мощные мини-ЭдМ

1970

7378

Рис. В.2

7981 Годы

Хотя МП по структуре и реализуемым основным функциям имеет много общего с процессором ЭВМ, следует представлять, что основное назначение МП, определившее его появление,- это замена устройства с жесткой структурой, а не ЭВМ. В ряде случаев микро-ЭВМ с успехом заменили мини-ЭВМ, однако возможности и технико-экономические

характеристики этих двух классов цифровых устройств всегда будут существенно различаться. По мере совершенствования технологии возможности микро-ЭВМ, а следовательно, и области их целесообразных применений будут непрерывно расширяться. Но одновременно возрастут возможности и появятся новые области применения мини-ЭВМ и других классов ЭВМ. На рис. В.2 показан характер изменения производительности средств вычислительной техники по годам. Видно, что зоны производительности ЭВМ различных классов перекрываются. Так, мини-ЭВМ в зоне / имеют производительность больших ЭВМ; микро-ЭВМ в зоне 2 имеют производительность мини-ЭВМ, а в зоне 3 -больших ЭВМ.

в.2. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРО-ЭВМ. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ

Микропроцессоры - это обрабатывающее и управляющее устройства, выполненные с использованием технологии БИС (часто на одном кристалле) и обладающие способностью выполнять под программным управлением обработку информации, включая ввод и вывод информации, принятие решений, арифметические и логические операции.

В общем случае в состав МП входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ); схема управления и синхронизации; регистр-аккумулятор; сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ); программный счетчик; адресный стек; регистр команд и дешифратор кода операции; параллельные шины данных и ввода - вывода; схема управления памятью и вводом - выводом.

Микро-ЭВМ - это вычислительная или управляющая система, выполненная на основе МП, в состав которой могут также входить: программная память (обычно - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)); память данных (обычно - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)); устройства ввода - вывода (УВВ); генератор тактовых сигналов, а также другие устройства, выполненные с использованием БИС или элементов с меньшей степенью интеграции.

Первый МП появился в 1971 г. (Intel 4004), однако в настоящее время известно уже около 100 различных типов МП, точнее, микро-

процессорных комплексов (МПК) БИС, поскольку фирмы-изготовители предлагают обычно наборы из нескольких БИС: МП, ОЗУ, ПЗУ, полупостоянной памяти (ППЗУ), ввода- вывода и др. Такое многообразие МП определяется различным сочетанием их характеристик, некоторое представление о котором можно получить из приведенной на рис. В.З классификации МП.

Улучшение большинства характеристик МП непосредственно связано С совершенствованием технологии. Именно она определила общепринятое в настоящее время

Классификация МП

По чис/ГУ аккумуляторов

По числу регистров СОдУ

По типу стека.

т, в ПЗУ

По емкости стека.

По числдкоманд

По длине команд

по ВиВам аВресациа

деление всех МП на три поколения: 1 - на основе р-каналь-ной МОП-технологии; 2- на основе п-канальной и комплементарной МОП-технологии; 3 - на основе биполярной технологии.

МП первого поколения характеризуются временем выполнения команд 10 -20 мкс, относительно ограниченными набором команд, объемом памяти и видами адресации. МП второго поколения появились в 1973 т. , От МП первого поколения они отличаются меньшим временем выполнения команд (2 - 5 мкс), расширенными набором команд, объемом памяти и видами адресации. Эти МП проще в использовании, поскольку выпускаются комплектадги БИС. МП третьего поколения (1974 г.) выполняются с использованием биполярной технологии, что обу-

словливает их высокое быстродействие (время выполнения команд 100 - 300 не), и микропрограммного принципа управления.

Большое количество существующих в настоящее время типов МП свидетельствует о том, что хотя МП является алгоритмически универсальным прибором, существует определенный класс применений, для которого данное сочетание характеристик МП дает наибольший технико-экономический эффект.

