Микропроцессоры. Что это такое и где они применяются

Микропроцессоры. Что это такое и где они применяются?

Микропроцессор – это программно-управляемое устройство. Процедура выполняемой им обработки данных определяется программой, т.е. совокупностью команд. Команда делится на две части: код операции и адрес. В коде операции заключена информация о том, какая операция должна быть выполнена над данными, подлежащими обработке. Адрес указывает место, где расположены эти данные (в регистрах общего назначения микропроцессора, т. е. во внутренней или внешней памяти). Слово данных, подвергаемое обработке, представляет один байт. Команда может состоять из одного, двух или трех байтов, последовательно расположенных в памяти.

Микропроцессоры (их размер можно сравнить с кусочком сахара или мобильным телефоном) являются своего рода локомотивом компьютера и часто самым дорогим внутренним его компонентом. Процессор в основном считывает данные из памяти, манипулирует ими и возвращает их обратно в память или передает на внешние устройства, например, монитор или принтер.

Микропроцессор может обрабатывать данные любой природы: текст, числа, графика, звук и др. Это возможно потому, что данные перед использованием на компьютере преобразовываются к простейшему виду, представляются в двоичном коде, “оцифровываются”. Физически это может выглядеть как чередование намагниченных и размагниченных участков жесткого диска, отражающих и не отражающих луч участков компакт-диска, передаваемых сигналов напряжения высокого и низкого уровня и т.д.

Микропроцессор - электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации, является «мозгом» компьютера. Скорость его работы во многом определяет быстродействие компьютера. На первый взгляд процессор это просто выращенный по специальной технологии кристалл кремния. Однако камешек этот содержит в себе множество отдельных элементов – транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать». Процессор состоит из нескольких важных деталей: собственно процессора – «вычислителя» и сопроцессора – специального блока для операций с «плавающей точкой» (или запятой). Применяется сопроцессор для особо точных и сложных расчётов, а также для работы с рядом графических программ.
А началось всё с появлением скромной, по своим возможностям, микросхемы Intel 4004 – первого микропроцессора.

История создания первого в мире микропроцессора достаточно поучительна. Летом 1969 г. японская компания “Busicom”, разрабатывавшая новое семейство калькуляторов, обратилась за помощью в фирму “Intel”. К тому времени “Intel” просуществовала всего около года, но уже проявила себя созданием самой емкой на тот момент микросхемы памяти. Фирме “Busicom” как раз и требовалось изготовить микросхемы, содержащие несколько тысяч транзисторов. Для реализации совместного проекта был привлечен инженер фирмы М.Хофф. Он познакомился с разработками “Busicom” и предложил альтернативную идею: вместо 12 сложных специализированных микросхем создать одну программируемую универсальную – микропроцессор.

15 ноября 1971 г. можно считать началом новой эры в электронике. В этот день компания приступила к поставкам первого в мире микропроцессора Intel 4004. Это был настоящий прорыв, ибо МП Intel-4004 размером менее 3 см был производительнее гигантской машины ENIAC. Правда работал он гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил первый МП в десятки тысяч раз дешевле.

Через три года фирма Intel выпустила процессор 8080, который мог выполнять уже 16-битные арифметические операции, имел 1б-разрядную адресную шину и, следовательно, мог адресовать до 64 Кбайт памяти. Процессор 8080 стал основной частью первого небольшого компьютера. 1978 год ознаменовался выпуском процессора 8086 с размером слова в 16 бит (два байта) , 20-разрядной шиной и мог оперировать уже с 1 Мбайт памяти. Следующим крупным шагом в разработке новых микропроцессоров стал появившийся в 1982 году процессор 8028б. Он обладал 24-разрядной адресной шиной, мог распоряжаться 16 мегабайтами адресного пространства. В октябре 1985 года был выпущен 80386DX с 32- разрядной шиной адреса (максимальное адресное пространство - 4 Гбайт) , а в июне 1988 года - 80386SX, более дешевый по сравнению с 80386DX и обладавший 24-разрядной адресной шиной. Затем в апреле 1989 года появляется микропроцессор 80486DX, а в мае 1993 - первый вариант процессора Pentium (с 32-разрядной шиной адреса) - главнейшее достижение фирмы Intel.

В мае 1995 года в Москве на международной выставке Комтек-95 фирма Intel представила новый процессор — P6, который претендовал на статус массового процессора. Впервые в истории промышленности многокристальный модуль станет крупносерийным изделием.

За несколько десятилетий ученые выявили закономерность, назвав ее «законом Мура» - Ежегодно мощность МП удваивается!

Достоинства микропроцессоров.

Для МП характерны:

• простота производства (по единой технологии);

• низкая стоимость (при массовом производстве);

1. малые габариты (пластина площадью несколько квадратных сантиметров или кубик со стороной несколько миллиметров);

• высокая надежность;

• малое потребление энергии.

Микропроцессор выполняет следующие функции:

• чтение команд из основной памяти;

• чтение данных из ОП и регистров адаптеров внешних устройств;

• прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;

• обработку данных и их запись в ОП и регистры адаптеров ВУ;

• выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.

