Структура микропроцессорной системы: НОУ ИНТУИТ | Лекция | Структура микропроцессорной системы

Типы архитектуры микропроцессорных систем.

Теоретическая часть.

Микропроцессоры.

Структура микропроцессорной системы.

Любая микропроцессорная система состоит из трех основных компонентов: микропроцессора, производящего операции над данными, области памяти, где хранятся коды программ работы процессора и обрабатываемые массивы данных, и области устройств ввода-вывода, состоящую из схем, адаптирующих процессорную систему к внешним устройствам. Соединение блоков микропроцессорной системы производится по системной шине (СШ).

Системная шина состоит из трёх групп шин:

-шины адреса, на которую процессор выставляет адрес устройства в пространстве памяти или пространстве ввода-вывода, с которым будет производиться обмен информацией;

-шины данных, по которой производится обмен информацией;

-шины управления, по которой процессор посылает управляющие сигналы и получает запросы от устройств ввода-вывода.

Шина адреса однонаправленна, информация, следующая по ней, многоразрядна. Шина данных двунаправленна и информация, следующая по ней, также многоразрядна. Шина управления состоит из отдельных проводников, каждый из которых передает определенный сигнал управления. Формировать управляющие сигналы может процессорный блок и блок устройств ввода-вывода (запросы на процессорный блок).

Для полноценного обмена процессора по шине данных важны три момента: направление обмена (чтение/запись), объект обмена (память/устройства ввода-вывода) и, наконец, структура информации (данные/код).

Производительность процессора. Архитектура процессоров.

Если процессор работает с тактовой частотой F, то время T=1/F называется тактом. Время выполнения тестовой задачи можно рассчитать через такт

T x C x I,

где C – количество тактов на инструкцию, а I – количество инструкций на задачу.

Соответственно, чем меньше времени затрачивается на решение тестовой задачи, тем производительность процессора выше. В указанном выше выражении уменьшение T ограничено свойствами структуры, поэтому изменение производительности можно достичь изменением I или C.

Рассмотрим две основные архитектуры процессорного ядра. RISC-процессоры (Reduced Instruction Set Computer) и CISC-процессоры (Complete Instruction Set Computer).

Любой тип процессора выполняет инструкции, непрерывным потоком поступающие из памяти по шине данных. Выполнение инструкции можно разбить на 5 этапов:

1 – выборка кода из памяти по выставленному на адресной шине адресу,

2 – дешифрация кода,

3 – исполнение,

4 – получение результата,

5 – обратная загрузка результата.

Для ускорения процесса работа производится конвейерным способом, т.е. в каждый момент времени одновременно выполняются разные этапы следующих подряд команд. Рассмотренный выше случай – пятиступенчатый конвейер, но для разных процессоров возможно объединение 4 и 5 или 3, 4 и 5 этапов, в этих случаях мы имеем четырех- или трехступенчатый конвейер.

Для CISC – процессоров характерны сложные многотактовые инструкции, производители этих процессоров старались увеличить производительность за счёт уменьшения I. Но это приводило к приостановке конвейера, а, следовательно, снова снижало производительность процессора.

RISC – процессоры выполняют простые однотактовые операции. Они, в отличие от CISC не могут выполнять сложные задачи, зато для них C = 1, а так как операции обмена с пространством памяти в RISC выделены в отдельную группу, конвейер работает практически безостановочно и производительность высока.

Типы архитектуры микропроцессорных систем.

В настоящее время существуют два типа архитектуры микропроцессорных систем – Принстонская, или архитектура фон-Неймана, и Гарвардская.

В 1945 г. американский математик Джон фон Нейман сформулировал основные принципы работы современных компьютеров. Им была предложена архитектура, получившая его имя (von Neumann architecture) и предполагающая хранение программ и данных в общей памяти (1946 г. ).

Сегодня такая архитектура наиболее характерна для микропроцессоров, ориентированных на использование в компьютерах. Примером могут служить микропроцессоры семейства х86. Эти микропроцессоры относятся к CISC-процессорам.

Архитектура, предполагающая раздельное использование памяти программ и данных, носит название гарвардской (Harvard architecture). Гарвардская архитектура позволяет центральному процессору работать одновременно как с памятью программ, так и с памятью данных, что существенно увеличивает производительность.

Структура ядра RISC-процессора предполагает наличие большой внутренней памяти, состоящей из регистров общего назначения, не имеющих дополнительных специальных функций. Исключение составляет так называемый «регистр нуля», присутствующий во многих модификациях таких процессоров. Этот регистр не предназначен для записи информации, в нем хранится «0». Кроме того, в общее число регистров общего назначения входят указатель стека и указатель связей. В этих регистрах всегда записываются адреса: в указатель стека – адрес вершины стека в исполняемой программе, а в указатель связей – адрес выхода из основной программы в вызванную область для возможности возврата. С помощью команд прямой и обратной загрузки происходит обмен между регистрами общего назначения и памятью данных. При работе команд, использующих АЛУ (арифметико-логическое устройство), операнды поступают только из внутренней памяти ядра, что экономит время обработки. Команды RISC-процессора, в основном, выполняются за один такт, все КЦУ, участвующие в процессе обработки, как коммутирующие, так и кодопреобразующие образуют цепочки и имеют общую задержку, не превышающую время такта. Команды пересылок между регистрами выполняются как арифметическая операция сложения с 0.

Структура ядра CISC-процессора, напротив, предполагает наличие малого количества регистров общего назначения, к тому же имеющих строго определенные функции. Эти функции обусловлены наличием большого количества указателей и счетчиков, входящих в состав ядра и позволяющих выполнять циклические операции, записанные в одной инструкции. При выполнении операций в АЛУ процессор может пользоваться операндами как хранящимися в регистрах общего назначения, так и в пространстве памяти, выделенном под данные. Таким образом, для написания программ под CISC-процессор используется большее количество адресаций данных, чем при программировании под RISC-процессор. Команды CISC-процессора выполняются за несколько тактов, что позволяет не выстраивать коммутационные КЦУ в цепочку, а использовать один коммутатор и служебный регистр (например, в командах пересылок).

Устройства памяти.

Внутренняя память микропроцессорной системы по способу доступа к ячейкам накопителя делится на 3 типа: адресная память, память с последовательным доступом и ассоциативная память.

В адресной памяти доступ к любой ячейке накопителя возможен по любому выставленному на шине адресу, независимо от предыдущего обращения.

В памяти с последовательным доступом порядок обращения к ячейкам задается счетчиком адресов, который невозможно переустановить в процессе работы с памятью. Таким образом, адрес обращения к каждой последующей ячейке отличается от предыдущего всегда на определенную величину.

В ассоциативной памяти ячейка накопителя содержит информацию, скопированную из основной адресной памяти. При этом некоторая часть адреса этой основной памяти, так называемый тег, или признак, также сохраняется в ассоциативной памяти. И, если вызываемый процессором адрес содержит такой тег, информация извлекается из накопителя ассоциативной памяти.

Пример ассоциативной памяти CACH-память. Данная структура в настоящем курсе не рассматривается.

Примеры памяти с последовательным доступом: память FIFO (first input, first output) и память LIFO (last input, first output), или stack.

Структура n-разрядного стека глубиной k. Вершина стека – RG0.

Примеры адресной памяти: постоянные запоминающие устройства ROM и оперативные запоминающие устройства RAM.

Постоянные запоминающие устройства, имеющие диодные накопители, могут программироваться однократно (ROM, PROM). Постоянные запоминающие устройства, матрицы накопителей которых построены на полевых транзисторах, возможно многократно перепрограммировать. Это могут быть схемы с ультрафиолетовым стиранием информации (EPROM), или с электрическим стиранием (EEPROM). В матрице накопителя постоянного запоминающего устройства строки подключены к выходам дешифратора адреса, а столбцы – к шине данных.

Оперативные запоминающие устройства делятся на 2 класса по структуре матриц накопителя. Это динамические ОЗУ (DRAM), имеющие ячейки накопителя емкостного типа, и статические ОЗУ (SRAM), в которых накопители строятся на основе триггерных ячеек. Обращение к ячейкам накопителя DRAM не может совершаться одновременно по строкам и столбцам из-за инерционности емкости. При считывании с DRAM информация стирается (емкость разряжается) и необходимо время на восстановление информации в ячейке. Такая память обладает низким быстродействием.

Память SRAM, имеющая триггерную матрицу накопителя, наоборот, обладает сверхвысоким быстродействием. Если рассматривать матрицу накопителя, имеющую 2^{nячеек, то в SRAM имеется n адресных входов, распределенных на дешифраторы строки и столбца, вход CS (chip select), позволяющий подключить именно данный кристалл к шине и входы управления буферами записи и считывания.}

На рисунке изображена внутренняя структура схемы SRAM на 4 адресных входа, на которые подаем адрес «0» (0000). Пересечение строки и столбца матрицы накопителя, на которых при этом будут уровни «1» выделено желтым. Видно, что будет активна ячейка синхронного RS-триггера, на вход C которой поступит «1». В ячейку будет записана информация, поступившая на входы S и R всей матрицы. На рисунке видно, как работают входы CS (активный уровень «0») и W/R(для записи активный уровень «0», а для чтения «1»). Получаемые на выходах элементов 2И уровни «1» открывают буфер записи или буфер чтения. Считывание с ячейки накопителя также управляется с элемента 2И на линиях выходов дешифраторов строк и столбцов.

В DRAM адресные входы подключаются к шине через мультиплексоры, выделяющие адреса строки и столбца. K=n/2. Вход RAS активен, когда подается адрес строки (строб строки), вход CAS активен после подачи адреса столбца (строб столбца).

Читайте также:

Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

Структура микропроцессорного устройства (системы) — Студопедия

Структура процессора микро-ЭВМ строится с учетом стремления разработчиков МП объединить на кристалле БИС максимально-возможное количество функций при ограниченном числе внешних контактов корпуса БИС. Реализовать принципиальную схему обычного процессора в виде одной или нескольких БИС практически невозможно. Поэтому необходимо изменять структуру процессора так, чтобы полная принципиальная схема или ее части имели количество элементов и связей, совместимое с возможностями БИС. При этом микропроцессоры приобретают внутреннюю магистральную структуру, т. е. в них к единой внутренней информационной магистрали подключаются все основные функциональные блоки (арифметико-логический, рабочих регистров, стека, прерываний, интерфейса, управления и синхронизации и др.). Наиболее распространенной является схема микропроцессорной системы, имеющая две или три шины, по которым в зависимости от сигналов управления передается информация от тех или иных узлов микропроцессорной системы. Такая организация требует минимального числа внешних контактов, однако обмен информацией между узлами и блоками микропроцессорной системы должен осуществляться в определенной последовательности.

На рисунке 1.2. приведена стандартная структура микропроцессорной системы, предназначенной для обработки данных или управления некоторым процессом. Примерно такую же структуру имеют микро-ЭВМ широкого назначения.

Рисунок 1.2. Структура микропроцессорной системы или микро-ЭВМ

Центральное место в этой структуре занимает микропроцессор, который подобно процессору обычных ЭВМ, выполняет арифметические и логические операции над данными, осуществляет программное управление процессом обработки информации, организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему. Работа микропроцессора происходит под воздействием сигналов схемы синхронизации часто выполненной в виде отдельной БИС.

Для микропроцессоров характерна трехшинная структура (рис.1.2), содержащая шину адреса (ША), двунаправленную шину данных (ШД) и шину управления (ШУ). Шина данных осуществляет передачу информации как от процессора к памяти и периферийным устройствам, так и для передачи в обратном направлении.

Память представляет собой единую совокупность ячеек для хранения данных. Каждой ячейке присвоен адрес. Шина для передачи адресов называется шиной адреса и является выходной по отношению к процессору. Если обозначить разрядность шины адреса n, то наибольшее число адресов, к которым можно обращаться по этой шине, равно .

В интерфейсе периферийного устройства имеются области, предназначенные для ввода и вывода данных. Первая из них называется портом ввода, вторая – портом вывода. Для обращения к портам ввода/вывода существуют два способа:

· изолированный ввод/вывод;

· ввод/вывод с отображением на память.

При первом способе память и порты ввода/вывода используются как различные устройства. Порту ввода и порту вывода присваиваются номера, не зависящие от адреса памяти. Для указания номера порта также используются адресные сигналы. Однако, например, если нет необходимости использовать все 16 бит адреса, для этой цели можно взять только восемь младших разрядов. Во втором способе память и порты ввода/вывода используются как одинаковые устройства. Для этого часть адресов, не распределенная в памяти, приписывается портам ввода/вывода. Поэтому эти порты можно считать частью памяти. Для их адресации используются полные адресные сигналы.

Шина управления служит для передачи различных управляющих сигналов. Конкретный состав этих сигналов зависит от типа процессора. Основными сигналами, передаваемыми по этой шине, являются сигналы управления записью/чтением из памяти и сигналы управления вводом/выводом данных из соответствующего порта. Причем, когда применяется способ изолированного ввода/вывода, передаются четыре управляющих сигнала:

1. — чтение данных из памяти;

2. — запись данных в память;

3. — ввод данных из порта ввода;

4. — вывод данных в порт вывода.

В случае ввода/вывода с отображением адресов на память можно использовать два сигнала управления и .

Временная диаграмма работы стандартной шины представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3. Временная диаграмма

Время осуществления однократного считывания, записи, ввода или вывода данных называется циклом шины. Процессор управляет работой шины синхронно с входной тактовой частотой. В рассматриваемом примере, каждый цикл шины содержит четыре периода тактовой частоты. Сигналы управления, как правило, являются активно низкими (т.е. наличие низкого уровня разрешает работу того или иного устройства).

Рассмотрим работу шины в цикле считывания данных из памяти (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4. Работа шины в цикле считывания данных из памяти

В начале цикла процессор вырабатывает адресный сигнал, который дешифрируется дешифратором адреса, и указанная ячейка памяти подключается к линиям . В первой половине такта сигнал переходит на низкий уровень, а во второй половине такта он возвращается на высокий уровень. Низкий уровень этого сигнала переводит вентиль из третьего состояния в активное состояние и сигналы поступают на шину данных. По заднему фронту положительного импульса такта содержимое шины данных записывается в процессор. Аналогичным образом шина работает в цикле записи данных в память и циклах ввода/вывода информации из портов ввода/вывода. Следует отметить, что порт вывода представляет собой регистр, запись информации в который происходит по тактовому сигналу C. Этот сигнал обычно вырабатывается из младших разрядов адресных сигналов и тактовых сигналов процессора.

В рассмотренном примере работы шины, данные никогда одновременно не поступают из/в памяти и портов ввода/вывода. Это обстоятельство позволяет осуществить управление работой шины тремя сигналами , , . Сигнал указывает какое из устройств (память или порт ввода/вывода) подключено к шине данных. Сигналы и указывают, происходит ли чтение данных в процессор или запись данных в память или порт ввода/вывода.

В рассмотренной выше стандартной временной диаграмме работы шины временные соотношения в циклах записи/считывания полностью задаются процессором. При такой временной диаграмме работы память и порты ввода/вывода должны постоянно находиться в рабочем состоянии, что нежелательно. Для исключения указанной ситуации в систему вводятся дополнительные сигналы управления, позволяющие произвольно увеличивать длительность циклов записи/чтения. Обычно такие сигналы называются (готовность), (ожидание), TRANSFER ACNOWLEDGE (подтверждение передачи). Эти сигналы подтверждают окончание цикла.

