Микропроцессор

Статью нужно викификуваты, чтобы привести ее вид к стандартам Википедии. Пожалуйста, помогите добавлением подходящих внутренних ссылок или улучшением разметки статьи. (Октябрь 2010)
Микропроцессор 80486dx2

Микропроцессор ( англ. microprocessor ) - интегральная схема, которая выполняет функции центрального процессора (ЦП) или специализированного процессора. Сегодня слово микропроцессор является практически полным синонимом слова процессор, поскольку функциональный блок, что на ранних стадиях развития вычислительной техники занимали целую плату или даже шкаф, теперь умещается в одну небольшую интегральную схему с сотнями миллионов транзисторов внутри. С середины 1980-х микропроцессоры вытеснили другие виды ЦБ. Однако в целом это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня являются сложными комплексами больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем.


1. Этимология

В английском языке слово процессор ( англ. processor ) В целом означает функциональный блок устройства или системы (не обязательно в электронике), который выполняет определенный процесс. В украинском языке слова процессор, микропроцессор закрепились исключительно для обозначения электронной микросхемы, обрабатывает данные методом выполнения команд из определенного набора команд процессора.

Первым кто подал идею универсального вычислительного процессора был Гофф Тед, который разработал архитектуру первого микропроцессора. Практическую реализацию совершил Фредерико Фаггин [1].


2. История

Первая микросхема успешно заработала 12 сентября 1958 года в компании Texas Instruments. В 2000 году Нобелевскую премию по физике присудили Джеку Килби - за изобретение интегральной микросхемы. Еще одним творцом интегральной микросхемы считается Роберт Нойс, умерший в 1990 году (по правилам, Нобелевская вручается только живым ученым). Физики как таковой при создании микросхемы было немного, но Килби и Нойс ?всего лишь? придумали технологию, которая совершила переворот в электронной промышленности.

Первые микропроцессоры появились в начале 1970-х и использовались в электронных калькуляторах для обработки 4-битных слов, представляющих десятичные цифры в двоичном представлении. Довольно скоро появились другие встроенные реализации, такие как терминалы, принтеры, автоматические приборы и т.п., использовали 4-битные и 8-битные микропроцессоры. Появление 8-битных процессоров с 16-битной адресацией в середине 1970-х обеспечила достаточное пространство возможностей для реализации первых микропроцессоров общего назначения микрокомпьютерах.

Долгое время процессоры состояли из малых и средних интегральных схем, содержащих в себе эквивалент от нескольких до нескольких сотен транзисторов. Интеграция целого центрального процессора в один чип значительно уменьшила стоимость процессорной мощности. Последовательное внедрение микросхем с большей степенью интеграции делало целые классы компьютеров устаревшими, микропроцессоры появились в широком классе устройств, от малых встраиваемых систем и ручных компьютеров до самых мэйнфреймов и суперкомпьютеров.

Начиная с 1970-х увеличение процессорной мощности развивается по правилам так называемого закону Мура, который утверждает, что сложность интегральных микросхем удваивается каждые 18 месяцев, за те же минимальные деньги. В конце 1990-х основным сдерживающим фактором развития стало рассеиваемое микропроцессором тепло.

1971: Intel 4004

Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004. Его сменили 8-разрядные Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Но вследствие распространенности 8-разрядных модулей памяти был выпущен 8088, клон 8086 с 8-разрядной шиной памяти. Затем прошла его модификация 80186. В процессоре 80286 появился защищенный режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти. Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнес улучшенный защищенный режим, 32-битную адресацию, которая позволила использовать до 4 ГБ оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти.


3. Технологический процесс изготовления

Есть два основных направления развития индустрии производства микросхем.

