Введение.Основные понятия.

ВВЕДЕНИЕ В настоящее время область применения микропроцессорной техники чрезвычайно широка и простирается от управления несложными бытовыми приборами до систем управления сложнейшими промышленно-технологическими комплексами, транспортными средствами, космическими аппаратами. Чем обусловлено столь широкое распространение микропроцессоров? Вопервых, малые размеры, масса и энергопотребление микропроцессоров позволяют встраивать их непосредственно в объект управления. Во-вторых, относительная дешевизна микропроцессоров позволяет использовать их в бытовых приборах и других домашних устройствах, включая детские игрушки, без существенного удорожания последних. В-третьих, современные микропроцессоры, в том числе и сравнительно недорогие, имеют достаточно развитые функциональные возможности, что позволяет создавать на их основе сложные системы управления. Начало истории микропроцессоров было следующим. В 1969 году американская фирма Intel Corp. получила от небольшой японской компании Nippon Calculating Machine, Ltd., чуть позже переименованной в Busicom Corp., заказ на разработку набора из 12-ти микросхем, которые она предполагала использовать при производстве нового настольного печатающего калькулятора. Каждая из этих микросхем характеризовалась узкой специализацией, выполняя функции, предназначенные для определённой работы в составе данного набора. По этой причине для каждого нового применения пришлось бы перепроектировать весь набор микросхем. В фирме Intel сочли подобный подход не рациональным и предложили компании Busicom уменьшить число микросхем за счёт использования центрального процессора, который мог бы выполнять арифметические и логические операции. В результате число микросхем было сокращено до четырёх, включая центральный процессор (ЦП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) − для хранения программ и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) − для хранения данных пользователя, а также так называемый расширитель ввода-вывода. Микропроцессор Intel 4004 был анонсирован фирмой Intel 15 ноября 1971 года. Этот 4-разрядный микропроцессор размером 12 мм2 (3×4 мм), заключённый в 16-выводном корпусе типа DIP (Dual In-line Package − корпус прямоугольной формы с двумя рядами выводов по длинным сторонам), содержал более 2000 транзисторов (рисунок 1). В таблице 1 приведён ряд основных техничеРисунок 1 − Микросхема ских характеристик микропроцессора Intel 4004. процессора Intel 4004 Таблица 1 Основные технические характеристики микропроцессора Intel 4004 Характеристика Значение Разрядность шины Тактовая частота Частота синхронизации (в данном случае 8-кратное увеличение тактовой частоты), минимальный период тактирования Память команд (объём ПЗУ) Объём адресуемой памяти (объем ОЗУ) Количество 4-разрядных регистров (могут использоваться также как 8-разрядные) Количество транзисторов Технологический процесс Напряжение питания Количество команд 4 92, 6 КГц 740 КГц, 1,35 мкс 4 Кбайт 640 байт 16 (или восемь 8-разрядных) 2250 10 мкм -15 В 46 (41 − 8-разрядные, 5 − 16разрядные) При стоимости около 200 долларов микропроцессор Intel 4004, реализованный на одном кристалле, выполнял все основные функции центральных процессоров первых больших компьютеров со средней скоростью около 60 тыс. операций в секунду. Таким образом, первым коммерческим продуктом, созданным на основе микропроцессора Intel 4004, стал японский калькулятор Busicom 141-PF. В дальнейшем фирма Intel, предугадав решающее значение микропроцессоров в миниатюризации компьютеров, выкупила у компании Busicom авторские права на микропроцессор 4004 и его усовершенствованные версии за 60 тыс. долларов, тем самым обеспечив себе абсолютный приоритет в области разработки микропроцессоров. В 1972 году фирма Intel представила следующий микропроцессор 8008 с тактовой частотой свыше 500 КГц, состоящий из 3500 транзисторов и также выполненный по технологическим нормам 10 мкм. В 1974 году − микропроцессор 8080 с тактовой частотой 2 МГц, состоящий из 4500 транзисторов и выполненный по технологическим нормам 6 мкм. В дальнейшем каждые тричетыре года фирма Intel представляла новый микропроцессор, являющийся