Микропроцессоры и микропроцессорные системы. Общие сведения — Студопедия

Микропроцессор (МП) — это выполненное на одной или нескольких БИС устройство цифровой обработки информации, осуществляемой по программе. По назначению он идентичен ЭВМ, но обладает меньшими функциональными возможностями.

Современные микропроцессоры могут содержать миллионы транзисторов в одной микросхеме. Обобщенная структурная схема МП показана на рис.6.1.

Основу микропроцессора составляет арифметико-логическое устройство АЛУ. Оно выполняет арифметические (сложение, вычитание) и логические (сравнение, дизъюнкция, конъюнкция) операции над двумя числами и выдает результат операции. Регистры Р служат для хранения и выдачи команд (регистр команд), адресов (регистр адресов) и данных (регистр данных или аккумулятор).

Устройство управления служит для преобразования команд, поступающих из регистров и внешнего ЗУ в сигналы, непосредственно воздействующие на все элементы МП и стимулирующие выполнение команд.

Все блоки МП соединены между собой и с внешними устройствами тремя многоразрядными шинами: шиной данных ШД, шиной адресов ША и шиной управления ШУ. Шина — это группа параллельных проводников, по которым передается многоразрядный код. УУ распределяет во времени связи между блоками по одной и той же шине — мультиплексирование.

Совокупность шин называется магистралью. Шина данных служит для обмена операндами — кодами исходных данных или кодами команд. Шина адресов служит для передачи кодов ячеек памяти в ЗУ.

Таким образом, в микропроцессорах, как и в ЭВМ, используется магистральный принцип передачи информации.

Микропроцессор используется совместно с другими микроэлектронными устройствами: запоминающим устройством данных (ЗУД), запоминающим устройством программы (ЗУП) и устройством ввода-вывода (УВВ). Объединение этих элементов называется микропроцессорной системой или микроконтроллером— рис. 6.2.

Запоминающие устройства ЗУ предназначены для приема, хранения и выдачи программы и данных. При этом ЗУП представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), работающее только на считывание. Запись программы в ЗУП происходит однократно при ее изготовлении или отладке. ЗУД представляет собой оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), работающее как в режиме записи, так и в режиме считывания.

УВВ предназначено для приема сигналов от внешних устройств в процессор или ЗУ и для вывода результатов во внешние устройства. Генератор тактов синхронизирует через МП работу всех блоков системы. В некоторых типах МП он может входить в состав самого процессора.

Программа, по которой работает МП обычно хранится в постоянном запоминающем устройстве. Запись программы происходит одноразово. Возможно применение репрограммируемых (перепрограммируемых) ПЗУ, допускающих многократную запись и стирание информации. Информация в ПЗУ сохраняется при отключении источника питания.

Для хранения данных применяют оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), в которые информация может быть выдана из МП или от внешних устройств (клавиатура, датчики) через УВВ. При отключении источника питания информация в ОЗУ теряется.

В тех случаях, когда разработчики микропроцессорной системы предусматривают для потребителя присоединение к магистрали каких-либо дополнительных блоков (открытый вариант системы), магистраль снабжается буфером магистрали, увеличивающем ее нагрузочную способность или адаптером магистрали, если надо не только усиление, но и преобразование сигналов.

Конструктивно микроконтроллеры могут быть однокристальными, если все элементы микропроцессорной системы выполнены в одной интегральной схеме или одноплатными, если они расположены на одной печатной плате. Одноплатные микроконтроллеры часто снабжаются встроенной клавиатурой и индикатором. В таком виде они могут составить самостоятельную вычислительную часть цифровых систем измерения, управления и т.д.

Промышленность выпускает огромную номенклатуру микроконтроллеров, отличающихся разрядностью, архитектурой, характеристиками и возможностями функционирования. Общим признаком всех микроконтроллеров является их гибкое (т.е. программное) структурирование. Микроконтроллеры могут быть специализированными (например, микроконтроллер клавиатуры персонального компьютера) или универсальными, предназначенными для решения различных задач одного класса, например контроллеры для систем промышленной автоматики.

Микропроцессоры характеризуются следующими параметрами:

1. Вид микропроцессора: универсальный или специализированный, сигнальный и т.п.

2. Способ управления: схемный (жесткий), или микропрограммный (гибкий).

3. Разрядность — длина слова, которое может быть одновременно обработано процессором (4, 8, 16,32).

4. Емкость адресуемой памяти. Характеризует возможности микропроцессора по сложности реализуемых программ.

5. Быстродействие. Характеризуется продолжительностью одной

операции типа «регистр-регистр» или числом операций в секунду.

6. Мощность потребления.

7. Питающие напряжения.

8. конструктивные характеристики.

Извините такой страницы Wp-content Uploads 2014 11 Lektsiya-5 Pdf не существует!

Выбор статьи по меткам03 (1)5 марта 2020 (1)5 мая Статград (2)9 класс (3)10 класс (1)11 класс (2)12 (1)13 (С1) (3)14 ноября (2)14 февраля (1)15 задание ЕГЭ (2)16 задача профиль (1)16 профильного ЕГЭ (1)16 января Статград (2)17 задача ЕГЭ (1)18 (С5) (2)18 задача ЕГЭ (2)18 мая 2020 физика (1)23 марта (1)25 сентября 2020 (1)31 января (1)2016 (2)140319 (1)14032019 (1)C5 (1)RC-цепь (1)RLC-контур (1)А9 (1)Александрова (2)Ампера (2)Архимед (2)Бернулли (1)Бойля-Мариотта (1)В8 (1)В12 (1)В13 (1)В15 (1)ВК (1)ВШЭ (2)ГИА физика задания 5 (1)Герона (2)Герцшпрунга-Рассела (1)Гринвич (1)ДВИ (1)ДПТ (1)Деление отрезка (1)Десятичные приставки (1)Дж (1)Диэлектрические проницаемости веществ (1)ЕГЭ 11 (2)ЕГЭ 14 (1)ЕГЭ 15 (2)ЕГЭ 18 (1)ЕГЭ С1 (1)ЕГЭ по математике (26)ЕГЭ по физике (49)ЕГЭ профиль (6)Европа (1)Задача 17 ЕГЭ (7)Задачи на движение (1)Закон Архимеда (2)Законы Ньютона (1)Земля (1)Ио (1)КПД (9)Каллисто (1)Кельвин (1)Кирхгоф (1)Кирхгофа (1)Койпера (1)Колебания (1)Коши (1)Коэффициенты поверхностного натяжения жидкостей (1)Кулона-Амонтона (1)Ломоносов (2)Лоренца (1)Луна (1)МГУ (1)МКТ (7)МФТИ олимпиада (1)Максвелл (2)Максвелла (1)Максимальное удаление тела от точки бросания (1)Менделеева-Клапейрона (3)Менелая (5)Метод наложения (2)Метод узловых потенциалов (1)Метод эквивалентных преобразований (1)НОД (1)Нансен (1)НеИСО (1)ОГЭ (11)ОГЭ (ГИА) по математике (27)ОГЭ 3 (ГИА В1) (1)ОГЭ 21 (3)ОГЭ 21 (ГИА С1) (4)ОГЭ 22 (2)ОГЭ 25 (3)ОГЭ 26 (1)ОГЭ 26 (ГИА С6) (1)ОГЭ по физике 5 (1)ОДЗ (14)Обыкновенная дробь (1)Оорта (1)Основные физические константы (1)Отношение объемов (1)Плюк (1)Погсона (1)Показатели преломления (1)Показательные неравенства (1)Противо-эдс (1)Работа выхода электронов (1)Радиус кривизны траектории (1)Расстояние между скрещивающимися (2)Релятивистское замедление времени (1)Релятивистское изменение массы (1)С1 (1)С1 ЕГЭ (1)С2 (2)С3 (1)С4 (3)С6 (5)СУНЦ МГУ (2)Савченко (1)Сиена (1)Синхронная машина (1)Снеллиуса (2)Солнечной системы (1)Солнце (2)СпБ ГУ вступительный (1)Средняя кинетическая энергия молекул (1)Статград физика (6)Таблица Менделеева (1)Текстовые задачи (8)Тьерри Даксу (1)ФИПИ (1)Фазовые переходы (1)Фаренгейт (1)Фобос (1)Френеля (1)Цельсий (1)ЭДС (6)ЭДС индукции (2)Эйлера (1)Электрохимические эквиваленты (1)Эрастофен (1)абсолютная (1)абсолютная влажность (2)абсолютная звездная величина (3)абсолютная температура (1)абсолютный ноль (1)адиабаты (1)аксиомы (1)алгоритм Евклида (2)алгоритм Робертса (1)аморфное (1)амплитуда (3)аналитическое решение (1)анекдоты (1)аннуитет (2)апериодический переходной процесс (2)апофема (1)аргумент (1)арифметическая прогрессия (5)арифметической прогрессии (1)арки (1)арккосинус (1)арккотангенс (1)арксинус (1)арктангенс (1)архимеда (3)асинхронный (1)атмосферное (2)атмосферном (1)атомная масса (2)афелий (2)афелийное (1)база (1)балка (1)банк (1)без калькулятора (1)без отрыва (1)белого карлика (1)бензин (1)бесконечная периодическая дробь (1)бесконечный предел (1)биквадратные уравнения (1)бипризма (1)биссектриса (4)биссектрисы (2)благоприятный исход (1)блеск (4)блеск компонентов (1)блок (2)блоки (3)боковой поверхности (1)большая полуось (1)большем давлении (1)бревно (2)бригада (2)бросили вертикально (1)бросили под углом (3)бросили со скоростью (2)броуновское движение (1)брошенного горизонтально (2)бруски (1)брусок (4)брусок распилили (1)бусинка (1)быстрый способ извлечения (1)ван-обеля (1)вариант (3)вариант ЕГЭ (12)вариант ЕГЭ по физике (18)вариант по физике (1)варианты ЕГЭ (6)вариент по физике (1)введение дополнительного угла (1)вектор (5)векторное произведение (2)велосипедисты (1)вероятность (3)вертикальная составляющая (1)вертикально вверх (1)вертикальные углы (1)вес (3)весов (1)вес тела (1)ветви (1)ветвь (2)ветер (1)взаимодействие зарядов (1)видеоразбор (2)видеоразбор варианта (1)видимая звездная величина (3)виртуальная работа (1)виртуальный банк (1)виртуальных перемещений (1)витка (1)витков (1)виток (1)вклад (2)влажность (3)влажность воздуха (1)влетает (2)вневписанная окружность (2)внутреннее сопротивление (1)внутреннее сопротивление источника (1)внутреннюю энергию (1)внутренняя энергия (8)вода (1)вода течет (1)воды (1)возведение в квадрат (1)возвратное уравнение (1)возвратность (1)возвратные уравнения (2)воздушный шар (1)возрастающая (1)возрастет (1)волны (1)вписанная (1)вписанная окружность (3)вписанная сфера (1)вписанной окружности (1)вписанный угол (4)в правильной пирамиде (1)вращается (1)вращение (1)времени (2)время (24)время в минутах (1)время выполнения (1)время движения (2)время минимально (1)время падения (1)все значения а (1)всесибирская олимпиада (1)в стоячей воде (1)встретились (1)встретятся (1)вступительный (1)вступительный экзамен (1)вторая половина пути (1)вторая экваториальная система координат (1)вторичная (1)вторичная обмотка (1)вторичные изображения (1)второй закон (1)второй закон Кеплера (1)второй закон Ньютона (4)выбор двигателя (1)выборка корней (4)вывод формул тригонометрии (1)выколотая точка (1)выплаты (2)выразить вектор (1)высота (5)высота Солнца (1)высота столба (1)высота столба жидкости (1)высота столбика (1)высоте (3)высоту (1)высоты (3)выталкивающая сила (2)вычисления (2)газ (3)газа (1)газов (1)газовая атмосфера (1)галочка (1)гамма-лучей (1)гармоника (2)гвоздя (1)геометрическая вероятность (1)геометрическая прогрессия (4)геометрические высказывания (1)геометрический смысл (2)геометрическую прогрессию (1)геометрия (7)гигрометр (1)гидродинамика (1)гидростатика (3)гимназия при ВШЭ (1)гипербола (2)гипотенуза (3)гистерезисный двигатель (1)главный период (1)глубина (1)глухозаземленная нейтраль (1)гомотетия (2)гонщик (1)горизонтальная сила (1)горизонтальной спицы (1)горизонтальную силу (1)горка (1)гравитационная постоянная (1)градус (1)грани (2)график (2)графики функций (5)графически (1)графический способ (1)графическое решение (3)груз (2)грузик (2)грузовик (1)грузы (1)группа (1)давление (28)давление жидкости (3)давление пара (1)дальность полета (1)две линзы (1)двигатель с активным ротором (1)движение под углом (2)движение под углом к горизонту (4)движение по кругу (1)движение по течению (1)движение с постоянной скоростью (2)движется груз (1)двойное неравенство (1)двойной фокус (1)двойным неравенством (1)двугранный угол при вершине (2)девальвация (1)действительная часть (1)действующее значение (2)деление (1)деление многочленов (2)деление уголком (1)делимость (23)делимость чисел (1)делители (1)делитель (2)делится (3)демонстрационный варант (1)деталей в час (1)диаграмма (1)диаметр (2)диаметру (1)динамика (4)диод (1)диск (2)дискриминант (5)диф

Микропроцессоры

Архитектура микропроцессора

Логическая структура микропроцессора

Логическая структура микропроцессора, т. е. конфигурация составляющих микропроцессор
логических схем и связей между ними, определяется функциональным назначением. Именно структура
задает состав логических блоков микропроцессора и то, как эти блоки должны быть связаны между
собой, чтобы полностью отвечать архитектурным требованиям. Срабатывание электронных блоков
микропроцессора в определенной последовательности приводит к выполнению заданных архитектурой
микропроцессора функций, т. е. к реализации вычислительных алгоритмов. Одни и те же функции
можно выполнить в микропроцессорах со структурой, отличающейся набором, количеством и порядком
срабатывания логических блоков. Различные структуры микропроцессоров, как правило, обеспечивают
их различные возможности, в том числе и различную скорость обработки данных. Логические блоки
микропроцессора с развитой архитектурой показаны на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Общая логическая структура микропроцессора:
I — управляющая часть, II — операционная часть; БУПК — блок управления последовательно-стью команд;
БУВОп — блок управления выполнением операций; БУФКА — блок управления формированием кодов
адресов; БУВП — блок управления виртуальной памятью; БЗП — блок защиты памяти; БУПРПр — блок
управления прерыванием работы процессора; БУВВ — блок управления вводом/выводом; РгСОЗУ — регистровое
сверхоперативное запоминающее устройство; АЛБ — арифметико-логический блок; БДА — блок дополнительной
арифметики; БС — блок синхронизации.

При проектировании логической структуры микропроцессоров необходимо рассмотреть:

1) номенклатуру электронных блоков, необходимую и достаточную для реализации архитектурных
требований;

2) способы и средства реализации связей между электронными блоками;

3) методы отбора если не оптимальных, то наиболее рациональных вариантов логических
структур из возможного числа структур с отличающимся составом блоков и конфигурацией
связей между ними.

