22982

Тенденції у розвитку мікропроцесорної техніки

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Другий шлях полягає навпаки у роздрібненні секціонуванні мікропроцесора на окремі функціональні блоки і модулі кожний з яких виконує свої операції: операційний блок блок мікрокомандного керування блок пам’яті мікрокоманд та інше. Його система команд майже цілком співпадає з системою команд МП80 і відрізняється від неї лише декількома додатковими командами про які мова йтиме далі. У апаратному відношенні МП85 містить всі ті ж блоки що і МП80 але має крім того: блок керування перериваннями котрий розширює можливість звернення до...

Украинкский

2013-08-04

1011.5 KB

6 чел.

Лекція №16

Тенденції у розвитку мікропроцесорної техніки

Окрім безперервного вдосконалення і підвищення таких параметрів як швидкодія, точність і продуктивність, в мікропроцесорній техніці на шляху її розвитку простежуються дві, часто протилежні одна одній тенденції.

Перша тенденція полягає у прагненні як можна більш проінтегрувати мікропроцесорні системи, створюючи на одному кристалі структури котрі крім самого мікропроцесора, включали б деякі допоміжні схеми: оперативну і постійну память, генератор тактових імпульсів, порти для введення і виведення даних, системний контролер, таймери, контролери переривань та інше. В результаті одержується велика інтегральна мікросхема, яка являє собою вже не звичайний однокриштальний мікропроцесор, а є фактично однокриштальною ЕОМ.

Другий шлях полягає, навпаки, у роздрібненні (секціонуванні) мікропроцесора на окремі функціональні блоки і модулі, кожний з яких виконує свої операції: операційний блок, блок мікрокомандного керування, блок памяті мікрокоманд та інше. З цих блоків, кожний з яких являє собою самостійну ВІС, складається так званий секціонований (або модульний) мікропроцесор.

Якщо переваги першого шляху очевидні, то доцільність другого викликає певні сумніви. Однак, як це ми побачимо далі, секціонування мікропроцесорів у деяких випадках також дає певні позитивні результати.

Розглянемо спочатку на деяких прикладах перший шлях - шлях інтегрування мікропроцесорних ВІС.

Мікропроцесор К1821ВМ25

Мікропроцесор К1821ВМ25 (його зарубіжний аналог має назву 8025) являє собою дещо покрашений варіант мікропроцесора КР580ВМ80.Програмно він з ним повністю сумісний. Його система команд майже цілком співпадає з системою команд МП-80 і відрізняється від неї лише декількома додатковими командами, про які мова йтиме далі.

 У апаратному відношенні МП-85 містить всі ті ж блоки, що і МП-80, але має крім того:

блок керування перериваннями, котрий розширює можливість звернення до мікропроцесора за перериваннями;

блок керування послідовним введення та виведенням, котрий дозволяє здійснювати побітне введення та виведення інформації

(тобто цей МП має власний послідовний інтерфейс, який керується       командою  RIM - введення біту даних і  SIM- виведенню біта);

блок сихронізації і керування, який містить генератор тактових імпульсів. Цей блок виконує також функції системного контролера, видаючи керуючі сигнали ,,, та .

Перевагою МП-85 є також те, що він живиться лише від одного джерела з напругою +5В.

Мікропроцесор МП-85 змонтований в одному корпусі і має 40 виводів. Оскільки у порівнянні з МП-80 в нього зявилась ще ціла низка нових виводів, тут довелось піти на мультиплексування виводів адреси /даних: вісім виводів шини даних AD0 - AD7  є також виводами молодшого байту адреси з роздільним використанням їх у часі. Вивід ALE (строб адреси) вказує на характер використання  мультиплексованої шини (ALE = 1 - адреса, ALE = 0  - дані). Тактова частота у МП-85 трохи вища від МП-80 і може бути збільшена аж до 3МГц. Тому МП-85 незважаючи на мультиплексування шини адреси/даних виявляється дещо більш швидкодіючим  ніж МП-80.

