Микропроцессоры и микроЭВМ

Использование больших интегральных схем (БИС) позволяет значительно повысить эффективность цифровых систем – увеличить их производительность и надежность, уменьшить габариты, массу и мощность потребления энергии. Однако, повышение степени интеграции увеличивает специализацию БИС и сужает сферу их использования. Разработка и производство специализированных БИС экономически оправданы, если они предназначены для устройств и систем, выпускаемых большими сериями и не требующих гибкости в управлении (калькуляторы, электронные часы).

Рис. 9.1. Структура Микро–ЭВМ.

Особый класс БИС представляют микропроцессоры (МП). Они применяются для управления самыми разными техническими объектами – станками, автомобилями, электродвигателями, устройствами бытовой техники и т.д. Функции МП не фиксированы, а задаются внешними электрическими сигналами и могут меняться программным путем. Микропроцессоры – это универсальные программно–управляемые устройства обработки данных.

Устройство, содержащее один или несколько микропроцессоров, память для хранения управляющих программ и интерфейсные схемы, обеспечивающие связь с устройствами ввода–вывода, называют микроЭВМ (Рис. 9.1). Перечисленные функциональные узлы микроЭВМ между собой соединяются многопроводными линиями связи – магистралями. По каждой линии передается один разряд двоичных данных. Число линий в магистрали равно наибольшему разряду передаваемых данных. Одна магистраль связывает различные устройства и используется для передачи данных в обоих направлениях. Для исключения наложения сигналов в магистрали право доступа к ней в конкретный момент времени предоставляется только одному источнику данных. Применение магистрального принципа связи внутри МП и микроЭВМ продиктовано необходимостью минимизировать число соединительных линий внутри БИС, а также внешних выводов БИС.

Преобразование данных, выполняемое микропроцессором, как и в ЭВМ, реализуется в виде вычислительного алгоритма – последовательности простейших логических и арифметических действий – операций. Конкретное содержание выполняемого алгоритма задается формализованным описанием – программой. Программа состоит из последовательности команд. Команда – двоичный код, которому соответствует определенное действие.

Код команды состоит из кода операции, указывающего выполняемую операцию, и кода адреса. Этот код указывает расположение данных – операндов, над которыми должна выполняться операция. Для удобства составления программ командам присваиваются условные обозначения (мнемокод).

Программа работы МП хранится в памяти. При выполнении программы из памяти вызываются отдельные команды в последовательности, определяемой их расположением в памяти либо принятой системой адресации. Если нужно изменить естественный ход выполнения программы, то вводится специальная команда перехода, содержащая адрес следующей выполняемой команды.

Для выполнения каждого действия МП отводится определенный интервал времени. Различают следующие интервалы: цикл команды, машинный цикл и такт.

Циклом команды считается время, необходимое для считывания из памяти команды и ее исполнения. Цикл команды состоит из нескольких машинных циклов. Один машинный цикл требуется процессору для одного обращения к памяти или к устройствам ввода–вывода. Число машинных циклов в цикле команды зависит от сложности команды. Каждый машинный цикл состоит из интервалов элементарных действий – состояний. Продолжительность состояния равна периоду тактовых импульсов и часто называется тактом.

Сигналы системного времени, определяющие положения на временной оси циклов команд, машинных циклов и тактов, в МП генерируются специальными генераторами тактовых импульсов.

Центральное устройство микроЭВМ – МП, выполняющий команды программы. Он определяет адрес очередной команды, считывает ее из памяти, декодирует и производит действия, соответствующие коду операции команды.

Известно много типов МП и микропроцессорных БИС, различающихся конструктивными признаками, технологией производства, структурой, количеством и системой команд, их адресацией.

По числу БИС, составляющих МП, различают однокристальные МП (также микроЭВМ) и микропроцессорные комплекты (МПК). Последние представляют аппаратурно– и программно–совместимый набор БИС, из которых могут набираться МП с различными функциональными возможностями.

По разрядности обрабатываемых данных различают МП с фиксированной и наращиваемой разрядностями. Разрядность однокристальных МП, очевидно, фиксированная. Микропроцессорные комплекты выпускают в виде наборов полноразрядных БИС различного функционального назначения, а также в виде БИС, представляющих малоразрядные секции, которые могут соединяться параллельно. Изменяя число параллельно соединяемых секций, можно менять разрядность обрабатываемых данных. По МОП–технологии, допускающей высокую степень интеграции, обычно изготовляют полноразрядные МПК. При использовании элементов на биполярных транзисторах производят секционированные МПК. Их быстродействие больше, чем МП, изготовленных по МОП–технологии.

По способу управления различаются МП с аппаратным и с микропрограммным управлением. Аппаратное управление исполь­зуется в МП первых поколений. Микропроцессоры этого типа могут реализовать фиксированный набор команд.

Микропроцессоры с микропрограммным управлением имеют большие функциональные возможности. В МП этого типа про­грамма реализуется в виде последовательности микропрограмм состоящих из микрокоманд – управляющих слов. Если МП с аппа­ратным управлением выполняют набор (40—80) простых команд, то МП с микропрограммным управлением выполняют до несколь­ких сотен микрокоманд и по функциональным возможностям приближаются к мини–ЭВМ.

В развитии МП можно отметить следующие тенденции: повы­шение эффективности универсальных МП путем повышения сте­пени интеграции и быстродействия отдельных БИС, увеличения номенклатуры используемых БИС; разработку проблемно–ориенти­рованных МПК, состоящих из универсальных и специализирован­ных БИС.

Литература

1. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники: Учеб. пособие для студентов вузов по специальности "Конструирование и производство радиоаппаратуры". – М.: Высш. шк., 1988. –464 с.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 2 томах. Пер. с англ. – М.: Мир, 1983. – Т.1 598 с.

3. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. – СПб.: КОРОНА принт, 1998. – 400 с.

4. Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника: Учебник для вузов. – 4–е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1990. – 374 с.

5. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учебное пособие для вузов. – 4–е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 440 с.