Шпаргалка по дисциплине: «Микропроцессоры и микропроцессорные системы»

  Одним из направлений дальнейшего совершенствования  аналоговых микропроцессоров является повышение их универсальности и гибкости. Поэтому вместе с повышением скорости обработки большого объема цифровых данных будут развиваться средства обеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой информации за счет реализации аппаратных блоков прерывания программ и программных переходов.

  По характеру  временной организации работы микропроцессоры  делят на синхронные и асинхронные.

  Синхронные  микропроцессоры - микропроцессоры, в  которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

  Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.

  По организации  структуры микропроцессорных систем различают микроЭВМ одно- и многомагистральные.

  В одномагистральных  микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.

  В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную  передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.

  По количеству выполняемых программ различают  одно- и многопрограммные микропроцессоры.

  В однопрограммных  микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

  В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

                                               Вопрос №2

  Основные  характеристики микропроцессора

  Микропроцессор  характеризуется:  
1) тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ;  
2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

  Разрядностть  МП обозначается m/n/k/ и включает:  
m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;  
n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;  
k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;  
3) архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.

  Микроархитектура  микропроцессора - это аппаратная организация  и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.

  Макроархитектура - это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.

  В общем  случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных.

                                                               Вопрос №3

  Структура типового микропроцессора

  Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рис. 2.1 Такая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации.

  Рис. 2.1. Архитектура  типового микропроцессора.

  Микропроцессор  координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется 16-разрядная адресная шина (ША), которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-разрядной информационной шине или шине данных (ШД) осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что МП может посылать информацию в память микроЭВМ или к одному из портов вывода, а также получать информацию из памяти или от одного из портов ввода.

  Постоянное  запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую программу (на практике программу инициализации ЭВМ). Программы  могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего  устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.

                                                     Вопрос №4

  "Мозгом" персонального компьютера является  микропроцессор, или центральный  процессор – CPU (Control Processor Unit). Микропроцессор выполняет вычисления и обработку данных (за исключением некоторых математических операций, осуществляемых компьютером, имеющих сопроцессор) и, как правило, является самой дорогостоящей микросхемой компьютера. Во всех PC-совместимых компьютерах используются процессоры, совместимые с семейством микросхем Intel, но выпускаются и проектируются они как самой фирмой Intel, так и компаниями AMD, Cyrix, IDT и Rise Technologies.

  В настоящее  время Intel доминирует на рынке процессоров. Однако в конце 70-х годов лидерами на этом рынке были фирмы Zilog (модель Z-80) и MOS Technology (модель 6502). Процессор Z-80 был улучшенной и недорогой копией процессора Intel 8080.

  Звездный  час фирм Intel и Microsoft наступил в 1981 году, когда IBM выпустила первый персональный компьютер IBM PC с процессором Intel 8088 (4,77 МГц) и операционной системой Microsoft Disk Operating System (DOS) версии 1.0. С этого момента практически во все персональные компьютеры устанавливаются процессоры фирмы Intel и операционные системы Microsoft.

  В 1998 году фирма Intel отпраздновала свое тридцатилетие. Она была создана 18 июля 1968 года Робертом Нойсом (Robert Noyce), Гордоном Муром (Gordon Moore) и Эндрю Гроувом (Andrew Grove).

  В 1970 году Intel выпустила микросхему памяти емкостью 1 Кбит, содержащую больше транзисторов, чем любая тогдашняя интегральная схема. (1 Кбит равен 1 024 бит, байт состоит из 8 бит, т.е. микросхема могла хранить всего 128 байт информации, что по современным меркам ничтожно мало.) Приблизительно в то же время японская фирма Busicom, производившая калькуляторы, заказала фирме Intel для одной из своих разработок логические микросхемы 12 типов. Все необходимые свойства 12 микросхем удалось реализовать в одной. Более того, в этой микросхеме была предусмотрена возможность программного изменения ее функций. Таким образом, она превратилась в универсальную, т.е. могла работать не только в калькуляторе. Выполняемые операции не определялись только ее внутренней структурой - интегральная схема могла считывать из памяти определенное количество инструкций (команд), которые и управляли выполняемыми ею функциями. Идея заключалась в том, чтобы в одной микросхеме полностью реализовать вычислительное устройство, которое выполняло бы операции в зависимости от подаваемых команд.

  Первый 4-разрядный  микропроцессор 4004 фирмы Intel появился в 1971 году. Он содержал 2300 транзисторов и за один раз обрабатывал 4 бита данных. Рабочая частота этого процессора составляла всего 108 кГц (0,108 МГц). Он производился по 10-микронной технологии. Этот процессор предназначался для использования в программируемых калькуляторах. Процессор 4004 выполнял 60 тыс. операций в секунду, что ничтожно мало по современным стандартам. В те времена появление этого процессора означало существенный прорыв в микроэлектронике.