Мікропроцесор Z-80 

Мікропроцесор Z-80 був розроблений фірмою Zilog і є аналогом вісьмирозрядних мікропроцесорів 8080/8085, але порівняно з цими мікропроцесорами він має деякі додаткові можливості. Мікропроцесор Z-80  широко застосовувався в найпростіших ПЕОМ, а також у промислових технологічних контролерах.

Цей мікропроцесор сумісний вверх за машинними кодами з МП-80 та МП-85, тобто може виконувати програми складені для цих процесорів на мові машинних кодів. Але сумісність у зворотному напрямку можлива не завжди, бо Z-80 має ще деякі додаткові команди.

 Тактова частота для різних версій Z-80 складає від 4 до 6 МГц  Виводів у Z-80 сорок, але шина адреси і шина даних не мультиплексовані. У Z-80 немає внутрішнього ГТІ, але є внутрішній системний контролер.

Вартою уваги особливістю архітектури Z-80 є те, що він має резервний комплект всіх робочих регістрів, акумулятора та регістра ознак, в які за командою ЕХХ можна переписати вміст основного комплекту регістрів. Це істотно полегшує роботу з підпрограмами переривань, бо в МП-80 та МП-85 на початку кожної підпрограми обробки переривань доводиться записувати у стек вміст регістрових пар поодинці, а потім таким же чином видобувати їх зі стека, тоді як в Z-80 все це робиться одною командою. В Z-80 передбачено пристрій для регенерації динамічної памяті і два індексні регістри для індексної адресації.

Мнемонічне позначення  команд Z-80 досить сильно відрізняється від мнемоніки МП-80, хоча по змісту різниця невелика. Тому знаючи мнемоніку для МП-80 можна легко опанувати мнемоніку Z-80 та навпаки.

Фірма Zilog випускає також деякі допоміжні ІМС, спеціально для роботи з Z-80 : контролери для паралельного та послідовного інтерфейсів, контролери переривань і спеціальну мікросхему для ЕОМ Sinclair ZX81, яка здійснює звязок з телевізором-дисплеєм та клавіатурою. Живиться Z-80 від напруги +5В.

Мікропроцесор 8088

Мікропроцесор 8088 являє собою майже повний, але здешевлений аналог МП-86 і відрізняється від нього тільки тим що має 8-розрядну (а не 16-розрядну) шину даних. В нього  мультиплексовані лише AD0 - AD7, а виводи шини адреси А8 - А19 не мультиплексовані. Це зроблено для того щоб забезпечити кращу сумісність з широким набором інтерфейсних схем та периферійних пристроїв, що були розроблені для сімейства мікропроцесорів МП80/85.

Операнди-слова видобуваються з памяті за два машинних цикли, незалежно від їх вирівняння (спочатку молодший байт, потім старший). Команди також видобуваються по одному байту за машинний цикл. Це робить МП-88 трохи менш швидкодіючим від МП-86.

На МП-88 була побудована ціла низка ПЕОМ  класу PC/XT.

Система команд, машинні коди та мнемонічні позначення команд і МП-88, і МП-86 повністю тотожні.

Мікропроцесори 80186 та 80188

Мікропроцесори 80186/80188 являють собою удосконалений варіант мікропроцесорів 8086/8088. Від своїх прототипів МП-186/188 відрізняються тим що окрім блоків, що складають їх прототипи, тут на тому ж кристалі додано ще цілий ряд допоміжних схем, котрі в системах МП-86/88 існують як окремі ІМС.

А саме:

- генератор тактових імпульсів;

    - блок логіки обрання мікросхем памяті, що прискорює дешифрування адрес ОЗП і ПЗП та прискорює звернення до них;

      - контролер ПДП на два канали;

      - три програмованих таймери;

- програмований контролер переривань.

Все це  робить мікропроцесорні системи з використанням МП-186/188 компактнішими та простішими у застосуванні.

 Система команд МП-186/188 така ж як і у МП-86/88 плюс 10 додаткових команд для керування переліченими вище новими блоками. Тому МП-186/188 вільно виконують програми для МП-86/88, але зворотна процедура вдається не завжди.

 В МП-186/188 вперше було застосовано новий квадратний керамічний корпус з 68 виводами.

