Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК.pdf

ВВЕДЕНИЕ

Электронные вычислительные машины начали широко использоваться с 50-х годов прошлого столетия. Предшественники современных электронных устройств имели большой размер, малую производительность и высокую стоимость. Пользоваться ими могли только исследовательские институты, государственные и военные структуры. Но появление микропроцессора стало переломным моментом в развитии техники. Постепенное развитие позволило уменьшить размеры вычислительных машин, увеличить их возможности и сделать более доступными большому количеству людей.

Основой современной техники являются микропроцессорные средства, такие как: микропроцессор (МП), микроконтроллер (МК) и интегрированные процессоры (ИП). Широкая номенклатура и различные функциональные возможности позволяют специалистам разрабатывать конкурентоспособные системы различного назначения. Так как жизнь современного человека невозможно представить без персонального компьютера, то остановимся на подробном рассмотрении микропроцессоров, которые станут темой данной курсовой работы.

Целью курсовой работы станет раскрытие понятия микропроцессора. Для этого рассмотрим его основные характеристики, строение, классификацию, а также проследим за тенденциями развития. В качестве примера приведем сравнительную характеристику различных поколений микропроцессоров современных ПК.

ГЛАВА 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА

1.1 История создания

Первые цифровые электронные вычислительные машины (ЭВМ), изготовленные с использованием электронных ламп (первое поколение ЭВМ), были созданы исключительно для выполнения объемных научно-технических расчетов. Первая в мире ЭВМ «ЭНИАК», созданная в 1945 году учеными Пенсильванского университета (США) весила 30 тонн, содержала 18 тысяч электронных ламп и стоила почти 2,8 млн. долларов по ценам того времени. При этом она выполняла около 5000 операций сложения или примерно 360 операций умножения в секунду.

Первые отечественные ламповые вычислительные машины МЭСМ и БЭСМ были созданы под руководством академика С.А. Лебедева, МЭСМ (малая электронная счетная машина), созданная в 1951 году, сыграла важную роль в подготовке первых в стране программистов, инженеров и конструкторов ЭВМ, интенсифицировала разработку электронных элементов специально для применения в ЭВМ. БЭСМ (большая электронная счетная машина), являясь в то время самой быстродействующей ЭВМ в мире (8 тысяч операций в секунду), открыла серию машин, получивших широкое распространение в СССР. В первой половине 50-х годов у нас в стране появились ЭВМ серий «Стрела» и «Урал», а в 60-х годах – «Мир», «Проминь», «Раздан», «Минск». Эти машины могли справиться с широким кругом математических и логических задач, встречающихся при решении научных и сложных инженерных проблем [8, стр.5].

Освоение и промышленный выпуск полупроводниковых приборов обеспечили замену «громоздких и горячих» электронных ламп «миниатюрными и теплыми» транзисторами. Это привело к созданию вычислительных устройств, характеризующихся более высокими быстродействием, надежностью и функциональными возможностями при меньших габаритах, стоимости и эксплуатационных расходов (второе поколение). Серийные машины второго поколения «Минск -32» и «Урал-16» имели быстродействие порядка 250 000 и 100 000 операций в секунду. Их оперативная память удерживала соответственно 65 000 и 500 000 чисел. ЭВМ «Минск-32», например, могла работать со 136 внешними устройствами, а управлял ею один оператор с помощью пишущей машинки.

Появление быстродействующих алфавитно-цифровых печатающих устройств (АЦПУ), устройств ввода (способных пропускать до 1000 перфокарт в минуту), графопостроителей дало возможность гибко менять форму выдачи результатов, например, печатать их в виде таблиц со словесным описанием приведенных величин либо оформлять в виде готовых графиков. На этом этапе развития ЭВМ предпринимались попытки для управления промышленными технологическими процессами – управляющие вычислительные машины [8, стр 7].

К концу 60-х годов, для повышения эффективности использования ЭВМ при обработке данных и управлении, стало необходимо создавать модели ЭВМ разной производительности, но в то же время, одинаковые по организации и имеющие программную совместимость. Программная совместимость означает возможность использовать запас программ, предназначенных для одной ЭВМ, на машинах других моделей, за счет чего снижаются затраты на обработку информации.

