В. А. Шахнов
РАЗВИТИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ
МИКРОПРОЦЕССОРОВ
И МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ
КОМПЛЕКТОВ БИС
Анализ возможностей микропроцессоров и микропро-
цессорных комплектов позволил определить области
лрименения микропроцессоров, где их использование
технически и экономически оправдано.
Более чем десятилетняя история развития
микропроцессорной техники полностью под-
твердила предполагавшееся революционизи-
рующее влияние микропроцессоров практиче-
ски на все сферы человеческой деятельности.
Это вл'ияние оказалось существенным в рав-
ной степени и на потребителей, и на изгото-
вителей микропроцессорных больших интег-
ральных схем (МП БИС). В конце 60-х — на-
чале 70-х годов фирмы и предприятия,
достигшие успеха в создании высокоинтегри-
рованных микросхем с регулярной струк-
турой, попытались создать функционально
сложные БИС, механически деля электричес-
кую схему ЭВМ на отдельные части, в прин-
ципе реализуемые по степени интеграции в
виде одной БИС. Этот путь оказался ошибоч-
ным, так как в одной ЭВМ практически не
было идентичных частей, а число выводов
каждой части исчислялось десятками и даже
сотнями.
Альтернатива такому пути — разделение
схемы ЭВМ «по горизонтали» или «по верти-
кали» на отдельные узлы, блоки, устройства,
которые по числу элементов и количеству вхо-
дов-выходов могут быть «вмонтированы» в
кристалл интегральной схемы (ИС).
При горизонтальном разделении схема
ЭВМ представляется в виде совокупности
п одинаковых слоев (Slice), включающих от-
дельные равнозначные фрагменты всех вхо-
дящих в ее структуру устройств и ведущих
обработку части (2, 4, 8) из всех разрядов
операндов. Электрически слои объединяются
специальными связями или схемами. По типу
устройств управления такие ЭВМ относятся,
как правило, к ЭВМ с микропрограммным
управлением (набор команд может быть оп-
ределен произвольно).
При вертикальном разделении схема ЭВМ
делится на функционально законченные бло-
ки, устройства, например, операционный блок,
блок управления, блоки ОЗУ, ПЗУ и т. д.,
которые могут быть реализованы в виде ИС.
По тип% устройства управления такие ЭВМ
относятся, как правило, к ЭВМ с аппаратной
реализацией сигналов управления (с жесткой
логикой, с хранящейся в памяти неизменяе-
мой системой команд).
Горизонтальное и вертикальное разделения
схемы ЭВМ породили два типа архитектуры
микропроцессоров (МП): секционированные с
наращиванием разрядности и микропрограмм-
ным управлением и однокристальные с фик-
сированными разрядностью и системой ко-
манд.
Секционированный микропроцессор обла-
дает способностью к наращиванию парамет-
ров (прежде всего разрядности обрабатывае-
мых данных) и функциональных возможнос-
тей. Секционированный МП образован
несколькими БИС, каждая из которых пред-
ставляет собой функциональную часть про-
цессора ЭВМ. Каждая из БИС секциониро-
ванного МП способна объединяться с таки-
ми же или смежными БИС, образуя при этом
различные функциональные устройства ЭВМ.
К секционированному МП обычно подклю-
чается БИС ПЗУ с хранящимися в ней мик-
рокомандами. Процессорная секция этого ти-
па МП включает (рис. 1): арифметическо-ло-
гическую секцию (АЛС), блок регистров,
входные мультиплексоры, выходные регистр
адреса и регистр-аккумулятор, дешифратор
микрокоманд, входные (Вх. Ш) и выходные
(Вых. Ш) шины. Работой микропроцессорно!]
секции управляют сигналы дешифратора
микрокоманд. Каждая микрокоманда подает-
ся после исполнения предыдущей. Исходные
данные поступают по Вх. Ш 1 (из оперативно-
запоминающего устройства) или по Вх. Ш 2
(из устройства ввода-вывода информации)
через мультиплексоры в АЛС. Результат вы-
полненной операции через регистр-аккумуля-
тор поступает на Вых. LLI 4 (по адресу, форми-
руемому в выходном регистре адреса), а так-
же на блок регистров для временного хране-
ния и на мультиплексоры для использования
на следующих этапах расчета. Связь с дру-
гими секциями осуществляется через линии
признаков и межразрядных связей.
