Микропроцессоры, история развития

Отличие архитектуры Фон Неймана заключается в принципиальной возможности работы над управляющими программами точно так же как над данными. Это позволяет производит загрузку и выгрузку управляющих программ в произвольное место памяти процессора, которая в этой структуре не разделяется на память программ и память данных. Любой участок памяти может служить как памятью программ, так и памятью данных. Причём в разные моменты времени одна и та же область памяти может использоваться и как память программ и как память данных. Для того, чтобы программа могла работать в произвольной области памяти, её необходимо модернизировать перед загрузкой, то есть работать с нею как с обычными данными. Эта особенность архитектуры позволяет наиболее гибко управлять работой микропроцессорной системы, но создаёт принципиальную возможность искажения управляющей программы, что понижает надёжность работы аппаратуры. Эта архитектура используется в универсальных компьютерах и в некоторых видах микроконтроллеров.

Универсальные микропроцессы

Универсальные микропроцессоры применяются в вычислительной технике и в настоящее время именно на них отрабатываются самые передовые решения по повышению быстродействия микросхем.

Паразитные ёмкости печатной платы компьютера или другого устройства, в котором используется микропроцессор, не позволяют достигнуть предельного быстродействия, с которым может работать кристалл микропроцессора. Кроме того, невозможно реализовать кварцевые резонаторы на частоты, на которых работают современные микропроцессоры. Поэтому внутренняя и внешняя тактовая частота микропроцессора различаются. Обычно внутренняя тактовая частота в несколько раз выше внешней тактовой частоты микропроцессора.

Умножение внешней тактовой частоты внутри кристалла процессора производится при помощи цепи фазовой автоподстройки частоты, поэтому для установления стабильной внутренней частоты микропроцессора требуется некоторое время, определяемое обычно десятками микросекунд.

Первым фактором, огранивающим быстродействие микропроцессорной системы в целом, является то, что для увеличения доступной ёмкости системной памяти компьютера, микросхемы ОЗУ выбираются динамического вида. Однако эти ОЗУ обладают относительно невысоким быстродействием. В результате возникает противоречие между высоким быстродействием микропроцессора и быстродействием системной памяти, которая ограничивает быстродействие микропроцессорной системы в целом.

В качестве решения этой проблемы в современных компьютерах предлагается использование КЭШ-памяти. Эта память с точки зрения программиста никак не видна и общий объём системной памяти не увеличивает. Предназначение КЭШ-памяти - увеличить общее быстродействие системной памяти в целом.

КЭШ-память выполняется в виде статической памяти небольшого размера и высокого быстродействия. КЭШ-память ставится как буфер между основной памятью и микропроцессором. Она располагается на материнской плате. Естественно, что при первом обращении к системной памяти быстродействие снижается на задержку, вносимую КЭШ-памятью. Выигрыш в быстродействии достигается при повторном обращении к одному и тому же участку памяти. В этом случае обращение к основной памяти не требуется, так как в КЭШ-памяти уже хранится копия содержимого основной памяти компьютера. Учитывая, что выполнение программ обычно реализуется в виде циклов, когда один и тот же участок программного кода повторяется многократно, общее быстродействие системы в целом будет определяться быстродействием КЭШ-памяти.

Всю логику работы с КЭШ-памятью выполняет контроллер памяти, входящий в набор микросхем (Chip Set) материнской платы компьютера.

Рассмотренный выше метод увеличивает общее быстродействие системной памяти, но при этом быстродействие повышается только до значения тактовой частоты системной шины (внешняя тактовая частота микропроцессора). Согласовать внутреннее быстродействие микропроцессора и быстродействие системной шины позволяет использование внутренней КЭШ памяти. Естественно объём этой внутренней памяти меньше объёма КЭШ-памяти, расположенной на материнской плате компьютера.

