Media/Default/method/Шахнов В.А. Развитие и применение

В. А. Шахнов
РАЗВИТИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ
И МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ КОМПЛЕКТОВ БИС
Анализ возможностей микропроцессоров и микропроцессорных комплектов
позволил определить области применения микропроцессоров, где их использование
технически и экономически оправдано.
Более чем десятилетняя история развития микропроцессорной техники полностью
подтвердила предполагавшееся революционизирующее влияние микропроцессоров
практически на все сферы человеческой деятельности. Это влияние оказалось
существенным в равной степени и на потребителей, и на изготовителей
микропроцессорных больших интегральных схем (МП БИС). В конце 60-х — начале 70-х
годов фирмы и предприятия, достигшие успеха в создании высокоинтегрированных
микросхем с регулярной структурой, попытались создать функционально
сложные БИС, механически деля электрическую схему ЭВМ на отдельные части, в
принципе реализуемые по степени интеграции в виде одной БИС. Этот путь оказался
ошибочным, так как в одной ЭВМ практически не было идентичных частей, а число
выводов каждой части исчислялось десятками и даже сотнями.
Альтернатива такому пути — разделение схемы ЭВМ «по горизонтали» или «по
вертикали» на отдельные узлы, блоки, устройства, которые по числу элементов и
количеству входов-выходов могут быть «вмонтированы» в кристалл интегральной схемы
(ИС).
При горизонтальном разделении схема ЭВМ представляется в виде совокупности
п одинаковых слоев (Slice), включающих отдельные равнозначные фрагменты всех
входящих в ее структуру устройств и ведущих обработку части (2, 4, 8) из всех разрядов
операндов. Электрически слои объединяются специальными связями или схемами. По
типу устройств управления такие ЭВМ относятся, как правило, к ЭВМ с
микропрограммным управлением (набор команд может быть определен произвольно).
При вертикальном разделении схема ЭВМ делится на функционально законченные
блоки, устройства, например, операционный блок, блок управления, блоки ОЗУ, ПЗУ и т.
д., которые могут быть реализованы в виде ИС.
По типу устройства управления такие ЭВМ относятся, как правило, к ЭВМ с
аппаратной реализацией сигналов управления (с жесткой логикой, с хранящейся в памяти
неизменяемой системой команд).
Горизонтальное и вертикальное разделения схемы ЭВМ породили два типа
архитектуры микропроцессоров (МП): секционированные с наращиванием разрядности и
микропрограммным управлением и однокристальные с фиксированными разрядностью и
системой команд.
Секционированный микропроцессор обладает способностью к наращиванию
параметров (прежде всего разрядности обрабатываемых данных) и функциональных
возможностей. Секционированный МП образован несколькими БИС, каждая из которых
представляет собой функциональную часть процессора ЭВМ. Каждая из БИС
секционированного МП способна объединяться с такими же или смежными БИС, образуя
при этом различные функциональные устройства ЭВМ. К секционированному МП
обычно подключается БИС ПЗУ с хранящимися в ней микрокомандами. Процессорная
секция этого типа МП включает (рис. 1): арифметическо-логическую секцию (АЛС), блок
регистров, входные мультиплексоры, выходные регистр-адреса и регистр-аккумулятор,
дешифратор микрокоманд, входные (Вх. Ш) и выходные
(Вых. Ш) шины. Работой микропроцессорно секции управляют сигналы дешифратора
микрокоманд. Каждая микрокоманда подается после исполнения предыдущей. Исходные
данные поступают по Вх. Ш 1 (из оперативно запоминающего устройства) или по Вх. Ш 2
(из устройства ввода-вывода информации) через мультиплексоры в АЛС. Результат выполненной операции через регистр-аккумулятор поступает на Вых. LLI 4 (по адресу,
формируемому в выходном регистре адреса), а также на блок регистров для временного
хранения и на мультиплексоры для использования на следующих этапах расчета. Связь с
другими секциями осуществляется через линии признаков и межразрядных связей.
Микропроцессор с фиксированными разрядностью и набором команд конструктивно
выполняется в виде одной интегральной схемы и представляет собой процессор ЭВМ. Все
выполняемые таким МП операции определяются хранящимися в нем командами. В состав этого типа микропроцессора входят (рис. 2): арифметическо-логическое устройство
(АЛУ), выходной регистр адреса, регистр аккумулятор, блок регистров, регистр
признаков, схема управления, шины входная (Вх. Ш 1), выходная (Вых. Ш 2) и
управления.
Особенность однокристального МП — наличие внутренней шины, по которой
происходит обмен информацией между всеми функциональными устройствами МП.
С целью расширения возможностей как секционного, так и однокристального микропроцессора к ним подключают дополнительные схемы, выполняющие те или иные
функции. которые вместе с микропроцессорными образуют микропроцессорный комплект
интегральных схем (МПК НС).