При проектировании микропроцессора приводятся в соответствие внутренняя сложность
кристалла и количество выводов корпуса. Относительный рост числа элементов по мере развития
микроэлектронной технологии во много раз превышает относительное увеличение числа выводов
корпуса, поэтому проектирование БИС в виде конечного автомата, а не в виде набора схем, реализующих
некоторый набор логических переключательных функций и схем памяти, дает возможность получить
функционально законченные блоки и устройства ЭВМ.

Использование микропроцессорных комплектов БИС позволяет создать микроЭВМ для широких областей
применения вследствие программной адаптации микропроцессора к конкретной области применения: изменяя
программу работы микропроцессора, изменяют функции информационно-управляющей системы.
Поэтому за счет составления программы работы микропроцессоров в конкретных условиях работы
определенной системы можно получить оптимальные характеристики последней.

Если уровень только программной «настройки» микропроцессоров не позволит получить эффективную
систему, доступен следующий уровень проектирования — микропрограммный. За счет изменения
содержимого ПЗУ или программируемой логической матрицы (ПЛМ) можно «настроиться» на более
специфичные черты системы обработки информации. В этом случае частично за счет изменения
микропрограмм затрагивается аппаратный уровень системы. Технико-экономические последствия
здесь связаны лишь с ограниченным вмешательством в технологию изготовления управляющих блоков
микроЭВМ.

Изменение аппаратного уровня информационно-управляющей микропроцессорной системы, включающего
в себя функциональные БИС комплекта, одновременно с конкретизацией микропрограммного и программного
уровней позволяет наилучшим образом удовлетворить требованиям, предъявляемым к системе.

Решение задач управления в конкретной системе чисто аппаратными средствами (аппаратная логика)
дает выигрыш в быстродействии, однако приводит к сложностям при модификации системы. Микропроцессорное
решение (программная логика) является более медленным, но более гибким решением, позволяющим
развивать и модифицировать систему. Изменение технических требований к информационно-управляющей
микропроцессорной системе ведет лишь к необходимости перепрограммирования работы микропроцессора.
Именно это качество обеспечивает высокую логическую гибкость микропроцессоров, определяет возможность
их широкого использования, а значит и крупносерийного производства.

<<<
Содержание
>>>

1.4.Структура микропроцессорной системы

Упрощенная структурная схема
микропроцессорной системы управления
имеет вид.

На процессор возлагается задача
выполнения всех программных действий,
необходимых в соответствии с алгоритмом
работы устройства. В блоке памяти
хранятся команды программы функционирования
процессора, а также значения констант
и переменных величин, участвующих в
вычислениях. Блок ввода-вывода выполняет
функцию сопряжения микропроцессорной
системы с объектом управления.

Широкое использование микропроцессорной
техники именно для задач управления
привело к появлению на рынке
специализированных микропроцессорных
устройств, ориентированных на подобного
рода применения. Особенностью этих
микросхем является то, что помимо
собственно процессора, на этом же
кристалле расположена и система
ввода-вывода, что позволяет снизить
функциональную сложность и габаритные
размеры микропроцессорной системы
управления. Подобные устройства
называются микроконтроллерами.

Микроконтроллер—
вычислительно-управляющее устройство,
предназначенное для выполнения функций
логического контроля и управления
периферийным оборудованием, выполненное
в виде одной БИС и сочетающее в себе
микропроцессорное ядро и набор встроенных
устройств ввода-вывода.

Первыми микроконтроллерами явились
микросхемы семейства MCS-48 фирмы INTEL,
выпущенные в 1976 году. В 1981 году фирма
INTEL выпустило новое семейство 8-разрядных
микроконтроллеров MCS-51, которые получили
огромное распространение во всем мире
и дали толчок бурному развитию
микроконтроллеров. вслед за фирмой
INTEL микроконтроллеры начинают выпускать
и другие ведущие производители
микропроцессорной техники. Фирма
MOTOROLA выпустила самый популярный в мире
8-разрядный микроконтроллер M68HC05. Эволюция
микроконтроллеров соответствовала
общему прогрессу микропроцессорной
техники. Увеличивалась разрядность
микроконтроллеров, их быстродействие,
усовершенствовалась встроенная система
ввода-вывода. Появились 16-разрядные
(MCS-96 фирмы INTEL, M68HC12, M68HC16 фирмы MOTOROLA и
др.), а затем и 32-разрядные (M68HC32 фирмы
MOTOROLA ) микроконтроллеры. С 1984 года начало
развиваться направление т.н. RISC ( Reduced
Instruction Set Computer) микроконтроллеров,
обладающих повышенным быстродействием.
Представителями подобных устройств
являются семейства SAB 80C166 фирмы SIEMENS,
MPC500 (на базе PowerPC ядра) фирмы MOTOROLA и др.
Дальнейшая интеграция позволила
объединить на одном кристалле м
процессором не только систему ввода-вывода,
но и блок памяти, что дало возможность
реализовывать подлинно однокристальные
варианты систем управления.

1.5. История развития микропроцессоров и современное состояние.

Пожалуй, основная причина, стимулирующая
появление микроконтроллеров — внедрение
средств вычислительной техники во все
сферы человеческой деятельности. Это
потребовало миниатюризации и снижения
стоимости изделий. Прогресс же в
технологии изготовления микросхем в
значительной мере способствовал этому
процессу.

Первый электронный калькулятор (1963 г.)
был реализован на дискретных транзисторах
и занимал объем кассового аппарата.

В 1967 г. фирма Texas Instruments выпустила первый
калькулятор на интегральных микросхемах,
который и положил начало процессу
миниатюризации средств вычислительной
техники. Однако микросхемы для
калькуляторов создавались применительно
к требованиям каждого конкретного
заказчика. Процессоры для калькуляторов
были маломощными и не отвечали требованиям,
предъявляемым к вычислительным средствам.

Работая по заказу одной из японских
фирм над разработкой программируемых
калькуляторов, специалисты фирмы Intel
предложили новую концепцию проектирования
микропроцессоров, которая заключалась
в создании микропроцессоров общего
назначения, способных выполнять любые
арифметико-логические операции. В 1969
г. фирмой Intel была анонсирована первая
в мире специализированная интегральная
микросхема Intel 4004 (промышленный серийный
выпуск с 1971 г.), которая, по сути, являлась
4-разрядным программируемым микропроцессором.
Микропроцессор Intel 4004 содержал около
2250 транзисторов и мог выполнять примерно
60 тыс. операций в секунду. Производительность
Intel 4004 была еще слишком низкой, чтобы он
мог в полной мере выполнять функции
процессора. Однако он мог служить базовым
микропроцессором для калькуляторов.
Интересно отметить, что название фирмы
Intel происходит от слов «Integrated
Electronics» (интегральная электроника).
Возможно, смысловое содержание названия
Intel играет не последнюю роль в том, что
фирма с момента своего создания (1968 г.)
и по настоящее время (сегодня в фирме
Intel работают около 65 тыс. сотрудников)
занимает лидирующее положение среди
мировых производителей интегральных
микросхем.

В 1976 г. создан первый
8-разрядный микроконтроллер, на кристалле
которого были интегрированы основные
элементы микропроцессорной управляющей
системы: процессор, память типа ROM и RAM,
порты ввода/вывода и таймеры.

В 1978г. появился
16-разрядный микропроцессор Intel 8086
(отечественный аналог К1810ВМ86) — первый
микропроцессор массового применения.
С серийного выпуска Intel 8086 началось
полномасштабное проникновение
персональных компьютеров во все сферы
деятельности человека. Созданию
микропроцессора Intel 8086 предшествовал
выпуск 8-разрядных микропроцессоров
Intel 8008 (1972 г.) и Intel 8080 (1974 г.).

Нельзя обойти вниманием и создание
фирмой Texas Instruments в 1982 г. первого
однокристального программируемого
цифрового сигнального процессора (DSP)
TMS32010. В настоящее время из-за сложности
алгоритмов и специфики математических
вычислений, используемых при реализации
интеллектуальных приводов электрических
двигателей, архитектура сигнальных
процессоров используется в качестве
базовой для современных универсальных
программируемых DSP-контроллеров, широко
применяемых в системах управления
электродвигателями почти всех типов.

Структурная схема любой ЭВМ содержит
следующие блоки: процессор, состоящий
из арифметико-логического устройства
(ALU), схем управления и регистров; память;
периферийные устройства ввода/вывода
данных.

Первоначально блоки, входящие в ЭВМ,
создавались на базе стандартных
дискретных логических микросхем, которые
выполняли сравнительно простые функции.

Поэтому сами ЭВМ имели большие габариты
(например, суперЭВМ Сгау-1 состояла из
300 тыс. микросхем и занимала объем порядка
трех кубических метров).

Успехи интегральной технологии привели
к появлению больших и сверхбольших
интегральных схем (БИС и СБИС) с размещением
до десятков и сотен тысяч, а в настоящее
время — десятков миллионов транзисторов
на одном кристалле. Высокая степень
интеграции БИС и СБИС позволила в одной
микросхеме реализовать отдельные блоки
ЭВМ, к примеру, процессор.

В микросхемах первых микропроцессоров
(например, Intel 8080) были реализованы только
сам процессор и дополнительные устройства,
осуществляющие управление обменом
данными с внешней памятью и устройствами
ввода/вывода данных.

Однако, кроме устройств, входящих в
состав процессора, на кристалле СБИС
(БИС) могут быть реализованы память для
хранения программ (ROM), данных или
промежуточных результатов (RAM), периферийные
устройства ввода/вывода данных. Такие
СБИС (БИС) относятся к классу однокристальных
микро ЭВМ. Одной из первых серийно
выпускаемых микросхем однокристальных
микро ЭВМ стала Intel 8048 (18048). Однокристальные
микро ЭВМ начали активно использоваться
там, где была потребность в несложной
цифровой обработке данных: бытовых
электроприборах, простых системах
управления/контроля и т. п. Кроме
однокристальных микро ЭВМ для цифровой
обработки данных в подобных системах
можно использовать и заказные
(специализированные) интегральные
микросхемы (Application Specific Integrated Circuit —
ASIC).

Идея интеграции на одном кристалле
совместно с процессором и памятью
большого количества стандартных
устройств различного назначения
воплотилась в появление микроконтроллеров.
Одним из первых серийно выпускаемых
микроконтроллеров можно считать Intel
8051 (далее 8051). Вскоре микроконтроллер
8051 завоевал популярность во всем мире.
В настоящее время микроконтроллеры с
набором команд 8051 выпускаются десятками
фирм-производителей (Analog Devices, Atmel, Dallas,
Semiconductor, Oki, Philips, Infineon Technologies, Silicon Storage
Technologies, Temic и многими другими). В отличие
от универсальных микропроцессоров,
предназначенных в основном для числовой
обработки данных, микроконтроллеры
имеют расширенный набор встроенных
периферийных устройств. Это могут быть
дополнительные блоки памяти типа RAM,
ROM, EPROM, EEPROM или FLASH и периферийные
устройства различного назначения:
универсальные таймеры и таймеры
специального назначения; «сторожевые»
таймеры; контроллеры внешних интерфейсов
(UART, USART, SPI, SCI, PC, j 1850, USB- или CAN-шины) и
жидкокристаллических дисплеев; монитор
источников питания; аналоговые и цифровые
компаратора; схему перезапуска;
аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые
(ЦАП) преобразователи и др. Таким образом,
микроконтроллеры содержат все периферийные
устройства, необходимые для создания
законченных встроенных систем
управления/контроля и (что немаловажно
для дальнейшего понимания) стандартные
устройства, которые в случае использования
микропроцессора в системе выполнялись
бы на базе дополнительных внешних по
отношению к микропроцессору микросхем.
В микроконтроллерах перечисленные или,
по крайней мере, большая часть периферийных
устройств выполнены на одном кристалле
с процессором (процессорным ядром), что
придает системам на базе микроконтроллеров
большую гибкость и универсальность.
Примером подобных высокоинтегрированных
микроконтроллеров могут служить
микроконвертеры ADcU812/814/816/824/834 (Analog
Devices), микроконтроллеры семейств АТ89/АT
90 (AVR)/AT tiny/AT mega (Atmel), C16x (Infineon), H8/300 и H8/300L
(Hitachi), 51XA-G49 и 51XA-G3 (Philips), MC68HC05/08/ 11/12/16
(Motorola), PICmicro (Microchip), MSP430F (Texas instruments) и
многие другие. Микроконвертеры, по сути,
ничем не отличаются от микроконтроллеров.
Фирма Analog Devices, входящая в число мировых
лидеров по выпуску аналоговых и цифровых
микросхем, длительное время не уделяла
должного внимания рынку микроконтроллеров.
Однако в 1999 г. фирма Analog Devices начала
серийный выпуск своего первого
восьмиразрядного программно совместимого
с 8051 микроконвертера ADuC812. Если
микроконтроллер — это процессорное
ядро, окруженное широким набором
периферийных устройств ввода/вывода,
то понятие «микроконвертер»
подразумевает высокоточную систему
аналогового ввода/вывода данных (24- или
16-разрядные сигма-дельта АЦП) с
вычислительным ядром для предварительной
обработки данных и периферийными
устройствами цифрового ввода/вывода,
способствующими организации гибких
связей с «внешним миром».
Микроконвертеры представляют собой
законченную систему сбора и обработки
данных, выполненную на одном кристалле.
Микроконвертеры содержат: процессорное
ядро на базе 8051, память типа RAM, FLASH и
EEPROM, высокоточные АЦП и ЦАП, входные
мультиплексоры. Кроме того, в
микро-конвертерах интегрированы:
температурный датчик. Источник эталонного
напряжения, три универсальных таймера,
«сторожевой» таймер, таймер реального
времени, поддерживающие связь с «внешним
миром». Основным отличием микроконвертеров
от микроконтроллеров является то, что
параметры встроенных аналогов, цифровых
преобразователей не ухудшаются во время
работы процессорного ядра.

На протяжении всех этапов развития
микроконтроллеры, как, впрочем, и все
средства вычислительной техники,
развивались по двум главным направлениям:

• совершенствования архитектуры, что
  позволяло при постоянном повышении
  сложности алгоритмов управления
  обеспечивать требуемую производительность

• снижения энергопотребления, что
  способствовало повышению уровня
  надежности микроконтроллеров и позволяло
  создавать на базе одной микросхемы
  функционально законченные системы и
  средства управления/контроля.

В настоящее время сформировалась типовая
архитектура (структура) микроконтроллеров
для массового применения, в которой
можно выделить следующие особенности
и принципы построения.

Архитектура процессорного
ядра современных микроконтроллеров
построенана одном из двух принципов
организации вычислений. Согласно
реализованным принципам все микроконтроллеры
можно условно разделить на микроконтроллеры
сCISC (Complex Instruction Set Computer)
архитектурой процессорного ядра,
выполняющего расширенный набор
инструкций, иRISC (Reduced
Instruction Set Computer) архитектурой процессорного
ядра, выполняющего сокращенный набор
инструкций [1]. К микроконтроллерам
с CISC архитектурой процессорного ядра
относятся: АТ89 (Atmel), MCS-51/151/251 (Intel), C500
lnfineon), 89C51/52 и 8051ХА (Philips), 68HCO5/08/11 (Motorola). К
микроконтроллерам с RISC архитектурой
относятся: АТ90 (AVR) фирмы Atmel, PIC 16/17/18 фирмы
Microchip, 16x фирмы Infineon, MSP430 фирмы Texas
Instruments и другие.