Однокриштальні мікро-ЕОМ

Прикладом глибокої інтеграції у мікропроцесорній техніці може служити вітчизняна серія К1816, у склад якої входять зокрема однокришальні ЕОМ типів К1816ВЕ48 та К1816ВЕ35. Вони призначаються для виконання порівняно простих задач, де потрібні короткі програми, невеликі обєми памяті та обмежені можливості що до введення та виведення даних, тобто там, де застосування складних та потужних ЕОМ виявляється недоцільним. Оскільки ж прості та рутинні задачі зустрічаються у практиці частіше за складних, то ці мікро-ЕОМ мають свою нішу застосування як керуючі контролери, зокрема для керування технологічним процесами або науковими пристроями.

Згадані вище мікро-ЕОМ мають 8-розрядну внутрішню і зовнішню шини даних та 12-розрядну шину адрес. Всередині К1816ВЕ48 та К1816ВЕ35 на кристалі крім процесора міститься ОЗП для даних на 64 байтів. К1816ВЕ48 має ще внутрішній РПЗП на 1кбайт для команд; К1816ВЕ35  його не має. Обєм памяті команд може бути розширений до 4 кбайт за допомогою зовнішніх ІМС ПЗП. Передбачені також порти введення/виведення  у паралельному форматі на 8 або 4 + 4 розрядів, однорівнева система переривань. В цих ВІС є по 16 робочих регістрів та стек на 16 байт. Вони мають внутрішній ГТІ, який може бути синхронізований ззовні.

Таким чином, ці ВІС дійсно являють собою малопотужні, але цілком автономні пристрої подібні до ЕОМ. Їх можливості можуть бути розширені шляхом підключення до них ІМС з серії К580: мікросхем ОЗП та ПЗП, контролера переривань, паралельного та послідовного адаптерів введення/ виведення, тощо.

Набори  мікросхем, або chipset

 В сучасних компютерах вже не застосовуються окремі ІМС контролерів, таких, наприклад, як 8259 (програмований контролер переривань), або 8237 (контролер прямого доступу до памяті). Подібні окремі ІМС можна ще зустріти у складі схем периферійних контролерів.

Системна плата сучасних компютерів відрізняється від аналогічних плат ранніх моделей  тим що велика кількість ІМС середнього ступеню інтеграції  (MSI - Medium Scale Integration) тепер заміняється декількома  (дві - чотири) надвеликими інтегральними схемами (VLSI - Very  Large Scale Integration). Такі VLSI, що виконують функції колишніх мікросхем MSI, дістали назву набору мікросхем або  chipset (на сленгу компютерщиків - чіпси).

Переваги застосування чіпсів очевидні. По-перше, вони займають мало місця, по-друге, вживають менший струм і, по-третє, значно надійніші, бо, як добре відомо, надійність пристрою зворотно пропорційна до кількості окремих деталей та мікросхем, що його складають.

Так наприклад, широке застосування знайшов набір мікросхем для периферійних контролерів типу 82С206. Він містить два контролери переривань подібних до 8259, два контролери ПДП подібних до 8237, таймер типу 8254, годинник реального часу і 114 байтів CMOS RAM (КМОН ОЗП) для зберігання інформації про конфігурацію системи.

Широкого застосування знайшли також набори  NEAT (New Advansed Technologies) фірми Chips & Technologies.

Слід однак зауважити що усі ці ВІСи являють собою обєднання розглянутих вище простих інтегральних мікросхем і за своїми принципами дії не відрізняються від них.

Навіщо були потрібні секціоновані мікропроцесори?

Однокриштальні мікропроцесори мають фіксовану структуру та фіксовану систему команд. Зокрема, вони мають фіксовану розрядність, змінювати яку неможливо. Разом з тим, інколи виникає потреба розширювати розрядність шини даних для одержання більшої точності обчислень, доводячи її до 32 або навіть 64 розрядів. Або буває достатньо 12 чи 24 розрядів.

