Історія розвитку мікропроцесорної техніки. Мікропроцесори, основні поняття і визначення. Класифікація мікропроцесорів. (Тема 5)
- Главная
- Разное
- Історія розвитку мікропроцесорної техніки. Мікропроцесори, основні поняття і визначення. Класифікація мікропроцесорів. (Тема 5)
Содержание
- 2. Однак, згодом стало ясно, що МП можуть бути використані і в технічних пристроях автоматики, інформаційно-вимірювальної техніки,
- 3. Нарешті, час розробки системи на основі МП менший. Налагодження масового випуску МП сприяло зменшенню їхньої вартості,
- 5. З 1978 року на ринку з'явилися 16-розрядні мікропроцесори цієї фірми І8086/8088. Це практично одинакові МП з
- 6. Розробка перших МК, як і МП, належить корпорації Intel, яка у 1976 році випустила універсальний 8-розрядний
- 7. Основні поняття і визначення Мікропроцесор (МП) - це пристрій, який здійснює прийом, обробку і видачу інформації.
- 8. Мікроконтролер - являє собою пристрій, який виконаний конструктивно в одному корпусі ВІС і містить основні складові
- 9. Класифікація мікропроцесорів МП та МПК класифікують за такими ознаками: призначенням, кількістю ВІС, способом керування, типом архітектури,
- 10. 1. Універсальні МП - це МП загального призначення, які розв'язують широкий клас задач обчислення, обробки та
- 11. Спеціалізовані МП призначені для розв'язання задач лише певного класу. До спеціалізованих МП належать: цифрові сигнальні процесори,
- 13. Архітектура ЦСП визначається декількома базовими операціями, які використовуються в алгоритмах цифрової обробки сигналів (ЦОС) - перш
- 15. Для ЦСП характерними є: наявність достатніх об'ємів внутрішньокристалічної пам'яті для даних і програм; можливість захисту програм
- 16. Крім цього в ЦСП використовуються методи скорочення тривалості командного циклу, характерні для універсальних RISC-процесорів: конвеєризація виконання
- 17. Мікроконтролери призначені для застосування у вбудованих системах управління, в тому числі і у побутових приладах. Звідси
- 18. Для цих МК характерна Гарвардська архітектура з окремою пам'яттю програм і даних. Внутрішня пам'ять програм має
- 19. В цілому для МК характерні: широкі функціональні можливості; високі технічні параметри; низька вартість. Медійні та мультимедійні
- 20. Мультимедійний мікропроцесор компанії Philips TriMedia призначений для використання в якості сопроцесора цифрової обробки сигналів, що розвантажує
- 21. В МП використовується роздільна кеш-пам'ять: 32 Кбайти для команд і 16 Кбайт для даних. Ефективна для
- 22. Для трансп'ютерів характерним є наявність внутрішньої пам'яті та вбудованого міжпроцесорного інтерфейсу, тобто каналів зв'язку з іншими
- 23. У секційних МП в одній BIC реалізується лише деяка функціональна частина (секція) процесора. Imim назва секційних
- 24. За типом системи команд розрізняють CISC (Complete Instruction Set Computing) -процесори з повним набором команд, в
- 25. Основними параметрами МП є система (набір) команд, розрядність і тактова частота. Система команд весь час вдосконалюється.
- 26. На шляху подальшої мініатюризації крім фізичних обмежень є і економічні. Справа в тому, що для кожного
- 28. Скачать презентацию
Однак, згодом стало ясно, що МП можуть бути використані і в
Однак, згодом стало ясно, що МП можуть бути використані і в
Другою перевагою є те, що вироби на основі МП дешеві. МП можуть замінити 75-200 корпусів інтегральних схем малої та середньої степені інтеграції, в мікропроцесорній системі менше з'єднань, менше друкованих плат, відладка системи значно простіша, а відповідно і вартість проектування в цьому випадку нижча. Крім того, з'являється можливість надати цим пристроям нові функції, реалізація яких при "жорсткій" логіці роботи була недоцільною, бо суттєво ускладнювалися як самі пристрої так і процес їх виготовлення та наладки.
Нарешті, час розробки системи на основі МП менший.
Налагодження масового випуску МП
Нарешті, час розробки системи на основі МП менший.