Первое - разработка архитектуры, включая выбор тех или иных функций и особенностей будущих схем, микросхемотехника и компоновку на кристалле функциональных блоков и их элементов, воплощающих выбранные функции. А также - оптимизация готовых блоков для устранения узких мест, повышения производительности и надежности работы будущих схем, упрощения и удешевления их массового производства. Эти работы можно условно назвать "бумажными" - они выполняются "на кончике пера" и существуют лишь в виде компьютерных файлов и чертежей проектов будущих микросхем, что вовсе не исключает многократного компьютерного моделирования физической работы как отдельных блоков, так и микросхемы в целом. Для этого используются специальные, тщательно согласованы с реальными приборами физические модели транзисторов и других функциональных элементов. И чем тщательнее смоделирована работа проекта, тем быстрее и с меньшими ошибками будет изготовлена ​​сама микросхема (имеется в виду ее финальный, массовый вариант). Ведь отладка, поиск и исправление ошибок проектирования в уже готовом кристалле, как правило, значительно сложнее и дороже, чем моделирование на компьютере.

Второй основополагающий направление - это собственно полупроводниковые технологии производства микросхем. Сюда входят научная разработка и воплощение в "кремний" все более быстрых и меньших транзисторов, цепей связи между ними и остальным "обрамлением" микроструктур на кристалле, создание технологий изготовления рисунка линий и транзисторов на поверхности кремния, новых материалов и оборудования для этого, а также "manufacturability" - область знаний о том, как проводить микросхемы высшего качества, быстрее, с большим количеством годных кристаллов на пластине, меньшим числом дефектов и разбросом рабочих параметров.

Литография позволяет переносить на ряд слоев кремниевой подложки высокосложных микросхемы с миллионами транзисторов. Тогда как проектировщики микросхем продолжают добавлять новые функции и повышать производительность своей продукции, сокращение размеров транзисторов позволяет вмещать все большее их количество в пределах заданной области. То, насколько миниатюрными могут быть транзисторы и их соединения, напрямую зависит от длины волны света, используемого для переноса схемы на подложку.


4. Общая структура микропроцессорной системы

Выполнения того или иного алгоритма возможно при наличии микропроцессора и устройств, в которых хранится программа. Известно, что программа - это совокупность команд (правил), которые выполняются в последовательности, заданной алгоритмом. Команды выбираются из памяти в последовательности, задаваемой процессором. Процессор определяет адреса ячеек памяти, в которых хранятся необходимые данные. Данные передаются в процессор, где превращаются согласно командами, и результаты операции передаются снова в память.

Любая микропроцессорная система работает вместе с рядом внешних устройств, получая от них необходимую информацию и передавая другую. Для связи с внешними устройствами существует интерфейс ( англ. interface ). Этим термином обозначается весь комплекс устройств, правил и технических средств, регламентирующих и обеспечивающих обмен информацией между микропроцессором (включая память) и внешними устройствами. Главными в интерфейсе есть шины, или, как их еще часто называют, магистрали. Магистраль - это совокупность проводников, для которых строго нормированные логические уровни "0" и "1". Мощность сигналов на шинах должна быть достаточной для питания необходимого количества присоединенных к ним устройств. Для обеспечения этой мощности используются специальные микросхемы - шинные усилители (ШП).

По назначению, шины делятся на три типа:

  • адресные;
  • данных
  • управления.

Но реально как в микропроцессорной технике, так и в компьютерной часто две шины совмещают путем мультиплексування, что несколько снижает их быстродействие, но намного уменьшает количество выводов микросхем.


5. Система команд микропроцессоров

Низким уровнем, который позволяет описывать работу цифровых устройств - это уровни логических состояний их входов и выходов - таблицы состояний.

Следующим уровнем является способ описания - это язык значений входных и выходных сигналов, составляющих язык микрокоманд. Совокупность адресов и управляющих сигналов называются микрокоманды.

Третий уровень формализации описания работы микропроцессора - это язык команд - есть строгая последовательность микрокоманд, записывается в памяти микропроцессоров. То есть, команда, это слово или набор слов, дешифруются в последовательность микрокоманд. Отсюда следует, что любой процессор имеет строго фиксированный и ограниченный набор команд, который является характерным для данного процессора. Любая микрокоманда характеризуется своим форматом. Под форматом микрокоманды понимается ее протяженность и назначение каждого бита или их группы. Команды, также имеют свой фиксированный формат. (Протяженность микрокоманды - это стандартная для данного процессора количество бит в слове). В зависимости от протяженности команды, она может состоять из одного, двух, трех слов.

