2.1. Микропроцессорные бис

Микропроцессор. Это понятие объединяет большую группу ИС, реализующих функции обработки цифровой информа­ции, управления процессом обработки и обмена с другими узлами. Все МП работают в соответствии с принципами программного управ­ления, предложенными Дж. фон Нейманом в середине 40-х гг. Однако различные подходы к воплощению этих принципов в инте­гральных схемах, различные цели и задачи, на которые ориенти­рованы разработки, способствовали появлению трех основных классов микропроцессорных ИС.

Однокристальные МП — микропроцессоры общего на­значения (general purpose), выполненные в виде одной БИС или СБИС. В литературе под микропроцессором очень часто понимают именно однокристальные МП. Существенной особенностью одно­кристальных МП является невозможность аппаратного наращивания разрядности обрабатываемой информации простым увеличением количества используемы БИС.

С начала 80-х гг. в классе однокристальных приборов, кроме собственно микропроцессоров, появились микросхемы, получившие название микроконтроллер (microcontroller) и микрокомпьютер (microcomputer). Фактически это те же однокристальные микро­процессорные БИС, расширенные схемами постоянной (или полу­постоянной) и оперативной памяти для хранения программ и обра­батываемых данных и схемами ввода-вывода информации. По сути эти БИС содержат все «электронные» схемы цифровой вычислитель­ной машины. При этом и микроконтроллер, и микрокомпьютер предназначены для построения устройств управления различными процессами или объектами, микрокомпьютер отличается лишь большими возможностями по обработке данных. Чаще всего эти микросхемы обозначаются МК (µC) и называются «все в одном» (all in one).

Многокристальные МП — совокупность нескольких (2...5). БИС или СБИС, совместно реализующих функции процессо­ра. Многокристальный МП обычно содержит БИС обрабатывающего устройства, БИС управления и интерфейсную БИС.

Секционные МП (bit-slice) — микросхемы, содержа­щие вертикальный битовый срез процессора, позволяющие путем несложных соединений однотипных ИС наращивать разрядность законченных устройств.

Две основные области, в которых МП БИС находят широкое применение — электронная обработка данных и управление [1.2]. Сфера обработки данных характеризуется большими объемами вы­числений и, следовательно, требует более развитой системы команд, особенно групп арифметических операций и обработки символьной информации, и увеличенной разрядности представления информа­ции.

Сфера управления, как правило, не требует многих вычисле­ний, однако ей присущи большее разнообразие внешних устройств и необходимость работы в реальном времени, что должно под­держиваться развитыми системами ввода-вывода и прерывания. На начальном этапе производства средств МпВТ эти различия практически не учитывались. У основной части выпускаемых МП (4- и 8-разрядных) была упрощенная система команд, а фирмы не указывали их назначения, рекламируя как универсальные. В конце 70-х гг. установилась более четкая дифференциация: однокристаль­ные МП (8- и 16-разрядные) с хорошей системой команд ориентирова­ны на область обработки данных, а микроконтроллеры и микроком­пьютеры (4- и 8-разрядные) преимущественно предназначены для выполнения функций управления.

Возможности и особенности МП, конечно, не исчерпываются такими характеристиками, как технология изготовления, система команд, разрядность. Для полного описания микропроцессора ис­пользуются три группы характеристик: алгоритмические, схемотех­нические и эксплуатационные.

Алгоритмические характеристики (в литературе распространен также термин — архитектура) определяют возможности МП как устройства обработки данных. К ним относятся:

перечень программно доступных элементов памяти — количе­ство внутренних регистров общего назначения (РОН); количество и назначение специальных регистров; количество адресуемых внеш­них элементов (байт, слов) памяти; количество адресуемых устройств (портов) ввода-вывода; для микроконтроллеров и микрокомпьюте­ров добавляется емкость внутренних ПЗУ и ОЗУ;

разрядность — количество разрядов двоичного кода, обрабаты­ваемого арифметико-логическим устройством (АЛУ) МП (разряд­ность данных); количество двоичных разрядов, необходимое для кодирования программной информации (разрядность команд); ко­личество разрядов кода, передаваемого по внешней шине данных (разрядность шины данных); количество двоичных разрядов, кото­рые МП может выдать по адресной шине (разрядность адреса). В общем случае все разрядности могут быть различны. Например, МП может иметь 8-разрядную шину данных и 20-разрядную адрес­ную шину, обрабатывать 16-разрядные коды, использовать пере­менную (1—3 байта) длину команд. Когда речь идет о разрядности МП в целом (например, 16-разрядный МП), то обычно подра­зумевают разрядность АЛУ — максимальную длину аппаратно обрабатываемого кода;