Один из недостатков фон-неймановской
архитектуры, на базе которой построено
большинство современных микроконтроллеров,
— перемещение, между процессорным ядром
и основной памятью многочисленных
потоков информации, не имеющих
непосредственного отношения к обработке
данных, поскольку в устройствах с этой
архитектурой данные и программа хранятся
в общей памяти. Интересно отметить, что,
образно говоря, рождение такого
общепризнанного сегодня принципа
размещения программ и данных в общей
памяти произошло в результате попыток
усовершенствовать «мучительный»
процесс программирования первой
электронно-счетной машины ENIAC, состоявшей
более чем из 17 тыс. электронных ламп,
тысячи переключателей и сотни кабелей.
Изменение программы для ENIAC заключалось
в установке в определенное положение
переключателей и соединении с помощью
кабелей внешних разъемов. Авторство
идеи хранения команд компьютера в памяти
закрепилось за математиком венгерского
происхождения — Джоном фон Нейманом. В
отличие от фон-неймановской архитектуры,
в гарвардской архитектуре предусмотрены
отдельные области памяти для хранения
данных и программ и соответственное
количество встроенных шин для доступа
к этим областям памяти, что позволяет
одновременно выбирать инструкцию и
несколько операндов. На базе гарвардской
архитектуры построены все DSP-контроллеры,
кроме того, архитектура некоторых
микроконтроллеров напоминает гарвардскую.
Например, АТ90 (AVR) фирмы Atmel.

В настоящее время мировое производство
электроэнергии превышает 0.1 % энергии,
получаемой нашей планетой от Солнца, а
к концу XXI столетия может увеличиться
до 0.4- 0.5 % [2]. По разным оценкам потребление
примерно 50-70 % всей вырабатываемой
электроэнергии приходится на долю
электродвигателей. Поэтому крайне остро
стоит проблема реализации оптимальных
алгоритмов управления электродвигателями
не только с целью улучшения их
эксплуатационных характеристик, а и
экономии электроэнергии. Существовавшие
до недавнего времени системы управления
электродвигателями на дискретных
компонентах, а также на базе
специализированных микроконтроллеров,
в которых интегрированы периферийные
устройства для управления электродвигателями,
не обладают достаточной производительностью
и поэтому не в состоянии реализовывать
сложные алгоритмы управления (например,
векторное управление). Высокопроизводительные
универсальные микропроцессоры не имеют
встроенных периферийных устройств

Микропроцессор, типы и категории микропроцессора, процессор Pentium

Intel 4004 был 4-битным процессором, который имел скорость 740 кГц.
В 1976 , 16-битный процессор 8086 был представлен со скоростью 5 МГц .
В 1993 был представлен процессор Pentium, который имел скорость 60 МГц .

Затем Pentium II , который имеет скорость 233 МГц, и Pentium III , который имеет скорость 450 МГц, , и
Pentium 4 , который имеет скорость 1.3 ГГц .

Затем процессор Celeron , который имеет частоту 266 МГц .
В 2003 Intel представила Pentium M .
Pentium M медленнее, на 900 МГц , так что потребление энергии снижается, а батарея ноутбука работает дольше.
В 2006 Intel представила процессор Core со скоростью 1,6 ГГц . Он имеет более одного ядра, как в случае Core Duo (который имеет два ядра), и имеет возможность виртуализации, которая позволяет запускать несколько копий операционной системы на одном компьютере.

Процессор : Intel Core i3
Производство : 2010 — настоящее время
Тактовая частота : 1,2 ГГц — 3,7 ГГц
Количество ядер : 2 / w гиперпоточность
Кэш L1 : 64 КБ на ядро ​​
Кэш L2 : 256 КиБ
Кэш L3 : 3 МиБ — 4 МиБ

Процессор : Intel Core i5
Производство : 2009 – настоящее время
Тактовая частота : 1,06 ГГц — 4,2 ГГц
Количество ядер : 2 / w гиперпоточность, 4
Кэш L1 : 64 КБ на ядро
Кэш 2-го уровня : 256 КБ
Кэш-память 3-го уровня : 4 МБ — 8 МБ

Процессор : Intel Core i7
Производство : 2011 – настоящее время
Тактовая частота : 1.6 ГГц — 4,4 ГГц
Количество ядер : 4, гиперпоточность 4 / w, 8
Кэш L1 : 64 КБ на ядро ​​
Кэш L2 : 4 × 256 КБ
Кэш L3 : 6 МиБ — 10 MiB

Процессор : Intel Core i9
Производство : с 2018 г. по настоящее время
Тактовая частота : 3,0 ГГц — 4,0 ГГц
Количество ядер : 6-8
Кэш L1 : 512 КБ
Кэш L2 : 2 МиБ
Кэш L3 : 16 МиБ

Хотя Intel является ведущей компанией по производству процессоров, есть и другие компании, такие как AMD , которые тоже производят процессоры.В 1991 году AMD выпустила процессор Am386 с тактовой частотой 40 МГц . Он совместим с процессором Intel 386 .

В 1999 г. AMD представила процессор Athlon , который имеет скорость 500 МГц . Athlon был законным конкурентом Intel Pentium III, потому что он был быстрее. Собственно говоря, AMD Athlon был первым процессором, достигшим частоты 1 ГГц.

Архитектура микропроцессора 8085, особенности и его работа

Первое изобретение интегральной схемы произошло в 1959 году и ознаменовало собой историю микропроцессоров.И первым микропроцессором, который был изобретен, был Intel 4004 в 1971 году. Его даже называют центральным процессором (ЦП), в котором несколько периферийных компонентов компьютера интегрированы в один чип. Сюда входят регистры, шина управления, часы, ALU, секция управления и блок памяти. Прошло много поколений, текущее поколение микропроцессоров могло выполнять сложные вычислительные задачи, в которых также использовались 64-битные процессоры. Это краткая оценка микропроцессоров, и один тип, который мы собираемся обсудить сегодня, — это микропроцессор 8085.

Что такое микропроцессор 8085?

Обычно 8085 представляет собой 8-битный микропроцессор, и он был запущен командой Intel в 1976 году с помощью технологии NMOS. Этот процессор представляет собой обновленную версию микропроцессора. Конфигурации микропроцессора 8085 в основном включают шину данных — 8 бит, адресную шину — 16 бит, программный счетчик — 16 бит, указатель стека — 16 бит, регистры 8 бит, источник напряжения + 5 В и работает на частоте 3,2 МГц. односегментный CLK. Микропроцессор 8085 применяется в микроволновых печах, стиральных машинах, гаджетах и ​​т. Д.Характеристики микропроцессора 8085 следующие:

• Этот микропроцессор представляет собой 8-битное устройство, которое одновременно принимает, работает или выводит 8-битную информацию.
• Процессор состоит из 16-битных и 8-битных линий адреса и данных, поэтому емкость устройства составляет 2 ¹⁶ , что составляет 64 КБ памяти.
• Он состоит из одного чипа NMOS и имеет 6200 транзисторов
• В общей сложности 246 рабочих кодов и 80 инструкций
• Поскольку микропроцессор 8085 имеет 8-битные адресные строки ввода / вывода, он может адресовать 2 ⁸ = 256 портов ввода и вывода.
• Этот микропроцессор доступен в пакете DIP с 40 контактами.
• Для передачи огромного объема информации из ввода / вывода в память и из памяти в ввод / вывод процессор разделяет свою шину с контроллером DMA.
• У него есть подход, позволяющий улучшить механизм обработки прерываний.
• Процессор 8085 может даже работать как трехчиповый микрокомпьютер, используя поддержку схем IC 8355 и IC 8155.
• Он имеет внутренний тактовый генератор
• Он работает в тактовом цикле с рабочим циклом 50%

Архитектура микропроцессора 8085

Архитектура микропроцессора 8085 в основном включает в себя блок синхронизации и управления, арифметический и логический блок, декодер, регистр команд, управление прерываниями, массив регистров, управление последовательным вводом / выводом.Самая важная часть микропроцессора — центральный процессор.

8085 Архитектура

Операции микропроцессора 8085

Основная операция ALU является арифметической, а также логической, которая включает в себя сложение, приращение, вычитание, декремент, логические операции, такие как AND, OR, Ex-OR, дополнение , оценка, сдвиг влево или вправо. Как временные регистры, так и аккумуляторы используются для хранения информации во время операций, тогда результат будет сохранен в аккумуляторе.Различные флаги располагаются или переупорядочиваются в зависимости от результата операции.

Регистры флагов

Регистры флагов микропроцессора 8085 подразделяются на пять типов, а именно знак, ноль, вспомогательный перенос, четность и перенос. Позиции битов, отведенные для этих типов флагов. После срабатывания ALU, когда результат самого старшего бита (D7) равен единице, будет установлен знаковый флаг. Когда результат операции ALU равен нулю, будут установлены нулевые флаги.Когда результат не равен нулю, то нулевые флаги сбрасываются.

8085 Регистры флагов микропроцессора

В арифметическом процессе всякий раз, когда перенос производится с меньшим полубайтом, устанавливается флаг переноса вспомогательного типа. После операции ALU, когда результат имеет четное число, будет установлен флаг четности, иначе он сбрасывается. Когда результатом арифметического процесса является перенос, тогда будет установлен флаг переноса или он будет сброшен. Между пятью типами флагов, внутри используется флаг типа AC, предназначенный для арифметики BCD, а оставшиеся четыре флага используются разработчиком для проверки условий результата процесса.

Блок управления и синхронизации

Блок управления и синхронизации координирует все действия микропроцессора по часам и выдает управляющие сигналы, необходимые для связи между микропроцессором и периферийными устройствами.

Регистр декодера и команд
Поскольку порядок получается из памяти, после этого он помещается в регистр команд и кодируется и декодируется в различные циклы устройства.

Массив регистров

Программируемые регистры общего назначения подразделяются на несколько типов, помимо накопителя, такие как B, C, D, E, H и L.Они используются как 8-битные регистры, в противном случае они объединяются для хранения 16 бит данных. Разрешенными парами являются BC, DE и HL, а краткосрочные регистры W и Z используются в процессоре и не могут быть использованы разработчиком.

Регистры специального назначения

Эти регистры подразделяются на четыре типа, а именно: счетчик программ, указатель стека, регистр увеличения или уменьшения, буфер адреса или буфер данных.

Программный счетчик

Это первый тип специального регистра, который учитывает, что инструкция выполняется микропроцессором.Когда ALU завершил выполнение инструкции, микропроцессор ищет другую инструкцию, которую нужно выполнить. Таким образом, будет требоваться удержание адреса следующей инструкции, которая должна быть выполнена, для экономии времени. Микропроцессор увеличивает программу, когда команда выполняется, поэтому будет выполняться позиция счетчика программ до следующего адреса памяти команд…

Указатель стека в 8085

Указатель SP или стека является 16-битным регистром и функциями похож на стек, который постоянно увеличивается или уменьшается двумя в процессах push и pop.

Регистр увеличения или уменьшения

Содержимое 8-битного регистра или же позиция памяти может быть увеличена или уменьшена на единицу. 16-битный регистр полезен для увеличения или уменьшения счетчиков программ, а также для содержания регистра указателя стека с единицей. Эта операция может быть выполнена с любой позицией памяти или любым типом регистра.

Адресный буфер и адресный буфер данных

Адресный буфер хранит скопированную информацию из памяти для выполнения.С этими шинами связаны микросхемы памяти и ввода-вывода; тогда ЦП может заменить предпочтительные данные микросхемами ввода-вывода и памятью.

Адресная шина и шина данных

Шина данных полезна для переноса соответствующей информации, которая должна храниться. Он двунаправленный, но адресная шина указывает положение относительно того, где он должен быть сохранен, и он однонаправленный, полезен для передачи информации, а также для адресации устройств ввода / вывода.

Блок синхронизации и управления

Блок синхронизации и управления может использоваться для подачи сигнала на микропроцессор 8085 для выполнения определенных процессов.Блоки синхронизации и управления используются для управления как внутренними, так и внешними цепями. Они подразделяются на четыре типа, а именно блоки управления, такие как RD ‘ALE, READY, WR’, блоки состояния, такие как S0, S1 и IO / M ‘, DM, такие как HLDA, и блок HOLD, блоки RESET, такие как RST-IN и RST-OUT. .

Схема выводов

Этот микропроцессор 8085 представляет собой 40-выводный микропроцессор, который разделен на семь групп. С помощью приведенной ниже схемы выводов микропроцессора 8085 можно легко определить функциональность и назначение.

Схема выводов 8085

Шина данных

Контакты с 12 по 17 являются выводами шины данных, которые являются AD ₀ — AD ₇ , они несут минимальную значительную 8-битную шину данных и адреса.

Адресная шина

Контакты с 21 по 28 — это контакты шины данных, которые являются контактами A ₈ — A ₁₅ , они переносят наиболее значительную 8-битную шину данных и адреса.

Статус и сигналы управления

Эти сигналы в основном рассматриваются для определения поведения операции. В устройствах 8085 имеется по 3 сигнала управления и состояния.

RD — Это сигнал, используемый для регулирования операции READ.Когда вывод переходит в низкий уровень, это означает, что выбранная память прочитана.

WR — Это сигнал, используемый для регулирования операции ЗАПИСИ. Когда вывод переходит в низкий уровень, это означает, что информация шины данных записана в выбранную ячейку памяти.

ALE — ALE соответствует сигналу разрешения фиксации адреса. Сигнал ALE имеет высокий уровень во время начального тактового цикла машины, и это позволяет последним 8 битам адреса фиксироваться с помощью памяти или внешней защелки.

IO / M — это сигнал состояния, который определяет, будет ли назначен адрес для ввода / вывода или для устройств памяти.

READY — Этот вывод используется для указания, может ли периферийное устройство передавать информацию или нет. Когда этот вывод высокий, он передает данные, а если он низкий, микропроцессорное устройство должно дождаться, пока вывод перейдет в высокое состояние.

S ₀ и S ₁ контактов — Эти контакты являются сигналами состояния, которые определяют следующие операции, а именно:

CLK — это выходной сигнал, который является выводом 37.Это используется даже в других цифровых интегральных схемах. Частота тактового сигнала аналогична частоте процессора.

X1 и X2 — это входные сигналы на контактах 1 и 2. Эти контакты имеют соединение с внешним генератором, который управляет внутренней схемной системой устройства. Эти контакты используются для генерации часов, необходимых для работы микропроцессора.

Сигналы сброса

Есть два контакта сброса, которые являются входом сброса и выходом сброса на контактах 3 и 36.

СБРОС ВХОДА — Этот вывод означает сброс программного счетчика на ноль. Кроме того, этот вывод сбрасывает триггеры HLDA и выводы IE. Блок обработки управления будет находиться в состоянии сброса до тех пор, пока не сработает СБРОС.

RESET OUT — Этот вывод означает, что ЦП находится в состоянии сброса.

Сигналы последовательного ввода / вывода

SID — Это сигнал линии последовательного ввода данных. Информация, которая находится на этой шкале дат, переносится в бит 7 ^-й ACC при выполнении функции RIM.

SOD — это сигнал линии последовательных выходных данных. 7 ^-й бит ACC является выходом на линии данных SOD, когда выполняются функции SIIM.

Инициируемые извне и сигналы прерывания

HLDA — Это сигнал подтверждения HOLD, который означает полученный сигнал запроса HOLD. Когда запрос удален, вывод переходит в низкое состояние. Это выходной контакт.

HOLD — Этот вывод указывает, что другое устройство нуждается в использовании шины данных и адреса.Это входной контакт.