При всем разнообразии МП можно выделить общие для всех типов характеристики и свойства:

- малая разрядность слова: 2, 4, 8, 12 или 16 бит;

- ограниченная мощность набора команд.(обычно требуется 2 -5 команд для выполнения операции, эквивалентной одной команде мини-ЭВМ);

-аппаратно подкрепленная организация связи .подпрограмм (с помощью стека);

По числу источников питания

Рнс. В.З

- програмшо-управляемый ввод - вывод;

- низкая стоимость микро-ЭВМ (обычно I мини-ЭВМ).

5% от стоимости

BJ. МЕСТО МИКЮПРОЦЕССОРОВ И МИКРО-ЭВМ в ИЕРАРХИИ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

МП и микро-ЭВМ имеют два основных направления применения: а) традиционное для средств вычислительной техники (ВТ), совпадающее с направлением применения мини-ЭВМ; б) нетрадиционное (вместо устройств с жесткой структурой), в котором до появления МП использование средств ВТ и не предполагалось.

Говоря о месте МП и микро-ЭВМ в иерархии средств ВТ, об их преимуществах и недостатках, необходимо иметь в виду оба эти направления. Замена МП и микро-ЭВМ устройств с жесткой структурой дает ряд преимуществ.

Во-первых, системы на основе МП имеют значительно большую гибкость. Это, вероятно, наиболее важное их достоинство. Так же, как и в мини-ЭВМ, логика функционирования микро-ЭВМ почти полностью определяется программой, хранимой в ПЗУ или ОЗУ. В результате становится возможным значительное изменение характеристик системы только за счет замены программы в памяти без каких-либо переделок монтажа или печатных плат. Это позволяет легко вносить в процессе отладки изменения в уже изготовленную систему; легко мо-.1ифицировать систему для изменения ее характеристик; создавать множество систем различного назначения на основе одного МПК БИС.

Во-вторых, системы на основе МП имеют меньшую стоимость. Микро-ЭВМ дешевле устройств с жесткой структурой, поскольку БИС МП обычно заменяет 75 -200 корпусов ИС малой и средней степени интеграции, в микро-ЭВМ меньше соединений, меньше печатных плат, настройка и переделка микро-ЭВМ значительно проще, кроме того, как правило, стоимость проектирования микро-ЭВМ ниже.

В-третьих, время разработки систем на основе МП значительно меньше. Особенно существенно сокращение времени за счет простоты внесения изменений и модификации характеристик системы, а также при разработке систем с незначительным различием характеристик.

В-четвертых, надежность микро-ЭВМ выше надежности устройств с жесткой структурой благодаря резкому сокращению числа межсоединений.

Перечисленные преимущества систем на основе МП предопределили их йхпользование вместо устройств с жесткой структурой как основное направление применения. Существует прогноз, что 60 - 70% всех МП будут использоваться именно в этой области: в системах управления технологическими процессами, в электронных кассовых аппаратах, 8 цифровых измерительных приборах, в контроллерах внешних устройств ЭВМ и др.

Проникновение микро-ЭВМ в области применения мини-ЭВМ объясняется наличием у микро-ЭВМ признаков современных мини-ЭВМ. Во-первых, это достаточно мощная система команд с развитой системой

адресации. Например, в МП Intel 8080 число команд около 80, а с уче том модификаций-более 200. Этот МП может адресоваться к памяти емкостью 64 К и имеет 8 видов адресации. Во-вторых, большое число регистров общего назначения, часто большее, чем в мини-ЭВМ. В-третьих, многоуровневая система прерываний и малое время реакции на запросы. В-четвертых, канал прямого доступа в память. В-пятых, периферийный интерфейс в виде одной или нескольких БИС ввода - вывода.

По отношению стоимости к числу команд или числу регистров общего назначения микро-ЭВМ имеют на порядок лучшие показатели, чем мини-ЭВМ. Основные параметры, по которым микро-ЭВМ уступают мини-ЭВМ, - это малая разрядность и в 2 - 3 раза меньшее быстродействие.

В настоящее время микро-ЭВМ уже применяются вместо мини-ЭВМ в системах связи, навигационных, медицинских и других системах. В дальнейшем около 10 - 30% всех МП будут использоваться в этих областях.

Глава 1

ЭВОЛЮЦИОННЫЙ подход к ПРОЕКТИРОВАНИЮ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

§ 1.1. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ

- Определим систему как структуру, состоящую из совокупности объектов и связей между ними, предназначенную для реализации заданной совокупности функций. Развитие систем подчиняется определенным диалектическим законам.

Если рассматривать антропогенные, т.е. созданные человеком системы, то необходимо отметить постоянное усложнение и расширение функций, реализуемых в системах. Заданная совокупность функций может реализоваться в системе как многофункциональными, так и специализированными компонентами системы. Свойство многофункциональности определяется внутренней структурой объекта. Многофункциональный по своей природе объект может использоваться в конкретных условиях как компонент системы, реализующий полный набор возможных функций, некоторый их набор или одну из возможных функций.

Диалектические противоположности - многофункциональность и специализация, интеграция и дифференциация функций - являются источником развития систем.

Анализ эволюции систем хранения и переработки информации показывает, что по мере развития систем, усложнения и расширения реализуемых ими функций наиболее эффективными и жизнеспособными являются системы, в которых расширение функциональных возможностей компонентов, находящихся на различных уровнях иерархии системы, опережает рост их сложности. Это соответствует основному закону диалектики - переходу количества в качество.

Развитие систем идет по спирали. Можно считать, что расширение витков спирали во времени соответствует расширению классов функций (числа задач), реализуемых системой. Отдельный участок витка спирали соответствует определенному соотношению между многофункциональными и специальными объектами (компонентами, модулями) системы. Переход на новый виток спирали соответствует скачку в «технологии» создания системы.

Непрерывное повышение требований и расширение класса задач, выполняемых системой, приводят к быстрому росту числа специализированных объектов и подсистем. Разнообразие специализированных Д2

объектов приводит, в свою очередь, к усложнению систем и становится экономически невыгодным. Однако требуется накопление определенного потенциала в развитии науки, радикальное изменение технологии и принципов создания систем, необходимо вложение определенных затрат для качественного скачка в развитии систем при переходе на новый этап развития. При переходе систем на новый этап развития существенно увеличивается удельный вес многофункциональных объектов и минимизируются как по составу, так и по количеству специализированные объекты системы.

Таким образом, на каждом из этапов развития систем последние состоят из многофункциональных и специализированных объектов, причем в начале определенного этапа развития преобладают многофункциональные объекты, а в конце - специализированные.

Диалектические противоположности - многофункциональность и специализация постоянно сосуществуют на всех уровнях развития систем. Для систем обработки информации многофункциональность и специализация сосуществуют на всех уровнях иерархии аппаратных и программных средств.

К особенностям развития сложных систем можно отнести:

- повторяемость в структуре сложной системы предшествующих этапов ее развития;

- сокращение количественной и пространственной распространенности более высокоорганизованных структур;

- сжатие во времени длительности этапов развития систем. Рассмотрим примеры, иллюстрирующие повторяемость в структуре сложной системы.

Современные информационно-измерительные системы имеют в своем составе все основные функциональные узлы классических электроизмерительных приборов (входные коммутаторы, преобразователи формы представления измеряемой физической величины, сглаживающие устройства, устройства отображения информации и т.д.).

Радиолокационные системы содержат все основные функциональные модули радиопередающих, радиоприемных и телевизионных систем.

Вычислительные системы в своих различных конфигурациях повторяют и неоднократно структуру машины фон-Неймана и включают все функциональные (не конструктивные) узлы механических арифмометров.

Аналогично микропроцессор повторяет структуру классических ЭВМ предшествующих поколений.

Сокращение количественной и пространственной распространенности более высокоорганизованных структур, являющихся основой систем с расширенными функциональными возможностями, подтверждается тенденциями микроминиатюризации радиоэлектронной аа-паратуры, интенсивным развитием БИС, микропроцессорных систем и систем памяти на основе цилиндрических магнитных доменов (ЦМД).

В настоящее время реализуются БИС и сверхбольшие ИС (СБИС) со степенью интеграции десятки, сотни вентилей на 1 мм. Технология изготовления полупроводниковых кремниевых БИС обеспечивает построение логических биполярных и МОП-схем с функциональной