адресация — количество и виды доступа к внутренним и внеш­ним элементам памяти и к внешним устройствам (портам) ввода-вывода;

система команд — количество типов выполняемых команд, спи­сок команд и способы их кодирования (форматы команд); способы кодирования обрабатываемой информации (форматы данных);

время выполнения команд — длительность выполнения команд каждого типа. Обычно в технической документации приводится количество тактов работы МП, необходимое для выполнения каж­дой команды. Зная период сигналов синхронизации, можно легко рассчитать время выполнения. В периодической литературе часто указывается время выполнения самой короткой и самой длинной команды при максимальной частоте синхронизации;

быстродействие — количество команд каждого типа, выпол­няемое в единицу времени, рассчитывается как величина, обрат­ная времени выполнения. Иногда приводится среднее быстродей­ствие или быстродействие при выполнении определенного тина команд (например, пересылки регистр — регистр, сложения);

система прерывания — количество внешних запросов на преры­вания; количество внутренних источников прерывания; организация обслуживания запросов.

Схемотехнические характеристики описывают требования к элек­тронному обрамлению МП. Микропроцессор автономно работать не может, он должен быть подключен к различным схемам (память, интерфейсные БИС и т. п.). Правильность включения МП опреде­ляют следующие схемотехнические характеристики;

внешние сигналы—перечень сигналов, которые необходимо по­дать в МП (входные) и которые генерируются МП (выходные); назна­чение сигналов и их функции; возможность третьего состояния;

система синхронизации — количество сигналов синхронизации;

частота сигналов синхронизации и допустимые пределы ее измене­ния (или то же для периода); количество тактов синхронизации, необходимое для доступа к памяти, для обращения к внешним устройствам;

характеристики питания — количество источников питания;

номинальные напряжения источников питания и допустимые пре­делы их изменения; потребляемые токи, суммарная потребляемая МП мощность;

статические параметры сигналов — уровни логических сигна­лов; входные и выходные допустимые токи; число нагрузок, которое можно одновременно подключить к выходу (нагрузочная способ­ность); токи утечки для выходов в третьем состоянии;

динамические параметры сигналов — время переключения сигна­лов; время перехода сигналов из третьего состояния в состояния (9 или 1; время задержек сигналов относительно синхросигнала и/или относительно друг друга.

Эксплуатационные характеристики определяют условия пра­вильного конструктивного оформления и эксплуатации МП. При­водятся следующие характеристики:

конструктивные особенности — тип и габаритные размеры кор­пуса, количество и расположение выводов, масса микросхемы. Кристаллы МП обычно упаковываются в пластмассовые или кера­мические корпуса типа DIP (dual in-line package) с двухрядным ^ расположением выводов (количество контактов до 40—48) или корпуса с расположением контактов с четырех сторон, рекомендо­ванные JEDEC (Joint Electron Device Engineering Counsil), если количество выводов больше 60;

надежностные параметры — вероятность того, что МП прора­ботает без отказа в течение заданного интервала времени t (вероят­ность безотказной работы Р (t)); вероятность отказа за единицу времени после данного момента при условии, что до этого момента отказ не произошел (интенсивность отказов К (t)); средняя продол­жительность работы МП до отказа (наработка на отказ Тер). Для ИС справедлив экспоненциальный закон распределения отказов, при котором λ(t) = λ = const. а P(t) = ехp(-λ(t)). Интенсив­ность отказов 8-разрядных однокристальных МП оценивается в 2*10⁷ ч^-1 при температуре 25 °С [1.28], что дает вероятность отказа 0,002 за год работы;

параметры окружающей среды — допустимые пределы измене­ния температуры, при которой гарантируется нормальное функци­онирование МП (температурный диапазон); допустимый уровень электромагнитного и радиационного излучения. По температур­ному диапазону исполнения МП в США делятся на военные (-55 °С - +125 °С), индустриальные (—40 °С— +85 °С) и общего применения (0 °С— +70 °С).