Микропроцессор с фиксированными раз-
рядностью и набором команд конструктивно
выполняется в виде одной интегральной схе-
мы и представляет собой процессор ЭВМ. Все
выполняемые таким МП операции опреде-
ляются хранящимися в нем командами. В со-
став этого типа микропроцессора входят
(рис. 2): арифметическо-логическое устройст-
во (АЛУ), выходной регистр адреса, регистр
аккумулятор, блок регистров, регистр призна-
ков, схема управления, шины входная
(Вх. Ш 1), выходная (Вых. Ш 2) и управле-
ния. Особенность однокристального МП — на-
личие внутренней шины, по которой происхо-
дит обмен информацией между всеми функ-
циональными устройствами МП.
С целью расширения возможностей как
секционного, так и однокристального микро-
процессора к ним подключают дополнитель-
ные схемы, выполняющие те или иные функ-
ции. которые вместе с микропроцессорными
образуют микропроцессорный комплект инте-
гральных схем (МПК НС).
МПК ИС — совокупность- конструктивно и
электрически совместимых ИС, предназначен-
ных для построения микропроцессора, мик-
роЭВМ и др. вычислительных устройств с оп-
ределенным составом и требуемыми техниче-
скими характеристиками. Основу МПК ИС
составляет базовый комплект ИС одной серии,
из соответствующего набора которых может
быть построен микропроцессор. Базовый МПК
ИС может состоять из микросхемы однокрис-
тального микропроцессора с фиксированны-
ми разрядностью и набором команд или
комплекта ИС многокристального секциони-
рованного микропроцессора (рис. 3). Для
расширения функциональных возможностей
микропроцессора базовый МПК ИС допол-
няется другими типами ИС: ОЗУ, ПЗУ,
ППЗУ, интерфейсных, контроллеров внешних
устройств и т. д. Эти ИС могут иметь то же
обозначение, что и базовый МПК ИС, или
другой номер серии или даже иной тип кор-
пуса. Микросхемы МПК в количествах, необ-
ходимых и достаточных для построения кон-
кретного типа вычислительного устройства,
образуют микропроцессорный набор интег-
ральных схем.
•Успехи микроэлектроники в повышении
степени интеграции микросхем позволили соз-
L дать в одном кристалле третью архитектур-
ную разновидность микропроцессорных БИС:
однокристальную микроЭВМ. Операционный
блок, ОЗУ, ПЗУ, устройство управления и
другие функциональные части этого типа мик- :
роЭВМ выполнены в одном кристалле полу-
проводникового материала размером до
6X6 мм (рис. 4 и 5). Степень интеграции кри-
сталла, реализующего функции микроЭВМ,
в зависимости от ее разновидности, числа вы-
полняемых. команд, емкости ОЗУ и ПЗУ
и т. д., может достигать 500 тыс. элементов и
выше. Программа или набор команд, выпол-
няемые однокристальной микроЭВМ, как пра-
вило, постоянны и хранятся в собственном
ПЗУ.
Микропроцессор как интегральная схема
характеризуется типом корпуса, числом вы-
водов корпуса, видом технологии изготовле-
ния, степенью интеграции, помехоустойчи-
востью, числом источников питания, их но-
миналами и допусками на номиналы, потреб-
ляемой мощностью, нагрузочной способностью
активных выходов, коэффициентом объедине-
ния по входам, техническим ресурсом, устой-
чивостью к механическим, климатическим и
радиационным воздействиям.
Микропроцессор как вычислительное уст-
ройство характеризуется разрядностью обра-
батываемых данных и выполняемых команд,
способностью к наращиванию разрядности,
тактовой частотой, числом команд (микроко-
манд), внутренних регистров, уровней преры-
вания, возможностью режима прерывания,
типом интерфейса, способностью к обработке
десятичных кодов, объемом адресуемой памя-
ти, прямым доступом к памяти, наличием и
объемом стека, типом, числом входных и вы-
ходных шин и их разрядностью, объемом
программного обеспечения.
Микропроцессоры могут быть классифи-
цированы по ряду признаков, отражающих
их двойственную природу. МП, применяемый
в вычислительной технике и цифровой авто-
матике, называется универсальным, а МП,
предназначенный для построения одного типа
вычислительных машин, — специализирован-
ным (например, БИС микрокалькулятора).
По разрядности обрабатываемых данных МП
могут быть 2-, 4-, 8-, 12-, 16-, 24-, 32-разряд-
ными. По способу управления их можно раз- j
делить на МП со схемным и МП с микропро-
граммным управлением. Первые более быст-
родействующие, однако их программирован-
ное «поведение» однозначно определяется
хранящимися в них командами и электричес-
кой схемой. Вторые при сравнительно мень-
шем быстродействии функционируют в зави-
симости от последовательности микрокоманд,
устанавливаемой оператором. МП со схемным
управлением электрически более сложен
вследствие желания «заложить» в него как
можно больше команд и выцолняется, как
правило, по униполярным технологиям, бла-
годаря их большим возможностям по степени
интеграции. |
/Микропроцессоры выпускаются по микро-
электронным технологиям всех видов
(табл. 1), что позволяет потребителю оптими-
зировать свой выбор при построении средств
автоматизации.
ЭСЛ-технология определяет самое высокое
быстродействие созданных на ее основе БИС,
но отличается самой низкой плотностью ком-
поновки и высокой потребляемой мощностью.
На основе этой технологии построен секцио-
нированный сверхбыстродействующий микро-
процессорный комплект серии К1800.
Секционированные быстродействующие
микропроцессорные комплекты, выполненные
по ТТЛШ-технологии, также отличаются
сравнительно невысокой плотностью компо-
новки и высокой потребляемой мощностью
(все же меньшей, чем у ЭСЛ приборов). Эти
комплекты предназначены для построения
различных контроллеров, старших моделей
микроЭВМ, а также для мини-ЭВМ и вычис-
лительных машин типа ЕС ЭВМ.
Микропроцессоры на основе И2Л техноло-
гии обладают усредненными характеристика-
ми. По плотности компоновки они уступают
я-МДП-приборам, по быстродействию — ЭСЛ
и ТТЛ, по стоимости — р-МДП и п-МДП и т. д.
Эти микропроцессоры могут быть применены
при построении микроконтроллеров и микро-
ЭВМ с высокими, но не критичными к изме-
нению параметров характеристиками.
Технология n-МДП обеспечивает самую
высокую плотность компоновки и высокое
быстродействие, сравнимое с быстродействи-
ем ТТЛШ-приборов. Преодолимым недостат-
ком является трудность обеспечения широко-
го диапазона рабочей температуры окружаю-
щей среды. На основе этой технологии вы-
пускаются микропроцессорные комплекты, в
составе которых есть однокристальные мик-
ропроцессоры, микроЭВМ и микроконтролле-
ры. Основное их применение — встраиваемые
микроконтроллеры и микроЭВМ.
КМДП-технология гарантирует сверхниз-
кое энергопотребление (единицы мВт) и вы-
сокую помехоустойчивость. Основные области
ее применения — изготовление микросхем для
бытовой, носимой аппаратуры с аккумулятор-
ным питанием и промышленное оборудование,
в первую очередь — устройства числового
программного управления станками.
Микропроцессоры на основе р-МДП-техно-
логии отличаются низкой стоимостью и при-
меняются для микроЭВМ и бытовых прибо-
ров: калькуляторов, телеигр, часов и т. п.
Возможности микропроцессора и МПК ИС
(а значит, и области применения) зависят не
только от характеристик БИС, образующих
непосредственно микропроцессор: быстродей-
ствия, адресуемого объема памяти, системы
команд и т. д. Наличие в микропроцессорном
комплекте дополнительных интегральных
схем обогащает микропроцессор новыми ка-
чествами. К таким схемам следует отнести
БИС памяти оазличных типов (ОЗУ, ПЗУ,
ППЗУ, ЭППЗУ, УФППЗУ), контроллеры
связи с периферийными устройствами и уст-
ройствами стыковки с объектами контроля и
управления, специализированные процессоры
обработки информации, формирователи мощ-
ных сигналов и т. д. Однако по степени слож-
ности некоторые из таких микросхем могут
быть приравнены к микропроцессору, что эко-
номически ограничивает их разработку и про-
изводство.
По выполняемым функциям дополнитель-
ные БИС следует отнести к классу специали-
зированных или заказных, в которых ограни-
ченный набор функций выполняется с боль-
шей производительностью, чем в универсаль-
ном микропроцессоре. Пример таких БИС —
включенные в МПК серии К1802 умножите-
ли, выполняющие аппаратным способом опе-
рацию умножения двух чисел со значительно
большей скоростью, чем это смог бы выпол-
нить программным способом универсальный
микропроцессор.
Номенклатура дополнительных БИС очень
широка. Большинство их может быть реали-
зовано с использованием базовых матричных
кристаллов (БМК), получающих широкое
распространение в современной микропроцес-
сорной технике.
Функциональная мощность БМК характе-
ризуется числом ячеек (вентилей или транзи-
сторов), входов-выходов (выводов корпуса
БИС), библиотечных элементов, включающих
элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ, триггеры различ-
ных типов. Так, БМК К1801ВП1 включает g
себя 600 ячеек и стандартных элементов, в
том числе 80 усилительных, 40 периферийных
и 480 2-, 3-входовых схем И-НЕ, ИЛИ-НЕ и
различных типов триггеров. На основе этого
типа БМК в микропроцессорном комплекте
серии К1801 реализованы БИС управления
динамической памятью (К1801ВП1—030),
БИС управления последовательным вво-
дом-выводом (К18001ВП1—035), БИС
управления параллельным интерфейсом
(К1801ВП1—033, 034) и др.
К тенденциям развития микропроцессор-
ной технике следует отнести массовый выпуск
и широкое применение простых 4-разрядных
микропроцессоров для управления неслож-
ной аппаратурой, в основном бытовой техни-
кой; выпуск по КМДП-технологии микропро-
цессоров, выполненных ранее на других тех-
нологических принципах и хорошо зарекомен-
довавших себя у потребителей; эмуляция в
микропроцессорах наиболее популярных ар-
хитектур ЭВМ.
Микропроцессоры применяются в бытовой
технике и системах управления космическими
аппаратами, управлении автомобилем и ана-
лизаторах сложнейших быстропротекающих
процессов и т. д. Специалисты различных
стран установили более 100 тыс. возможных
применений микропроцессоров. При этом при-
нимались в расчет только те случаи, когда
использование МП технически и экономичес-
ки оправдано. Автором проанализированы не-
которые области применения микропроцессо-
ров, приведенных в табл. 1. Результаты ана-
лиза сведены в табл. 2.
В ежегодно рождающихся новых типах
МП и дополнительных схем используются по-
следние достижения микроэлектроники и вы-
числительной техники. Это позволяет еще
более расширить области применения МП,
достичь -еще большего эффекта от их приме-
нения.
ЛИТЕРАТУРА
4
1. Березенко А. И., Назарьян А. Р., К а р я-
г и н Л. Н. и др. Микропроцессорные комплекты повы-
шенного быстродействия. — М.: Радио и связь, 1981.—
168 с.
2. Борисов В. С., В а сен ко в А. А., Малаше-
вич Б. М. и др. Микропроцессорные комплекты инте-
гральных схем. Состав и структура /Под ред. А. А. Ва-
сенкова и В. А. Шахнова.— М.: Радио и связь,
1982.— 192 с.
Статья поступила 7 декабря 1983 г.
■ * ®
удк 681.3:621.3:007.52 {
