Глава 3.

Микропроцессоры и микроЭВМ

и. Микропроцессоры

Непрерывное повышение степени интеграции элементов на кристалле и их быстродействия позволили создать новый класс интегральных микросхем - микропроцессоры, являющиеся удачной реализацией изделий вычислительной техники на базе полупроводниковой технологии.

Микропроцессор (МП)-это программно-управляемое цифровое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких интегральных микросхем. Его отличительные свойства: экономичность изготовления как стандартного изделия в условиях серийного производства и гибкость применения как универсального устройства [6j. Эти свойства способствуют широкому распространению микропроцессорных устройств в различных отраслях паротного хозяйства и особенно в тех, где использование вычислительной техники и Электроники было проблематичным.

Общие принципы работы МП определяются его архитектурой. По архитектуре МП во многом подобен процессору -больших ЭВ.М, но, уступая последнему по функциональным и вычислительным возможностям, обладает такими преимуществами, как простота, належ-ность, малые габаритные размеры, масса, стоимость, потребляемая мощность. Это позволило перейти к производству новых видов изделий - микроЭЗМ, микроконтроллеров и других микропроцессорных средств вычислительной техники (МСВТ) самого разнообразного па-значения. Однако собственно МП не позволяет создать законченного управляющего или вычислительного устройства. Необходим комплект дополнительных микросхем (запоминающих устройств, устройств ввода/вывода, регистров, формирователей), который, согласуясь с МП по техническим характеристикам, позволяет создать завершенное устройство. В этом случае речь идет о микропроцессорно.м комплекте (МПК).

3.1.1. Схемотехнологические особенности МПК

Номенклатура выпускаемых МПК непрерывно расширяется. Это позволяет потребителю максимально нснользовагь их достоинства для конкретных применений и в то же время затрудняет выбор оптимального -МПК.

Технология изготовления А\ПК развивается по двум направле-штям; МОП-те.хнология и бипо,1Ярная, каждая из которых имеет несколько разновидностей. Первые зарубежные и отечественные МП были изготовлены по рМОП-технопогни. Однако существенным недостатком этой технологии является принципиальное ограничение по быстродействию, поэтому несмотря на простоту и HHBiiyro стоимость р.НОП-технология, по-видимому, будет использоваться только в микросхемах, предназначенных для создания изделий бытовой техники малого быстродействия (КН5, КР1814). Следующим шагом развития МОП-структур явилось использование пМОП-технологии,

которая позволила на порядок по сравнению с рЛЮП-технологиеи увеличить быстродействие. Учитывая возможность большой плотности упаковки функциональных элементов в пМОП-струкгурах, их относительную простоту и невысокую стоимость, можно отметить, что пМОП-технология - основ1!ая для изгоговления МПК среднего быстродействия Здесь определяющим является требование \ини-мальпого числа микросхем в МПК (КР580. КР1801, KPI8I0). .Микропроцессорные комплекты, выполненные по КМОП-технологии, имеют малое потребление, высокую помехоустойчивость и надежно работают при более широком диапазоне напряжений питания и температуры окружающей среды (КР588).

Для большинства МПК используется мало.мощная ТТЛШ-тех-иология (К589, КР1802, КМ1804), обеспечивающая по сравнению с ТТЛ-технологией более низкий уровень потребляемой мощности. Данная технология позволяет создавать высокоскоростные контроллеры периферийных устройств с ш-ирокими технико-экономическими характеристиками, а также воспроизводить архитектуру существующих ЭВМ. На МПК, изготовленных по ЭСЛ-техпологии, можно воспроизвести структуру сверхскоростных больших универсальных ЭВМ. Примером здесь может служить МПК серии К18бО.

В зависимости от требований, предъявляемых к .МПК. в него могут входить микросхемы, выполненные по различным технологиям, например: пМОП и ТТЛШ, ЭСЛ и ТТЛШ. Кроме того, при разработке МСВТ при необходимости можно использовать микросхемы из различных МПК, учитывая, что параметры входных сигналов, подаваемых на микросхемы, и режимы их работы должны соответствовать научно-технической документации (НТД).

3.1,2. Основные характеристики МПК

Микропроцессор имеет техштческие характеристики, специфичные для вычислительных устройств (система команд, объем адресуемой памяти, система прерывания), и параметры, присущие интегральным микросхемам (входные и выходные уровни сигналов, помехоустойчивость, время задержки распространения сигналов) [7].

В связи с большим разнообразием МП и МПК (универсальные и специализированные, сдиокристальпые, миогокристальиые и секционные, синхронные и асинхронные, одномагистральные и многомаги-стралы!ые) определить единую систему характеристик, позволяющую производить оценку технических возможностей МПК, довольно сложно, поэтому рассмотрим те основные характеристики, которые позволят потребителю произвести ориентировочную оценку различных .МПК.

Разрядность обрабатываемых данных - характеристика, определяющая точность вычислепий. Сутцествуют МП как с фиксированным числом разрядов, так и с наращиваемой разрядностью. В МП с фиксированной разрядностью (КР580, КР588, КР1801, KPiSlO) увеличение числа разрядов обрабатываемых данных возможно просчетом программы в несколько этапов. Однако это снижает быстродействие систем. В МП с наращиваемой разрядностью (К589, К1800, КР1802, КМ 1804) микропроцессор строится из микропроцессорных секций, каждая из которых имеет К разрядов. Тогда разрядность обрабатываемых данных определяется как пК, где К=2, 4, 8,п = ~ 1, 2, 3,... 4

Система команд - характеристика, которая определяется совокупностью операций, обеспечивающих выполнение программы в соответствии с заданным алгоритмом. В систему команд входяг форматы команд и обрабатываемых данных; число команд; способы адресации данных; объем непосредственно адресуемой щмяти; объем и организация сгека; способы обработки прерываний: организация ввода/вывода. Простое сравнение МП по числу выполняемых команд недостаточно для оптимального выбора. Необходима оценка логической мощности и гибкости команд, выполняемых МП, оценка возможностей организации разветвленных вычислительных процессов. Микропроцессоры с фиксированной разрядностью имеют фиксированную систему команд. Причем МП серий КР588 и КР1801 ориентированы на систему команд микроЗВМ Электроника-60 , а МП серий КР580 и КР1810 - на систему команд соответственно микро-ЭВМ СМ1800 и СМ1810. Микропроцессоры с наращиваемой разрядностью (секционные) ориентированы на микропрограммное управление и позволяют пользователю в зависимости от специфики разрабатываемого устройства создавать собственные системы команд. Использовать МПК с микропрограммным управлением наиболее целесообразно при разработке систем специализированного назначения, когда созданием насыщенных и компактных команд можно достичь высокого быстродействия и существенной экономии па.мяти программ.

Быстродействие - характеристика, которая определяется схемо-технологическими возможностями МПК и его архитектурными особенностями При оценке быстродействия необходимо учитывать, что простое сравнение длительностей мащиииого такта (командного цикла) может привести к неверным выводам, так как некоторые коман-

Таблица 3