  В апреле 1972 года Intel выпустила процессор 8008, который работал на частоте 200 кГц. Он содержал 3500 транзисторов и производился все по той же 10-микронной технологии. Шина данных была 8-разрядной, что позволяло адресовать 16 Кбайт памяти. Этот процессор предназначался для использования в терминалах и программируемых калькуляторах.

  Следующая модель процессора, 8080, была анонсирована фирмой Intel в апреле 1974 года. Этот процессор содержал 6000 транзисторов и мог адресовать уже 64 Кбайт памяти. На нем был собран первый персональный компьютер (не PC) Altair 8800. В этом компьютере использовалась операционная система СР/М, а фирма Microsoft разработала для него интерпретатор языка BASIC. Это была первая массовая модель компьютера, для которого были написаны тысячи программ.

  Благодаря популярности процессора Intel 8080 некоторые фирмы начали выпуск его клонов. Так в июле 1976 года появился процессор Z-80 (фирма Zilog), который работал на частоте 2,5 МГц (более поздние модели уже работали на частоте 10 МГц). Процессор Z-80 был несовместим с 8080, но мог выполнять все написанные для него программы. Он стал использоваться в компьютерах TRS-80 Model 1, выпущенных фирмой Radio Snack. Этот же процессор устанавливался в компьютеры Osborne и Kaypro.

  Intel не остановилась на достигнутом и в марте 1976 года выпустила процессор 8085, который содержал 6500 транзисторов, работал на частоте 5 МГц и производился по 3-микронной технологии.

  В этом же году фирма MOS Technologies выпустила процессор 6502, который был абсолютно непохож на процессоры фирмы Intel. Он был разработан группой инженеров фирмы Motorola. Эта же группа работала над созданием процессора 6800, который в будущем трансформировался в семейство процессоров 68000. Отличительной чертой процессора 6502 была его цена - 25 долларов, в отличие от процессора 8080, который стоил около 300 долларов. Именно на этом процессоре были созданы первые модели компьютеров Apple I и Apple II, а также игровые приставки Nintendo. Процессоры серии 68000, которые теперь называются PowerPC, в настоящее время используются в компьютерах Apple Macintosh.

  В июне 1978 года Intel выпустила процессор 8086, который содержал набор команд под кодовым названием х86. Этот же набор команд до сих пор поддерживается в самых современных процессорах Pentium III. Процессор 8086 был полностью 16-разрядным - внутренние регистры и шина данных. Он содержал 29000 транзисторов и работал на частоте 5 МГц. Благодаря 20-разрядной шине адреса он мог адресовать 1 Мбайт памяти.

  Процессор 8086 стоил довольно дорого, и в 1979 году Intel выпустила "дешевую" версию этого процессора под кодовым названием 8088. Этот процессор отличался от предыдущего 8-разрядной шиной данных. Именно его стали устанавливать в первые компьютеры IBM PC. Оригинальный процессор 8088 содержал 30 000 транзисторов и работал на частоте 5 МГц. Последние процессоры фирмы Intel (например, Pentium III Xeon) содержат 140 млн. транзисторов и работают на частоте 1 ГГц (уже даже есть опытные образцы процессоров, работающих на частоте 2 ГГц). Вряд ли можно найти наилучшее практическое подтверждение закону Мура, который гласит, что каждые два года количество транзисторов в процессоре будет удваиваться.

  В 1982 году появился процессор Intel 286. Он был 16-разрядным; содержал 134 тыс. транзисторов и был, совместим со всеми своими предшественниками. Этот процессор использовался в компьютерах IBM PC-AT. В 1985 году увидел свет 32-разрядный процессор Intel 386. Он содержал 275 тыс. транзисторов и мог выполнять 5 млн. инструкций в секунду (Million Instruction Per Second - MIPS). Эти процессоры устанавливались в компьютеры Compaq DeskРго386. Следующее поколение процессоров, 486, Intel представила в 1989 году. Этот процессор уже содержал 1,2 млн. транзисторов и имел встроенный сопроцессор. Он работал в 50 раз быстрее процессора 4004. Его производительность была эквивалентна производительности мощных мэйнфреймов.

  В 1993 году Intel анонсировала свой первый процессор семейства Pentium, производительность которого была в пять раз выше по сравнению с процессором 486. Он содержал 3,1 млн. транзисторов и мог выполнять 90 млн. инструкций в секунду.

  Первый  процессор семейства Р6 - Pentium Pro - появился на свет в 1995 году. Он содержал 5,5 млн. транзисторов и мог выполнять 300 млн. инструкций в секунду.

  Процессор Pentium II был представлен фирмой Intel в мае 1997 года. Он содержал 7,5 млн. транзисторов. В апреле 1998 года в семействе процессоров Pentium II появились Celeron (недорогая версия оригинального процессора Pentium II) и Pentium II Xeon (высокопроизводительный процессор для рабочих станций и серверов). В феврале 1999 года увидел свет процессор Pentium III.