МПК ИС — совокупность- конструктивно и электрически совместимых ИС,
предназначенных для построения микропроцессора, микроЭВМ и др. вычислительных
устройств с определенным составом и требуемыми техническими характеристиками.
Основу МПК ИС составляет базовый комплект ИС одной серии, из соответствующего
набора
которых
может
быть
построен
микропроцессор.
Базовый
МПК
ИС может состоять из микросхемы однокристального микропроцессора с фиксированными разрядностью и набором команд или комплекта ИС многокристального
секционированного микропроцессора (рис. 3). Для расширения функциональных
возможностей микропроцессора базовый МПК ИС дополняется другими типами ИС: ОЗУ,
ПЗУ, ППЗУ, интерфейсных, контроллеров внешних устройств и т. д. Эти ИС могут иметь
то же обозначение, что и базовый МПК ИС, или другой номер серии или даже иной тип
корпуса. Микросхемы МПК в количествах, необходимых и достаточных для построения
конкретного типа вычислительного устройства, образуют микропроцессорный набор
интегральных схем.
Успехи микроэлектроники в повышении степени интеграции микросхем позволили
создать в одном кристалле третью архитектурную разновидность микропроцессорных
БИС: однокристальную микроЭВМ. Операционный блок, ОЗУ, ПЗУ, устройство
управления и другие функциональные части этого типа микроЭВМ выполнены в одном
кристалле полупроводникового материала размером до 6X6 мм (рис. 4 и 5).
Степень интеграции кристалла, реализующего функции микроЭВМ, в зависимости
от ее разновидности, числа выполняемых. команд, емкости ОЗУ и ПЗУ и т. д., может
достигать 500 тыс. элементов и выше. Программа или набор команд, выполняемые
однокристальной микроЭВМ, как правило, постоянны и хранятся в собственном ПЗУ.
Микропроцессор как интегральная схема характеризуется типом корпуса, числом
выводов корпуса, видом технологии изготовления, степенью интеграции, помехоустойчивостью, числом источников питания, их номиналами и допусками на номиналы, потребляемой мощностью, нагрузочной способностью активных выходов, коэффициентом
объединения по входам, техническим ресурсом, устойчивостью к механическим,
климатическим и радиационным воздействиям.
Микропроцессор как вычислительное устройство характеризуется разрядностью
обрабатываемых данных и выполняемых команд, способностью к наращиванию
разрядности, тактовой частотой, числом команд (микрокоманд), внутренних регистров,
уровней прерывания, возможностью режима прерывания, типом интерфейса,
способностью к обработке десятичных кодов, объемом адресуемой памяти, прямым
доступом к памяти, наличием и объемом стека, типом, числом входных и выходных шин и
их разрядностью, объемом программного обеспечения.
Микропроцессоры могут быть классифицированы по ряду признаков, отражающих
их двойственную природу. МП, применяемый в вычислительной технике и цифровой
автоматике, называется универсальным, а МП, предназначенный для построения одного
типа
вычислительных
машин,
—
специализированным
(например,
БИС
микрокалькулятора).
По разрядности обрабатываемых данных МП могут быть 2-, 4-, 8-, 12-, 16-, 24-, 32разрядными. По способу управления их можно разделить на МП со схемным и МП с
микропрограммным управлением. Первые более быстродействующие, однако их
программированное «поведение» однозначно определяется хранящимися в них
командами и электрической схемой. Вторые при сравнительно меньшем быстродействии
функционируют в зависимости от последовательности микрокоманд, устанавливаемой
оператором. МП со схемным управлением электрически более сложен вследствие
желания «заложить» в него как можно больше команд и выполняется, как
правило, по униполярным технологиям, благодаря их большим возможностям по степени
интеграции.
Микропроцессоры выпускаются по микроэлектронным технологиям всех видов
(табл. 1), что позволяет потребителю оптимизировать свой выбор при построении средств
автоматизации.
ЭСЛ-технология определяет самое высокое быстродействие созданных на ее основе
БИС, но отличается самой низкой плотностью компоновки и высокой потребляемой
мощностью.
На основе этой технологии построен секционированный сверхбыстродействующий
микропроцессорный комплект серии К1800.
Секционированные
быстродействующие
микропроцессорные
комплекты,
выполненные по ТТЛШ-технологии, также отличаются сравнительно невысокой
плотностью компоновки и высокой потребляемой мощностью (все же меньшей, чем у
ЭСЛ приборов). Эти комплекты предназначены для построения различных контроллеров,
старших моделей микроЭВМ, а также для мини-ЭВМ и вычислительных машин типа ЕС
ЭВМ.
Микропроцессоры на основе И2Л технологии обладают усредненными
характеристиками. По плотности компоновки они уступают я-МДП-приборам, по
быстродействию — ЭСЛ и ТТЛ, по стоимости — р-МДП и п-МДП и т. д. Эти
микропроцессоры могут быть применены при построении микроконтроллеров и микроЭВМ с высокими, но не критичными к изменению параметров характеристиками.