Налагодження масового випуску МП
Перший МП був створений американською фірмою Intel для потреб японської фірми Busicom у 1971 році при розробці калькулятора. Це був 4-розрядний МП І4004, призначений для обробки 4-розрядних двійкових даних. Він містив 2300 транзисторів, працював на тактовій частоті 108 кГц і адресував 640 байт пам'яті при 0.06 MIPS. Розробниками були Тед Хофф та Фредерік Феггін.
А вже в 1972 році фірма Intel випустила 8-розрядний МП i8080. Він мав тактову частоту 2 МГц, адресував 64 Кбайти пам'яті і містив 6000 транзисторів. Починаючи з цього часу на ринку з'явилася велика кількість типів МП різних фірм. Треба сказати, що принципи, покладені в основу перших МП фірми Intel були дуже вдалими. Тому МП інших фірм були ніби своєрідними клонами МП фірми Intel. Вдосконалюючи і розвиваючи принципи, покладені в основу перших МП, в подальшому фірма Intel зуміла зберегти позиції лідера у їх виробництві і по сьогоднішній день.
З 1978 року на ринку з'явилися 16-розрядні мікропроцесори цієї фірми І8086/8088.
З 1978 року на ринку з'явилися 16-розрядні мікропроцесори цієї фірми І8086/8088.
В 1982 році з'являється МП і80286. 134 000 транзисторів, 16 Мбайт адресованої пам'яті, захищений режим та віртуальна пам'ять.
Починаючи з 1985 року фірма Intel приступила до випуску 32-розрядних мікропроцесорів i80386 (275 000 транзисторів, адресована пам'ять 4 Гбайти), з'являється ОС Windows
В 1989 році виходить МП i80486 - 1.2 млн. транзисторів, інтегровані кеш і математичний сопроцесор.
В 1992-1993 роках фірма Intel почала випускати 64-розрядні МП типу Pentium, які в різних модифікаціях продукує і по сьогоднішній день.
Крім МП, розглянутих вище, важливе значення має інший напрям розвитку мікропроцесорної техніки - вбудовані мікроконтролери (embedded microcontrollers), орієнтовані на виконання, перш за все, функцій керування різними об'єктами. Звідси походить і їх назва -мікроконтролери (МК). Їхнє використання досить різноманітне - від складної побутової техніки (холодильники, пральні машини, кухонні комбайни, тощо) до найскладніших систем керування технологічними процесами і робототехнічними комплексами.
Розробка перших МК, як і МП, належить корпорації Intel, яка у
Розробка перших МК, як і МП, належить корпорації Intel, яка у
Ще в 2002-2003 роках у світі випускалося щорічно 3.2 млрд. штук МК, тоді як процесорів для ПК - 200 млн. Так в 2006 році було випущено понад 4 млрд. штук МК, за останні п'ять років їх випуск у світі зріс приблизно в три рази. Кількісний випуск промисловістю МК на сьогодні майже в 10 разів перевищує кількісний випуск традиційних МП.
Основні поняття і визначення
Мікропроцесор (МП) - це пристрій, який здійснює прийом,
Основні поняття і визначення
Мікропроцесор (МП) - це пристрій, який здійснює прийом,
Мікропроцесорна система (МПС) - обчислювальна, контрольно-вимірювальна або керувальна система, в якій основним пристроєм обробки інформації є МП.
Мулътипроцесорна система - система, яка утворюється об'єднанням деякої кількості універсальних або спеціалізованих МП, завдяки чому забезпечується паралельна обробка інформації і розподілене керування.
Мікропроцесорний комплект (МПК) - сукупність інтегральних схем, сумісних за електричними, інформаційними та конструктивними параметрами і призначених для побудови електронно-обчислювальної техніки та мікропроцесорних систем керування. Зазвичай МПК містить: ВІС МП, ВІС оперативних запам'ятовувальних пристроїв (ОЗП), ВІС постійних запам'ятовувальних пристроїв (ПЗП), інтерфейси або контролери зовнішніх пристроїв, службові ВІС (тактовий генератор, регістри, шинні формувачі, контролери шин, арбітри шин).
Мікроконтролер - являє собою пристрій, який виконаний конструктивно в одному корпусі
Мікроконтролер - являє собою пристрій, який виконаний конструктивно в одному корпусі
Інтерфейс - визначає правила взаємодії компонентів системи, а також правила побудови технічних засобів призначених для реалізації цієї взаємодії.
