Общая структура МПС

1. Общая структура МПС

Микропроцессор - центральная часть  любой микропроцессорной системы (МПС) - включает в себя АЛУ и ЦУУ, реализующее командный цикл. МП может  функционировать только в составе  МПС, включающей в себя, кроме МП, память, устройства ввода/вывода, вспомогательные схемы (тактовый генератор, контроллеры прерываний и ПДП, шинные формирователи, регистры-защелки и др.).

 В любой МПС можно выделить  следующие основные части (подсистемы) :

• процессорный модуль;
• память;
• внешние устройства (внешние ЗУ + устройства ввода/вывода);
• подсистему прерываний;
• подсистему прямого доступа в память.

Связь между процессором и другими  устройствами МПС может осуществляться по принципам радиальных связей, общей  шины или комбинированным способом. В однопроцессорных МПС, особенно 8- и 16-разрядных, наибольшее распространение получил принцип связи "Общая шина", при котором все устройства подключаются к интерфейсу одинаковым образом (Рис.1.1).

 

Рис.1.1. Структура МПС с интерфейсом "Общая шина"

 Все сигналы интерфейса делятся  на три основные группы - данных, адреса и управления. Многочисленные разновидности интерфейсов "Общая шина" обеспечивают передачу по раздельным или мультиплексированным линиям (шинам). Например, интерфейс Microbus, с которым работают большинство 8-разрядных МПС на базе i8080, передает адрес и данные по раздельным шинам, но некоторые управляющие сигналы передаются по шине данных. Интерфейс Q-bus, используемый в микро-ЭВМ фирмы DEC (отечественный аналог - микропроцессоры серии К1801) имеет мультиплексированную шину адреса/данных, по которой эта информация передается с разделением во времени. Естественно, что при наличии мультиплексированной шины в состав линий управления необходимо включать специальный сигнал, идентифицирующий тип информации на шине.

Обмен информацией по интерфейсу производится между двумя устройствами, одно из которых является активным, а другое - пассивным. Активное устройство формирует  адреса пассивных устройств и  управляющие сигналы. Активным устройством выступает, как правило, процессор, а пассивным - всегда память и некоторые ВУ. Однако, иногда быстродействующие ВУ могут выступать в качестве задатчика (активного устройства) на интерфейсе, управляя обменом с памятью (т.н. режим прямого доступа в память - см. раздел 8).

 Концепция "Общей шины" предполагает, что обращения ко  всем устройствам МПС производится  в едином адресном пространстве, однако, в целях расширения числа  адресуемых объектов, в некоторых системах искусственно разделяют адресные пространства памяти и ВУ, а иногда даже и памяти программ и памяти данных.

Как известно, процессор является основным вычислительным блоком компьютера, в наибольшей степени определяющим его мощь. Процессор является устройством, исполняющим программу - последовательность команд (инструкций), задуманную программистом и оформленную в виде модуля программного кода. Чтобы понять, что делает процессор, рассмотрим его в окружении системных компонентов IBM PC-совместимого компьютера. Этой компьютерной архитектурой, естественно, не ограничивается сфера применения процессоров.

Всем известный IBM PC-совместимый  компьютер представляет собой реализацию так называемой фон-неймановской архитектуры  вычислительных машин. Эта архитектура  была представлена Джоном фон-Нейманом еще в 1945 году и имеет следующие основные признаки. Машина состоит из блока управления, арифметико-логического устройства (АЛУ), памяти и устройств ввода/вывода. В ней реализуется концепция хранимой программы: программы и данные хранятся в одной и той же памяти.

 

Рис. 1.1 Архитектура фон-Неймана

 

Если разделить память на: память программ и память данных мы получим Гарвардскую архитектуру.

 

Рис. 1.2 Гарвардская архитектура

 

Выполняемые действия определяются блоком управления и АЛУ, которые вместе являются основой центрального процессора. Центральный процессор выбирает и исполняет команды из памяти последовательно, адрес очередной команды задается "счетчиком адреса" в блоке управления. Этот принцип исполнения называется последовательной передачей управления. Данные, с которыми работает программа, могут включать переменные - именованные области памяти, в которых сохраняются значения с целью дальнейшего использования в программе.

Фон-неймановская архитектура - не единственный вариант построения ЭВМ, есть и другие, которые не соответствуют указанным принципам (например, потоковые машины). Однако подавляющее большинство современных компьютеров основано именно на этих принципах, включая и сложные многопроцессорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон-неймановских машин. Конечно же, за более чем полувековую историю ЭВМ классическая архитектура прошла длинный путь развития.