При рассмотрении принципов работы цифровых микросхем мы узнали, что потребляемый микросхемой ток определяется быстродействием микросхемы, поэтому внутренняя КЭШ-память в свою очередь разделяется на два уровня: первый уровень малого объёма, но высокого быстродействия, совпадающего с внутренним быстродействием микропроцессора, и второй уровень, с большим объёмом памяти, но с меньшим быстродействием. По аналогии с этими двумя уровнями КЭШ-памяти, КЭШ-память, расположенную на материнской плате называют КЭШ-памятью третьего уровня.

История развития микропроцессоров

В 1959 г. инженеры фирмы “Texas Instruments” разработали способ, как разместить внутри одного полупроводникового кристалла несколько транзисторов и соединить их между собой - родилась первая интегральная микросхема (ИМС). По сравнению с функционально теми же устройствами, собранными из отдельных транзисторов, резисторов и т.п., ИМС обладает значительными преимуществами: меньшими габаритами, более высокой надежностью и т.д. Неудивительно, что количество выпускаемых микросхем стало быстро возрастать, а их ассортимент неуклонно расширяться. Последнее обстоятельство создавало ряд трудностей для потребителей. Важно даже не столько то, что стремительно возраставшее количество типов ИМС затрудняло ориентацию в море наименований. Значительно большим недостатком была узкая специализация ИМС, из-за которой объем их выпуска не мог быть большим, а значит стоимость одной микросхемы оставалась высокой. Улучшить ситуацию позволило бы создание универсальной логической ИМС, специализация которой определялась бы не заложенной на заводе внутренней структурой, а заданной непосредственно самим потребителем программой работы.

Таким образом, оказывается, что первые микропроцессоры (МП) появились совсем не для миниатюризации ЭВМ, а в целях создания более дешевой логической микросхемы, легко адаптируемой к потребностям пользователя.

История создания первого в мире микропроцессора достаточно поучительна. Летом 1969 г. японская компания “Busicom”, разрабатывавшая новое семейство калькуляторов, обратилась за помощью в фирму “Intel”. К тому времени “Intel” просуществовала всего около года, но уже проявила себя созданием самой емкой на тот момент микросхемы памяти. Фирме “Busicom” как раз и требовалось изготовить микросхемы, содержащие несколько тысяч транзисторов. Для реализации совместного проекта был привлечен инженер фирмы “Intel” М.Хофф. Он познакомился с разработками “Busicom” и предложил альтернативную идею: вместо 12 сложных специализированных микросхем создать одну программируемую универсальную - микропроцессор. Проект Хоффа победил и фирма “Intel” получила контракт на производство первого в мире микропроцессора.

Практическая реализация идеи оказалась непростым делом. В начале 1970 г. к работе подключился Ф.Фаджин, который за 9 месяцев довел процессор от описания до кристалла (позднее Ф.Фаджин основал фирму “Zilog”, создавшую замечательный 8-разрядный процессор Z80, который успешно работал во многих домашних компьютерах). 15 ноября 1971 г. “Intel 4004” - так назвали процессор - был представлен общественности.

Поскольку для хранения одной цифры калькулятору требуется 4 бита (именно столько необходимо для изображения десятичных цифр “8” и “9”), “Intel 4004” был четырехразрядным процессором. Следующий микропроцессор предназначался для установки в терминал и должен был обрабатывать символьную информацию. Поскольку каждый символ кодируется одним байтом, следующая модель “Intel 8008” стала 8-разрядной; она появилась в апреле 1982 г. По-прежнему этот процессор был заменой “аппаратной логики”, но отдельные энтузиасты уже пытались собрать на нем компьютер. Результаты были скорее демонстрационными, нежели полезными, но микрокомпьютерная революция уже началась.

А в апреле 1974 г. компания “Intel” совершила новый качественный скачок: ее изделие с маркой “Intel 8080” стало первым в мире процессором, походившим на “настоящую” вычислительную машину. Отметим любопытную деталь: хотя процессор. и обрабатывал 8-разрядные данные, но адрес ОЗУ был двухбайтовым! Таким образом, 8080 мог иметь до 64 килобайт памяти, что по тем временам казалось программистам недостижимым пределом.