Класифікація мікропроцесорів
МП та МПК класифікують за такими ознаками: призначенням, кількістю ВІС,
Класифікація мікропроцесорів
МП та МПК класифікують за такими ознаками: призначенням, кількістю ВІС,
За призначенням МП поділяють на універсальні та спеціалізовані:
1. Універсальні МП - це МП загального призначення, які розв'язують широкий
1. Універсальні МП - це МП загального призначення, які розв'язують широкий
На світовому ринку універсальних МП домінують МП компанії Intel - Pentium (P5, P6), та їх клони компанія AMD: K5, K6, компанія Cyrix: Ml, M2 з системою команд х86 (CISC-процесори). Решта виробників універсальних МП випускають RISC-процесори, що складає біля 10% ринку. RISC- процесори: Архітектура Power PC - компанія Motorola: Power PC 603, 604, 620, Архітектура PA - компанія HP: PA-8000, Архітектура Alpha - компанія DEC: лінія Alpha (21064, 21164,21164A), Архітектура SPARC - компанія SUN: лінія SPARC, Архітектура MIPS -компанія Silicon Graphics: лінія MIPS R-x (R10000).
Дані МП працюють з тактовою частотою до декількох ГГц і містять на кристалі від десятків мільйонів до декількох мільярдів транзисторів. У відповідності з емпіричним правилом, яке сформулював Гордон Мур, один з засновників компанії Intel, степінь інтеграції мікросхем подвоюється кожні 1.5-2 роки. Це правило виконувалося на протязі 40 років і можна прогнозувати, що воно буде виконуватися і в найближчому майбутньому.
Мікропроцесори архітектури CISC в основному застосовуються у персональних комп'ютерах, а архітектури RISC-в потужних серверах та робочих станціях.
Спеціалізовані МП призначені для розв'язання задач лише певного класу. До спеціалізованих
Спеціалізовані МП призначені для розв'язання задач лише певного класу. До спеціалізованих
Цифрові сигнальні процесори (ЦСП) або сигнальні процесори (в англ. DSP - Digital Signal Processors) - призначені для цифрової обробки сигналів у реальному масштабі часу. Перший цифровий сигнальний процесор TMS320C10 був випущений в 1982 році і з того часу сфера застосування ЦСП постійно розширювалася.
Архітектура ЦСП визначається декількома базовими операціями, які використовуються в алгоритмах цифрової
Архітектура ЦСП визначається декількома базовими операціями, які використовуються в алгоритмах цифрової
Рівняння рекурсивного цифрового фільтра ма вигляд:
Для ефективної реалізації цифрових алгоритмів необхідна апаратна підтримка базової операції ЦОС: множення з накопиченням (MAC - Multiply and Accumulate)
Для ЦСП характерними є:
наявність достатніх об'ємів внутрішньокристалічної пам'яті для даних і
Для ЦСП характерними є:
наявність достатніх об'ємів внутрішньокристалічної пам'яті для даних і
можливість захисту програм від несанкціонованого доступу;
підтримка режиму енергозбереження (в процесорах TMS320C54x реалізована ефективна трирівнева система управління енергоспоживанням).
Робота в реальному часі вимагає від технічних засобів ЦСП:
високої продуктивності (до 66 МП);
забезпечення можливості інтенсивного обміну даними з зовнішніми пристроями (хост-інтерфейс дає змогу обмінюватися даними з іншим МП на швидкості до 160 Мбайт/с. Буферизований послідовний порт дає змогу здійснювати обмін з пристроями і пам'яттю без використання ресурсів процесора. Максимальна швидкість - до 40 Мбайт/с).
В ЦСП зараз це досягається завдяки розділу пам'яті та шин програм і даних (так звана гарвардська архітектура) (в TMS320C54x три внутрішні шини даних і одна програм) та апаратному помножувачеві даних, за допомогою якого перемноження двох чисел здійснюється протягом одного такту.
Крім цього в ЦСП використовуються методи скорочення тривалості командного циклу, характерні
Крім цього в ЦСП використовуються методи скорочення тривалості командного циклу, характерні
конвеєризація виконання команд;
розташування операндів більшості команд в регістрах МП;
використання внутрішніх регістрів для зберігання результатів обчислень;
реалізація в системі команд таких операцій як множення з нагромадженням МАС (С=А хВ+С);
реалізація можливості виймання з пам'яті одного або декількох операндів в циклі виконання команди.
ЦСП різних компаній-виробників утворюють два класи, що суттєво відрізняються ціною:
більш дешеві МП з обробкою даних в форматі з фіксованою комою;
дорожчі МП, що апаратно підтримують операції над даними в форматі з плаваючою комою.
Можливості ЦСП роблять їх привабливими для використання не тільки в ролі спеціалізованих обчислювачів, але й в ролі контролерів у промислових роботах, побутових приладах, системах керування зброєю, засобах безпровідного зв'язку. Серед найпоширеніших сімейств сигнальних процесорів TM320Cxx - фірми Texas Instruments, 21xx, 210xx - Analog Devices, DSP560xx та DSP9600x - фірми Motorola.
Мікроконтролери призначені для застосування у вбудованих системах управління, в тому числі
Мікроконтролери призначені для застосування у вбудованих системах управління, в тому числі
За своїми функціональними можливостями та технічними характеристиками МК найкращим чином придатні до використання у складі пристроїв керування технологічними процесами, інформаційно-вимірювальних та контрольно-діагностичних систем. Виробництво і використання МК швидко зростає.
Сучасний МК є складною цифровою системою, розміщеною на кристалі. До її складу входять: 1) один 8ми або 16ти, чи рідше 32х розрядний процесор; 2) внутрішня пам'ять програми (від 1го до 10— кбайт) та даних; 3) широкий набір інтерфейсних і периферійних пристроїв, зокрема, портів вводу/виводу, таймерів, аналого-цифрових перетворювачів (АЦП), цифро-аналогових перетворювачів (ЦАП) та інших. 8-розрядні МК представляють найбільш чисельну групу в класі МК, які мають відносно низьку продуктивність, якої проте цілком достатньо для вирішення широкого кола задач управління різними об'єктами. Це прості і дешеві МК, орієнтовані на використання у відносно нескладних пристроях масового випуску. Основними областями їх застосування є побутова та вимірювальна техніка, промислова автоматика, автомобільна електроніка, теле-, відео- і аудіоапаратура, засоби зв'язку.
Для цих МК характерна Гарвардська архітектура з окремою пам'яттю програм і
Для цих МК характерна Гарвардська архітектура з окремою пам'яттю програм і
МК цієї групи переважно виконують відносно невеликий набір команд (50-100), використовують найпростіші способи адресації.
16-розрядні МК в багатьох випадках є удосконаленою модифікацією 8-бітних прототипів. Вони характеризуються не тільки збільшеною розрядністю даних, але і розширеною системою команд і способів адресації, збільшеним набором регістрів і об'ємом пам'яті. В багатьох випадках реалізується програмна сумісність з 8-бітними моделями. Основні сфери застосування: складна промислова автоматика, телекомунікаційна апаратура, медична та вимірювальна техніка.
32-розрядні МК містять високопродуктивний RISC- або CISC-процесор, який відповідає по своїм можливостям молодшим моделям універсальних МП. Це дає змогу використати величезний об'єм прикладного і системного програмного забезпечення, створений раніше для відповідних ПК.
В цілому для МК характерні:
широкі функціональні можливості;
високі технічні параметри;
низька вартість.
Медійні та
В цілому для МК характерні:
широкі функціональні можливості;
високі технічні параметри;
низька вартість.
Медійні та
На сьогоднішній день можна виділити два класи МП, які забезпечують підтримку мультимедіа на апаратному рівні: це універсальні процесори з мультимедійним розширенням набору команд (MMX, 3DNow!, SSE) і мультимедійні мікропроцесори. Там, де мультимедійні операції домінують над традиційними числовими операціями ефективніше використовувати мультимедійні МП.
Мультимедійні процесори представляють собою поєднання архітектури традиційних сигнальних і універсальних МП. До медіапроцесорів на сьогоднішній день можна віднести:
Mediaprocessor компанії MicroUnity;
TriMedia компанії Philips;
NVI компанії Nvidia;
MediaGx компанії Cyrix.
Мультимедійний мікропроцесор компанії Philips TriMedia призначений для використання в якості сопроцесора
Мультимедійний мікропроцесор компанії Philips TriMedia призначений для використання в якості сопроцесора
Структура МП TriMedia зображена на рис. Її компонентами є високошвидкісна шина зі швидкістю передачі даних 400 Мбіт/с, яка зв'язує вузли МП: процесорне ядро, відеовхід, відеовихід, аудіовхід, MPEG-декодер, сопроцесор обробки зображень і комунікаційний блок.
