Антошина И.В., Котов Ю.Т. Микропроцессоры и микропроцессорные системы (аналитический обзор)

Подождите немного. Документ загружается.

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Московский государственный университет леса»

Факультет электроники и системотехники

Кафедра электроники и микропроцессорной техники

______________________________________

И.В. Антошина, Ю.Т. Котов

Микропроцессоры

и микропроцессорные системы

(аналитический обзор)

Москва 2005 г.

Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Разработано в соответствии с Государственным образовательным

стандартом ВПО 2000 г. На основе примерных программ дисцип-

лин «Микропроцессорные системы» (спец. 220100 (230101) Вы-

числительные машины, комплексы, системы и сети), «Микропро-

цессорная техника в приборостроении» (спец. 551500 (200100)

Приборостроение), «Микропроцессоры в системах управления».

Рецензент: доцент кафедры

прикладной математики В.Г. Пугин

Пособие содержит сведения о принципах построения, особенно-

стях функционирования современных микропроцессоров и микро-

процессорных систем на их основе

От авторов

Исходные материалы для данной работы были заимствованы

нами, в основном, из публикаций А. Андреева, А. Богданова, А.

Власова, Д. Волкова, А. Галушкина, А.

Геворкяна, А. Горбаня, Ю.

Горбачева, В. Дьяконова, А. Дудкина, Е. Зудиловой, В. Корнеева,

А. Кузнецова, М. Кузьминского, В. Мареева, Ю. Полякова, А.

Пылкина, Д. Россиева, Е. Станковой, В. Степанова, А. Шадского,

В. Шахнова, приведенных на различных сайтах в Internet. Мы не

претендуем на новизну материалов в данной работе и не можем

дать

гарантии в полной достоверности полученных выводов ввиду

очевидной неполноты исходного материала. Одновременно выра-

жаем благодарность всем вышеперечисленным авторам за приве-

денные в Internet материалы и надеемся, что отсутствие ссылок по

тексту на их работы не будет принято ими как нарушение нами их

авторских прав.

Оглавление

Стр.

Сокращения 5

Введение 6

1. Области применения микропроцессоров 7

2. Виды архитектур микропроцессоров 11

3. История развития микропроцессоров

3.1. Микропроцессоры первого поколения 16

3.2. Микропроцессоры второго поколения 27

3.3. Микропроцессоры третьего поколения 30

3.4. Микропроцессоры четвертого поколения 32

3.5. Микропроцессоры пятого поколения 34

3.6. Микропроцессоры шестого поколения 36

4. Классификация микропроцессоров 51

5. Особенности архитектуры 32-разрядных МП

5.1. Микропроцессоры с RISC –архитектурой

5.1.1. Общие принципы построения 61

5.1.2.

Берклийская архитектура 68

5.1.3. Станфордская архитектура 71

5.1.4. Применение RISC- архитектуры в 32-

разрядных МП

5.1.5. Особенности интеграции элементов RISC-

архитектуры в процессорах серии x86

5.2. МП с традиционной RISC - архитектурой

5.2.1. Intel Pentium 4 82

5.2.2. AMD Athlon 96

5.2.3. МС88110 компании Motorola 99

5.3 Микропроцессоры с масштабируемой архитектурой

5.3.1. SuperSPARC 103

5.3.2. MicroSPARC-II 106

6. Особенности архитектуры 64 – разрядных МП

6.1. Itanium 2 Intel 108

6.2. Athlon 64 AMD 112

6.3. UltraSPARC 111 Sun 117

6.4. Alpha 21264 DEC 127

6.5. PA 7100 Hewlett-Packard 135

6.6. R12000 MIPS 143

6.7. PowerPC 970 IBM 146

7. Микропроцессоры нетрадиционных архитектур

7.1 Ассоциативные процессоры 149

7.2. Матричные процессоры 150

7.3. ДНК процессоры 152

7.4. Клеточные процессоры 155

7.5. Коммуникационные процессоры 157

7.6. Процессоры баз данных 159

7.7. Потоковые процессоры 160

7.8. Процессоры с многозначной (нечеткой) логикой 162

7.9. Сигнальные процессоры 164

8. Архитектуры микропроцессорных систем

8.1 Структуры с централизованным, децентрализованным

и комбинированным управлением

174

8.2. Системы с перестраиваемой структурой 176

8.3. Системы с резервированием 178

8.4. Иерархические системы 179

8.5. Однопроцессорная МПС

типа «Общая шина»