Набір команд однокриштального процесора складається так, щоб він був якмога  універсальнішим, придатним для будь-яких задач. Однак у окремих випадках, при вузько-спеціалізованих застосуваннях буває бажаним мати бодай невеликий набір команд, але спеціалізованих під даний клас задач. Ці спеціалізовані команди могли б робити теж саме, що і програми з універсальних команд, але на апаратному рівні і тому швидше. Одна така спеціалізована команда могла б, в принципі, замінити цілий блок універсальних команд.

Далі, до мікропроцесорних схем завжди висуваються вимоги щодо збільшення швидкодії. Більшість сучасних мікропроцесорів виготовляється за n-МОН або КМОН технологією, які дозволяють одержувати найбільшу компактність та інтеграцію, але елементи виготовлені за цими технологіями мають меншу швидкодію аніж ТТЛШ- або ЕЗЛ-елементи, На жаль ТТЛШ- та ЕЗЛ-елементи мають більші розміри і енергоспоживання і не  дозволяють такої високої інтеграції як ІМС з n-МОН або КМОН елементів.

Існувала також проблема виводів, кількість яких була обмежена технологічними можливостями. Саме тому доводилось застосовувати мултиплексування шин, що ускладнювало роботу процесорів та знижувало їх швидкодію. Нарешті, виготовлення порівняно простих ІМС виявляється легшою справою, аніж виготовлення складних інтегрованих ВІС і процент браку буває тут меншим.

Все це призвело до того, що в мікропроцесорній техніці, поруч з прагненням до найбільшої універсалізації та інтеграції мікропроцесорних систем виник другий протилежний напрямок, націлений на спеціалізацію та роздрібнення мікропроцесорних систем на окремі секції або модулі.

Мікропроцесори побудовані за цим принципом мають назву секціонованих або модульних мікропроцесорів. Вітчизняною радіоелектронною промисловістю у 70-х та 80-х роках був налагоджений випуск цілої низки серій секціонованих мікропроцесорів: К587, К588, К589, К1800, КР1804, тощо. З них найбільш популярними виявились серії К589 та К1804, побудовані за ТТЛШ технологією, і К1800 побудована за ЕЗЛ-технологією.

Слід визнати, однак, що на сьогодняшній день більшість з перелічених вище проблем вдалось розвязати шляхом вдосконалення технології виготовлення однокриштальних мікропроцесорів. Секціоновані процесори виявились “всихаючою” гілкою мікропроцесорної техніки і вживаються зараз все рідше і рідше. Але було б невірним цілком ігнорувати цей етап розвитку мікропроцесорної техніки. Тому у нашому курсі ми приділемо йому трохи місця, хоча в книгах, що були видані років десять тому, секціонованим мікропроцесорам приділялось майже стільки ж уваги, як і однокриштальним.

 

Секціонований мікропроцесор

Як і кожний цифровий автомат, секціонований мікропроцесор складається з двох основних частин: операційного (виконавчого) пристрою та керуючого пристрою.

Операційний пристрій, що здійснює обробку інформації, складається з групи ідентичних мікропроцесорних секцій, у склад кожної з яких входить арифметико-логічний пристрій з усією потрібною обслугою: буферними регістрами, робочим регістрами, регістрами зсуву, дешифраторами та мультиплексорами. Розрядність кожної з таких секцій невелика і складає два розряди у серії К589 і чотири у серії К1804. Але ці секції можна обєднувати, включаючи їх послідовно і нарощуючи таким чином розрядність до 2N або 4N, де N- кількість операційних мікропроцесорних секцій. Завдяки такому роздрібненню вирішується проблема з тепловідведенням і кількістю виводів. А застосування ТТЛШ та ЕЗЛ технологій дозволяє збільшити швидкодію таких мікропроцесорів.

Кількість операцій, які може виконувати АЛП у таких процесорах, невелика. Це арифметичне додавання та віднімання (у доповняльному коді), основні логічні операції, інкрементування та декрементування і комбінації з цих операцій. Регістри зсуву, що входять до складу операційних секцій, дозволяють зсувати операнди праворуч і ліворуч. Тригери ознак фіксують якісний характер одержаного результату (здебільше це Z-ознака нульового результату, C-ознака переповнення та S-ознакa відємного результату). Такого набору виявляється достатнім для виконання більшості задач, що їх висуває практика.