Дальнейшее развитие событий происходило прямо-таки с фантастической скоростью, даже если сравнивать с темпами динамично развивающейся вычислительной техники. За десятилетие был пройден путь от изобретения 4-разрядного МП до достаточно сложной 32-разрядной архитектуры. Было ликвидировано отставание микропроцессорной техники от обычных ЭВМ и началось интенсивное вытеснение последних (все ЭВМ четвертого поколения собраны на базе того или иного микропроцессора!). Для иллюстрации укажем, что первый МП 4004 содержал 2200 транзисторов, МП 8080 - 4800, МП “Intel 80486” - около 1,2 миллиона, а современный “Pentium” - около 3 миллионов!

История развития микропроцессоров представляет собой достаточно интересную самостоятельную тему. Здесь упомянем только, что пионер в создании процессорных микросхем фирма “Intel” по-прежнему сохраняет свои лидирующие позиции в этой области. Ее программно-совместимое семейство последовательно усложняющихся МП (16-разрядные 8086, 80286 и 32-разрядные 80386, 80486, “Pentium”) являются “мозгом” значительной части использующихся компьютеров. Именно на базе этих микропроцессоров собраны все широко распространенные в нашей стране IBM-совместимые компьютеры.

Другую ветку обширного микропроцессорного семейства образуют МП фирмы “Motorola”: ее изделия работают в известных компьютерах “Apple”, а также в более простых - “Atari”, “Commador”, “Amiga” и др. Процессоры “Motorola” ничуть не хуже, а порой даже заметно лучше производимых компанией “Intel”. Но на стороне последней - огромные производственные мощности транснационального гиганта IBM и десятки южно-азиатских фирм, буквально наводнившие мир дешевыми IBM-совместимыми компьютерами.

В 1993 г. фирма “Motorola” совместно с IBM и “Apple” разработала новый процессор “PowerPC”. Этот процессор имеет очень хорошие технические характеристики, но самое главное в нем - он может эмулировать работу компьютеров и “Apple”, и IBM. Очевидно, что это событие еще более обострит конкурентную борьбу на рынке микропроцессоров.

Завершая краткий исторический экскурс, попробуем определить некоторые новые направления развития МП в ближайшем будущем. Характерной чертой последних моделей процессоров является возможность работы в многозадачном режиме, который фактически стал нормой для современных ЭВМ. Развивается RISC-архитектура микропроцессоров (процессоры с минимальным числом команд). Такой МП работает необычайно быстро и способен выполнить любую из своих немногочисленных команд за один машинный такт, в то время как обычно на выполнение простой операции требуется 4-5 тактов. Ярким примером достоинств RISC-архитектуры является уже упоминавшийся процессор “PowerPC”. Следует особо подчеркнуть, что успехи RISC-подхода оказывают существенное влияние и на конструирование CISC-процессоров (процессоры с полным набором команд). Так, существенное ускорение классических CISC МП старших моделей семейства “Intel” достигается за счет конвейерного выполнения команд, заимствованного из RISC МП.

И, наконец, нельзя не упомянуть о транспьютерах, содержащих в процессорном кристалле собственное ОЗУ от 2 до 16 кбайт и каналы связи с внешним ОЗУ и с другими транспьютерами. Теоретические возможности этих ИМС, реализующих алгоритмы параллельных вычислений, поражают воображение. Однако потребуется значительное время, прежде чем они смогут быть практически реализованы.

Не следует думать, что бурное развитие микропроцессоров требуется только для вычислительных машин, где МП используются уже не только в качестве центрального процессора, но и в качестве контроллеров для управления сложными периферийными устройствами типа винчестера или лазерного принтера. Все большее число ИМС ставится в изделия, напрямую не связанные с ЭВМ, в том числе и бытовые: лазерные аудио- и видеопроигрывателц, телетекст и пейджинговая связь, программируемые микроволновые печи и стиральные машины, а также многие другие. Очевидно, что число таких управляемых микропроцессорами устройств будет все время возрастать.

Что такое микроконтроллеры, микропроцессоры и сигнальные процессоры?