183

8.6. Архитектуры с параллельной обработкой данных 186

8.6.1. SMP архитектура 190

8.6.2. MPP архитектура 192

8.6.3. Гибридная архитектура 193

8.6.4. PVP архитектура 195

8.6.5. Кластерная архитектура 196

8.6.6. Транспьютеры 202

8.6.7. МВС – 1000 215

8.6.8. Молекулярные МПС 218

8.6.9. Оптические МПС 225

8.6.10. Нейронная архитектура 243

8.6.11. Масштабируемая архитектура 260

9. Многопроцессорные системы

9.1. Общие требования, предъявляемые к МПС 263

9.2. Классификация систем параллельной обработки дан-

ных

268

9.3. Модели связи и архитектуры

памяти

276

9.4. Многопроцессорные системы с общей памятью 279

9.5. Многопроцессорные системы с локальной памятью 290

10. Режимы обмена в МПС 294

11. Каналы передачи информации в МПС 310

12. Организация памяти МПС 332

13.

Технологические аспекты полупроводниковой

технологии

350

Приложение 1 История развития компьютеров - период до

появления первого ПК

360

Приложение 2 История развития МП Intel 368

Приложение 3. Сводные данные о МП Intel 400

Приложение 4. Первая десятка самых мощных

микропроцессорных систем (суперкомпьютеров)

430

Сокращения:

ПК – персональный компьютер

МП - микропроцессор

МПС – микропроцессорная система

УВВ – устройство ввода - вывода

АЛУ – арифметико-логическое устройство

ПО – программное обеспечение

ВУ – внешнее устройство

ВС – вычислительная система

БИС (СБИС) – большая (сверхбольшая) интегральная схема

СОЗУ – сверхбыстрое оперативное запоминающее устройство

ЦПЭ – центральный процессорный элемнт

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство

ЗУ – запоминающее устройство

ЭВМ – электронная

вычислительная машина

РОН – регитр общего назначения

ШД – шина данных

ЦП – центральный процессор

ША – шина адреса

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство

АЛУ – арифметико – логическое устройство

ПДП – прямой доступ к памяти

ОС – операционная система

МПК БИС – микропроцессорный комплектк БИС

ЦПЭ – центральный процессорный элемент

КВВ – контроллер ввода - вывода

КПр – контроллер прерываний

ИНС – искусственная нейронная сеть

ССП – слово состояния процессора

Введение

Бурные темпы развития цифровых методов обработки ин-

формации влекут разработку и всеобщее внедрение в практику

вычислений и управления производством микропроцессорных

средств (персональных компьютеров и соответствующего перифе-

рийного оборудования) обработки информации. Их аппаратурная

реализация, включающая микропроцессоры, контроллеры, сис-

темные платы, шины, накопители, системы вывода видео- и ау-

диоинформации и т.

д., во многом обеспечивает заданные уровни

вычислительной мощности и функциональных возможностей сис-

тем, использующих эти средства.

Разработкой аппаратурных средств занимаются множество

фирм. Использование при разработке различных конструктивно-

технологических принципов порождает большое разнообразие ва-

риантов их построения для построения высокопроизводительных

вычислительных систем (ВС), основу которых составляют микро-

процессорные средства обработки информации (микропроцессор

ные системы – МПС).

