Микропроцессор. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Микропроцессор (МП) - программно-управляемое универсальное устройство для цифровой обработки дискретной и (или) аналоговой информации и управления процессом этой обработки, построенное на одной или неск. больших интегральных схемах (БИС). По существу, МП может выполнять те же функции, что и процессор ЭВМ (или его составная часть),- отсюда с учётом изготовления его по технологии микроэлектроники произошло назв. "МП".

Области применения МП определяются, с одной стороны, возможностями МП как БИС - компонента электронных схем, а с другой - возможностями МП по обработке информации и управлению этим процессом, присущими ЭВМ. В совокупности с БИС постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) (см. Памяти устройства)и БИС управления вводом-выводом информации МП позволяет создавать универсальные ЭВМ, причём он выполняет функции процессора (организацию работы ЭВМ, логич. и арифметич. обработку информации). Др. область применения МП - специа-лизиров. системы для сбора информации с объекта, её обработки и оптим. управления объектом. Примерами из этой области являются специализиров. управляющие МП (микроконтроллеры) и приборы со встроенной микропроцессорной системой ввода-вывода информации и её обработки (т. н. интеллектуальные приборы).

Спектр применений МП в физике определяется наряду с этим ещё двумя обстоятельствами. Во-первых, МП, работающий от внеш. источника энергии и управляющий состоянием замкнутой системы, способен управлять изменением её энтропии заданным образом [1]. Эта способность широко используется в автомати-зиров. устройствах управления системами для оптимизации либо повышения эффективности происходящих в них процессов (напр., удержание на заданном уровне температуры печи, в контур управления нагревателем к-рой включён МП). Во-вторых, любой алгоритм обработки информации можно реализовать программно (с помощью выполнения соответствующей программы универсальным МП) либо аппаратурно (с помощью епециализиров. МП, при разработке к-рого искомый алгоритм был реализован непосредственно в его электронной схеме). Последний способ обеспечивает макс, быстродействие алгоритма и представляет интерес в том случае, когда требуется обрабатывать информацию с частотой, превышающей частоту её обработки программным путём. Напр., для обработки изображений, следующих с частотой телевизионной развёртки, широко используется фурье-МП, аппаратурно реализующий алгоритмы быстрого преобразования Фурье.

МП характеризуются: полупроводниковой технологией изготовления интегральных схем, составляющих МП, их кол-вом; архитектурой (логич. организацией МП, определяющей процесс обработки информации в конкретном МП и включающей методы кодирования информации, состав, назначение и принципы взаимодействия аппаратурных средств МП); набором инструкций; ёмкостью адресуемой памяти; производительностью; стоимостью и др. [1, 2, 4, 5].

Первый МП - 4-разрядный Intel-4004 (фирма Intel, США) - появился в 1971 в ходе разработки программируемого калькулятора. Он состоял из 4 БИС, мог адресовать 4,5 кбайт памяти и имел 45 инструкций со временем выполнения 10-20 мкс. За ним в 1974 последовал 8-разрядный МП, а в 1976 насчитывалось уже св. 50 разд. типов МП. К 1989 разрядность МП увеличилась до 16-32 бит, время выполнения инструкций снизилось до 0,1-2 мкс, объём адресуемой памяти увеличился до десятков Мбайт.

По числу БИС, составляющих МП, их можно условно разделить на два существенно различных класса: однокристальные и многокристальные.

Однокристальные МП (ОМП) - функционально законченные процессоры с фиксируемыми разрядностью и набором инструкций. При этом инструкциями процессора являются инструкции ОМП. Обычно архитектура систем, построенных непосредственно на основе таких МП, повторяет архитектуру МП. Для построения системы достаточно подключить к ОМП блоки ОЗУ, ПЗУ, управления вводом-выводом информации и тактового генератора. ОМП различаются типом шин [типом набора проводников, функционально предназначенных для передачи информац. и (или) управляющих сигналов] адреса и данных: раздельные шины адреса и данных позволяют одновременно передавать по ним коды адреса и данных; совмещённые шины адреса и данных позволяют передавать адрес и данные в разные моменты времени, причём сначала производится адресация, т. е. выбор источника или получателя информации, а затем обмен данными. Такой способ, несмотря на большую сложность, позволяет сократить кол-во проводников шины и уменьшить кол-во выводов ОМП, что весьма существенно при увеличении его разрядности.