Для нарощування розрядності вихід попередньої (молодшої) секції поєднується зі входом  наступної (старшої) секції, а для прискорення переносів від секції до секції використовується спеціальна ІМС, яка має назву    СУП - схема прискореного переносу, яка також входить до складу серій  К589 та К1804.

Операційні пристрої працюють під керуванням мікрокоманд, що їх виробляє КП - керуючий пристрій, який є найбільш специфічною та складною ІМС у відповідному мікропроцесорному комплекті. На відміну, наприклад, від  мікропроцесора КР580ВМ80, де керуючий пристрій захований всередині мікропроцесора і все мікропрограмне керування лежить поза полем зору користувача, в секціонованих процесорах мікропрограмне керування відбувається, та би мовити, у явному вигляді і надає можливість втручання до нього з боку користувача.

Блок-схема секціонованого мікропроцесора зображена на рис.16.1. Тут ОП - операційний пристрій, що складається з багатьох секцій і обробляє інформацію і КП - керуючий пристрій, який керує роботою ОП. Керуючий пристрій складається з двох блоків, що являють собою окремі ІМС - блока мікрокомандного керування БМК і блока мікропрограмної памяті, який має ще назву блока памяті мікрокоманд.

 Команда прочитана з основної памяті дешифрується в БМК і в ньому виробляється адреса, по котрій в блоці памяті мікрокоманд записана перша мікрокоманда тої мікропрограми, яка виконує команду прочитану з основної памяті. Кожній мікрокоманді відповідає певна елементарна дія операційного пристрою, яку він і виконує протягом одного такту.

Однак це тільки пів-справи. За першою мікрокомандою повинна звичайно  йти слідом друга, за нею третя, тощо. Тому у першій мікрокоманді міститься вказівка щодо адреси наступної мікрокоманди. Ця частина бітів мікрокоманди повертається до БМК і приймає участь у формуванні адреси другої мікрокоманди. За другою мікрокомандою ідуть наступні, аж поки вся мікропрограма, що реалізує основну команду, не буде вичерпана. Після цього з основної памяті зчитується подальша команда.  

 Такий спосіб формування адрес має назву природної адресації, а мікрокоманди такого типу - операційних мікрокоманд. При природному способі адресації наступна мікрокоманда неминуче витікає з попередньої. Разом з тим відомо, що електронно-обчислювальні системи мають змогу альтернативно обирати шлях виконання програми, створюючи розгалуження в залежності від характеру одержаних результатів. Такі розгалуження мають назву умовних переходів. Тому окрім операційних мікрокоманд існують ще керуючі мікрокоманди. Ці мікрокоманди безпосередньо на ОП не діють, а лише змінюють порядок виконання мікрокоманд в залежності від ознак раніш одержаного результату. В керуючих мікрокомандах перевіряється вміст будь-якого з тригерів регістру ознак і виділяється значення одного з бітів (наприклад, Z -біта). Якщо в цьому біті виявиться одиниця, то через БМК в память мікрокоманд засилається адреса записана в спеціальному полі керуючої мікрокоманди і відбувається перехід за цією адресою.

Якщо ж у відповідному біті виявиться нуль, то ніяких переходів не відбувається і виконується команда наступна за керуючою  (тобто порядок природної адресації не порушується).

Таким чином, уся специфіка формування мікрокоманд і мікропрограм міститься памяті мікрокоманд, котра в апаратному відношенні являє собою просто деякий ПЗП. Цей ПЗП програмується користувачем при розробці секціонованого мікропроцесора. Якщо замінити такий ПЗП на інший, інакше запрограмований, то у відповідь на той же самий машинний код,  що потрапляє з основної памяті, память мікрокоманд  видасть зовсім іншу мікрокоманду  і ОП виконає за нею іншу операцію. Секціонований мікропроцесор змінить усю систему команд і це буде подібним до того, як при зміні програми-транслятора ЕОМ починає “розуміти” іншу мову і іншу систему команд.

