Микропроцессоры. Организация и структура микропроцессора

Использование новых принципов и совершенство­вание технологии интегральных микросхем позволили довести степень интеграции до такого уров­ня, при котором в объеме одного кристалла с ли­нейным размером в несколько миллиметров оказалось возможным разместить сотни тысяч активных и пас­сивных элементов электроники.

При этом количество стало переходить в качество: появилась возможность органичного объединения арифметического устройства, логических элементов и триггеров оперативной памяти с устройством управ­ления и сокращения до минимума длины линий (доли микрометра) и времени (доли микросекунды) передачи внутренних сигналов управления.

Так возник микропроцессор, решающий разнооб­разные математические и логические задачи с точностью и скоростью соизмеримой, а иногда и не усту­пающей тем, которые достигнуты в современных боль­ших электронных вычислительных машинах. Такие кристаллы с помощью устройств ввода — вывода ин­формации включаются в системы автоматического управления, практически неограниченно расширяя их возможности, вплоть до наделения элементами ин­теллекта.

Области применения микропроцессоров расширя­ются. Соответственно умножаются и требования, предъявляемые к ним. Естественно, что одна, даже многофункциональная, схема не в состоянии удовлетво­рить всем потребностям практики с учетом технологи­ческих и экономических ограничений. Установлено, например, что двукратное увеличение разрядности двоичных чисел, с которыми оперирует микропроцес­сор, приводит к увеличению его стоимости примерно в десять раз.

Микропроцессоры отличаются друг от друга слож­ностью, возможностями и стоимостью. Микропроцес­сор, предназначенный для решения одной задачи в конкретной системе автоматического управления, про­ще универсального микропроцессора, рассчитанного на применение в различных САУ или в микроЭВМ.

Важнейшие характеристики микропроцессора — разрядность и быстродействие. Разрядность опреде­ляет точность обработки информации и, следователь­но, точность работы САУ, а быстродействие — воз­можность работы устройства в реальном масштабе времени, что существенно для многих, в том числе и управляющих технологическими процессами, систем.

Серийно выпускаются микропроцессоры с разряд­ностью 4, 8, 16, 32. В некоторых микропроцессорах предусмотрена возможность удвоения количества раз­рядов. Быстродействие составляет от 200 тыс. до 2 млн. опер/с.

Широко применяются два типа микропроцессоров: с аппаратным и микропрограммным уст­ройством управления.

Микропроцессор с аппаратным управлением рас­считан на решение жестко фиксированной задачи или группы однотипных задач. Вычислительный процесс и логика его работы определены характером внутрен­них соединений элементов схемы и не могут быть изменены в процессе эксплуатации. Принципиальная схема взаимодействия основных блоков микропроцессора, имеющего аппаратное управление, приведена на рис. 1. Схемные блоки связаны многопроводными шинами, формируемыми в процессе изготовления кристалла БИС. Для уменьшения количества внешних соединений кристалла одни и те же линии используются как для ввода, так и для вывода данных. Специальное устройство (в схему на рис. 1 оно не включено) осуществляет разделение процессов ввода и вывода во времени. Входные данные (например, сигнал от предшествующего звена САУ) поступают в устройство управления (УУ), которое вырабатывает фиксированную последовательность команд, выполняемых арифметическо-логическим устройством (АЛУ) и регистрами. Полученные в результате работы микропроцессора данные (выходной сигнал) через шину ввода — вывода передаются в последующее звено системы автоматического управления.

Группа регистров содержит регистры общего назначения и специальные регистры. Ре­гистры общего назначения (обычно их 16) служат оперативной памятью микропроцессора. От их количества зависят его разрядность и быстродействие. Специальные регистры используются для счетчика команд, выработки признака результата и некоторых других функций.

Микропроцессоры с аппаратным управлением вы­полняются в одном кристалле.

Микропроцессоры с микропрограммным управле­нием имеют универсальное назначение. Они могут решать различные математические и логические задачи в зависимости от сменных программ, вводимых в память микропроцессора. Может меняться и длина их разрядной сетки.

Микропроцессоры с микропрограммным управлением обычно изготовляются на основе нескольких кристаллов БИС, в том числе блока центральных процессорных элементов ЦПЭ, блока микропрограммного управления БМУ и памяти для микропрограмм (рис. 2). Блок ЦПЭ состоит из нескольких кристаллов БИС, каждый из которых аналогичен микропроцессору с аппаратным управлением.