Микропроцессоры и микро ЭВМ

 

 

322_08_Word                Егоров А.В.

АКАДЕМИЯ ФСО России

Кафедра "Информатики и вычислительной техники"

 

 

РЕФЕРАТ

Микропроцессоры и микро  ЭВМ

 

 

 

 

 

Исполнил: курсант Егоров А.В.

Проверил: Профессор кафедры  № 31 полковник  Трофименков А.К.

 

 

 

 

 

 

 

Орел - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 3

ВВЕДЕНИЕ 4

1. МИКРОПРОЦЕССОР 5
1. Развитие микропроцессоров 6

1.2    Достоинства микропроцессоров 10

1.3    Принцип работы икропроцессора 11

2. АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА 14

2.1 Архитектурные особенности 15

2.2  Разрядность 16

2.3 Обьем адресуемой памяти 18

3. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МИКРОПРОЦЕССОРА 19

4. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ 20

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 24

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………………………………..............25

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 26

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 27

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 28

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 30

 

 

 

 

 

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1. «ЭВМ» - Электронно- вычислительная машина
2. «МП» - Микропроцессор
3. Механизм «ПДП» - Механизм прямого доступа в память
4. «ПК» - Персональный компьютер
5. «LIFO» - Last In, First Out.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Характерной чертой научно-технического прогресса, определяющей мощный дальнейший подъем общественного производства, является широкое внедрение электроники во все отрасли народного хозяйства.

  Массовость  этого нового класса и его  высокие технико-экономические параметры оказывают революционизирующее влияние на целое поколение приборов, оборудования, агрегатов со встроенными микропроцессорными средствами.   

 Микропроцессоры  и микро ЭВМ применяют в различных областях народного хозяйства (в управлении технологическими процессорами, информационных и измерительных комплексах, энергетике, медицине и др.). На базе выпускаемых микропроцессоров и микро ЭВМ созданы высокопроизводительные устройства числового программного управления. Крупносерийное производство ряда моделей мини-ЭВМ позволяет начать работы по созданию нескольких типов проблемно-ориентированных комплексов для автоматизации научных исследований и технологических процессов. Особое значение микро ЭВМ приобретают в связи с реализацией школьной реформы.  Микро ЭВМ положены в основу организуемых в каждой школе учебных классов по дисциплине «Основы информатики и вычислительной техники».

  Микропроцессор – функционально законченное устройство обработки информации, управляемое хранимой в памяти программой. Появление микропроцессоров (МП) стало возможным благодаря развитию интегральной электроники. Это позволило перейти от схем малой и средней степени интеграции к большим и сверхбольшим интегральным микросхемам (БИС и СБИС).

Несмотря на то, что возможности  многокристальных МП существенно выше, чем у однокристальных, многие прикладные задачи успешно решаются на основе однокристального микропроцессора.

 

1. МИКРОПРОЦЕССОР

 

Микропроце́ссор — процессор(устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели). Первые микропроцессоры появились в 1970-х годах и применялись в электронных калькуляторах, в них использовалась двоично-десятичная арифметика 4-битных слов. Вскоре их стали встраивать и в другие устройства, например терминалы, принтеры и различную автоматику. Доступные 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресацией позволили в середине 1970-х годов создать первые бытовые микрокомпьютеры.

Долгое время  центральные процессоры создавались  из отдельных микросхем малой  и средней интеграции, содержащих от нескольких единиц до нескольких сотен  транзисторов. Разместив целый процессор  на одном чипе сверхбольшой интеграции, удалось значительно снизить его стоимость. Несмотря на скромное начало, непрерывное увеличение сложности микропроцессоров привело к почти полному устареванию других форм компьютеров. В настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всём, от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств до огромных мейнфреймов и суперкомпьютеров.

С начала 1970-х  годов широко известно, что рост мощности микропроцессоров следует закону Мура, который утверждает, что число транзисторов на интегральной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев. В конце 1990-х главным препятствием для разработки новых микропроцессоров стало тепловыделение (TDP). 

1. Развитие микропроцессоров.

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.

В 1970 году Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ - первый микропроцессор Процессоры Pentium 4 (слева) и Pentium D (справа), который уже в 1971 году был выпущен в продажу.

 

+

 

Рис. 1 Интерфейс Parallel ATA

 

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.

Кристалл представлял  собой 4-разрядный процессор с  классической ЭВМ гарвардского типа и изготавливался по передовой p-канальной  МОП технологии с проектными нормами 10 мкм.

Электрическая схема прибора  насчитывала 2300 транзисторов. МП работал  на тактовой частоте 750 кГц при длительности цикла команд 10,8 мкс. Чип i4004 имел адресный стек (счетчик команд и три регистра стека типа LIFO), блок РОНов (регистры сверхоперативной памяти или регистровый файл - РФ), 4-разрядное параллельное АЛУ, аккумулятор, регистр команд с дешифратором команд и схемой управления, а также схему связи с внешними устройствами. Все эти функциональные узлы объединялись между собой 4-разрядной ШД. Память команд достигала 4 Кбайт (для сравнения: объем ЗУ миниЭВМ в начале 70-х годов редко превышал 16 Кбайт), а РФ ЦП насчитывал 16 4-разрядных регистров, которые можно было использовать и как 8 8-разрядных. Такая организация РОНов сохранена и в последующих МП фирмы Intel. Три регистра стека обеспечивали три уровня вложения подпрограмм. МП i4004 монтировался в пластмассовый или металлокерамический корпус типа DIP (Dual In-line Package) всего с 16 выводами. В систему его команд входило всего 46 инструкций.