Третьему поколению ЭВМ положили начало принцип программной совместимости и технология интегральных схем, что повлияло на уменьшение размеров, а также стоимостных показателей. Модульный принцип организации технических и программных средств обеспечил возможность построения приспособленных для определенной задачи конфигураций ЭВМ. Фирма IBM (США) в 1966 году первыми приступили к выпуску машин серии IBM-360, которые в 1972 году стали совместимы с ЭВМ, выпускаемыми в других странах.

Появляются меньшие по объему установки: малые ЭВМ, малые управляющие ЭВМ, мини-ЭВМ.

Мини-ЭВМ (малые ЭВМ) – вычислительные машины общего назначения. По сравнению с большими машинами имеют меньшие габариты и стоимость на один-два порядка ниже. В состав мини-ЭВМ включено арифметическо-логическое устройство (АЛУ), которое имеет малую разрядность и сравнительно небольшой набор команд. Примером мини-ЭВм являются машины серии АСВТ (М-6000, М-6010), а также СМ (СМ-4, СМ-1600) и другие [7, стр. 7].

Также на данном этапе развития создаются бортовые информационно-управляющие системы, разрабатываются системы программного обеспечения, появляются суперЭВМ основным направлением которых было достижение максимальной производительности вычислительных процессов.

СверхбольшиеЭВМ (СуперЭВМ) – машины очень высокой производительности, предназначенные для выполнения сложных научных расчетов. Они производят от 1 до 12 миллионов операций в секунду и имеют емкость оперативной памяти от 576 до 4608 Кбайт. Примером такой ЭВМ является «Эльбрус», которая включает от одного до десяти процессоров, что определяет производительность и емкость основной памяти [7, стр. 7]. «Эльбрус» - серия советских суперкомпьютеров, разработанных в Институте точной механики и вычислительной техники в 1970 – 1980-х годах под руководством В. С. Бурцева [13].

Четвертое поколение ЭВМ служит примером перехода количества в качество. Интеграция электронных схем увеличилась настолько, что стало технически возможным сосредоточить значительное число функциональных устройств в одной большой интегральной схеме (БИС) [8, стр. 9].

Развитие микроэлектронной технологии, обеспечившее появление больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС), создало предпосылки для резкого снижения стоимости систем управления. Но практическая реализация достижений технологии БИС и СБИС в широких масштабах стало возможным только с изобретением микропроцессора [6, стр. 5].

Микропроцессор (МП) – является программно-управляемым устройством, состоящим из АЛУ, внутренних регистров и устройств управления (УУ). Он предназначен для реализации заданной системы команд. От ЭВМ микропроцессор отличается не только своими малыми размерами, но и малой разрядностью чисел (от 4-х до 32-х разрядов) [7, стр. 8]. Если ссылаться на официальную терминологию, то под микропроцессором понимается программно управляемое устройство, осуществляющее прием, обработку и выдачу цифровой информации, построенное на одной или нескольких микросхемах, входящих в состав микропроцессорного комплекта микросхем. Соответственно микропроцессорным комплектом микросхем (МПК) – называется совокупность микропроцессорных и других микросхем, совместимых по конструктивно-технологическому исполнению и предназначенных для совместного использования при построении микропроцессоров, микроЭВМ, контроллеров и других средств вычислительной техники [4].

Разработка первого однокристального микропроцессора принадлежит компании Intel (США), который вышел в 1971 году. Благодаря физику Федерико Фаджино, компании удалось разместить основные компоненты на один чип и создать микропроцессор 4004. 4-х битный Intel 4004 производился по 10-мкм техпроцессу, насчитывал 2250 транзисторов и работал на частоте 108 кГц (проводил 92600 операций в секунду). Частота синхронизации была 740 кГц. Объем памяти доходил до 4 Кб, разрядность шины – 4 бита. Площадь кристалла составляла 12 мм² [14]. Среди первых отечественных микропроцессоров можно выделить К580, К588, К1801, К1810 и другие. Их сравнительную характеристику рассмотрим на рисунке 1:

Рисунок 1. Сравнительные характеристики отечественных МПК с системой команд пользователя

Начиная с 1980 года практически все ЭВМ стали создавать на основе микропроцессоров. Самым востребованным компьютером стал персональный.