очередной вехой на пути развития микропроцессорной техники (таблица 2). Внешний вид одного из сравнительно современных микропроцессоров Intel Core i7 Рисунок 2 − Микросхема показан на рисунке 2. процессора Intel Core i7 Таблица 2 Микропроцессор 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pro Pentium II Pentium III Pentium IV Pentium IV M Pentium D Intel Itanium 2 Intel Xeon Intel Core i7 Intel Core i5 Intel Core i3 Intel Core i3, i5, i7, i7 Extreme Edition (Sandy Bridge) Intel Core i3, i5, i7 (Ivy Bridge) Intel Core i3, i5, i7 (Haswell) Intel Core i7 (Broadwell) Intel Core i3, i5, i7 (Skylake) Intel Celeron, Pentium G, Core i3, i5, i7 (Kaby Lake) Intel Core i3, i5, i7 (Cofee Lake), i9 (Skylake) Основные микропроцессоры фирмы Intel (1978-2011 гг.) РазрядКол-во Технологический ность Тактовая транзистоГод процесс (адрес/ частота ров данные) 1978 16/20 5, 8, 10 МГц 29 тыс. 3,0 мкм 1982 16/24 6, 8, 10, 12,5 134 тыс. 1,5 мкм МГц 1985 32/32 16, 25, 33 МГц 275 тыс. 1,0 мкм 1989 32/32 25, 33, 50 МГц 1,2 млн. 1,0 мкм 1993 32/64 200 МГц 5,5 млн. 0,8 мкм 1995 32/64 200 МГц 5,5 млн. 0,6 мкм 1997 32/64 233, 266, 300 7,5 млн. 0,35 мкм МГц 1999 32/64 450, 500 МГц 9,5 млн. 0,25 мкм 2000 32/64 1,5 ГГц 42 млн. 0,18 мкм 2002 32/64 1,7 ГГц 55 млн. 0,13 мкм 2005 64/64 3,2 ГГц 230 млн. 0,09 мкм (90 нм) 2006 64/64 1,66 ГГц 320 млн. 0,09 мкм (90 нм) 2007 64/64 3,0 ГГц 820 млн. 0,045 мкм (45 нм) 2008 64/64 2,66 ГГц 995 млн. 0,032 мкм (32 нм) 2009 64/64 2,4 - 2,66 ГГц 774 млн. 0,045 мкм (45 нм) 3,2 - 3,46 ГГц 0,032 мкм (32 нм) 2010 64/64 2,93 - 3,66 ГГц 624 млн. 0,032 мкм (32 нм) 2011 64/64 3,2 – 4,0 ГГц 995 млн. 0,045 мкм (45 нм) 0,032 мкм (32 нм) 2012 64/64 1,8 – 3,9 ГГц 2013 64/64 1,8 – 3,7 ГГц 2014 64/64 0,014 мкм (14 нм) 2015 64/64 0,014 мкм (14 нм) 2017 64/64 3,8 – 4,2 ГГц 0,014 мкм (14 нм) 2017 64/64 2,8 – 4,2 ГГц 0,014 мкм (14 нм) 1,4 млрд. 0,022 мкм (22 нм) 0,022 мкм (22 нм) Основные понятия Микропроцессорная техника (МПТ) включает в себя технические и программные средства (последние представляются программным кодом и данными, реализованными в виде «прошивок» ПЗУ различного типа) для построения микропроцессоров и микроконтроллеров, а также различных микропроцессорных устройств и систем, в том числе персональных компьютеров. Микропроцессор (МП) – программно-управляемое устройство, выполняющее процесс обработки цифровой информации и управления им, построенное на одной или нескольких БИС (микросхема с высокой степенью интеграции полупроводниковых элементов). Микропроцессорная БИС − интегральная микросхема, выполняющая функцию МП или его части (БИС с процессорной организацией, разработанная для построения микропроцессорных систем). Микропроцессорный комплект (МПК) − совокупность микропроцессорных и других интегральных микросхем, совместимых по конструктивнотехнологическому исполнению и предназначенных для совместного применения при построении МП, микро-ЭВМ и других средств вычислительной техники. Микропроцессорная система (МПС) – функционально законченное изделие, выполненное на основе микропроцессора. Она включает в себя также память, устройства ввода/вывода и ряд других для выполнения заданных функций. Микрокомпьютер (микро-ЭВМ) – устройство обработки данных, состоящее из МП, полупроводниковой памяти, средств связи с периферийными устройствами (внешними ЗУ, видеомонитором, клавиатурой) и при необходимости пульта управления и источника питания, объединенных общей конструкцией. Контроллер (от англ. controller – управляющее устройство) – термин, широко используемый в вычислительной и микропроцессорной технике. Он имеет разный смысл в зависимости от характера применения. В одном варианте его часто используют как название устройств управления периферийными устройствами компьютерных систем (контроллер клавиатуры, контроллер прерываний и т.