Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (История создание и структура современного микропроцессора).pdf

Введение

Микропроцессоры и микроконтроллеры применяются в различной окружающей нас технике. В большей степени они определяют возможности вычислительной системы, т.е. являются «сердцем» современной техники.

Две трети выпускаемых микропроцессорных БИС используется в устройствах управления, как промышленных, так и бытовых. Как правило, для этого используются микропроцессоры нового класса – микроконтроллеры. Микроконтроллеры содержатся почти во всех современных электронных технологиях, таких как настенные и наручные часы, будильники; по нескольку таких микросхем используется в холодильниках, кондиционерах, стиральных машинах и другой бытовой технике. Микроконтроллеры используются также в блоках управления телевизорами, передающих и обрабатывающих информацию о нажатии кнопок на пульте инфракрасного дистанционного управления этими бытовыми приборами.

Кроме того, в промышленном оборудовании, которым нужно в какой-либо форме управлять (в автоматических конвейерах, в роботах на автоматизированных линиях и т.д.), обязательно используются микроконтроллеры и ЦПУ. Даже в автомобилях используются микроконтроллеры. Прошел не один десяток лет с тех пор, как современные технологии, автомобили и т.д. перестали быть предметом роскоши и вошли в повседневную жизнь. И хотя теперь они окружают нас повсюду, мало кто задумывается, почему автомобили ездят, каковы принципы работы технологий и т.п. А ведь раньше в 50-х годах ХХ века на экзаменах, именно в автошколах, будущим водителям задавали вопросы об устройстве. Сейчас же в этом уже нет необходимости. В наши дни только очень любознательные люди стремятся понять, как работает «начинка» того или иного технического приспособления.

Итак, современный человек в повседневной жизни постоянно использует множество цифровых устройств, главной частью которых является микропроцессор. Он отвечает за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде, реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем.

Я думаю, что понимание принципов работы микропроцессоров, понемногу ставших неотъемлемой частью нашей жизни, поможет понять, как работает то или иное устройство. Ведь наша жизнь уже немыслима без различных цифровых устройств. Поэтому данная тема очень актуальна и значима на сегодняшний день. Цель данной работы состоит в том, чтобы рассмотреть, изложить и изучить классификацию, структуру и основные характеристики современных микропроцессоров ПК. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Изучить основные характеристики микропроцессоров;

2. Выявить основные понятия заданной темы;

3. Проанализировать литературу по теме исследования.

Объектом исследования являются современные микропроцессоры ПК.

Предметом исследования являются классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК.

Глава 1. История создания и структура современного микропроцессора

1.1.История создания микропроцессоров (МП)

Вычислительные машины были созданы еще в 17 веке – Блезом Паскалем и Вильгелем фон Лейбницем. То были механические машины, состоящие из шестеренок и рычагов, которые могли складывать, вычитать, делить и умножать.

Прообраз цифрового компьютера был придуман Чарльзом Бэббиджем в 1834 году – аналитическая машина, которая также была механической, но имела запоминающее устройство (память), вычислительное устройство, устройство ввода, устройство вывода. В качестве программ использовались перфокарты, которые помещались в устройство ввода. Команды с перфокарт загружались в память, которая имела объем на 1000 слов, а слово состояло из 50 разрядов. В словах могли содержаться переменные и результаты вычислений. Вычислительное устройство выполняло только операции сложения, вычитания, деления и умножения. Операнды в него загружались из памяти, затем над ними производились операции (сложение, вычитание и т. д.), а результат помещался обратно в память. Машина могла выполнять несколько алгоритмов, в зависимости от набора команд, написанных на перфокартах. Машина программировалась, и ей было необходимо программное обеспечение. Его написала Ада Августа Лавлейс. Но Бэббиджу так и не удалось отладить свое устройство. Ему бы понадобились тысячи шестеренок, выполненных с высокой точностью, которая была невозможна в то время. Его идея сильно опережала свое время.