Ограничиваясь приведенным списком технических характери­стик МП, отметим также. Во-первых, все характеристики (особенно схемотехнические и эксплуатационные) тесно взаимосвязаны и опре­деляются принятой технологией изготовления прибора. Во-вторых, никаких всемирных, региональных и государственных стандартов на список и порядок оценки технических характеристик МП нет, поэтому фирмы-изготовители по своему усмотрению составляют тех­нические описания и, самое главное, могут не сообщать принятой методики оценки того или иного параметра. В-третьих, схемотех­нические и эксплуатационные характеристики МП относятся не только к МП, но и ко всем остальным ИС, так как и они, конечно, должны правильно включаться в схему и правильно эксплуатиро­ваться.

Необходимо также отметить, что нет никаких общепринятых систем условного обозначения типа микропроцессорных БИС. Каж­дый изготовитель пользуется собственной системой, а в некоторых случаях существует разнобой и в рамках отдельной фирмы. Более того, один и тот же микропроцессор может выпускаться разными фирмами (по лицензии, как второй поставщик и т. п.) и иметь разные обозначения. Так, фирма Intel обозначает свой 16-разрядный микро­процессор либо 8086, либо i8086, в последнее время — iAPX8610. Аналогичный микропроцессор выпускается фирмой NEC Micro­computer под названием µPD 8086.

Основные характеристики ряда распространенных однокри­стальных МП и МК приведены в табл. 2.3 и 2.4 соответственно [1.35, 2.6, 2.71. Дадим краткую характеристику усредненных из­делий.

Типичный 8-разрядный микропроцессор. Выполнен по пМОП

технологии, имеет внешнюю 8-разрядную шину данных и 16-раз­рядную адресную шину, что обеспечивает доступ к 64 Кбайт памяти. Содержит около десятка регистров общего назначения. Система команд насчитывает до 100 различных типов. Основные группы команд: пересылки, арифметики с фиксированной запятой (сложе­ние, вычитание, операции с десятичными числами), логики и сдвигов, передачи управления (длина команд 1—3 байта). Используется 5—6 способов адресации: непосредственная, прямая, косвенная, относительная, индексная, стековая. Частота синхронизирующего сигнала — порядка нескольких мегагерц, время выполнения самой короткой операции — менее микросекунды, время выполнения самой длинной операции — десятки микросекунд. Характеризуется одноуровневой системой прерывания и допускает организацию пря­мого доступа к памяти.

Типичный 16-разрядный микропроцессор. Изготавливается по пМОП технологии, имеет 16-разрядную шину данных и 20-, 24-раз­рядную адресную шину. Емкость адресуемой внешней памяти 16 Мбайт. Система команд расширена операциями умножения/ деления с фиксированной запятой над 8- и 16-разрядными числами, операциями со строками данных, защиты памяти. Увеличено коли­чество способов адресации, введен режим виртуальной адресации.

Частота синхронизации и время выполнения команд аналогичны 8-разрядному МП. В следующем разделе подробно описан 16-раз­рядный МП типа 8086 фирмы Intel (США).

Таблица 2.3. Основные характеристики однокристальных микропроцессоров

Фирма

Тип МП

Технология

Разрядность, бит

Адресуемая память, байт

Система команд

Количество РОН

Максимальная тактовая частота МГц

Примечания

дан- ных

Ко-манд

Типов команд

Способов адресации

8-разрядные микропроцессоры

Intel Motorola Zilog MOS Technology

8080А 8085 6800 6809 Z 80 650X

nMOS nMOS nMOS nMOS nMOS nMOS

8 8 8 8 8 8

8-24 8-24 8 8 8-24 8

64К 64К 64К 64К 64К 64К

78 80 89 100 150 56

5 5 6 13

8 8 0 0 14 0

2.6 5.5 2.0 2.0 4.0 4

Аналог К580ИК80 СССР) Улучшенная версия 8080, аналог К1812ВМ85 (СССР) --- --- Аналог И808 (ГДР)

16-разрядные микропроцессоры

Intel Zilog National Semiconductor Motorola

8086 8088 80186 80188 80286 Z 800 32008 32016 680X0

HMOS HMOS HMOS HMOS HMOS nMOS nMOS nMOS nMOS

8, 16 8, 16 8, 16 8, 16 8, 16 8, 64 8, 32 16, 32 16, 32

8-48 8-48 8-48 8-48 8-48 16-48 8-24 8-24 16

1М 1М 1М 1М 16М 48М 16М

97 97 110 56

11 11 11 11 11 11 9 9 14

8 8 8 8 8 17 8 8 17

8.0 9.0 8.0 8.0 10.0 10.0 10.0 10.0 12.5

Аналог К1810ВМ86 (СССР) --- --- --- --- --- --- --- Семейство МП: 68000, 68010, 68020