ОМП различаются также по способу синхронизации при выдаче адреса и обмена данными. В синхронных системах все сигналы строго определены во времени и обмен ведётся без подтверждения факта получения или выдачи информации абонентом.

В синхронно-асинхронных системах передача адреса осуществляется синхронно, а обмен происходит при взаимном обмене источника информации и её получателя сигналами подтверждения приёма (передачи) информации по след, схеме:

- источник начинает цикл обмена, выставляя данные на шины, и с временной задержкой, необходимой для надёжной установки данных на линиях связи, выставляет сигнал данные на шине;

- получатель по сигналу данные на шине производит их запись и только после этого выставляет сигнал данные получены на соответствующую линию связи;

- источник, получив сигнал данные получены, снимает сигнал данные на шине и сами данные;

- получатель после снятия сигнала данные на шине снимает сигнал данные получены;

- источник после снятия сигнала данные получены завершает текущий цикл обмена.

Этот способ обеспечивает высокую надёжность обмена, т. к. менее чувствителен к помехам, сбоям и временным характеристикам как узлов, участвующих в обмене, так и линий связи.

Многокристальные (секционные) МП (CМП) - секции разрядности 2, 4, 8 или 16 бит о фиксиров. набором инструкций для построения процессора с изменяемой разрядностью слова и разл. архитектурой. CMII позволяют создавать специализиров. процессоры с наборами инструкций, ориентированными на определ. применение (напр., фурье-анализ, процедуры обработки данных). При этом каждая инструкция такого специали-зиров. процессора состоит из последовательности инструкций (программы) СМП. В этом случае принято называть инструкции СМП микроинструкциями, а процесс разработки инструкций процессора - микропрограммированием.

Наряду с удобствами применение СМП связано с определ. трудностями: требуется микропрограммирование инструкций процессора. Поэтому наиб, распространёнными являются ОМП. В то же время, благодаря микропрограммированию инструкций процессора, состоящего из СМП, можно достичь его макс, производительности. В этом направлении наиб, перспективна разработка процессоров с сокращённым набором инструкций RISC (от англ. Reduce Instruction Set).

Архитектура МП. Для программиста понятие архитектуры МП включает в себя совокупность аппаратурных, программных и микропрограммных возможностей МП, важных при его программировании (внеш. архитектура). Для разработчика микропроцессорной аппаратуры важными особенностями, с точки зрения архитектуры МП, являются его аппаратурная организация и логич. структура электронных схем, отд. блоков и связывающих их информац. шин (внутр. архитектура). Эти особенности могут быть отличными от внеш. архитектуры МП.

Существует два типа внутр. архитектуры процессора, построенного из СМП: вертикальная и горизонтальная. В случае вертикальной архитектуры секция является функционально законченным и-разрядным процессором (2, 4, 8 или 16 бит), допускающим наращивание разрядности слова объединением секций. При горизонтальной архитектуре построения процессора секция является одним из его узлов, объединяемых для получения re-разрядного процессора.

Внеш. архитектура МП, как правило, традиционна: один набор команд обрабатывает один набор данных - SlSD (от англ. Single Instruction Single Data stream). Совр. МП в этом отношении предоставляют проектировщикам микропроцессорных систем новые возможности, т. к. большинство их имеет аппаратурные и программные средства для построения многопроцессорных систем. Так, становятся возможными архитектуры типов SIMD (от англ. Single Instruction Multiple Data stream), MISD (от англ. Multiple Instruction Single Data stream) и MIMD (от англ. Multiple Instruction Multiple Data stream).

Принцип функционирования МП. МП работает, выполняя т. н. циклы инструкций - последоват. извлечения из памяти (ОЗУ, ПЗУ) инструкций, управляющих работой МП, их анализ и исполнение. При этом в начале цикла МП обращается к памяти один раз для чтения инструкции, а затем при необходимости ещё неск. раз для чтения (записи) данных из памяти или ввода-вывода данных через устройства ввода-вывода информации (УВВ).