Вместе с тем кристалл располагал весьма ограниченными средствами ввода/вывода, а в системе команд отсутствовали операции логической обработки данных (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ  ИЛИ), в связи с чем их приходилось  реализовывать с помощью специальных  подпрограмм. Модуль i4004 не имел возможности  останова (команды HALT) и обработки  прерываний.

 

 

 

Рис. 2 Процессоры Pentium 4 (слева) и Pentium D (справа)

 

 

 

В отличие от своих предшественников МП имел архитектуру ЭВМ принстонского  типа, а в качестве памяти допускал применение комбинации ПЗУ и ОЗУ.

По сравнению с i4004 число  РОН уменьшилось с 16 до 8, причем два  регистра использовались для хранения адреса при косвенной адресации  памяти (ограничение технологии - блок РОН аналогично кристаллам 4004 и 4040 в  МП 8008 был реализован в виде динамической памяти). Почти вдвое сократилась  длительность машинного цикла.

Система команд насчитывала 65 инструкций. МП мог адресовать память объемом 16 Кбайт. Его производительность по сравнению с четырехразрядными  МП возросла в 2,3 раза.

1 апреля 1974 Микропроцессор Intel 8080.был представлен вниманию всех заинтересованных лиц. Благодаря использованию технологии п-МОП с проектными нормами 6 мкм, на кристалле удалось разместить 6 тыс. транзисторов. Тактовая частота процессора была доведена до 2 Мгц, а длительность цикла команд составила уже 2 общее число микросхем, требовавшихся для построения системы в минимальной конфигурации сократилось до 6 (рис. 1).

 

Рис. 3  Микропроцессор Intel 8080.

 

 

В РФ были введены указатель  стека, активно используемый при  обработке прерываний, а также  два программно недоступных регистра для внутренних пересылок. Блок РОНов был реализован на микросхемах статической памяти. Исключение аккумулятора из РФ и введение его в состав АЛУ упростило схему управления внутренней шиной.

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 микро ЭВМ таких сложных устройств, как накопители на магнитных дисках и лентах дисплеи на ЭЛТ, которые и превратили микро ЭВМ в полноценную вычислительную систему.

Традицией компании, начиная  с первого кристалла, стал выпуск не отдельного чипа ЦП, а семейства  БИС, рассчитанных на совместное использование.

 

2. Достоинства микропроцессоров.

 

Микропроцессор, иначе, центральный процессор - Central Processing Unit (CPU) - функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Для МП на БИС или СБИС характерны:

• простота производства (по единой технологии);
• низкая стоимость (при массовом производстве);
• малые габариты (пластина площадью несколько квадратных сантиметров или кубик со стороной несколько миллиметров);
• высокая надежность;
• малое потребление энергии.

Микропроцессор выполняет  следующие функции:

• чтение и дешифрацию команд из основной памяти;
• чтение данных из ОП и регистров адаптеров внешних устройств;
• прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;
• обработку данных и их запись в ОП и регистры адаптеров ВУ;
• выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.

 

 

3. Принцип работы микропроцессора.

 

 

Рис. 4 Структурная  схема МП 1

 

 

В состав МП (рис. 1) входят арифметическо-логическое устройство, устройство управление и блок внутренних регистров.

Арифметическо-логическое устройство состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, сдвигающего регистры и регистров для временного хранения операндов. Обычно это устройство выполняет по командам несколько простейших операций: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2.

Устройство  управления управляет работой АЛУ и внутренних регистров в процессе выполнения команды. Согласно коду операций, содержащемуся в команде, оно формирует внутренние сигналы управления блоками МП. Адресная часть команды совместно с сигналами управления используется для считывания данных из определенной ячейке памяти или для записи данных в ячейку. По сигналам УУ осуществляется выборка каждой новой, очередной команды.

Блок  внутренних регистров БВР, расширяющий возможности АЛУ, служит внутренней памятью МП и используется для временного хранения данных и команд. Он также выполняет некоторые процедуры обработки информации.

На рисунке (2) приведена более подробная структурная  схема однокристального МП. Здесь  блок внутренних регистров содержит регистры общего назначения и специальные  регистры: регистр-аккумулятор, буферный регистр адреса, буферный регистр  данных, счетчик команд, стека, признаков.

Регистры  общего назначения (РОН), число которых может изменятся от 4 до 64, определяют вычислительные возможности Рис. 4 Структурная схема МП 1. Их функция – хранение операндов. Но могут выполнять также и роль регистров. Все РОН доступны программисту, который рассматривает их как сверхоперативное запоминающее устройство.

Регистр – аккумулятор («накопитель»), предназначен для временного хранения операнда или промежуточного результата действий производимой в АЛУ. Разрядность регистра равна разрядности информационного слова.