INTA — Этот вывод является подтверждением прерывания, которое направляется микропроцессорным устройством после получения вывода INTR. Это выходной контакт.

INTR — Это сигнал запроса прерывания. Он имеет минимальный приоритет по сравнению с другими сигналами прерывания.

TRAP, RST 5.5, 6.5, 7.5 — Все эти контакты являются входными прерываниями. Когда любой из выводов прерывания распознается, следующий сигнал действует из постоянной позиции в памяти на основании следующей таблицы:

Список приоритетов этих сигналов прерывания:

TRAP — Самый высокий

RST 7.5 — Высокий

RST 6.5 — Средний

RST 5.5 — Низкий

INTR — Самый низкий

Сигналы источника питания: Vcc и Vss , которые являются контактами + 5V и заземлением.

8085 Прерывание микропроцессора

Временная диаграмма микропроцессора 8085

Чтобы четко понять работу и производительность микропроцессора, временная диаграмма является наиболее подходящим подходом. Используя временную диаграмму, легко узнать функциональность системы, подробную функциональность каждой инструкции и выполнения и другие.Временная диаграмма — это графическое изображение инструкций с шагами, соответствующими времени. Это означает тактовый цикл, период времени, шину данных, тип операции, такой как RD / WR / Status, и тактовый цикл.

В микропроцессоре 8085 мы рассмотрим временные диаграммы I / O RD, I / O WR, памяти RD, памяти WR и выборки кода операции.

Выборка кода операции

Временная диаграмма:

Выборка кода операции в микропроцессоре 8085

Чтение ввода-вывода

Временная диаграмма:

Входное чтение

Запись ввода-вывода

Временная диаграмма:

Входная запись

Чтение памяти

Временная диаграмма:

Чтение памяти

Запись памяти

Временная диаграмма:

Запись памяти в микропроцессоре 8085

Для всех этих временных диаграмм обычно используются следующие термины:

RD — Когда он высокий, это означает, что микропроцессор не считывает данные, или когда он низкий, это означает, что микропроцессор считывает данные.

WR — Когда он высокий, это означает, что микропроцессор не записывает данные, или когда он низкий, это означает, что микропроцессор записывает данные.

IO / M — Когда он высокий, это означает, что устройство выполняет операцию ввода / вывода, или когда он низкий, это означает, что микропроцессор выполняет операцию с памятью.

ALE — Этот сигнал подразумевает наличие действительного адреса. Когда сигнал высокий, он работает как шина адреса, или когда он низкий, он работает как шина данных.

S0 и S1 — обозначает тип выполняемого машинного цикла.

Обратите внимание на таблицу ниже:

9032 1

8085 Инс. Микропроцессора truction Set

Набор инструкций микропроцессора 8085 — это не что иное, как коды инструкций, используемые для выполнения точной задачи, и наборы инструкций подразделяются на различные типы, а именно инструкции управления, логические, ветвления, арифметики и передачи данных.

Режимы адресации 8085

Режимы адресации микропроцессора 8085 могут быть определены как команды, предлагаемые этими режимами, которые используются для обозначения информации в различных формах без изменения содержимого. Они подразделяются на пять групп, а именно: немедленный, регистрационный, прямой, косвенный и подразумеваемый режим адресации.

Режим немедленной адресации

Здесь операндом источника является информация. Когда информация 8-битная, инструкция имеет 2 байта.Или, если информация 16-битная, то инструкция имеет 3 байта.

Рассмотрим следующие примеры:

MVI B 60 — Это подразумевает быстрое перемещение даты 60H в регистр B

JMP-адрес — Это подразумевает быстрое переключение адреса операнда

Режим адресации регистров

Здесь информация, с которой необходимо работать, присутствует в регистрах, а операнды являются регистрами. Таким образом, операция происходит внутри нескольких регистров микропроцессора.

Рассмотрим следующие примеры:

INR B — подразумевает приращение содержимого регистра B на один бит

MOV A, B — подразумевает перемещение содержимого из регистра B в A

ADD B — It подразумевает, что регистр A и регистр B суммируются и накапливают вывод в A.

JMP-адрес — это подразумевает быстрое переключение адреса операнда

Режим прямой адресации

Здесь информация, с которой нужно работать, присутствует в памяти местоположение и операнд непосредственно рассматривается как ячейка памяти.

Рассмотрим следующие примеры:

LDA 2100 — подразумевает загрузку содержимого ячейки памяти в аккумулятор A

IN 35 — подразумевает чтение информации с порта, имеющего адрес 35

Indirect Addressing Mode

Здесь информация, с которой нужно работать, присутствует в ячейке памяти, а операнд косвенно рассматривается как пара регистров.

Рассмотрим следующие примеры:

LDAX B — подразумевает перемещение содержимого регистра BC в аккумулятор
LXIH 9570 — подразумевает немедленную загрузку пары HL с адресом расположения 9570

Режим неявной адресации

Здесь операнд скрыт, и информация, с которой нужно работать, присутствует в самих данных.

Примеры:

RRC — подразумевает поворот аккумулятора A в правое положение на один бит

RLC — подразумевает поворот аккумулятора A в левое положение на один бит

Applications

С развитием микропроцессорных устройств, произошли огромные перемены в жизни многих людей в самых разных отраслях и сферах деятельности. Поскольку из-за рентабельности устройства, минимального веса и использования минимальной мощности эти микропроцессоры широко используются в наши дни.Сегодня рассмотрим приложений микропроцессора 8085 .

Поскольку микропроцессор 8085 включен в набор инструкций, который имеет несколько основных инструкций, таких как переход, добавление, подпрограмма, перемещение и другие. В этом наборе инструкций инструкции составлены на языке программирования, который понятен операционному устройству и выполняет многочисленные функции, такие как сложение, деление, умножение, перемещение и многие другие. С помощью этих микропроцессоров можно сделать еще более сложные задачи.

Инженерные приложения

Приложения, которые используют микропроцессор, находятся в устройствах управления трафиком, системных серверах, медицинском оборудовании, системах обработки, лифтах, огромном оборудовании, системах защиты, области расследования и в некоторых системах замков, которые имеют автоматический вход и выход.

Медицинский домен

Микропроцессоры чаще всего используются в медицинской промышленности в инсулиновой помпе, где микропроцессор регулирует работу этого устройства.Он управляет множеством функций, таких как хранение вычислений, обработка информации, полученной от биосенсоров, и изучение результатов.

Связь

• В области связи отрасль телефонной связи является наиболее важной и развивающейся. Здесь микропроцессоры используются в цифровых телефонных системах, модемах, кабелях для передачи данных, телефонных станциях и во многих других.
• Применение микропроцессора в спутниковой системе телевидения позволило также проводить телеконференции.
• Микропроцессоры используются даже в авиационных и железнодорожных системах регистрации. LAN и WAN для установления вертикальной передачи данных в компьютерных системах.

Электроника

Мозг компьютера — это технология микропроцессоров. Они реализованы в различных типах систем, от микрокомпьютеров до суперкомпьютеров. В игровой индустрии многие игровые инструкции разрабатываются с использованием микропроцессоров.

Телевизоры, iPad, виртуальные элементы управления даже содержат эти микропроцессоры для выполнения сложных инструкций и функций.

Таким образом, это все про 8085 архитектура . Из приведенной выше информации, наконец, мы можем сделать вывод, что микропроцессор 8085 особенности , это 8-битный микропроцессор, заключенный в 40-контактный, использует напряжение питания + 5V для работы. Он состоит из 16-битного указателя стека и программного счетчика, 74-х командных наборов и многого другого.Вот вам вопрос, что такое симулятор микропроцессора 8085 ?

Базовая структура микропроцессора Pentium

Основными функциональными компонентами процессора Pentium являются:

• Ядро: Сердце Pentium — это исполнительный блок. Pentium имеет два параллельных целочисленных конвейера, позволяющих ему одновременно читать, интерпретировать, выполнять и отправлять две инструкции.
• Предсказатель переходов: Блок прогнозирования переходов пытается угадать, какая последовательность будет выполняться каждый раз, когда программа содержит условный переход, так что блок предварительной выборки и декодирования может заранее подготовить инструкции.
• Модуль с плавающей запятой: Третий исполнительный модуль в Pentium, где выполняются нецелочисленные вычисления.
• Кэш-память уровня 1: Pentium имеет два встроенных кэша по 8 КБ каждый, один для кода и один для данных, которые намного быстрее, чем внешний вторичный кэш большего размера.
• Интерфейс шины: Это вводит смесь кода и данных в ЦП, разделяет их, готовые к использованию, а затем повторно объединяет их и отправляет обратно.

Все элементы процессора синхронизируются с помощью часов, которые определяют, насколько быстро он работает. Самый первый микропроцессор имел тактовую частоту 100 кГц, тогда как Pentium Pro использует тактовую частоту 200 МГц, то есть он тикает 200 миллионов раз в секунду. По мере того, как часы тикают, происходят разные вещи. Программный счетчик (ПК) — это ячейка внутренней памяти, которая содержит адрес следующей инструкции, которая должна быть выполнена. Когда приходит время его выполнения, управляющий модуль передает команду из памяти в свой регистр команд (IR).

В то же время ПК получает приращение, так что он указывает на следующую команду в последовательности; теперь процессор выполняет инструкцию в IR. Некоторые инструкции обрабатываются самим управляющим модулем, поэтому, если инструкция говорит о переходе к позиции 2749, значение 2749 записывается в ПК, чтобы процессор выполнял эту инструкцию следующим.

Многие инструкции включают арифметико-логический блок (ALU). Это работает вместе с регистрами общего назначения — областями временного хранения, которые могут быть загружены из памяти или записаны в память.Типичная инструкция ALU может заключаться в добавлении содержимого ячейки памяти в регистр общего назначения. ALU также изменяет биты в регистре состояния (SR) при выполнении каждой инструкции; это содержит информацию о результате предыдущей инструкции. Обычно в SR есть биты для обозначения нулевого результата, переполнения, переноса и так далее. Блок управления использует информацию в SR для выполнения условных инструкций, таких как переход к адресу 7410, если предыдущая инструкция переполнилась.

Это почти все, что касается самого простого процессора, и практически любая операция может быть выполнена с использованием последовательностей простых инструкций, подобных описанным.

Связанные

Микропроцессор

Intel 4004, первый коммерческий микропроцессор общего назначения

Микропроцессор объединяет функции центрального процессора (ЦП) компьютера на одной интегральной схеме, ^[1] (IC) или, самое большее, на нескольких интегральных схемах. ^[2] Это многоцелевое программируемое устройство, которое принимает цифровые данные в качестве входных, обрабатывает их в соответствии с инструкциями, хранящимися в его памяти, и предоставляет результаты в качестве выходных. Это пример последовательной цифровой логики, поскольку он имеет внутреннюю память. Микропроцессоры работают с числами и символами, представленными в двоичной системе счисления. Появление дешевых компьютеров на интегральных схемах изменило современное общество. Микропроцессоры общего назначения в персональных компьютерах используются для вычислений, редактирования текста, отображения мультимедиа и связи через Интернет.Многие другие микропроцессоры являются частью встроенных систем, обеспечивая цифровое управление множеством объектов, от бытовой техники до автомобилей и сотовых телефонов, а также управление производственными процессами.

Истоки

В 1960-е годы компьютерные процессоры были построены из малых и средних ИС, каждая из которых содержала от десятков до нескольких сотен транзисторов. Для каждого построенного компьютера все это должно было быть размещено и припаяно к печатным платам, и часто несколько плат приходилось соединять между собой в шасси.Большое количество дискретных логических вентилей потребляет больше электроэнергии и, следовательно, производит больше тепла, чем более интегрированная конструкция с меньшим количеством ИС. Расстояние, которое должны пройти сигналы между микросхемами на платах, ограничивало скорость, с которой мог работать компьютер.

В космических миссиях НАСА «Аполлон» на Луну в 1960-х и 1970-х годах все бортовые вычисления для первичного наведения, навигации и управления производились небольшим специализированным процессором под названием «Управляющий компьютер Аполлона».Он использовал примитивную матрицу вентилей, единственными логическими элементами которой были вентили ИЛИ-НЕ с тремя входами. ^[3]

Интеграция всего ЦП на одном кристалле или на нескольких микросхемах значительно снизила стоимость вычислительной мощности. Процессор на интегральных схемах производился в больших количествах с использованием высокоавтоматизированных процессов, поэтому стоимость единицы была низкой. Однокристальные процессоры повышают надежность, поскольку количество отказов электрических соединений значительно сокращается. По мере того, как микропроцессоры становятся быстрее, стоимость производства микросхемы (с меньшими компонентами, построенными на полупроводниковой микросхеме того же размера), как правило, остается прежней.

Микропроцессоры, интегрированные в одну или несколько крупномасштабных ИС — архитектуры, которые ранее были реализованы с использованием многих средних и малых интегральных схем. Продолжающееся увеличение мощности микропроцессоров сделало другие виды компьютеров почти полностью устаревшими (см. Историю вычислительного оборудования) с одним или несколькими микропроцессорами, используемыми во всем, от самых маленьких встроенных систем и портативных устройств до самых больших мэйнфреймов и суперкомпьютеров.

Первые микропроцессоры появились в начале 1970-х годов и использовались для электронных калькуляторов, использующих арифметику с двоично-десятичными числами (BCD) над 4-битными словами.Вскоре последовали и другие встроенные применения 4-битных и 8-битных микропроцессоров, такие как терминалы, принтеры, различные виды автоматизации и т. Д. Доступные по цене 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресацией также привели к появлению первых микрокомпьютеров общего назначения с середины 1970-х годов.

С начала 1970-х годов увеличение емкости микропроцессоров следовало закону Мура, согласно которому количество транзисторов, которые можно установить на микросхему, удваивается каждые два года. Первоначально рассчитываемый как удвоение каждый год, ^[4] Мур позже уточнил период до двух лет. ^[5] Часто неверно указывается, что количество транзисторов удваивается каждые 18 месяцев.

Встроенные приложения

Микропроцессоры

позволяют включить в компьютер тысячи элементов, которые традиционно не были связаны с компьютером. К ним относятся крупная и малая бытовая техника, автомобили (и их дополнительное оборудование), ключи от машины, инструменты и испытательные приборы, игрушки, выключатели / диммеры и электрические прерыватели цепи, дымовые извещатели, аккумуляторные блоки и аудио / визуальные компоненты Hi-Fi. (от DVD-плееров до проигрывателей фонографов.) Такие продукты, как сотовые телефоны, видеосистема DVD и система вещания ATSC HDTV, в основном требуют потребительских устройств с мощными и недорогими микропроцессорами. Все более строгие стандарты контроля загрязнения фактически требуют, чтобы производители автомобилей использовали микропроцессорные системы управления двигателем, чтобы обеспечить оптимальный контроль выбросов в широко изменяющихся условиях эксплуатации автомобиля. Непрограммируемые элементы управления потребуют сложной, громоздкой или дорогостоящей реализации для достижения результатов, возможных с помощью микропроцессора.

Программа микропроцессорного управления может быть легко адаптирована к различным потребностям линейки продуктов, что позволяет повысить производительность с минимальным изменением конструкции продукта. Различные функции могут быть реализованы в разных моделях продуктовой линейки при незначительных производственных затратах.

