнения архитектуры микропроцессоров основной мерой производительности компьютеров и, в частности, микропроцессоров считалась их тактовая частота. Этот параметр микропроцессоров остается важным показателем их производительности, но уже не является определяющим. 

Надежность – это  важнейшая характеристика МПС. Понятие  надежности включает не только аппаратные средства, но и программное обеспечение. Главной целью повышения надежности МПС является целостность хранимых и обрабатываемых в них данных. Искажение данных может произойти в результате отказов и сбоев. Для повышения надежности необходимо использовать с МПС электронные схемы с малой интенсивностью отказов, соблюдать правильный тепловой режим их работы, а также снижать уровень помех и совершенствовать методы сборки аппаратуры. Под отказоустойчивостью понимают свойство МПС, основанное на избыточном аппаратном и программном обеспечении, которое обеспечивает ей возможность продолжения действий, заданных программой, после возникновения отказов или сбоев. Наиболее распространенный способ введения избыточности аппаратного обеспечения – это параллельные, многопроцессорные и многомашинные МПС.

Масштабируемость означает возможность наращивания таких  ресурсов МПС, как числа и мощности процессоров, объемов оперативной  и внешней памяти. Масштабируемость МПС достигается за счет архитектуры, конструкторских решений, а также  средств программного обеспечения. Действительно масштабируемая вычислительная система

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3     Классификация микропроцессоров

 

          Существует следующие виды классификаций микропроцессоров:

          - по числу больших интегральных схем:

                    1) однокристальные;

                    2) многокристальные;

                    3) многокристальные секционные.

          - по назначению:

                    1)  универсальные;

                    2) специализированные.

     - по виду  обрабатываемых сигналов:

               1) цифровые;

               2) аналоговые.

          - по характеру временной организации:

                    1) синхронные;

                    2) асинхронные.

     - по организации структуры:

               1) одномагистральные;

               2) многомагистральные.

     - по количеству выполняемых программ:

               1) однопрограммные;

               2) многопрограммные.

          По числу больших интегральных  схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные. Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса.

          Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.

          Многокристальные секционные БИС МП изготавливают на основе технологии биполярных полупроводниковых приборов. Использование многокристальных микропроцессорных высокоскоростных биполярных БИС, имеющих функциональную законченность при малой физической разрядности обрабатываемых данных и монтируемых в корпус с большим числом выводов, позволяет организовать разветвление связи в процессоре, а также осуществить конвейерные принципы обработки информации для повышения его производительности.

          Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

          Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных.

          По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход.

          Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

          Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств.

          В одномагистральных МПС все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.

          В многомагистральных МПС устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.

          В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

          Во много или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль над состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.