В ОМП обычно используется одна и та же шина для обращения к памяти и УВВ (рис. 1, а), причём в один и тот же момент времени может читаться или записываться только одна инструкция или слово данных, т. е. инструкции и данные обрабатываются последовательно (рис. 1, б).

Рис. 1. Архитектура (а) и временная диаграмма цикла инструкции (б) однокристального микропроцессора.

В СМП шины данных (адреса) памяти, в к-рых хранятся микроинструкции, как правило, разделены (рис. 2, а) и процесс выборки след, инструкции может быть совмещён во времени с исполнением текущей инструкции (рис. 2, б).

Рис. 2. Архитектура (а) и временная диаграмма цикла инструкции (б) секционного микропроцессора.

Технология изготовления МП. При произ-ве МП используются все известные виды технологий (ТТЛ, ТТЛШ, И²Л, И³JI, ЭСЛ, n-МОП, к-МОП и р-МОП [3-4]), дающие разл. выходные характеристики МП. Так, технология ТТЛШ позволяет получить быстродействующие МП с высокой радиац. стойкостью, но имеющие большую потребляемую мощность и невысокую степень интеграции, технология n-МОП обеспечивает высокую степень интеграции при умеренной мощности потребления, но низкую радиац. стойкость. Высокими потребительскими свойствами обладают МП, изготовленные по технологии к-МОП на подложке из сапфира, а изготовленные по технологии р-МОП имеют низкую себестоимость, но обладают небольшим быстродействием.

Универсальные и специализированные МП. Универсальный МП представляет собой многофункциональную БИС или их набор с программируемой логикой работы. Из-за своей универсальности он зачастую имеет низкую эффективность использования в разл. областях применений из-за несоответствия архитектуры МП характеру задач.

Альтернативой ему в этом отношении является специализиров. МП, архитектура к-рого полностью ориентирована на решение конкретной задачи. Появление таких МП стало возможным благодаря технологии произ-ва БИС на базе вентильных матриц или базовых матричных кристаллов, когда один или неск. нижних слоев БИС являются неизменными, а меняется лишь верх, слой (слои) [5].

Специализиров. МП развиваются по пути создания МП, реализующих спец. алгоритмы обработки данных (алгоритмич. МП). Для традиц. архитектуры первыми шагами в этом направлении стала разработка МП с сокращённым набором инструкций (RISC) и МП с набором инструкций языков программирования высокого уровня.

Алгоритмич. МП - по сути развитие указанных направлений. Напр., применительно к задачам физики создаются алгоритмич. МП, служащие для обработки изображений и речи, цифровой фильтрации сигналов (систолич. ЭВМ) [5], а также МП для аналитич. вычислений, реализации метода наим. квадратов, линейного программирования, работы с фактографич. базами данных и др.

Среди специализиров. МП можно выделить МП для обработки сигналов (сигнальные МП), к-рьте по сути дела являются алгоритмич. МП, обрабатывающими информацию, заданную не в цифровом виде. При этом перед началом её цифровой обработки МП преобразует эту информацию в цифровой вид (напр., аналоговый сигнал - с помощью встроенного аналого-цифрового преобразователя). В случае аналоговых входных сигналов обрабатывающий их специализиров. МП наз. аналоговым MП [4]. Они могут выполнять функции любой аналоговой схемы (усиление сигнала, модуляцию, смещение, фильтрацию и др.) в реальном масштабе времени. При этом применение аналогового МП значительно повышает точность обработки сигналов, их воспроизводимость, расширяет функциональные возможности обработки сигналов за счёт цифровых методов.

Прогресс в развитии МП будет определяться как новыми микроэлектронными технологиями их изготовления, так и новой архитектурой МП, реализующей разл. способы обработки информации: параллельную, ассоциативную и др. Причём поскольку технология в ближайшие годы позволит достигнуть предела по параметру плотности логич. вентилей на кристалл (определяется межатомными размерами кристалла), на первое место выйдет разработка новых принципов обработки информации и архитектур МП.

Литература по микропроцессорам

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.