Микропроцессорное управление системой может обеспечивать стратегии управления, которые было бы непрактично реализовать с использованием электромеханических средств управления или специально разработанных электронных средств управления. Например, система управления двигателем в автомобиле может регулировать угол опережения зажигания в зависимости от частоты вращения двигателя, нагрузки на двигатель, температуры окружающей среды и любой наблюдаемой тенденции к детонации, что позволяет автомобилю работать на различных сортах топлива.

Структура

Блок-схема внутренней архитектуры популярного микропроцессора, показывающая арифметическую и логическую секцию, регистровый файл, секцию управляющей логики и буферы для внешних адресов и линий данных.

Внутреннее устройство микропроцессора варьируется в зависимости от возраста конструкции и предполагаемых целей процессора. Сложность интегральной схемы ограничена физическими ограничениями на количество транзисторов, которые могут быть помещены на одну микросхему, количество оконечных элементов корпуса, которые могут соединять процессор с другими частями системы, количество соединений, которые можно выполнить. на микросхеме и тепло, которое микросхема может рассеивать.Развитие технологий делает возможным производство более сложных и мощных чипов.

Минимальный гипотетический микропроцессор может включать только арифметико-логический блок (ALU) и секцию управляющей логики. ALU выполняет такие операции, как сложение, вычитание и такие операции, как AND или OR. Каждая операция ALU устанавливает один или несколько флагов в регистре состояния, которые указывают результаты последней операции (нулевое значение, отрицательное число, переполнение или другие). Секция логики извлекает коды операций инструкции из памяти и инициирует любую последовательность операций ALU, необходимую для выполнения инструкции.Один код операции может повлиять на многие отдельные пути данных, регистры и другие элементы процессора.

По мере развития технологии интегральных схем стало возможным производить все более и более сложные процессоры на одном кристалле. Размер объектов данных стал больше; размещение большего количества транзисторов на микросхеме позволило увеличить размер слова с 4- и 8-битных слов до сегодняшних 64-битных слов. В архитектуру процессора добавлены дополнительные функции; большее количество регистров на кристалле ускоряет программы, а сложные инструкции можно использовать для создания более компактных программ.Например, арифметика с плавающей запятой часто была недоступна на 8-битных микропроцессорах, но ее приходилось выполнять программно. Интеграция модуля с плавающей запятой сначала в виде отдельной интегральной схемы, а затем как части того же микропроцессорного чипа, ускорила вычисления с плавающей запятой.

Иногда физические ограничения интегральных схем вынуждали применять такой подход, как побитовый срез. Вместо того, чтобы обрабатывать все длинное слово на одной интегральной схеме, несколько схем параллельно обрабатывают подмножества каждого слова данных.Хотя это требовало дополнительной логики для обработки, например, переноса и переполнения в каждом слайсе, результатом была система, которая могла обрабатывать, скажем, 32-битные слова с использованием интегральных схем с емкостью всего 4 бита каждая.

Благодаря возможности разместить большое количество транзисторов на одном кристалле, становится возможным интегрировать память на одном кристалле с процессором. Этот кэш ЦП имеет преимущество более быстрого доступа, чем внешняя память, и увеличивает скорость обработки системы для многих приложений.Как правило, скорость процессора увеличивается быстрее, чем скорость внешней памяти, поэтому кэш-память необходима, если процессор не должен задерживаться более медленной внешней памятью.

Первые

Три проекта поставляли микропроцессор примерно в одно и то же время: Intel 4004, Texas Instruments (TI) TMS 1000 и центральный компьютер воздушных данных Garrett AiResearch (CADC).

Intel 4004

4004 со снятой крышкой (слева) и в том виде, в котором он использовался (справа)

Intel 4004 обычно считается первым микропроцессором ^{[6] [7]} и стоит 60 долларов. ^[8] Первое известное объявление о 4004 датировано 15 ноября 1971 года и появилось в электронных новостях. ^[9] Проект по производству 4004 возник в 1969 году, когда Busicom, японский производитель калькуляторов, попросил Intel создать набор микросхем для высокопроизводительных настольных калькуляторов. Оригинальный дизайн Busicom предполагал создание программируемого набора микросхем, состоящего из семи различных микросхем. Три микросхемы должны были создать специальный ЦП, программа которого хранится в ПЗУ, а данные — в памяти чтения-записи регистра сдвига.Тед Хофф, инженер Intel, назначенный для оценки проекта, полагал, что дизайн Busicom можно упростить, используя динамическое ОЗУ для хранения данных, а не память регистров сдвига, и более традиционную архитектуру ЦП общего назначения. Хофф выступил с предложением по архитектуре с четырьмя микросхемами: микросхема ПЗУ для хранения программ, микросхема динамической ОЗУ для хранения данных, простое устройство ввода-вывода и 4-битный центральный процессор (ЦП). Хотя он и не был разработчиком микросхем, он чувствовал, что ЦП можно интегрировать в один кристалл, но, поскольку ему не хватало технических знаний, эта идея пока оставалась лишь желанием.

В то время как архитектура и спецификации MCS-4 возникли в результате взаимодействия Хоффа со Стэнли Мазором, инженером-программистом, подчиненным ему, и с инженером Busicom Масатоши Шима, в 1969 году Мазор и Хофф перешли к другим проектам, а в апреле 1970 Intel наняла Федерико Фаггина в качестве руководителя проекта, шаг, который в конечном итоге сделал окончательный дизайн однокристального процессора реальностью (вместо этого Шима разработал микропрограмму калькулятора Busicom и помогал Фаггину в течение первых шести месяцев реализации).Фаггин, который первоначально разработал технологию кремниевого затвора (SGT) в 1968 году в Fairchild Semiconductor ^[10] и спроектировал первую в мире коммерческую интегральную схему с использованием SGT, Fairchild 3708, имел необходимые предпосылки, чтобы довести проект до того, что впоследствии стало Первый коммерческий микропроцессор общего назначения, поскольку это было его собственное изобретение, SGT в дополнение к его новой методологии проектирования случайной логики, что позволило реализовать однокристальный процессор с надлежащей скоростью, рассеиваемой мощностью и стоимостью.Руководителем отдела дизайна Intel MOS был Лесли Л. Вадас. во время разработки MCS-4, но внимание Вадаша было полностью сосредоточено на основном бизнесе полупроводниковой памяти, и он оставил руководство и управление проектом MCS-4 Фаггину, который в конечном итоге отвечал за руководство проектом 4004 до его результат. Производственные единицы 4004 были впервые поставлены компании Busicom в марте 1971 года и отгружены другим клиентам в конце 1971 года.

TMS 1000

Смитсоновский институт утверждает, что инженерам TI Гэри Буну и Майклу Кокрану удалось создать первый микроконтроллер (также называемый микрокомпьютером) в 1971 году.Результатом их работы стал TMS 1000, который поступил в продажу в 1974 году. ^[11]

Компания TI разработала 4-битный TMS 1000 и сделала упор на заранее запрограммированные встроенные приложения, представив 17 сентября 1971 года версию под названием TMS1802NC, в которой калькулятор реализован на кристалле.

TI подала заявку на патент на микропроцессор. 4 сентября 1973 года Гэри Бун был награжден патентом США 3757306 на архитектуру однокристального микропроцессора. Возможно, никогда не будет известно, у какой компании на самом деле был первый рабочий микропроцессор, работающий на лабораторном столе.Как в 1971, так и в 1976 году Intel и TI заключили широкие патентные соглашения о перекрестном лицензировании, при этом Intel выплачивала TI роялти за патент на микропроцессор. История этих событий содержится в судебной документации по судебному спору между Cyrix и Intel, в котором TI выступила в роли посредника и владельца патента на микропроцессор.

Компьютер на кристалле объединяет в одном кристалле линии ядра микропроцессора (ЦП), памяти и ввода-вывода (ввода-вывода). Патент «компьютер на кристалле», в то время называемый «патентом на микрокомпьютер», U.Патент S. 4 074 351 был выдан Гэри Буну и Майклу Дж. Кокрану из TI. Помимо этого патента, стандартное значение микрокомпьютера — это компьютер, использующий один или несколько микропроцессоров в качестве процессора (ов), тогда как концепция, определенная в патенте, больше похожа на микроконтроллер.

Pico / General Instrument

Микросхема PICO1 / GI250, представленная в 1971 году. Она была разработана Pico Electronics (Гленротес, Шотландия) и произведена General Instrument из Хиксвилля, штат Нью-Йорк.

В 1971 году Pico Electronics ^[12] и General Instrument (GI) представили свое первое сотрудничество в области создания интегральных схем, законченного одночипового калькулятора IC для калькулятора Monroe / Litton Royal Digital III.Этот чип также может претендовать на звание одного из первых микропроцессоров или микроконтроллеров с ПЗУ, ОЗУ и набором команд RISC на кристалле. Схема четырех слоев процесса PMOS была нарисована вручную в масштабе x500 на майларовой пленке, что было важной задачей в то время, учитывая сложность микросхемы.

Pico был дочерним предприятием пяти инженеров-конструкторов GI, целью которых было создание интегральных схем для вычислителей с одной микросхемой. У них был значительный предыдущий опыт проектирования нескольких наборов микросхем калькуляторов с GI и Marconi-Elliott. ^[13] Первоначально компания Elliott Automation поручила ключевым членам группы создать 8-битный компьютер на МОП-схеме и в 1967 г. помогала основать исследовательскую лабораторию МОП в Гленротесе, Шотландия.

Калькуляторы

становились крупнейшим единым рынком для полупроводников, а Pico и GI добились значительного успеха на этом быстрорастущем рынке. GI продолжала вводить новшества в микропроцессоры и микроконтроллеры, выпустив такие продукты, как CP1600, IOB1680 и PIC1650. ^[14] В 1987 году бизнес GI Microelectronics был выделен в бизнес микроконтроллеров Microchip PIC.

CADC

В 1968 году компания Garrett AiResearch (в которой работали дизайнеры Рэй Холт и Стив Геллер) была приглашена для производства цифрового компьютера, который мог бы конкурировать с электромеханическими системами, которые тогда разрабатывались для главного компьютера управления полетом нового истребителя F-14 Tomcat ВМС США. Разработка была завершена к 1970 году, и в качестве основного процессора использовался набор микросхем на базе MOS. Конструкция была значительно (примерно в 20 раз) меньше и намного надежнее, чем механические системы, с которыми она конкурировала, и использовалась во всех ранних моделях Tomcat.Эта система содержала «20-битный конвейерный параллельный мульти-микропроцессор». Военно-морской флот отказал в разрешении публикации проекта до 1997 года. По этой причине CADC и используемый им чипсет MP944 практически неизвестны. ^[15] Рэй Холт окончил Калифорнийский политехнический университет в 1968 году и начал свою карьеру компьютерного дизайнера в CADC. С момента своего создания он был окутан секретом до 1998 года, когда по запросу Холта ВМС США разрешили доступ к документам в открытом доступе. С тех пор несколько ^{[ кто? ]} спорили, был ли это первый микропроцессор.Холт заявил, что никто не сравнивал этот микропроцессор с теми, которые появились позже. ^[16] Согласно Parab et al. (2007), «Научные статьи и литература, опубликованные примерно в 1971 году, показывают, что цифровой процессор MP944, используемый для самолета F-14 Tomcat ВМС США, квалифицируется как первый микропроцессор. Хотя это интересно, это не был однокристальный процессор, и не был универсальным — это был скорее набор параллельных строительных блоков, которые можно было использовать для создания специальной формы DSP.Это указывает на то, что современная отраслевая тема конвергенции архитектур DSP-микроконтроллеров была начата в 1971 году. « ^[17] Эта конвергенция архитектур DSP и микроконтроллеров известна как цифровой контроллер сигналов.

Гилберт Хаятт

Gilbert Hyatt получил патент на изобретение, предшествующее TI и Intel, с описанием «микроконтроллера». ^[18] Патент был позже признан недействительным, но не раньше, чем были выплачены значительные гонорары. ^{[19] [20]}

Четырехфазные системы AL1

Четырехфазная система AL1 представляла собой 8-битную микросхему среза, содержащую восемь регистров и ALU. ^[21] Он был разработан Ли Бойселем в 1969 году. ^{[22] [23] [24]} В то время он был частью 9-чипового 24-битного ЦП с тремя AL1, но позже он был назван микропроцессором, когда в ответ на судебный процесс 1990-х годов Texas Instruments была построена демонстрационная система, в которой один AL1 вместе с RAM, ROM и устройством ввода-вывода составлял часть демонстрационной компьютерной системы зала суда. ^[25]

8-битные конструкции

За Intel 4004 в 1972 г. последовал Intel 8008, первый в мире 8-разрядный микропроцессор. Однако 8008 не был продолжением дизайна 4004, а был кульминацией отдельного проектного проекта Intel, вытекающего из контракта с Computer Terminals Corporation из Сан-Антонио, штат Техас, на чип для терминала, который они проектировали. ^[26] Datapoint 2200 — фундаментальные аспекты дизайна пришли не от Intel, а от CTC.В 1968 году Остин О. «Гас» Рош из CTC разработал оригинальный дизайн набора команд и работы процессора. В 1969 году CTC заключила контракт с двумя компаниями, Intel и Texas Instruments, на создание однокристальной реализации, известной как CTC 1201. ^[27] В конце 1970 или в начале 1971 года TI вышла из строя, так как не могла создать надежную деталь. В 1970 году, когда Intel еще не поставила эту деталь, CTC решила использовать свою собственную реализацию в Datapoint 3300, вместо этого используя традиционную логику TTL (таким образом, первая машина, выполняющая «код 8008», фактически не была микропроцессором).Версия микропроцессора 1201 от Intel появилась в конце 1971 года, но была слишком поздно, медлительной и требовала ряда дополнительных микросхем поддержки. СТС не был заинтересован в его использовании. Изначально CTC заключила контракт с Intel на поставку чипа и должна была бы им 50 000 долларов за проектные работы. ^[27] Чтобы не платить за чип, который они не хотели (и не могли использовать), CTC освободила Intel от своего контракта и разрешила им бесплатное использование дизайна. ^[27] Intel представила его как 8008 в апреле 1972 года, как первый в мире 8-разрядный микропроцессор.На его основе был разработан знаменитый компьютерный комплект «Марк-8», рекламируемый в журнале Radio-Electronics в 1974 году.

8008 был предшественником очень успешного Intel 8080 (1974 г.), который предлагал гораздо более высокую производительность по сравнению с 8008 и требовал меньшего количества поддерживаемых микросхем, Zilog Z80 (1976 г.) и производных 8-разрядных процессоров Intel. Конкурирующая Motorola 6800 была выпущена в августе 1974 года, а аналогичная MOS Technology 6502 — в 1975 году (разработанная в основном теми же людьми). 6502 соперничал по популярности с Z80 в 80-е годы.

Низкая общая стоимость, небольшая упаковка, простые требования к компьютерной шине, а иногда и интеграция дополнительных схем (например, схемы обновления встроенной памяти Z80) позволили «революции» домашних компьютеров резко ускориться в начале 1980-х. Были доставлены такие недорогие машины, как Sinclair ZX-81, которые продавались за 99 долларов США.

Western Design Center, Inc. (WDC) представил CMOS 65C02 в 1982 году и предоставил лицензию на разработку нескольким фирмам. Он использовался в качестве центрального процессора в персональных компьютерах Apple IIe и IIc, а также в медицинских имплантируемых кардиостимуляторах и дефибрилляторах, автомобильных, промышленных и бытовых устройствах.WDC была первой в области лицензирования микропроцессоров, за ней в 1990-х годах последовали ARM и другие поставщики интеллектуальной собственности (IP) микропроцессоров. Вариант 6502, технология MOS 6510 использовалась в домашних компьютерах Commodore 64 и Commodore 128.