Вся схемотехника разделяется на две большие области: аналоговую и цифровую Преимущества и недостатки этих технологий известны. Аналоговая схемотехника характеризуется максимальным быстродействием, малым потреблением энергии и малой стабильностью параметров. Цифровая схемотехника обладает прекрасной повторяемостью параметров. Это привело к её развитию в последние годы. В курсах электронных приборов рассматривались основные технологии производства цифровых микросхем: ТТЛ, ЭСЛ и КМОП, поэтому здесь особенности этих технологий рассматриваться не будут.

По мере развития цифровых микросхем их быстродействие достигло впечатляющих результатов. Наиболее быстрые из цифровых микросхем обладают скоростью переключения порядка 3..5 нс. (серия микросхем 74ALS), а внутри кристалла микросхемы, где нет больших ёмкостей нагрузки время переключения измеряется пикосекундами. Таким быстродействием обладают программируемые логические схемы и заказные БИС. В этих микросхемах алгоритм решаемой задачи заключён в их принципиальной схеме.

Часто для решаемой задачи не требуется такого быстродействия, каким обладают современные цифровые микросхемы. Однако за быстродействие приходится платить:

Быстродействующие микросхемы потребляют значительный ток.

Для решения задачи приходится использовать много микросхем, это выливается в стоимость и габариты устройства.

Первую задачу решает применение технологии КМОП цифровых микросхем (например, микросхемы серий 1564, 74HC, 74AHC). Потребляемый ими ток зависит от скорости переключения логических вентилей. Именно поэтому в настоящее время подавляющее большинство микросхем выпускается именно по этой технологии.

Вторую задачу решают несколькими способами. Для жёсткой логики это разработка специализированных БИС. Использование специализированных БИС позволяет уменьшить габариты устройства, но стоимость его снижается только при крупносерийном производстве. Для среднего и малого объёмов производства такое решение неприемлемо.

Ещё одним решением уменьшения габаритов и стоимости устройства является применение программируемых логических схем (ПЛИС). Это направление активно развивается в настоящее время, но оно не входит в рамки рассмотрения данного курса.

Третий способ решения поставленной задачи заключается в том, что можно заставить одно очень быстродействующее устройство последовательно решать различные задачи, изменяя свою структуру во времени. Это микропроцессоры. В микропроцессорах возможен обмен предельного быстродействия на сложность реализуемого устройства. Именно по этой причине стараются максимально увеличить быстродействие микропроцессоров - это позволяет реализовывать все более сложные устройства в одном и том же объеме. Более того! В одном процессоре можно реализовать несколько устройств одновременно! Именно это решение задачи и рассматривается в данном учебном курсе.

В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры. Они применяются при вычислениях, они выполняют функции управления, они используются при обработке звука и изображения. В зависимости от области применения микропроцессора меняются требования к нему. Это накладывает отпечаток на внутреннюю структуру микропроцессора. В настоящее время определилось три направления развития микропроцессоров:

универсальные микропроцессоры

микроконтроллеры

сигнальные микропроцессоры

Универсальные микропроцессоры используются для построения вычислительных машин. В них используются самые передовые решения по повышению быстродействия, не обращая особого внимания на габариты, стоимость и потребляемую энергию. В технике связи компьютеры используются для управления системами связи или устройствами связи, обладающими большими габаритами и стоимостью. Такие компьютеры называются контроллерами.

Для управления малогабаритными и дешёвыми устройствами связи используются однокристальные микроЭВМ, которые в настоящее время называются микроконтроллерами. В микроконтроллерах наоборот, максимальное внимание уделяется именно габаритам, стоимости и потребляемой энергии.

Еще один класс микропроцессоров решает задачи, которые традиционно решала аналоговая схемотехника. Это сигнальные процессоры. К сигнальным процессорам предъявляются специфические требования. От них требуются максимальное быстродействие, малые габариты, легкая стыковка с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, большая разрядность обрабатываемых данных и небольшой набор математических операций, обязательно включающий операцию умножения-накопления и аппаратную организацию циклов.