п.). В другом варианте контроллером называют специализированный микрокомпьютер (микро-ЭВМ), который разработан для решения отдельной задачи или группы близких задач, чаще всего управления. Он обычно не имеет возможности подключения дополнительных устройств, например, внешней памяти, средств ввода/вывода. Структура контроллера проста и оптимизирована под максимальное быстродействие. В большинстве случаев выполняемые программы хранятся в постоянной памяти и не меняются. Конструктивно контроллеры обычно выполняются в виде одной печатной платы, которая размещается в корпусе управляемой технической системы. Микроконтроллер (МК) – это функционально законченная микропроцессорная система обработки данных, которая реализована в виде одной БИС. МК объединяет в одном кристалле все основные элементы МПС: центральный процессор, память, устройства ввода/вывода, а также большой набор периферийных устройств. МК предназначены для реализации устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру. Процессор − центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ или вычислительной системы, которое выполняет арифметические и логические операции, управляет вычислительным процессом и координирует работу периферийных устройств системы. Классификация ЭВМ Существуют различные критерии для классификации ЭВМ, из которых наибольшее распространение получили приведенные ниже. По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). Цифровые вычислительные машины − вычислительные машины, выполняющие дискретные действия с информацией, представленной в цифровой форме. Аналоговые вычислительные машины − вычислительные машины непрерывного действия, работающие с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какойлибо физической величины. Гибридные вычислительные машины − вычислительные машины комбинированного действия, работающие с информацией, которая представляется и в цифровой, и в аналоговой форме, т.е. совмещающие в себе возможности АВМ и ЦВМ. Целесообразно использовать ГВМ для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами и технологическими процессами. По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения: 1-е поколение, 1950 гг.: ЭВМ, реализованные на электронных вакуумных лампах; 2-е поколение, 1960 гг.: ЭВМ, реализованные на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах); 3-е поколение, 1970 гг.: ЭВМ, реализованные на полупроводниковых интегральных схемах с малой (МИС) и средней (СИС) степенью интеграции; 4-е поколение, 1980 гг.: ЭВМ, реализованные на больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схемах (в том числе – микропроцессорах); 5-е поколение, 1990 гг.: ЭВМ, построенные на множестве параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельновекторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы; 6-е и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой – с распределенной сетью большого числа несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем. Необходимо отметить, что каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предшествующим существенно лучшие характеристики. Так производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличиваются, как правило, больше чем на порядок (в 10 и более раз). По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные, проблемно-ориентированные и специализированные. Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач, а также экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложность алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования (ВЦКП) и в других мощных вычислительных комплексах. Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами. Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на сверхбольшие (суперЭВМ), большие, малые, сверхмалые (микроЭВМ). Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции. Производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной для ряда задач: прогнозирования погоды, управления сложными оборонными комплексами, моделирования экологических систем и др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время. Дальнейшие успехи в области разработки элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини-ЭВМ – вычислительных машин, которые по архитектуре, размерам и стоимости относятся к классу малых ЭВМ, а по производительности сравнимы с большими ЭВМ. Изобретение МП привело к появлению в 1970-х гг. еще одного класса ЭВМ – микроЭВМ. Именно наличие МП служило первоначально определяющим признаком микроЭВМ. В настоящее время МП используются во всех без исключения классах ЭВМ.