Компания Motorola представила MC6809 в 1978 году — амбициозный и продуманный 8-разрядный источник, совместимый с 6800 и реализованный с использованием чисто аппаратной логики. (Последующие 16-битные микропроцессоры в некоторой степени обычно использовали микрокод, так как требования проектирования CISC становились слишком сложными для чисто аппаратной логики.)

Еще одним ранним 8-разрядным микропроцессором был Signetics 2650, который вызвал кратковременный всплеск интереса из-за своей инновационной и мощной архитектуры набора команд.

Первым микропроцессором в мире космических полетов стал RCA RCA 1802 (также известный как CDP1802, RCA COSMAC) (представленный в 1976 году), который использовался на борту зонда Galileo, летящего к Юпитеру (запущен в 1989 году, прибыл в 1995 году). RCA COSMAC был первым, кто реализовал технологию CMOS. CDP1802 использовался потому, что он мог работать с очень малой мощностью, и потому что был доступен вариант, изготовленный с использованием специального производственного процесса (кремний на сапфире), обеспечивающего гораздо лучшую защиту от космического излучения и электростатических разрядов, чем у любого другого процессора этого процессора. эпоха.Таким образом, SOS-версия 1802 была названа первым микропроцессором с защитой от излучения.

RCA 1802 имел так называемую статическую конструкцию , что означало, что тактовая частота могла быть сделана произвольно низкой, даже до 0 Гц, что является условием полной остановки. Это позволило космическому кораблю «Галилео» использовать минимум электроэнергии для длительных, спокойных участков путешествия. Таймеры и / или датчики будут вовремя пробуждать / улучшать производительность процессора для важных задач, таких как обновления навигации, управление ориентацией, сбор данных и радиосвязь.

12-битные конструкции

Семейство Intersil 6100 состоит из 12-разрядного микропроцессора (6100) и ряда поддерживаемых периферийных устройств и микросхем памяти. Микропроцессор распознал набор команд миникомпьютера DEC PDP-8. Поэтому его иногда называли CMOS-PDP8 . Поскольку он также производился Harris Corporation, он также был известен как Harris HM-6100 . Благодаря своей технологии CMOS и связанным с ней преимуществам, 6100 использовалась в некоторых военных конструкциях до начала 1980-х годов.

16-битные конструкции

Первым мультичиповым 16-битным микропроцессором был National Semiconductor IMP-16, представленный в начале 1973 года. 8-битная версия чипсета была представлена ​​в 1974 году как IMP-8.

Другие ранние мультичиповые 16-разрядные микропроцессоры включают микропроцессоры, используемые Digital Equipment Corporation (DEC) в наборе плат LSI-11 OEM и упакованном миникомпьютере PDP 11/03, а также Fairchild Semiconductor MicroFlame 9440, оба из которых были представлены в временные рамки с 1975 по 1976 год.

В 1975 году National представила первый 16-битный однокристальный микропроцессор National Semiconductor PACE, за которым позже последовала версия NMOS, INS8900.

Еще одним ранним однокристальным 16-разрядным микропроцессором был TMS 9900 компании TI, который также был совместим с их линейкой миникомпьютеров TI-990. 9900 использовался в миникомпьютере TI 990/4, домашнем компьютере TI-99 / 4A и линейке плат микрокомпьютеров TM990 OEM. Чип был упакован в большой керамический 64-контактный DIP-корпус, в то время как в большинстве 8-разрядных микропроцессоров, таких как Intel 8080, использовались более распространенные, меньшие и менее дорогие пластиковые 40-контактные DIP.Последующий чип, TMS 9980, был разработан, чтобы конкурировать с Intel 8080, имел полный набор 16-битных инструкций TI 990, использовал пластиковый 40-контактный корпус, перемещал данные по 8 бит за раз, но мог только адресовать 16 КБ. Третий чип, TMS 9995, был новой конструкции. Позже семейство расширилось, включив в него модели 99105 и 99110.

Western Design Center (WDC) представил 16-битную модернизацию CMOS 65816 для WDC CMOS 65C02 в 1984 году. 16-битный микропроцессор 65816 был ядром Apple IIgs, а затем и Super Nintendo Entertainment System, что сделало его одним из самые популярные 16-битные конструкции всех времен.

Intel «увеличила» свой дизайн 8080 до 16-битного процессора Intel 8086, первого члена семейства x86, который используется в большинстве современных компьютеров типа ПК. Intel представила 8086 как рентабельный способ переноса программного обеспечения с линейки 8080 и преуспела на этом основании. 8088, версия 8086, которая использовала 8-битную внешнюю шину данных, была микропроцессором в первом ПК IBM. Затем Intel выпустила 80186 и 80188, 80286 и в 1985 году 32-битный 80386, закрепив свое доминирование на рынке ПК за счет обратной совместимости семейства процессоров.80186 и 80188 были, по сути, версиями 8086 и 8088, улучшенными за счет некоторых встроенных периферийных устройств и нескольких новых инструкций; они не использовались в IBM-совместимых ПК, потому что встроенные периферийные устройства и их расположение на карте памяти были несовместимы с дизайном IBM. В 8086 и последующих моделях был инновационный, но ограниченный метод сегментации памяти, а в 80286 был представлен полнофункциональный блок управления сегментированной памятью (MMU). В 80386 представлена ​​плоская 32-разрядная модель памяти с управлением выгружаемой памятью.

Процессоры Intel x86 до 80386 включительно не включают блоки с плавающей запятой (FPU). Intel представила математические сопроцессоры 8087, 80287 и 80387, чтобы добавить аппаратные возможности с плавающей запятой и трансцендентные функции в процессоры от 8086 до 80386. 8087 работает с 8086/8088 и 80186/80188, ^[28] , 80187 работает с 80186/80188, 80287 работает с 80286 и 80386, ^[29] и 80387 работает с 80386 (давая производительность лучше, чем у 80287).Комбинация процессора x86 и сопроцессора x87 образует единый многокристальный микропроцессор; два чипа запрограммированы как единое целое с использованием единого интегрированного набора команд. ^[30] Хотя сопроцессор 8087 связан с ЦП через порты ввода-вывода в адресном пространстве ЦП, это прозрачно для программы, которой не нужно знать об этих портах ввода-вывода или обращаться к ним напрямую; программа обращается к сопроцессору и его регистрам через обычные коды операций команд. Начиная с преемника 80386, 80486, FPU был интегрирован с блоком управления, MMU и целочисленным ALU в конвейерной конструкции на одном кристалле (в версии 80486DX), либо FPU был полностью исключен (в 80486SX версия).Мнимый сопроцессор для 80486SX, 80487, на самом деле был полным 80486DX, который отключил и заменил 80486SX без сопроцессора, который он был установлен для обновления.

32-битные конструкции

16-битных дизайнов были на рынке недолго, когда начали появляться 32-битные реализации.

Самым значительным из 32-битных дизайнов является MC68000, представленный в 1979 году. 68K, как он был широко известен, имел 32-битные регистры в своей модели программирования, но использовал 16-битные внутренние пути данных, 3 16-битные арифметические операции. Логические блоки и 16-битная внешняя шина данных (для уменьшения количества выводов) и поддерживали только 24-битные адреса.В IBM-совместимых мэйнфреймах на базе ПК внутренний микрокод MC68000 был модифицирован для эмуляции 32-битного мэйнфрейма System / 370 IBM. ^[31] Motorola обычно описывала его как 16-битный процессор, хотя он явно имеет 32-битную архитектуру. Сочетание высокой производительности, большого (16 мегабайт или 2 ²⁴ байтов) объема памяти и довольно низкой стоимости сделало его самым популярным процессором в своем классе. В дизайне Apple Lisa и Macintosh использовался 68000, как и во многих других дизайнах середины 1980-х годов, включая Atari ST и Commodore Amiga.

Первым в мире однокристальным полностью 32-битным микропроцессором с 32-битными трактами данных, 32-битными шинами и 32-битными адресами был AT&T Bell Labs BELLMAC-32A, первые образцы которого были выпущены в 1980 году, а серийное производство — в 1982 ^{[32] [33]} После отделения AT&T в 1984 году он был переименован в WE 32000 (WE от Western Electric) и имел два последующих поколения, WE 32100 и WE 32200. Эти микропроцессоры были используется в миникомпьютерах AT&T 3B5 и 3B15; в 3B2, первом в мире настольном супермикрокомпьютере; в «Компаньоне», первом в мире 32-битном портативном компьютере; и в «Александре», первом в мире супермикрокомпьютере размером с книгу, в котором используются картриджи памяти в виде ПЗУ, аналогичные сегодняшним игровым консолям.Все эти системы работали под управлением операционной системы UNIX System V.

Первым 32-разрядным микропроцессором Intel был iAPX 432, который был представлен в 1981 году, но не имел коммерческого успеха. Он имел расширенную объектно-ориентированную архитектуру, основанную на возможностях, но низкую производительность по сравнению с современными архитектурами, такими как собственная архитектура Intel 80286 (выпущена в 1982 г.), которая была почти в четыре раза быстрее в типичных тестовых тестах. Однако результаты для iAPX432 отчасти были связаны с спешкой и, следовательно, неоптимальным компилятором Ada. ^{[ необходима ссылка ]}

ARM впервые появился в 1985 году. Это процессор RISC, который с тех пор стал доминировать в области процессоров 32-разрядных встроенных систем, во многом благодаря своей энергоэффективности, модели лицензирования и широкому набору инструментов для разработки систем. . Производители полупроводников обычно лицензируют ядра, такие как ARM11, и интегрируют их в свои собственные системы на чипах; только несколько таких поставщиков имеют лицензию на модификацию ядер ARM.Большинство сотовых телефонов включают процессор ARM, как и многие другие продукты. Существуют ядра ARM, ориентированные на микроконтроллеры, без поддержки виртуальной памяти, а также процессоры приложений SMP с виртуальной памятью.

Успех Motorola с 68000 привел к появлению MC68010, в котором была добавлена ​​поддержка виртуальной памяти. MC68020, представленный в 1985 году, добавил полные 32-битные шины данных и адреса. 68020 стал очень популярным на рынке супермикрокомпьютеров Unix, и многие небольшие компании (например, Altos, Charles River Data Systems) производили системы для настольных компьютеров.Следующим был представлен MC68030, улучшивший предыдущий дизайн за счет интеграции MMU в чип. Неизменный успех привел к появлению MC68040, который включал FPU для лучшей математической производительности. 68050 не смог достичь поставленных целей и не был выпущен, а последующий MC68060 был выпущен на рынок, насыщенный гораздо более быстрыми конструкциями RISC. Семейство 68K исчезло с настольных компьютеров в начале 1990-х годов.

Другие крупные компании разработали 68020 и последующие модели для встроенного оборудования.В какой-то момент во встроенном оборудовании было больше 68020, чем Intel Pentium в ПК. ^[34] Ядра процессора ColdFire являются производными от устаревшего 68020.

В это время (с начала до середины 1980-х годов) National Semiconductor представила очень похожий 16-битный 32-битный внутренний микропроцессор с 16-битной распиновкой под названием NS 16032 (позже переименованный в 32016), а полную 32-битную версию назвали NS 32032. Позже Был представлен NS 32132, который позволял двум процессорам находиться на одной шине памяти со встроенным арбитражем.NS32016 / 32 превзошел MC68000 / 10, но NS32332, который появился примерно в то же время, что и MC68020, не обладал достаточной производительностью. Чип третьего поколения, NS32532, был другим. Его производительность была примерно вдвое выше, чем у MC68030, выпущенного примерно в то же время. Появление RISC-процессоров, таких как AM29000 и MC88000 (теперь оба мертвы), повлияло на архитектуру последнего ядра, NS32764. Технически продвинутый, использующий суперскалярное ядро ​​RISC, внутренне разогнанный, с 64-битной шиной, он все еще был способен выполнять инструкции Series 32000 посредством преобразования в реальном времени.

Когда National Semiconductor решила уйти с рынка Unix, микросхема была преобразована в процессор Swordfish Embedded с набором встроенных периферийных устройств. Чип оказался слишком дорогим для рынка лазерных принтеров и был убит. Команда разработчиков обратилась в Intel и разработала процессор Pentium, который очень похож на ядро ​​NS32764 внутри. Большой успех Series 32000 пришелся на рынок лазерных принтеров, где NS32CG16 с микрокодированными инструкциями BitBlt имел очень хорошее соотношение цены и производительности и был приняты такими крупными компаниями, как Canon.К середине 1980-х компания Sequent представила первый симметричный многопроцессорный (SMP) компьютер серверного класса, использующий NS 32032. Это была одна из немногих побед дизайна, и она исчезла в конце 1980-х. MIPS R2000 (1984) и R3000 (1989) были очень успешными 32-разрядными микропроцессорами RISC. Они использовались, в том числе, в высокопроизводительных рабочих станциях и серверах SGI. Среди других дизайнов был интересный Zilog Z80000, который прибыл на рынок слишком поздно, чтобы иметь шанс, и быстро исчез.

В конце 1980-х годов «микропроцессорные войны» начали убивать некоторые из микропроцессоров ^{[ необходима ссылка ]} .По всей видимости, ^{[ расплывчато ]} , только с одним крупным выигрышем в дизайне, Sequent, NS 32032 просто прекратил свое существование, а Sequent перешла на микропроцессоры Intel ^{[ необходима ссылка ]} .

С 1985 по 2003 год 32-разрядные архитектуры x86 становились все более доминирующими на рынках настольных компьютеров, ноутбуков и серверов, и эти микропроцессоры стали быстрее и мощнее. Intel лицензировала ранние версии архитектуры другим компаниям, но отказалась лицензировать Pentium, поэтому AMD и Cyrix создали более поздние версии архитектуры на основе своих собственных разработок.В течение этого периода сложность (количество транзисторов) и производительность (количество команд в секунду) этих процессоров увеличивались как минимум на три порядка. Линия Intel Pentium, вероятно, является самой известной и узнаваемой моделью 32-битного процессора, по крайней мере, среди широкой публики.

64-битные дизайны в персональных компьютерах

В то время как конструкции 64-разрядных микропроцессоров использовались на нескольких рынках с начала 1990-х годов, в начале 2000-х годов были представлены 64-разрядные микропроцессоры, ориентированные на рынок ПК.

С введением AMD в сентябре 2003 года 64-разрядной архитектуры, обратно совместимой с x86, x86-64 (также называемой AMD64 ), за которой последовали почти полностью совместимые 64-разрядные расширения Intel (сначала называвшиеся IA-32e или EM64T, позже переименованный в Intel 64 ), началась эра 64-битных настольных компьютеров. Обе версии могут запускать 32-разрядные устаревшие приложения без потери производительности, а также новое 64-разрядное программное обеспечение. В операционных системах Windows XP x64, Windows Vista x64, Windows 7 x64, Linux, BSD и Mac OS X, которые работают с 64-разрядной собственной версией, программное обеспечение также предназначено для полного использования возможностей таких процессоров.Переход на 64 бита — это больше, чем просто увеличение размера регистра по сравнению с IA-32, поскольку он также удваивает количество регистров общего назначения.