Формат памяти микропоцесорнои системы также тесно связан с длиной слова. Поэтому при сохранении таких команд соответственно используется адресное пространство и память. Если, например, команда состоит из трех слов, а используется с последовательной адресацией, то для хранения такой команды используются три последовательные адреса. Для того, чтобы такую ​​команду выбрать из памяти, необходимо иметь специальные средства, чтобы обеспечить ее представление как единое целое.

Структура команд полностью зависит от структуры микропроцессора, но независимо от типа процессора принято считать, что однословные команды полностью складаютья из кода операции. Двосливни команды состоят из кода операции и однословные операнда. Трисливни команды также состоят из двух частей: первая часть - код операции, а вторая - адрес, или двосливний операнд.

Типы команд, используемых тесно связаны с внутренней организацией и алгоритмом функционирования микропрограммного автомата процессора, и внутренней системой синхронизации. Микропроцессорная система функционирует синхронно с частотой тактовых сигналов внешнего генератора. В зависимости от типа микропроцессоров используется одно-или Двухфазная синхронизация. Независимо от этого в микропроцессорных системах используются длительные интервалы времени, чем тактовый интервал внешнего генератора. Одним из таких интервалов является машинный цикл - интервал, в течение которого микропроцессор обращается к памяти или устройства ввода-вывода. Машинный цикл (МЦ) составляет только часть цикла команды. В начале каждого МЦ на одном из выходов микропроцессора зьвляеться сигнал синхронизации, он передается по линии шины управления в память или устройства ввода-вывода и "извещает" о начале нового МЦ, в результате чего достигается согласование во времени внешних устройств с работой микропроцессора.

Цикл команды - это интервал времени, необходимый для выборки из памеяти команды, и его исполнение. Он состоит из 1-5 машинных циклов. Их конкретное число зависит от сложности выполняемой операции в данной команде и равно числу обращений микропроцессора к памяти. Продолжительность выполнения команды определяется количеством тактов в цикле команды и длительности такта.

Течение цикла команды делится на две фазы, работа микропроцессора выполняется в следующей последовательности. Устройство управления задает начало очередного цикла путем формирования сигнала, по которому число, находящееся в счетчике команд, отправляется в буферный регистр адреса и через него направляется для дешифрации. После прихода от микропроцессора сигнала управления "готов" с элемента памяти, находящийся по указанному адресу, считывается слово команды, которое подается по шине данных в буферный регистр данных, а затем в устройство управления, где дешифруется с помощью кода операции. Эта последовательность операций называется фазой выборки. За ней следует исполнительная фаза, в которой устройство управления формирует последовательность сигналов, необходимых для выполнения команды. За это время число, находящееся в счетчике команд, увеличивается на 1 (если длина команды есть 1) и формируется адрес команды, стоит вслед за выполняемый. Она хранится в счетчике до прихода сигнала задает начало очередного цикла команды.

Кроме адреса элемента в котором сохраняется необходимый байт от микропроцессора к ремонт, товары поступает сигнал по шине управления, который определяет характер операции - запись, или считывания. Выполнение указанных операций проходит в течение интервала времени, называется временем доступа. По истечении этого интервала от памяти в микропроцессор подается сигнал готовности, который является сигналом начала приема, или, соответственно, передачи сигналов в память. До получения сигнала готовности микропроцессор находится в состоянии ожидания. Интервал времени между импульсами обращения к внешним устройствам и получения от них ответа называется циклом ожидания.

Если, например, цикл команды рассматривать в соответствии с команды ввода данных, то первые два машинных цикла будут относиться к фазе выборки, а третий - к фазе выполнения команды. Во всех машинных циклах передается адрес, но в каждом цикле адрес принадлежит своему адресату, в первом - это адрес элемента, где здеригаеться код операции, во втором - адрес порта, что здеригае байт данных, в третьем - адрес аккумулятора микропроцессора, куда должен поступить байт данных с порта.


См.. также

Источники