Таким чином користувач секціонованого мікропроцесора одержує можливість самостійно, за своїм розсудом, складати систему команд, яка в найбільшій мірі відповідає тим задачам, котрі має розвязувати мікропроцесор.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82138. Історична сторінка 299.5 KB
  Скільки часу потрібно П’ятачку Вінні Пуха під дубом чекати Щоб Вінні Пух 49 метрів зміг здолати І дупла дуба яке міститься на цій висоті дістатися Та справжні чи ні бджоли які в ньому проживають дізнатися. Скільки стовпчиків потрібно Джері підготувати Щоб зводячи паркан всі ями використати.
82139. НАШІ ДРУЗІ – ДИТЯЧІ ЖУРНАЛИ 38.5 KB
  Ознайомити учнів із дитячими журналами розвивати пізнавальні інтереси розширювати читацький кругозір сприяти вихованню доброзичливості товариськості шани до рідного слова. Ми прийшли, малята, щоб вас привітати, Щастя, успіху усім радо побажати! Ви не можете, малята, все про все на світі знати.
82140. Журнали для дітей (Бібліотечний урок для 3-4 класи) 41.5 KB
  Обладнання: Сумка листоноши; виставка З поштової скриньки дитячі газети та журнали; словники папір олівці. Девіз уроку: Читай журнали та газети І подолай усі тенета Дізнаєшся про Всесвіт гарний Труди твої не будуть марні Хід уроку: Бібліотекар: Добрий день діти Сьогодні у нас незвичайний урок.
82141. ВЕЛИКА ВІТЧИЗНЯНА ВІЙНА 177.5 KB
  Учні заздалегідь готують фломастер або олівець і чистий аркуш паперу, розкреслений на декілька пронумерованих прямокутників. У кожному прямокутнику учасники повинні по порядку замалювати асоціативні тлумачення. Можуть бути запропоновані, наприклад, такі слова: відплата, смуток, горе, жах, сльози, печаль...
82142. Шкідливі звички 89.5 KB
  Мета: Дати поняття про погані звички і про їх наслідки розвивати бажання не вживати їх а якщо вони виникли то позбутися; виховувати культуру поведінки старанне ставлення й дбайливе ставлення до свого здоров’я. Життєздатність і здоров’я людей великою мірою залежить від самої людини.
82143. КОРИСНІ ТА ШКІДЛИВІ ЗВИЧКИ 53.5 KB
  Мета: Викликати прагнення у дітей зберігати й зміцнювати здоров’я. Довести до їх відома інформацію, що шкідливі звички є основною причиною порушення здоров’я. Формувати вміння піклуватися про своє здоров’я. Виховувати бажання підтримувати тпрадиції здорового способу життя.
82144. Голосні та приголосні звуки. Зимовий малюнок 140 KB
  Обладнання: Предметні картинки сніжинки різної форми таблиці для читання склади на картинках гірлянди у формі зірочок зошити ручки магнітофон. До дітей спускаєтся сніжинка Логопед: Ось і завітала перша сніжинка використовувати фон для розглядання сніжинки. Роздати дітям сніжинки з позначеннями...
82145. Звуки з, з, позначення їх буквою Зз («зе»). Дзвінке вимовляння цих звуків у кінці слів і складів. Фразеологізми. Опрацювання тексту «Весела зима». Скоромовки 117 KB
  Навчити учнів упізнавати звуки у мовленому слові та позначати їх буквою Зз зечитати слова з новою буквою чітко вимовляти звуки перед глухими приголосними та в кінці слова; розвивати спостережливість увагу логічне мислення вміння зіставляти порівнювати звукобуквений склад та їх смислове значення...
82146. «Чернобыльская зона» Вечер-реквием ко Дню ликвидатора 59 KB
  Все ликвидаторы аварии на Чернобыльской АЭС 1986-1990 годов достойны того, чтобы их бескорыстный пример долга был примером для наших потомков, об этом подвиге знали, помнили и с благодарностью вспоминали их имена. Слово предоставляется участнику ликвидации последствий аварии на Чернобыльской...