Переход на 64-битные процессоры PowerPC был запланирован с момента разработки процессоров в начале 90-х годов и не был основной причиной несовместимости. Существующие целочисленные регистры расширены, как и все связанные пути передачи данных, но, как и в случае с IA-32, и блоки с плавающей запятой, и векторные блоки работали на 64-битной или выше в течение нескольких лет.В отличие от того, что произошло, когда IA-32 был расширен до x86-64, в 64-битном PowerPC не было добавлено никаких новых регистров общего назначения, поэтому любая производительность, полученная при использовании 64-битного режима для приложений, не использующих большее адресное пространство, минимальна. .

Многоядерные конструкции

Основная статья: Многоядерные (вычисления)

Другой подход к повышению производительности компьютера — это добавление дополнительных процессоров, как в схемах с симметричной многопроцессорной обработкой, которые были популярны в серверах и рабочих станциях с начала 1990-х годов.Соблюдение закона Мура становится все более сложной задачей, поскольку технологии производства микросхем приближаются к своим физическим пределам.

В ответ производители микропроцессоров ищут другие способы повышения производительности, чтобы сохранить импульс постоянных обновлений на рынке.

Многоядерный процессор — это просто одна микросхема, содержащая более одного ядра микропроцессора. Это эффективно умножает потенциальную производительность процессора на количество ядер (при условии, что операционная система и программное обеспечение предназначены для использования преимуществ более чем одного ядра процессора).Некоторые компоненты, такие как интерфейс шины и кэш второго уровня, могут совместно использоваться ядрами. Поскольку ядра физически очень близки друг к другу, они могут взаимодействовать друг с другом намного быстрее, чем отдельные процессоры в многопроцессорной системе, что улучшает общую производительность системы.

В 2005 году были анонсированы первые двухъядерные процессоры для персональных компьютеров. С 2009 года двухъядерные и четырехъядерные процессоры широко используются в серверах, рабочих станциях и ПК, а шестиядерные и восьмиъядерные процессоры будут доступны для высокопроизводительных приложений как в домашних, так и в профессиональных средах.

Sun Microsystems выпустила чипы Niagara и Niagara 2, оба из которых имеют восьмиъядерный дизайн. Niagara 2 поддерживает больше потоков и работает на частоте 1,6 ГГц.

Высокопроизводительные процессоры Intel Xeon, которые установлены на разъеме LGA771, поддерживают DP (двухпроцессорную), а также Intel Core 2 Extreme QX9775, также используемый в Mac Pro от Apple и материнской плате Intel Skulltrail. С переходом на сокеты LGA1366 и LGA1156 и чипы Intel i7 и i5 четырехъядерные процессоры теперь считаются мейнстримом, но с выпуском i7-980x шестиядерные процессоры теперь вполне доступны.

RISC

Основная статья: Вычисление с сокращенным набором команд

В середине 1980-х — начале 1990-х годов появилось множество новых высокопроизводительных микропроцессоров компьютера с сокращенным набором команд (RISC) под влиянием дискретных RISC-подобных процессоров, таких как IBM 801 и другие. Микропроцессоры RISC первоначально использовались в машинах специального назначения и рабочих станциях Unix, но затем получили широкое распространение в других ролях.

В 1986 году HP выпустила свою первую систему с процессором PA-RISC.Первый коммерческий проект микропроцессора RISC был выпущен либо MIPS Computer Systems, 32-разрядный R2000 (R1000 не был выпущен), либо компьютерами Acorn, 32-разрядным ARM2 в 1987 году. ^{[ цитата требуется ]} R3000 сделал дизайн был действительно практичным, и R4000 представил первый в мире коммерчески доступный 64-разрядный микропроцессор RISC. Конкурирующие проекты приведут к созданию архитектур IBM POWER и Sun SPARC. Вскоре все крупные поставщики выпускали проекты RISC, включая AT&T CRISP, AMD 29000, Intel i860 и Intel i960, Motorola 88000, DEC Alpha.

По состоянию на 2007 год две 64-разрядные архитектуры RISC все еще производятся в большом количестве для невстроенных приложений: SPARC и Power ISA.

Конструкции специального назначения

Микропроцессор — это система общего назначения. Из технологии последовало несколько специализированных устройств обработки. Микроконтроллеры объединяют микропроцессор с периферийными устройствами для управления встроенной системой. Цифровой сигнальный процессор (DSP) специализируется на обработке сигналов. Блоки обработки графики могут не иметь средств программирования, ограниченных или общих средств программирования.Например, графические процессоры в течение 1990-х годов были в основном непрограммируемыми и только недавно получили ограниченные возможности, такие как программируемые вершинные шейдеры.

Статистика рынка

В 2003 году было произведено и продано микропроцессоров на сумму около 44 миллиардов долларов. ^[35] Хотя примерно половина этих денег была потрачена на процессоры, используемые в настольных или портативных персональных компьютерах, они составляют лишь около 2% от всех проданных процессоров. ^[36]

Около 55% всех проданных в мире процессоров — это 8-битные микроконтроллеры, более двух миллиардов из которых были проданы в 1997 году. ^[37]

По состоянию на 2002 год менее 10% всех продаваемых в мире ЦП являются 32-разрядными и более. Из всех проданных 32-битных процессоров около 2% используются в настольных или портативных персональных компьютерах. Большинство микропроцессоров используется во встроенных управляющих приложениях, таких как бытовая техника, автомобили и компьютерная периферия. В целом, средняя цена микропроцессора, микроконтроллера или DSP составляет чуть более 6 долларов. ^[36]

В 2008 году было произведено около десяти миллиардов процессоров. Барр, Майкл (1 августа 2009 г.). «Настоящая мужская программа на C». Проектирование встроенных систем . TechInsights (United Business Media). п. 2. http://www.embedded.com/columns/barrcode/218600142?pgno=2. Проверено 23 декабря 2009.

• Ray, A. K .; Бурчанд К.М. Современные микропроцессоры и периферийные устройства . Индия: Тата МакГроу-Хилл.

Внешние ссылки

Классификация микропроцессоров по характеристикам

Микропроцессор можно классифицировать по многим параметрам. Здесь мы обсуждаем классификацию микропроцессора на основе характеристик.

Микропроцессоры делятся на три категории. Это следующие:

Классификация микропроцессоров

1. RISC-процессоры
2. Процессоры CISC
3. Обработчики специальные.

Классификация микропроцессоров

RISC-процессоров

RISC — это сокращение от компьютера с сокращенным набором команд. Концепция процессора RISC включает попытку сократить время выполнения за счет упрощения набора команд компьютера.

Основные характеристики процессоров RISC:

• Относительно немного инструкций
• Относительно небольшое количество режимов адресации
• Доступ к памяти ограничен инструкциями по загрузке и сохранению
• Все операции выполняются в регистрах CPU
• Все операции выполняются в регистрах CPU
• Легко декодируемый формат инструкций фиксированной длины
• Одноцикловое выполнение инструкции
• Проводное, а не микропрограммное управление.

Некоторые архитектурные особенности RISC:

• Относительно большое количество регистров в блоке обработки
• Использование перекрывающихся окон регистров для ускорения процедуры, вызова и возврата
• Эффективный конвейер команд
• Поддержка компилятора для эффективного перевода программ на языке высокого уровня в программы на машинном языке.

Некоторые популярные процессоры RISC:

• Силовой ПК: 601, 604, 615, 620
• Дек Альфа: 210642, 211066, 21068, 21164
• MIPS: TS (R10000) RISC-процессор
• PA-RISC: HP 7100LC

Процессор CISC

CISC — это аббревиатура от компьютера со сложным набором команд.Основные характеристики процессоров CISC:

• Огромная инструкция
• Некоторые инструкции, выполняющие специализированные задачи
• Разнообразие режимов адресации
• Форматы команд переменной длины
• Инструкции, управляющие управлением
• Для выполнения одной инструкции может потребоваться несколько циклов.

Примеры: Семейство Intel x86: Motorola 680000, 68020, 68030, 68030, 68040 и т. Д.

На много лет.Intel — единственный крупный поставщик процессоров x86 с несколькими авторизованными и контролируемыми альтернативными источниками. Сегодня большое количество компаний предлагают совместимые процессоры без помощи Intel. Их:

• Процессоры AMD (Advanced Micro Device)
• Процессоры Cyrix
• Процессоры Texas Instruments (TI)
• процессоров NexGen.

Все микропроцессоры CISC, на которых запускается программное обеспечение ПК, являются производными от ранних архитектур Intel 8086 или x86.Сегодня Intel контролирует разработку микропроцессоров CISC, а другие отрасли производят Intel-совместимые процессоры.

Intel представила в 1993 году новый процессор под названием Pentium. С этим процессором Intel открыла новую эру технологий. День ото дня к процессору добавляются новые функции, и в результате появляются новые высокоразвитые процессоры. Вот некоторые из них:

PentiumPro: Это оптимизированный процессор для реализации высокопроизводительного сетевого сервера.

Pentium III: Это новейший процессор Intel на рынке, который поддерживает технологию Pentium Pro и технологию MMX (мультимедийное расширение). Новая система PIII дает очень хорошее сочетание цены, производительности и графических приложений.

Специальные процессоры

Есть несколько других процессоров, которые используются для специальных целей. Некоторые из этих процессоров кратко описаны ниже.

Сопроцессор

Сопроцессор — это микропроцессор, но, в отличие от микропроцессора общего назначения, он предназначен для выполнения своей конкретной функции в качестве целевого устройства.

Поскольку сопроцессор разработан для определенной цели, он может выполнять свою конкретную функцию во много раз быстрее, чем обычный универсальный процессор, он может выполнять свою конкретную функцию во много раз быстрее, чем обычный микропроцессор общего назначения. Самый известный сопроцессор — это математический сопроцессор.

До появления микропроцессора 486DX математический сопроцессор был отдельным чипом. Но микропроцессоры 486DX и Pentium имеют математический сопроцессор, интегрированный в тот же чип, что и микропроцессор.Математические сопроцессоры Intel:

• 8087-используется с 8086
• 80287-используется с 80286
• 80387 — используется с 80386.

Cyrix и Weitek также продают математические сопроцессоры.

Процессор ввода / вывода

Один из самых важных типов процессоров в процессорах ввода-вывода. У процессора ввода-вывода есть собственная локальная память. С помощью этой архитектуры можно управлять большим набором устройств ввода-вывода с минимальным использованием ЦП.

Обычно такая архитектура используется для управления связью с интерактивными терминалами.Процессоры ввода-вывода берут на себя большинство задач, связанных с управлением терминалами. Процессоры ввода-вывода используются следующим образом:

• ЦП выполняет серию инструкций по передаче данных, которые отправляют набор входных операндов и командную информацию в регистры в процессоре ввода-вывода.
• Процессор ввода-вывода декодирует и выполняет команду, полученную от CPU, генерируя результат, который помещается в регистры, доступные для CPU.
• ЦП определяет, что процессор ввода-вывода выполнил свою задачу, либо проверяя его состояние, либо получая сигнал прерывания от процессора ввода-вывода.
• Затем ЦП получает результаты от процессора ввода-вывода, выполняя дополнительные инструкции по передаче данных.

Типичные примеры процессоров ввода-вывода:

• Контроллер DMA (прямого доступа к памяти)
• Контроллер клавиатуры / мыши
• Контроллер графического дисплея
• Контроллер порта SCSI и т. Д.

Транспьютер

Транспьютер (транзисторный компьютер) — это высокопроизводительный микропроцессор, разработанный для облегчения межпроцессорной и межпроцессорной связи и ориентированный на эффективное использование технологии очень крупномасштабной интеграции (СБИС).

Самая важная особенность транспьютера — внешние связи, которые позволяют использовать его в качестве строительного блока при построении недорогих, высокопроизводительных многопроцессорных систем.

Обмен данными осуществляется (по этим каналам) только между парами устройств и распределяется по всей системе. Семейство транспортеров состоит из нескольких типов устройств СБИС, включая 16-битный T212, 32-битный T425 и процессоры с плавающей запятой T800, T805 и T9000.

DSP (цифровой сигнальный процессор)

Этот процессор специально разработан для обработки аналоговых сигналов реального мира, преобразованных в цифровые представления.Вот некоторые из приложений, которые поддерживает DSP:

• Синтез звука и музыки
• Функция модема
• Сжатие аудио и видео
• Синтез речи и декомпрессия
• Распознавание речи
• Обработка видеосигнала
• Ускорение 2D и 3D графики.

Примеры: Texas Instrument серии TMS 320, например, TMS 320C40, TMS320C50.

Надеюсь, эта статья проясняет ваше представление о классификации микропроцессоров, если у вас есть сомнения, оставьте комментарий.

Вам также может понравиться:

Статья о микропроцессоре из The Free Dictionary

(или «микро») Компьютер, весь процессор которого
содержится на одной (или небольшом количестве) интегральных схем.

Важными характеристиками микропроцессора являются:
ширину его внутренней и внешней адресной шины и шины данных (и команд), его тактовую частоту и его набор команд. Процессоры также часто классифицируются как RISC.
или CISC.

Первым коммерческим микропроцессором был Intel 4004, который
появился в 1971 году.Это был член ЦП из четырех
Интегральные схемы LSI под названием MCS-4, которые были
изначально предназначался для использования в калькуляторе, но был продан
как «программируемый контроллер для замены логики». 4004
называется 4-битным микропроцессором, поскольку он обрабатывает
только 4 бита данных за раз. Этот очень короткий размер слова
в основном из-за ограничений, накладываемых максимальным
Тогда достижимая плотность интегральной схемы.

Поскольку плотность интегральных схем увеличивалась с быстрым увеличением
разработка технологии изготовления интегральных схем,
мощность и производительность микропроцессоров также
выросла.Это отражается в увеличении слова CPU
размер до 4, 8, 16, а к середине 1980-х годов до 32 бит. Меньший
микропроцессоры имеют относительно простые наборы команд,
например, нет инструкций с плавающей запятой, но они
тем не менее подходит в качестве контроллеров для очень широкого диапазона
такие приложения, как автомобильные двигатели и микроволновые печи.

За Intel 4004 последовал, среди прочего, 4040,
8008, 8080, 8086, 80186, 80286, 80386, 486 и
Pentium. Другие семейства включают Motorola 6800 и
Семейства 680×0, National Semiconductor 16000 и National Semiconductor 32000, SPARC, ARM, MIPS, Zilog Z8000,
PowerPC и семейство Inmos Transputer.

Более крупные и новейшие семейства микропроцессоров имеют
постепенно приобрела большинство черт больших компьютеров.
По мере развития индустрии микропроцессоров несколько семейств
микропроцессоров превратились де-факто в промышленные
стандарты с множеством производителей и многочисленной «поддержкой»
микросхемы, включая RAM, ROM, контроллеры ввода / вывода и т. д.

Однокристальный микропроцессор может включать в себя другие компоненты, такие как
как память (RAM, ROM, PROM), управление памятью,
кеши, блок с плавающей запятой, порты ввода / вывода и
таймеры.Такие устройства также известны как микроконтроллеры.

Однокристальный микрокомпьютер во многих отношениях знаковый
развитие компьютерных технологий, потому что это снижает
компьютер в небольшой, недорогой и легко заменяемый
компонент дизайна.

Микрокомпьютеры дали начало новому классу
машины общего назначения, называемые персональными компьютерами. Эти
небольшие недорогие компьютеры, предназначенные для установки на
обычный офисный стол или быть портативным и подпитывать
компьютерный бум конца 1980-х.