Первый персональный компьютер создали в апреле 1976 года: Стив Джобс (сотрудник фирмы Atari) и Стефан Возняк (работавший в компании Hewlett). На базе интегрального восьмибитного контроллера жестко запаянной схемы популярной электронной игры, они сделали простой программируемый на языке Бэйсик игровой компьютер «Apple», который имел бешеный успех. В начале 1977 года была зарегистрирована фирма Apple Comp., и началось производство первого в мире персонального компьютера (ПК) [2, стр. 41].

Первые отечественные персональные компьютеры – ЕС1840, ЕС1841, ЕС1845, ЕС 1860, Искра 1030, 1031, ДВК, Электроника 85 и другие. Например, «Искра 1030» (представлен на рисунке 2), выпущенный в 1989 году, создавался на основе процессора КР1810ВМ86, размер памяти – 256Кб – 1 Мб, операционные системы АДОС, ЯНУС, MS-DOS, M86. Комплектация содержала: HDD – CM5508 (Болгарский ИЗОТ) и Floppy – ЕС5323-01.

Рисунок 2. Персональный компьютер Искра 1030

В настоящее время развитие микропроцессоров достигло такого уровня, что сферы их применения можно считать практически неограниченными. Универсальность систем, построенных на микропроцессорах, обеспечивает их доступность широкому кругу потребителей. Совместно с низкой стоимостью, возможность специализации систем под конкретные задачи.

Рассмотрим подробнее структуру микропроцессора

1.2. Состав микропроцессора

В параграфе 1.1 мы уже давали определение микропроцессора. Теперь рассмотрим более детально его состав, представленный на рисунке 3:

Рисунок 3. Структура микропроцессора

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) состоит из сдвигающего регистра, регистров для временного хранения операндов и двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса. АЛУ выполняет по командам простейшие операции, такие как: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2.

Устройство управления (УУ) управляет работой АЛУ и состоянием внутренних регистров в процессе выполнения команды. Команда делится на две части: код операции и адрес. Информация об операции, которая должна быть выполнена над данными подлежащими обработке, содержится в коде операции. Место (регистры общего назначения в микропроцессоре), где расположены данные указано в адресе. Команда может состоять из одного, двух или трёх байтов, последовательно расположенных в памяти.

Например:

MOV R1, A; // Скопировать содержимое регистра А в регистр R1;

Приведенная выше команда – это однобайтовая команда, так как в ней используется только внутренний регистр процессора.

MOV A, 3052; // скопировать содержимое 3052 ячейки памяти в регистр А;

Данная команда указывает адрес операнда в системной памяти, поэтому будет содержать два или три байта.

Код операции содержит первый байт команды. Первый байт, считанный в начале выполнения команды поступает в регистр команд по внутренней шине данных и хранится там в течении всего цикла. Дешифратор кода операции дешифрует содержимое регистра команд – определяет характер операции и адреса операндов. Эта информация подаётся в УУ, которое вырабатывает управляющие сигналы, направляемые в блоки микропроцессора, участвующие в выполнении данной команды [5, стр. 7].

Если код операции непосредственно указывает адрес данных – объекта обработки, в таком случае операция начинается сразу после считывания первого байта команды. Если же в команде содержится более одного байта, то остальные байты, где хранятся данные, передаются либо в буферный регистр адреса, либо в один из регистров общего назначения только после завершения всей процедуры считывания команды.

Блок внутренних регистров (БВР) - используется для временного хранения данных и команд, и служит внутренней памятью микропроцессора. Он содержит регистры общего назначения и специальные регистры (буферный регистр данных или адреса, регистр-аккумулятор, счетчик команд, признаков, стека).

Регистры общего назначения (РОН) – используются для хранения операндов, либо выполняют роль регистров. Их число в микропроцессоре варьируется от 4-х до 64-х.

Регистр – аккумулятор – используется для хранения промежуточного результата действий, производимых в АЛУ или временного хранения операнда. Разрядность регистра равна разрядности информационного слова.

Буферный регистр адреса - предназначен для приёма и хранения адресной части выполняемой команды. Разрядность регистра указывает на возможное количество адресов.

Буферный регистр данных используется для временного хранения выбранного из памяти слова перед передачей его во внешнюю шину данных. Количество байт информационного слова указывает на разрядность регистра.

В счётчике команд содержится адрес ячейки памяти, в которой помещены байты выполняемой команды, а код этой команды принимает и хранит регистр команд.