Технология n-МДП обеспечивает самую высокую плотность компоновки и высокое
быстродействие, сравнимое с быстродействием ТТЛШ-приборов. Преодолимым
недостатком является трудность обеспечения широкого диапазона рабочей температуры
окружающей среды. На основе этой технологии выпускаются микропроцессорные
комплекты, в составе которых есть однокристальные микропроцессоры, микроЭВМ и
микроконтроллеры. Основное их применение — встраиваемые микроконтроллеры и
микроЭВМ.
КМДП-технология гарантирует сверхнизкое энергопотребление (единицы мВт) и высокую помехоустойчивость. Основные области ее применения — изготовление микросхем
для бытовой, носимой аппаратуры с аккумуляторным питанием и промышленное
оборудование, в первую очередь — устройства числового программного управления
станками.
Микропроцессоры на основе р-МДП-технологии отличаются низкой стоимостью и
применяются для микроЭВМ и бытовых приборов: калькуляторов, телеигр, часов и т. п.
Возможности микропроцессора и МПК ИС (а значит, и области применения) зависят
не только от характеристик БИС, образующих непосредственно микропроцессор:
быстродействия, адресуемого объема памяти, системы команд и т. д. Наличие в
микропроцессорном комплекте дополнительных интегральных схем обогащает
микропроцессор новыми качествами. К таким схемам следует отнести БИС памяти
различных типов (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, ЭППЗУ, УФППЗУ), контроллеры связи с
периферийными устройствами и устройствами стыковки с объектами контроля и
управления, специализированные процессоры обработки информации, формирователи
мощных сигналов и т. д. Однако по степени сложности некоторые из таких микросхем
могут быть приравнены к микропроцессору, что экономически ограничивает их
разработку и производство.
По выполняемым функциям дополнительные БИС следует отнести к классу
специализированных или заказных, в которых ограниченный набор функций выполняется
с большей производительностью, чем в универсальном микропроцессоре. Пример таких
БИС — включенные в МПК серии К1802 умножители, выполняющие аппаратным
способом операцию умножения двух чисел со значительно большей скоростью, чем это
смог бы выполнить программным способом универсальный микропроцессор.
Номенклатура дополнительных БИС очень широка. Большинство их может быть
реализовано с использованием базовых матричных кристаллов (БМК), получающих
широкое распространение в современной микропроцессорной технике.
Функциональная мощность БМК характеризуется числом ячеек (вентилей или
транзисторов), входов-выходов (выводов корпуса БИС), библиотечных элементов,
включающих элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ, триггеры различных типов. Так, БМК К1801ВП1
включает в себя 600 ячеек и стандартных элементов, в том числе 80 усилительных, 40
периферийных и 480 2-, 3-входовых схем И-НЕ, ИЛИ-НЕ и различных типов триггеров.
На основе этого типа БМК в микропроцессорном комплекте серии К1801
реализованы БИС управления динамической памятью (К1801ВП1—030), БИС управления
последовательным вводом-выводом (К18001ВП1—035), БИС управления параллельным
интерфейсом (К1801ВП1—033, 034) и др.
К тенденциям развития микропроцессорной технике следует отнести массовый
выпуск и широкое применение простых 4-разрядных микропроцессоров для управления
несложной аппаратурой, в основном бытовой техникой; выпуск по КМДП-технологии
микропроцессоров, выполненных ранее на других технологических принципах и хорошо
зарекомендовавших себя у потребителей; эмуляция в микропроцессорах наиболее
популярных архитектур ЭВМ.
Микропроцессоры применяются в бытовой технике и системах управления
космическими аппаратами, управлении автомобилем и анализаторах сложнейших
быстропротекающих процессов и т. д. Специалисты различных стран установили более
100 тыс. возможных применений микропроцессоров. При этом принимались в расчет
только те случаи, когда использование МП технически и экономически оправдано.
Автором проанализированы некоторые области применения микропроцессоров,
приведенных в табл. 1. Результаты анализа сведены в табл. 2.
В ежегодно рождающихся новых типах МП и дополнительных схем используются
последние достижения микроэлектроники и вычислительной техники. Это позволяет еще
более расширить области применения МП, достичь -еще большего эффекта от их применения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Березенко А. И., Назарьян А. Р., Карягин Л. Н. и др. Микропроцессорные
комплекты повышенного быстродействия. — М.: Радио и связь, 1981.—168 с.
2. Борисов В. С., Васенко в А. А., Малашевич Б. М. и др. Микропроцессорные
комплекты интегральных схем. Состав и структура /Под ред. А. А. Васенкова и В. А.
Шахнова.— М.: Радио и связь, 1982.— 192 с.