• управление различными устройствами, входящими в состав компьютера.

По назначению различают универсальные и специализированные МП

Универсальные МП это — такие, в системе команд которых заложена алгоритмическая универсальность. Последнее означает, что выполняемый машиной состав команд позволяет получить преобразование информации в соответствии с любым заданным алгоритмом. К универсальным МП относятся и секционные микропроцессоры, поскольку для них система команд может быть оптимизирована в каждом частном проекте создания секционного микропроцессора. Эта группа МПК наиболее многочисленна, в нее входят такие комплекты как КР580, Z80, Intel 80x86 К582, К587, К1804, К1810.

Специализированные МП -предназначены для решения определенного класса задач, а иногда только для решения одной конкретной задачи. Их существенными особенностями являются простота управления, компактность аппаратурных средств, низкая стоимость и малая мощность потребления.

По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные МП. В однопрограммных МП выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы. Во много или мультипрограммных МП одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые МП. Сами микропроцессоры — цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. При создании микропроцессоров используются все виды архитектуры, созданные за время их развития: регистровая, стековая, ориентированная на оперативную память.

По конструктивному признаку МП можно разделить на однокристальные МП с фиксированной длиной (разрядностью) слова и определенной системой команд; многокристальные (секционные) МП с наращиваемой разрядностью слова и микропрограммным управлением (они состоят из двух БИС и более).

Наряду с многокристальными и однокристальными МП используются секционированные или разрядно-модульные МП. Основной их отличительной особенностью является то, что каждый модуль предназначен для обработки нескольких разрядов машинного слова, а слово в целом обрабатывается группой.

К обязательным компонентам МП относятся арифметико-логическое (исполнительное) устройство и блок управления. Они характеризуются скоростью (тактовой частотой), разрядностью или длинной слова (внутренней и внешней), архитектурой и набором команд. Архитектура МП определяет необходимые регистры, стеки, систему адресации, а также типы обрабатываемых процессором данных. Обычно используются следующие типы данных: бит (один разряд), байт (8 бит),слово (16 бит), двойное слово (32 бита). Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, памятью, портами ввода-вывода).

Основными характеристиками микропроцессора являются быстродействие и разрядность. Быстродействие - это число выполняемых операций в секунду. Разрядность характеризует объём информации, которую МП обрабатывает за одну операцию - 8-разрядный процессор за одну операцию обрабатывает 8 бит информации, 32-разрядный - 32 бита.

Любую задачу компьютер разбивает на отдельные логические

операции, производимые над двоичными числами, причем в одну

секунду осуществляются сотни тысяч или миллионы таких операций.

Полный набор таких операций называют системой команд.

МП отличаются друг от друга двумя характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. Наиболее распространены модели Intel-8088, 80286, 80386SX, 80386(DX), 80486(SX, SX2, DX, DX2, DX4 и т.д.)

и Pentium, они приведены в порядке возрастания производительности

и цены.

Внутреннее устройство микропроцессоров очень сложно (вспомним три миллиона транзисторов в “Pentium”). Даже если попытаться рассмотреть наиболее общую схему основных функциональных узлов, и то получится достаточно сложная картина. Следует ограничиться, как это принято делать, только теми функциональными узлами, которые доступны программно. При таком подходе оказывается, что МП имеют много общего, и становятся отчетливо видны некоторые закономерности их внутреннего устройства. Кроме того, исчезает пугающая сложность и возникает приятное и полезное чувство, что компьютер – это не какая-то там “вещь в себе” и его поведение можно понять.

В настоящее время микропроцессорная техника делает большие успехи в применении в различных отраслях производства.

Не следует думать, что бурное развитие микропроцессоров требуется только для вычислительных машин, где МП используются не только в качестве центрального процессора, но и в качестве контроллеров для управления сложными периферийными устройствами типа винчестера или лазерного принтера. Все чаще их используют в изделиях, напрямую не связанные с ЭВМ, в том числе и бытовых: в лазерных аудио- и видеопроигрывателях, телетексте и пейджинговой связи, в программируемых микроволновых печах и стиральных машинах, в автомобилях. Их используют в производстве, управляя сложнейшими технологическими процессами в информационных и измерительных комплексах, энергетике, в промышленных контроллерах и автоматике, в POS-терминалах, в тестовом, измерительном и медицинском оборудовании. Очевидно, что число таких управляемых микропроцессорами устройств будет все время возрастать.

Список литературы, использованные источники:

1. «Основы промышленной электроники» В.Г. Герасимов (третье издание) «Высшая школа» Москва

2. «Технология и конструкция микросхем, микропроцессоров и микросборок» Л.А. Коледов «Радио и связь» Москва

3. «Инженер-конструктор технолог микроэлектронной и микропроцессорной техники» Б.Ф. Высоцкий «Радио и связь» Москва,

1. http://compiron.euro.ru/ - «Мир компьютерного железа»

1. http://www.programz.by.ru – «Полезные программы и информация»

2. Горбунов В. Л., Панфилов Д. И., Преснухин Д. Л. Справочное пособие по микропроцессорам и микроЭВМ. – М.: Высшая школа.

10