32-разрядные микропроцессоры

Intel Zilog National Semiconductor

80386 Z80000 32032 68020

CHMOS nMOS nMOS CMOS

8, 16,32

8-48

4 Г 4 Г

11 9 9 18

8 16 8 16

16 25 10 24

--- --- --- ---

Таблица 2.4. Основные характеристики однокристальных микрокомпьютеров/микроконтроллеров

Фирма	Тип	Технология	ОЗУ в корпусе	ПЗУ в корпусе	Внешнеерасширение памяти	Количество линий ввода-вывода	Типов команд	Максимальнаяїтактоваяжчастота, МГц	Примечания
4-разрядные микрокомпьютеры/микроконтроллеры
National Semicon doctor NEC Microcomputers Panasonic Texas Instruments	COP410 COP420 COP440 µPD546 µPD651 µPD652 MN1400 MN1430 MN1450 TMS-1000 TMS-1000	nMOS nMOS nMOS pMOS CMOS CMOS nMOS pMOS CMOS pMOS CMOS	32*4 64*4 128*4 96*4 64*4 32*4 64*4 64*4 64*4 64*4 64*4	512*8 1024*8 2048*8 200*8 1000*8 1000*8 1024*8 1024*8 1024*8 1024*8 1024*8	Да Да Да Нет Да Нет Нет Нет Нет Нет Нет	16 20 32 35 35 21 30 30 30 23 23	40 49 49 80 58 58 75 75 75 43 43	0,25 0,25 1 0,44 0,44 0,44 0,3 0,2 0,5 0,4 1	Семейство МК 10 штук, выпускаются и по СMOS технологии Семейство МК 12 штук (µPD 551 включает АЦП) --- Семейство МК 16 штук --- --- Семейство МК 10 штук ---
8-разрядные микрокомпьютеры/микроконтроллеры
Intel Zilog Motorola	8022 8041/87211 8048/8748 8049 8051 Z8 Z8601 6801 6805	nMOS nMOS nMOS nMOS nMOS nMOS nMOS nMOS nMOS	64*8 64*8 64*8 128*8 128*8 144*8 128*8 128*8 64*8	2048*8 1024*8 1024*8 2048*8 4096*8 2048*8 2048*8 2048*8 1100*8	Нет Да Да Да Да Да Да Да Да	27 18 27 27 32 32 32 20 20	70 90 96 96 47 61 61	3 6 6 11 12 8 8 3,58 3,58	Имеет 2 встроенных АЦП --- Аналог К1816ВЕ48 (СССР) Аналог К1816ВЕ49 (СССР) --- Выполняет 16-розрядные операции --- ---
16-разрядные микрокомпьютеры/микроконтроллеры
Intel Texas Instruments	8096 TMS 9940	nMOS	232*8 128*8	8192*8 2048*8	Да Нет	40 16	70 68	12 5	Семейство МК 8 штук имеет 8-канальный 10-розрядный АЦП ---
Аналоговый процессор
Intel	2920	nMOS	40*25	192*24	Нет	12	21	2,5	4-аналоговых входа и 8 аналоговых выходов. Аналог КМ1813ВЕ1 (СССР)

Типичный 32-разрядный микропроцессор. Позволяет обрабаты­вать 8-, 16- и 32-разрядные числа с повышенной скоростью. Время выполнения команд снижено за счет увеличения частоты синхрони­зации до уровня 15—20 МГц и введения буферной памяти команд с предварительной выборкой последовательности команд из основ­ной памяти и конвейерного способа их обработки (4—6 фаз). Сред­нее быстродействие — 2—3 млн. операций/с. Обмен информацией выполняется по шине данных с программно настраиваемой разряд­ностью (8, 16, 32). Шина адреса имеет 24-32 разряда, что обеспечи­вает доступ к памяти емкостью 16 Мбайт — 4 Гбайта. Введен режим страничной виртуальной памяти с внутренними двухуровневыми таблицами трансляции адресов. МП полностью программно совме­стим с 16-разрядным предшественником.

Типичный однокристальный 4-разрядный микрокомпьютер.

Имеет внутреннее оперативное ЗУ (ОЗУ, random access memory, RAM) емкостью 64 четырехразрядных кода, встроенное постоянное ЗУ (ПЗУ, read only memory, ROM) емкостью 1024—2048 байт для хранения программ и возможность адресации к внешним ОЗУ (ПЗУ). Шина данных заменена 20—30 линиями ввода-вывода, обес­печивающими подключение источников и приемников информации различной разрядности. МК имеет 1—2 линии последовательного ввода-вывода. Отдельные образцы включают встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для ввода непрерывных сигналов. МК выполняются по КМОП или пМОП технологии. В кристалле предусмотрен генератор синхросигналов частотой 0,5—1 МГц, время выполнения короткой команды 1—5 мкс, время выполнения самой длинной команды 20—30 мкс. Реализует 60—90 различных команд, допускает ограниченное количество вложенных обращений к под­программам (2—5), имеет одноуровневую систему прерывания. Восьмиразрядные МК обеспечивают обработку 8-разрядных кодов, обладают встроенным ОЗУ на 64—128 байт, остальные характеристи­ки аналогичны.

Как правило, фирмы выпускают наборы (семейства) одно­типных МК, отличающихся наличием ил отсутствием ОЗУ, емко­стью встроенного ПЗУ или его типом (программируемое изготови­телем, программируемое пользователем, со стиранием и многократ­ным программированием), наличием или отсутствием АЦП, различ­ным количеством линий ввода-вывода, технологией изготовления. Такое разнообразие МК призвано перекрыть все возможные области их применения.

Секционные (разрядно-модульные) МП БИС ориентированы на создание вычислительных устройств, организация которых учиты­вав специфику решаемых задач. Устройства, построенные на базе секционных МП, обладают высоким быстродействием, гибкостью и универсальностью, которые обеспечиваются микропрограммным

принципом управления и разрядно-модульной организацией. В со­став таких серий обязательно входят две микросхемы: процессорная секция и устройство управления выборкой микрокоманд. Послед­няя БИС называется также секвенсором или блоком микропро­граммного управления. Указанные микросхемы определяют основ­ные алгоритмические возможности микропроцессора, они характери­зуются разрядностью обрабатываемых кодов, количеством выпол­няемых микрокоманд и максимальной тактовой частотой. Следует подчеркнуть, что разрядность законченного процессора задается количеством параллельно включенных секций. Так, если использо­вать 4 четырехразрядных секции, то процессор сможет обрабаты­вать 16-разрядные коды, если включить 8 секций, то разрядность увеличится до 32. Аналогично можно наращивать разрядность устройства управления выборкой микрокоманд, расширяя тем самым доступную емкость памяти микрокодов.

Основные характеристики секционных МП БИС приведены в табл. 2.5 [12.6, 2.71]. Типичный секционный набор выпускается фирмой Advanced Micro Devices (семейство Am 2900). Схемы выпол­нены по ТТЛШ технологии. Секционный МП обрабатывает 4-раз­рядные коды, имеет 16 РОН и выполняет 16 типов микрокоманд. Время выполнения одной микрокоманды — не более 60 нс. Секвенсор 4-разрядный (или 12-разрядный), максимальное время фор­мирования адреса 100 нс. Семейство включав более 50 БИС раз­ных типов.

Многокристальные МП, занимающие промежуточное положение

между однокристальными и секционными, предназначены для построения высокоэффективных микропроцессорных систем обра­ботки данных, приближающихся по своим характеристикам к мини и супермини-ЭВМ. Как правило, комплект БИС, из которых стро­ится микропроцессор, имеет систему команд, повторяющую систему команд одной из популярных серий мини-ЭВМ. Например, фирма Data General Corp. выпускает набор micro EAGLE из пяти БИС, совместимый с супермини серии Eclipse той же фирмы. Набор включает микросхемы 32-разрядного центрального процессора, микросеквенсора, процессора арифметики с плавающей запятой, устройства системного ввода-вывода и блок-мультиплексного ка­нала, которые позволяют построить законченный 32-разрядный процессор с производительностью, равной половине производи­тельности супермини типа MV 8000 [2.8].

Оригинально выполнен многокристальный микропроцессор 1АРХ432 фирмы Intel. Он реализован на трех БИС: 43201—деко­дер команд и ПЗУ микрокодов, 43202 — исполнительный модуль, 43203 — интерфейсный модуль. Первые две БИС образуют 32-разрядный процессор обработки данных общего назначения, тре­тья БИС обеспечивает обмен данными с внешними устройствами. Микропроцессор iAPX432 ориентирован на системы с большим объе­мом программирования на языках высокого уровня, а также на системы с параллельными процессами и надежной защитой от ошибок программирования [1.17].