Российская открытая академия транспорта основы микропроцессорной техники

Конспект лекций

Москва 2013

1. Организация микропроцессоров и микропроцессорных систем

1.1. Общие сведения о микропроцессорах

Развитие интегральной технологии и схемотехники цифровых электронных схем привело к созданию интегральных микросхем с большой и сверхбольшой степенью интеграции (БИС и СБИС). Это позволило разместить на одном или нескольких кристаллах все блоки, необходимые для программной реализации алгоритмов. На основе таких схем и были созданы микропроцессоры.

Микропроцессор(МП) – это программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой или аналоговой информации и выполненное в виде одной или нескольких интегральных схем.

По мере совершенствования микроэлектронной технологии производительность микропроцессоров и их функциональные возможности непрерывно возрастают. Уже начиная с 80-х годов, у наиболее развитых микропроцессоров эти характеристики не уступают по своим значениям аналогичным параметрам мини ЭВМ средней вычислительной мощности.

Малые габаритные размеры, универсальность, способность реализовать сложные функции обработки данных и управления позволяют на их основе строить различные микро-ЭВМ, персональные компьютеры, микропроцессорные устройства и системы управления.

Однако процессоры современных ЭВМ не могут быть реализованы в виде одной БИС. В связи с этим логическая схема процессора разбивается на отдельные функционально-законченные блоки, которые реализуются в виде отдельных БИС.

Совокупность таких БИС, выполненных по одной технологии и реализующих единую систему команд получили название микропроцессорных комплектов БИС (МПК).

Микропроцессорный комплект помимо самого микропроцессора содержит микросхемы, поддерживающие функционирование микропроцессора и расширяющие его логические возможности.

Необходимость выполнения сложных функций управления привели к созданию микроконтроллеров(МК) управляющих устройств, выполненных на одном или нескольких кристаллах.

В сравнении с универсальными микро-ЭВМ микроконтроллеры проще, так как имеют небольшой объем памяти и менее разнообразный состав внешних устройств. Поэтому более 30 лет тому назад оказалось возможным разместить практически всю схемотехнику МК на одном кристалле, что и дало начало их развитию. Вторым названием МК стало название однокристальная микро-ЭВМ.

Еще одним направлением развития микропроцессоров является создание специализированных БИС для цифровой обработки сигналов. Быстрое преобразование Фурье, лежащее в основе большинства алгоритмов цифровой обработки сигналов, предполагает выполнение операции умножения и запоминания большого количества промежуточных результатов. В связи с этим на кристалле таких БИС располагают матричный умножитель, позволяющий для выбранной технологии изготовления выполнять операцию умножения с максимальной скоростью, и блок регистров общего назначения. Такие МП, ориентированные на выполнение быстрого преобразования Фурье, получили название цифровых процессоров обработки сигналов(ЦПОС).

Развитие микропроцессоров общего применения происходило в направлении расширения набора команд и реализации многих функций аппаратными способами. Однако во многих практических применениях частота использования простых команд значительно выше, чем сложных. Это обстоятельство послужило толчком для создания микропроцессоров с сокращенным набором команд или RISC компьютеров(reducedinstructionsetcomputer). Благодаря небольшому набору команд упрощаются аппаратные средства, появляется возможность размещения на кристалле процессора памяти для хранения большого объема данных, увеличивается скорость выполнения команд, а время их выполнения становится примерно одинаковым.