Прерывание – первое отличие  современных архитектур от машин  фон-Неймана. Работа прерывания заключается  в том, что при поступлении сигнала прерывания процессор обязан прекратить выполнение текущей программы и немедленно начать обработку процедуры прерывания.

 

Рис. 1.3 Архитектура фон-Неймана  с прерыванием

 

ПДП (Прямой Доступ к Памяти) – второе отличие современных архитектур от машин фон-Неймана. ПДП позволяет сократить расходы на пересылку единицы информации.

 

Рис. 1.4 Архитектура фон-Неймана  с каналом ПДП

2. Основные схемотехнологические направления производства микропроцессоров

 В настоящее время для  производства интегральных схем используются следующие основные технологические базисы: транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ); ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ); маломощная ТТЛШ (МТТЛШ); инжекционная интегральная логика (И²Л) и ее различные варианты (И³Л, ИШЛ и т. д.); р-канальная МОП-технология (р-МОП); n-канальная МОП (n-МОП); комплементарная МОП-технология (КМОП); варианты МОП-технологии (МНОП, ЛИЗМОП); эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ).

 Рассмотрим основные особенности  распространенных технологий производства  БИС. Для ТТЛ напряжение питания Uп=5В; стандартные входные уровни сигналов U0<=0.8В, U1>=2.0В, выходные U0<=0.4В; U1>=2.4В. По ТТЛ-технологии реализованы ИС серий К133, К134, К155. По сравнению с обычным ТТЛ, ТТЛШ-вентиль обеспечивает приблизительно вдвое меньшие задержки включения и выключения за счет использования ненасыщенного режима работы транзисторов, а также несколько меньшую мощность потребления и обладает в 1.5-2 раза меньшей площадью. Напряжение питания и стандартные входные-выходные напряжения ТТЛШ-вентиля унифицированы с аналогичными параметрами обычного ТТЛ-вентиля. Вентили ТТЛ и ТТЛШ работоспособны в широком диапазоне температур, изменение мощности их потребления в зависимости от частоты незначительно. По ТТЛШ-технологии реализованы ИС и БИС серий К533, К555, К589, К585, К1802, К1804, а также некоторые БИС серий К583, К584. На основе маломощной ТТЛШ-технологии реализованы ИС серий К1533, К1555.

 Диапазон размаха логического  сигнала И²Л-вентиля лежит в пределах 0.2-0.8В, поэтому для сопряжения И²Л БИС с ТТЛ-схемами используются специальные входные и выходные каскады. Стандартные И²Л-вентили имеют широкий диапазон рабочих токов питания, при этом их быстродействие прямо пропорционально току инжекции. И²Л БИС работоспособны в диапазоне от 0.1 до 2 значений номинального тока питания, что обеспечивает их работу как в микромощном, так и в быстродействующем режиме. По сравнению с ТТЛШ И²Л-технология обеспечивает приблизительно в десять раз большую степень интеграции БИС при меньшем в 2-3 раза быстродействии. В настоящее время развиваются многочисленные разновидности И²Л-технологии, такие как изопланарная И²Л (И³Л) и инжекционная Шоттки (ИШЛ) логика. ИШЛ по сравнению с И²Л-вентилем обладает приблизительно в 1.5 раза большей площадью, но обеспечивает быстродействие, соизмеримое с ТТЛШ-схемами. Инжекционная логика работоспособна в широком диапазоне температур. Помехоустойчивость схем такая же, как и у ТТЛ-логики. На основе И²Л-технологии реализованы БИС серий К582, К583, К584, К1808, К1815. Перспективным является построение комбинированных кристаллов, когда внутренняя часть строится по инжекционной технологии, а внешняя, для удачного сопряжения с периферией и другими БИС, - по ТТЛ-технологии.

 Для работы р-МОП-инвертора необходимо подать напряжение питания Uп=-(9-24)В и напряжение смещения подложки Uсп=-(3-12)В. Выходные напряжения при Uп=-24В обычно принимаются равными U0=-22В, U1=-2В; входные напряжения U0=-12B, U1=-4B. Вентили имеют небольшую площадь, но обладают малым быстродействием (время переключения более 0.1 мкс). Относительная дешевизна этих БИС объясняет их широкое применение в бытовых приборах. Для работы n-МОП-инвертора необходимо подать напряжение питания Uп=5В и напряжение смещения подложки U'сп=-5В, на основе которого в резистивном делителе, подключенном к Uп и к U'сп вырабатывается Uсп. Иногда внутреннее Uсп вырабатывается на основе напряжения питания и земли. Входные и выходные напряжения n-МОП обычно обеспечивают прямое сопряжение с ТТЛ-схемами.