При разработке МПС основным практически всегда стоит

вопрос выбора оптимального состава аппаратурных средств и,

прежде всего, микропроцессоров (МП), обеспечивающих получе-

ние максимально возможной эффективности работы системы. В

реальных условиях поиск соответствующих материалов для реше-

ния данного вопроса почти всегда оставался сложным из-за недос-

таточности публикаций обобщающего

характера. В данной работе

сделана попытка провести обзор наиболее известных существую-

щих микропроцессоров и общих принципов построения систем на

их основе.

1. Области применения микропроцессоров

При построении различных микропроцессорных систем

учету подлежат различные технические и производственно-

технологические факторы, влияющие на эффективность использо-

вания систем в аппаратуре. Состав аппаратуры МПС должен обес-

печивать:

- простое наращивание разрядности и производительности,

- возможность широкого распараллеливания вычислитель-

ного процесса,

- эффективную обработку алгоритмов решения различных

задач,

- простоту

технической и математической эксплуатации.

Сама МПС, будучи оснащенной разнообразными устройст-

вами ввода - вывода (УВВ) информации, может применяться в ка-

честве законченного изделия. Однако часто к МПС необходимо

подавать сигналы от множества измерительных датчиков и испол-

нительных механизмов какого - либо сложного объекта управле-

ния или технологического процесса. В этом случае уже

образуется

сложная вычислительная система, центром которой является МП.

Простые в архитектурном исполнении микропроцессоры

применяются для измерения временных интервалов, управления

простейшими вычислительными операциями (в калькуляторах),

работой кино-, фото-, радио- и телеаппаратуры. Они используются

в системах охранной и звуковой сигнализации, приборах и уст-

ройствах бытового назначения. Бурно развивается производство

электронных игр с использованием

микропроцессоров. Они поро-

ждают не только интересные средства развлечения, но и дают воз-

можность проверять и развивать приемы логических заключений,

ловкость и скорость реакции.

Видеоигры можно отнести к приложениям, требующим

использования компьютеров с ограниченным набором функций.

Сегодня игровые приставки потребляют наибольшее количество,

если не считать ПК, 32 - разрядных микропроцессоров. Наиболь-

шее

применение здесь получили МП Intel, Motorola. В устройстве

PlayStation фирмы Sony используется 32 - разрядный процессор

MIPS, а в видеоприставке Nintendo 64 — даже 64 - разрядный чип

того же производителя. Продукты компании Sega с видеоиграми

Saturn и Genesis вывели RISC - процессоры серии SH фирмы Hi-

tachi на третье место в мире по объему продаж среди 32 - разряд-

ных систем.

Хорошие перспективы сулит 32 - разрядным процессорам

рынок персональных электронных секретарей (PDA) и эле-

ктронных органайзеров. Современные электронные органайзеры -

яркий пример интегрированных приложений, ведь для них прак-

тически не

существует независимых поставщиков программного

обеспечения. С другой стороны, PDA типа Newton фирмы Apple,

по сути, не что иное, как новая вычислительная платформа, буду-

щее которой зависит от разработчиков программного обеспечения

(ПО).

До настоящего времени успехом среди электронных органай-

зеров пользуются устройства с ограниченным набором функций.

Тем не менее, дальнейшее совершенствование технологии может

вывести

эти «ручные» компьютеры в абсолютные лидеры, кото-

рые по объемам продаж в натуральном выражении должны

обойти ПК.

Важной функцией МП является предварительная обработ-

ка информации с внешних устройств (ВУ), преобразования форма-

тов данных, контроллеров электромеханических внешних уст-

ройств. В аппаратуре МП дает возможность производить контроль

ошибок, кодирование - декодирование информации и

управлять

приемо-передающими устройствами. Их применение позволяет в

несколько раз сократить необходимую ширину телевизионного и

телефонного каналов, создать новое поколение оборудования свя-

зи.

Использование МП в контрольно-измерительных приборах

и в качестве контрольных средств радиоэлектронных систем дает

возможность проводить калибровку, испытание и поверку прибо-

ров, коррекцию и температурную компенсацию, контроль и

управление измерительными комплексами, преобразование и об-

работку, индикацию и представление данных, диагностику и лока-

лизацию неисправностей.

С помощью микропроцессорных средств можно решать

сложные технические задачи по разработке различных систем сбо-

ра и обработки информации, где общие функции сводятся к пере-

даче множества сигналов в один центр для оценки и принятия ре-

шения. Например, в бортовых системах летательных аппаратов за

время полета накапливается большое количество информации от

различных источников, требующих зачастую незамедлительной ее

обработки. Это осуществляется централизованно с помощью вы-

числительной системы

на основе бортовой МПС.

Обобщая рассмотренные примеры использования МП, мож-

но выделить четыре основных направления их применения:

- встроенные системы контроля и управления;

- локальные системы накопления и обработки информации;

- распределенные системы управления сложными объектами,

- распределенные высокопроизводительные системы парал-

лельных вычислений.

Встроенные системы контроля и управления. Управляющие

встроенные МПС предназначены для решения локальных задач

управления объектами и могут выполнять функции контроллеров

устройств, подключаемых к МПС более высоких контуров управ-

ления или быть центром управляющих систем нижних контуров

управления.

Использование МПС даже в простейшей схеме управления

принципиально изменяет качество функционирования обслужи-

ваемых им устройств. Она позволяет оптимизировать

режимы ра-

боты управляемых объектов или процессов и за счет этого полу-

чать прямой и/или косвенный технико-экономический эффект.

Прямой технико-экономический эффект выражается в эко-

номии потребляемой энергии, повышении срока службы и сниже-

нии расхода материалов и оборудования. Косвенный технико-

экономический эффект связан со снижением требований к обслу-

живающему

персоналу и повышением производительности.

Опыт показывает, что практически во всех случаях исполь-

зование МПС только за счет экономии электроэнергии обеспечи-

вается ее окупаемость за 1 - 1.5 года. Управление оборудованием

на основе встроенных систем контроля и управления создает ре-

альные предпосылки создания полностью автоматизированных

производств.

Использование МПС повышает качество работы и произво-

дительность оборудования, существенно снижает требования к

персоналу, работающему на нем. Цифровое управление отдельны-

ми единицами оборудования на различных уровнях позволяет лег-

ко собирать информацию (или вызвать ее) с нижних на верхние

уровни иерархической системы управления.

Локальные системы накопления и обработки информации.

Уровень управления современным предприятием или учреждени-

ем требует наличия для любого специалиста или руководителя

достаточно большого объема специфичной информации. Это мо-

жет быть обеспечено за счет применения локальных микропро-

цессорных вычислительных систем.

Локальные, т. е. расположенные на рабочем месте, МПС

накопления и обработки информации экономически и технически

просто осуществляют информационное

обеспечение потребите-

лей. Объединение локальных систем между собой в сеть и дистан-

ционное подключение этой сети к центральной ЭВМ с громадным

информационным архивом позволяют создать завершенную авто-

матизированную систему информационного обеспечения.

Внешние устройства локальных МПС могут встраиваться в

корпус ЭВМ. Их устройства образуют комплект, минимально не-

обходимый для проведения вычислительных работ

и обработки

данных. В комплект сложных локальных МПС, ориентированных

на решение инженерных и научных задач, могут входить разнооб-

разные внешние устройства, например, печати, визуального ото-

бражения, внешней памяти, комплексирования, пульты операторов

общего назначения и т. д.

Распределенные системы управления сложными объектами.

Альтернативой широко распространенным системам с централь-

ным процессором становятся распределенные микропроцессорные

управляющие системы. В этом случае микропроцессоры и связан-

ные с ними схемы обработки данных физически располагаются

вблизи мест возникновения информации, образуя локальные МПС.

Такое построение системы позволяет вести обработку информа-

ции на месте ее возникновения, например, вблизи двигателей, ру-

лей управления, тормозной системы и т. д. В этом случае связь

системы с центральной системой обработки и накопления данных

и создает пространственно - распределенную систему управления.