Уже в 20 веке Говард Айкен решил создать компьютер Бэббиджа из реле. В 1944 году был создан компьютер, названный Mark I, имевший 72 слова по 23 десятичных разряда. Айкен физически разделил линии передачи команд и данных. В Mark I для хранения инструкций использовалась перфолента, а для работы с данными − электромеханические регистры. Пересылка и обработка команд и данных производилась одновременно, что значительно повышало быстродействие компьютера. Архитектура Mark I в дальнейшем была названа гарвардской архитектурой. Но, когда работа над машиной была закончена, релейные компьютеры устарели, началась эра электроники.

Во время Второй мировой войны нужны были устройства, производящие большое количество вычислений. Так Джон Моушли и его студент Дж. Преспер Экерт в 1943 г. начали конструировать электронный компьютер, названный ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer – электронный цифровой интегратор и калькулятор). Он состоял из огромного числа электровакуумных ламп и реле и потреблял много электроэнергии. Компьютер имел 20 регистров, вмещавших 10-разрядное десятичное число. Программирование осуществлялось при помощи большого числа многоканальных переключателей и многочисленных кабелей, подключавшихся к разъемам. К моменту завершения работы над машиной – 1946 год – она оказалась ненужной. Но ее создание пробудило интерес к разработке больших цифровых компьютеров.

Джон Фон Нейман взялся за создание машины под названием IAS (Immediate Address Storage – память с прямой адресацией). Он понял, что программировать компьютеры при помощи большого количества переключателей и кабелей – очень медленно и неудобно. И пришел к выводу, что программы и данные должны находиться в памяти компьютера в виде цифр. Десятичная арифметика, применяемая в ENIAC, может быть заменена параллельной двоичной арифметикой. Его машина состояла из 5-ти основных частей:

– памяти;

– арифметико-логического устройства (арифметико-логическое устройство (АЛУ) включало в себя аккумулятор);

– устройства управления (УУ);

– устройства ввода;

– устройства вывода.

На рисунке 1 представлена архитектура машины Фон Неймана.

Память

Ввод

Арифметико-логическое устройство

Блок управления

Вывод

Аккумулятор

Рисунок 1. Схема вычислительной машины Фон Неймана

Память состояло из 4096 слов. Каждое слово было длинной в 40 бит (0 и 1) и могло содержать либо 2 команды по 20 бит, либо целое 40-разрядное число со знаком на 40 бит. Первые 8 бит команды определяли ее тип, а остальные 12 – одно из 4096 слов памяти. Арифметико-логическое устройство и блок управления представляли собой «мозг» компьютера.

Внутри АЛУ находился аккумулятор – специальный внутренний регистр на 40 бит. Команда заносила слово в аккумулятор из памяти или сохраняло содержимое аккумулятора в памяти. Операции с плавающей точкой машина не выполняла.

В 50-ых годах 20-го века сотрудниками лаборатории Bell Laboratories Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли был изобретен транзистор.

Транзистор (рисунок 2) – прибор, состоящий из полупроводниковых материалов, предназначенный для управления электрическим током. Его работа похожа на работу водопроводного крана или вентиля (кран открыт или кран закрыт), но вместо воды – электрический ток. Так и транзистор имеет два режима работы – рабочее состояние (транзистор открыт) и состояние покоя (транзистор закрыт). Обычно транзистор имеет три вывода – коллектор, база и эмиттер. На коллектор подаётся сильный ток, а на базу подаётся слабый ток (управляющий ток). При определённой силе управляющего тока, «клапан» транзистора как бы «открывается» и ток с коллектора начинает течь на вывод – эмиттер.

Коллектор

База

Эмиттер

Рисунок 2. Транзистор

В процессорах, микроконтроллерах множество транзисторов в определённом порядке соединено между собой для выполнения специализированных вычислений. Каждая группа транзисторов, определённым образом кодирует сигнал и передаёт его дальше на обработку.

Транзисторы произвели революцию в производстве компьютеров. И компьютеры на вакуумных лампах ушли в прошлое.

С изобретением транзисторов компания IBM построила транзисторную версию (версия 7090) своей последней машины, работавшей на электронных лампах (709). Новая машина имела память из 32 536 слов по 36 бит каждое, а время цикла составляло 2 микросекунды. Это был компьютер типа ENIAC. В 60-ых годах он применялся в области научных расчетов и стоил миллионы долларов.