 Площадь у n-МОП вентиля в 5-7 раз меньше, чем у ТТЛ и быстродействие в 4-10 раз меньше, чем у ТТЛ-схем. По n-МОП-технологии разработаны комплекты БИС серий К145, К580, К581, К586, К1801, К1809, К1810, К1820.

 В состав КМОП-инвертора входят два транзистора разного типа проводимости. Для работы вентилей нет необходимости использовать напряжение смещения подложки. В состоянии логических нуля и единицы вентиль практически не потребляет энергию. Стандартные входные U0<=0.8B, U1>=3.5B и выходные U0<=0.4B, U1>=4.5B. Следует отметить высокую помехоустойчивость КМОП. Амплитуда помехи может составлять до 40% от напряжения питания. Высокопороговая КМОП-логика обычно имеет Uп=9В и не сопрягается с ТТЛ. По высокопороговой технологии выполнена серия К587, по низкопороговой - К564, К561, К588, К1806.

 Вентиль ЭСЛ обладает самым большим быстродействием, но занимает самую большую площадь и потребляет большую, чем у всех остальных, мощность. Высокое быстродействие достигается за счет ненасыщенных режимов работы транзисторов. Входные и выходные напряжения составляют U0>=-1.1B, U1<=-1.5B; U1<=-1.65B, U0>=-0.8B соответственно. Из этого следует, что ЭСЛ-вентили невозможно прямо использовать в составе ТТЛ-схем.

3. Характеристики микропроцессоров

 Кратко перечислим основные  характеристики микропроцессоров:

• разрядность;
• быстродействие (тактовая частота, время выполнения "короткой" команды;
• потребляемая мощность;
• технология (уровень логических сигналов);
• архитектурные особенности: система операций, способы адресации, наличие и организация подсистем прерываний и ПДП, объем и организация СОЗУ, конвейер операций, аппаратная поддержка системы виртуальной памяти и т.п.;
• структурные особенности: количество и назначение шин (стандарт интерфейса), внутренняя структура;
• число источников питания;
• число БИС в комплекте;

и др.

Поколения микропроцессоров.

 В первые десятилетия своего развития микропроцессоры было принято делить на поколения, причем границы поколений (разумеется, весьма условно) проводились по признаку технологии, освоенной на данном этапе эволюции МП. Рассмотрим кратко особенности первых трех поколений МП.

 1.4.1. Микропроцессоры 1 поколения. Первый МП был разработан фирмой INTEL и выпущен в 1971г. на основе p-МОП технологии (i4004). В 1972 и 1973 годах этой же фирмой были выпущены модели i4040, i8008. Фирма Rockwell выпустила модели МП PSS-4, PSS-8. Все они могут быть отнесены к МП 1 поколения, характеристиками которого являются:

• разрядность - 4..8 бит;
• технология - p-МОП;
• быстродействие (RR) - 5..60 мкС;
• тактовая частота - 200..800 КГц;
• совмещение шин адреса и данных;
• число вспомогательных ИС и СИС - 15..50;
• подсистемы прерываний и ПДП - отсутствуют.

 Первые МП 1 поколения - 4-разрядные  приборы, использовались для организации  десятичной арифметики (калькуляторы). Так, i4004 имел 4-разрядное АЛУ с блоком десятичной коррекции, 16 РОНов, внутренний трехуровневый стек. Объем адресного пространства 212 (возможен выбор одного из 4 банков такого размера). Система команд включала 46 команд: пересылки, ввод/вывод, сдвиги, арифметические команды (+ - ФЗ).

 В процессе эволюции МП  первого поколения (МП-1) имело место увеличение разрядности (до 8) и некоторое расширение функций. Так, в i4040 добавлены логические операции, увеличен массив РОН (до24), введено одноуровневое прерывание. i8008 предназначался прежде всего для использования в системах управления. В нем, по сравнению с i4004, увеличена разрядность (до 8), добавлены логические команды, но исключен блок десятичной коррекции. Все МП-1 выпускались в стандартном 16-выводовом корпусе.

 1.4.2. Микропроцессоры 2 поколения. Совершенствование технологии МОП, переход на n-МОП технологию привел к появлению МП второго поколения, которые отличались от МП-1 не только количественными характеристиками, но и качественно. В 1974г. был выпущен МП i8080, который стал первым и наиболее популярным МП второго поколения (МП-2). Он же положил начало семейству однокристальных МП, которому суждено было стать (и оставаться до настоящего времени) доминирующим на мировом рынке МП. Вслед за i8080 другими фирмами были выпущены МП со сходными (иногда несколько лучшими) характеристиками. Наиболее известными являются. Z80 фирмы Zilog и MS6800 (Motorola). Эти МП, как и i8080, имеют своих 16- и 32-разрядных "потомков". Характерными признаками МП-2 можно считать: