Микропроцессоры и однокристальные ЭВМ
Микропроцессор — устройство, обрабатывающее информацию в соответствии с программой, подаваемой по командам на его входы, и реализованное в одной или нескольких БИС. Очевидно, что микропроцессор не может функционировать без других интегральных схем, выполняющих функции синхронизации, согласования по нагрузке и др.
Совокупность интегральных схем, совместимых по конструктивно-технологическому исполнению и предназначенных для совместного применения при построении микропроцессоров, микро-ЭВМ и микропроцессорных систем, называется микропроцессорным комплектом. Таким образом, микропроцессор выполняет арифметические и логические операции, анализирует и принимает решения, изменяющие процесс вычисления, управляет процессом ввода и вывода информации, т. е. он реализует функции, обычно возлагаемые на центральный процессор ЭВМ.
Появление микропроцессоров прежде всего связано с успехами интегральной технологии. С момента «выхода в свет» БИС сразу же стал очевидным тот факт, что только те схемы цифровой вычислительной техники могут быть эффективно реализованы в них, которые обладают следующими свойствами: регулярностью структуры; серийностью, т. е. будут производиться большим тиражом; ограниченным числом входов и выходов, отношение которого к общей сложности БИС, т. е. к числу транзисторов, реализованных в ней, должно быть небольшим.
Среди стандартных устройств вычислительной техники эти свойства присущи запоминающим устройствам, которые первыми в середине 60-х гг. начали выпускать в виде БИС. Что касается управляющих автоматов, то реализация их в БИС сопряжена с большими расходами из-за того, что каждая управляющая схема — уникальна и, следовательно, требует создания специализированной (заказной) БИС в единственном экземпляре. Стремление производителей БИС избежать больших расходов и вместе с тем удовлетворить спрос на самые разнообразные устройства, способные выполнять как вычислительные, так и управляющие функции, привело к мысли создании программно-управляемых универсальных кристаллов, т. е. наделить логический элемент свойством программируемости, которое остается с ним в процессе его эксплуатации. Выделив в управляющем устройстве центральный процессор, память, схемы управления обменом с внешним миром, различные фирмы и производственные объединения начали производить универсальные элементы, способные выполнять различные последовательности команд, т. е. обладающие свойством программируемости. Таким образом, идея ЭВМ была реализована на уровне кристалла.
Первые микропроцессоры были предназначены соответственно для применения в калькуляторах и видеотерминалах, однако благодаря их универсальности они нашли широкое применение и в других устройствах, и сегодня купить российский процессор не представляет никакого труда.
Центральным звеном любого микропроцессора является арифметико-логическое устройство. Кроме того, в микропроцессор могут входить: быстродействующая память для хранения операндов и промежуточных результатов — регистры общего назначения (очень часто среди них выделяется аккумулятор — центр, в котором хранится операнд и помещается результат операции); регистры специального назначения — счетчик команд (PC), регистр команд (IR), флаги и указатель стека (SP); дешифратор команд и схемы организации машинных циклов; схемы синхронизации; схема формировании сигналов, необходимых для управления обменом с памятью и внешними устройствами, в частности реализации обмена по прерыванию и контроллерного — для прямого доступа в память микропроцессорной системы; формирователи — схемы, необходимые для увеличения нагрузочной способности выводов, согласования схем с различным типом технологий.
Принято называть БИС, выполняющие функции микропроцессора или некоторую часть из них и содержащие некоторое подмножество перечисленных устройств, микропроцессорными БИС. Кроме устройств, входящих в состав микропроцессора, в БИС могут быть включены: память ОЗУ и ПЗУ для хранения данных, программ и результатов; порты ввода-вывода со схемами управления; таймеры; АЦП и ЦАП. В настоящее время такие БИС относят к классу однокристальных микро-ЭВМ. Следует подчеркнуть, что четкой грани между микропроцессорами и однокристальными микро-ЭВМ нельзя провести. Наметилась определенная тенденция увеличения возможностей микропроцессоров и постепенного стирания грани между ними и однокристальными микро-ЭВМ.
В свою очередь, в недалеком будущем предполагается включать в состав однокристальных микро-ЭВМ мощные контроллеры ввода-вывода, предназначенные для реализации обмена со специализированными внешними устройствами. Среди свойств микропроцессорных БИС, по которым можно оценивать их возможности, самыми существенными являются; функциональное назначение, технические характеристики, архитектурные особенности.
Наиболее важными электрическими параметрами микропроцессоров являются: количество источников питания и их напряжения; потребляемый ток; потребляемая мощность; количество и амплитуды синхросерий; входная и выходная емкости; сопротивление нагрузки; время задержки сигналов. При этом различают статические электрические параметры и динамические. Такие характеристики, как выходные ток и емкость, определяют нагрузочную способность по выходу, т. е. количество входов, которые могут быть подключены к одному выходу. Этими параметрами определяется такая важная характеристика БИС, как совместимость с ТТЛ логикой.
В зависимости от условий эксплуатации микропроцессорных БИС к ним могут быть предъявлены и специальные требования, т. е. особое значение могут иметь следующие характеристики: температурный диапазон функционирования и хранения; масса; устойчивость к радиационным и электромагнитным воздействиям; к вибрационным нагрузкам в определенном диапазоне частот, к линейным нагрузкам и к ударам с определенной длительностью; надежность; наработка на отказ; коэффициент готовности; интенсивность отказов.
С использованием: Самофалов К.Г., Викторов О.В. Микропроцессоры. 1989 г.