В МП використовується роздільна кеш-пам'ять: 32 Кбайти для команд і 16
В МП використовується роздільна кеш-пам'ять: 32 Кбайти для команд і 16
Ефективна для мультимедійних задач система команд процесора дає змогу здійснювати одночасне MPEG-декодування аудіо- та відеоданих при використанні всього лиш 22 % обчислювальних ресурсів процесора і 12% ресурсів пам'яті.
У зв'язку з більш простою схемотехнікою вартість медійних процесорів досить низька, а значення показника "продуктивність/вартість" на два-три порядки вища.
Трасп'ютери - призначені для масових паралельних обчислень і роботи у мультипроцесорних системах. Трансп'ютер - це мікрокомп'ютер з власною внутрішньою пам'яттю та каналами (links) для з'єднання з іншими трансп'ютерами. Термін "трансп'ютер" виник внаслідок об'єднання слів "транзистор" і "комп'ютер". Перший трансп'ютер Т414 був представлений фірмою Inmos Inc. (Великобританія) у 1983 році. Його основні характеристики:
розрядність 32 біти;
об'єм внутрішньої пам'яті 2 Кбайти;
число лінків - 4;
швидкість обміну по лінку 5, 10, 20 Мбіт/с;
тактова частота - 15 МГц;
продуктивність 10 MIPS.
Основна область його застосування - це масово-паралельні обчислювальні системи, в яких трансп'ютер відіграє роль базового обчислювального елементу.
Для трансп'ютерів характерним є наявність внутрішньої пам'яті та вбудованого міжпроцесорного інтерфейсу,
Для трансп'ютерів характерним є наявність внутрішньої пам'яті та вбудованого міжпроцесорного інтерфейсу,
За кількістю розрізняють багатокристальні МК і однокристальні MK. До багатокристальних комплектів відносять MUK з однокристальними і секційними МП.
Однокристальний МП є конструктивно завершеним виробом у вигляді однієї BIC, інша назва - МП з фіксованою розрядністю даних. До цього типу належать процесори фірм Intel (P5, P6, P7), AMD - K5, Кб, Cyrix - 6XB6, Motorola - Power PC 603, б04, б20, серії K5B0, 1B01, 1B06, 1B10, 1B21 та інші.
У секційних МП в одній BIC реалізується лише деяка функціональна частина
У секційних МП в одній BIC реалізується лише деяка функціональна частина
За способом керування розрізняють МП із схемним та МП з мікропрограмним керуванням.
МП зі схемним керуванням мають фіксований набір команд, розроблений фірмою-виробником, який не може змінювати користувач.
У МП з мікропрограмним керуванням систему команд розробляють при проектуванні конкретного MHK на базі набору найпростіших мікрокоманд з урахуванням класу задач, для розв'язання яких призначений MHK.
За типом архітектури, або принципом побудови розрізняють МП з фоннейманівською архітектурою і МП з гарвардською архітектурою.
За типом системи команд розрізняють CISC (Complete Instruction Set Computing) -процесори
За типом системи команд розрізняють CISC (Complete Instruction Set Computing) -процесори
Основними параметрами МП є система (набір) команд, розрядність і тактова частота.
Система
Основними параметрами МП є система (набір) команд, розрядність і тактова частота.
Система
Розрядність показує, скільки двійкових розрядів (бітів) інформації опрацьовується, або передається за один такт, а також скільки двійкових розрядів використовується для адресації пам'яті.
Об'єм пам'яті, що адресується, або по іншому адресний простір, залежить від кількості ліній шини адреси МП. Якщо ліній 20, то адресний простір становить 220=1Мбайт і т.д.
Тактова частота вказує, скільки елементарних операцій (тактів) МП виконує за секунду. Але вона є лише відносним показником продуктивності МП. Через архітектурні відмінності в деяких МП за один такт виконується робота, на яку інший МП затрачає кілька тактів.
За прогнозами економістів та спеціалістів розвиток технології виробництва МП у найближчі роки ітиме в напрямку: 1) збільшення густини транзисторів на кристалі, яка на сьогодні складає біля 0,05 мкм (5-10-6 м) при кількості транзисторів на кристалі близько 40 млн.; 2) росту числа шарів металізації; 3) підвищення тактової частоти; 4) зменшення напруги живлення та питомої (на один транзистор) споживаної потужності; 5) зменшення питомої (на один транзистор) теплової потужності, що виділяється в кристалі.
На шляху подальшої мініатюризації крім фізичних обмежень є і економічні. Справа
На шляху подальшої мініатюризації крім фізичних обмежень є і економічні. Справа