В 1961 г. компания DEC (Digital Equipment Corporation – корпорация по производству цифровой аппаратуры) разработала транзисторную машину – PDP-1, которая имела 4096 слов по 18 бит каждое и которая обладала эффективным быстродействием – 200 000 команд в секунду. Параметры машины оказались ниже, чем у 7090 компании IBM, но ее стоимость была гораздо дешевле. Так появилась компьютерная промышленность.

Через несколько лет компания DEC разрабатывает 12-ти разрядный компьютер PDP-8. Он имел шинную организацию. Шина представляла собой набор параллельно соединенных проводов, связывающих компоненты компьютера (рисунок 3).

Другие устройства ввода/вывода

Консоль

Устройство считывания перфоленты

Память

Центральный процессор

Шина

Рисунок 3. Шина компьютера PDP-8

Такая архитектура стала использоваться во все малых компьютерах.

В 1964 г. компания CDC (Control Data Corporation) выпустила компьютер 6600, работавший быстрее машин того времени. Был предназначен для сложных расчетов. Центральный процессор этого компьютера внутри себя имел машину, работавшую с высокой степенью параллелизма. Она имела несколько функциональных устройств, предназначенных для сложения, умножения и деления, и все они могли работать одновременно. Машина могла исполнять до 10 команд одновременно.

Внутри машины 6600 находилось несколько маленьких компьютеров. Центральный процессор занимался только вычислениями, а остальные функции (управление работой машины, ввод и вывод информации) выполняли маленькие компьютеры. Эти ключевые принципы работы используются в современных компьютерах.

В 1958 г. Джек Кибли и Роберт Нойс смогли поместить на один полупроводниковый кристалл и соединить между собой несколько транзисторов. Так появилась кремниевая интегральная схема (ИМС). ИМС была малого размера, более надежной. Компьютеры на ИМС были намного меньше, работали быстрее и стоили дешевле транзисторных предшественников. С изобретением ИМС стало возможным разместить функции процессора больших ЭВМ на одном небольшом устройстве.

Первым микропроцессором был микропроцессор фирмы Intel – Intel-4004 (i4004). Инженер этой фирмы М. Хофф, для выполнения заказа японской компании Busicom по изготовлению микросхем, состоящих их нескольких тысяч транзисторов, предназначенных для работы в новом семействе калькуляторов, предложил заменить несколько микросхем одной программируемой универсальной ИМС – микропроцессором (МП). Так компания Intel получила контракт на производство первого в мире микропроцессора. И 15 ноября 1971 г. Intel представила его. МП был 4-разрядным (поскольку калькулятору для хранения одной цифры нужно 4 бита). Имел классическую архитектуру ЭВМ гарвардского типа. Состоял из 2300 транзисторов. МП работал на тактовой частоте 750 кГц при длительности цикла команд 10,8 мкс. Микропроцессор i4004 в своем составе имел:

− адресный стек (счетчик команд и три регистра стека типа LIFO);

− блок регистров общего назначения (РОН);

− 4-разрядное параллельное АЛУ;

− аккумулятор;

− регистр команд с дешифратором команд и схемой управления;

− мультиплексированную шину адреса (ША) / шину данных (ШД);

− а также схему связи с внешними устройствами.

Все это объединялось между собой 4-разрядной шиной данных. Память команд достигала 4 Кбайт, а блок РОН насчитывал шестнадцать 4-разрядных регистров, которые можно было использовать и как восемь 8-разрядных. Такая организация РОНов сохранена и в последующих МП фирмы Intel. МП i4004 монтировался в пластмассовый или металлокерамический корпус с 16 выводами.

Система команд состояла из 46 инструкций.

В системе команд отсутствовали операции логической обработки данных (И, ИЛИ, исключающее ИЛИ). Модуль i4004 не имел возможности останова (команды HALT) и обработки прерываний.

А в апреле 1974 г. компания выпустила 8-разрядный микропроцессор Intel-8080 уже походивший на «настоящую» вычислительную машину. Он состоял из 6 тыс. транзисторов. Тактовая частота процессора была доведена до 2 Мгц, а длительность цикла команд составила уже 2 мкс. Объем памяти, адресуемой процессором, был увеличен до 64 Кбайт. Шина адреса и шина данных были разделены.