Потапов Л.А. Основы электроники

Подождите немного. Документ загружается.

перезаписи данных на протяжении многих лет (флэш-память

начинает терять данные через 10

циклов).

Одной из первых была сегнетоэлектрическая память FRAM,

которая сегодня используется в электрических счетчиках, сетевых

серверах и других устройствах.

Гораздо больше перспективы у магниторезистивных ОЗУ

MRAM, у которых для хранения данных используется эффект

изменения магнитного сопротивления материала. Основными

преимуществами этих ОЗУ являются быстрый доступ и

неограниченное количество циклов программирования и стирания

(много больше 10

). По оценкам специалистов время записи может

составить 2,3 нс (на три порядка меньше, чем у самых

быстродействующих схем флэш-памяти и в 20 раз меньше, чем у

динамических ОЗУ). Кроме этих преимуществ важное значение

имеет высокая радиационная стойкость, малая величина тока

считывания (на два порядка меньше, чем у ДОЗУ) и освоенность

технологии магнитных материалов (тех же, что и в магнитных

накопителях).

Совершенствованием технологии MRAM занимается много фирм. Фирма

IBM совместно с Infineon в 2003 году представила опытный образец MRAM-

матрицы емкостью 128 Кбит, выполненной по стандартной

0,18 мкм-технологии логических микросхем с трехслойными медными

межсоединениями. Площадь ее базовой ячейки памяти составляет 1,4 мкм

время выборки и записи одинаковы – 5 нс. На ближайшее будущее фирмы

планируют освоение опытных образцов 256 Мбит MRAM.

Другая фирма Cypress уже выпускает микросхемы СУ9С6264 с MRAM-

ячейками памяти, которые полностью сопоставимы со статическими ОЗУ

8 КY×Y8 бит и могут заменить ЭСРПЗУ, флэш-память и FRAM.

Совершенно иное направление в разработке энергонезависимой

памяти выбрала фирма Ovonyx. Работа так называемой

унифицированной памяти фирмы Ovonyx OUM основана на

эффекте изменения фазы исходного материала (халькогенида),

применявшегося для создания CD- и DVD- дисков с возможностью

перезаписи. К достоинствам OUM-памяти относятся простота

структуры, радиационная стойкость, малая площадь ячейки памяти

возможность неразрушающего считывания и селективной перезаписи

данных без стирания, малая потребляемая мощность и большое число

циклов перезаписи – более 10

. На сегодняшний день наибольший

143

объем OUM-памяти составляет 4YМбит, минимальный размер

элементов схемы – 0,18 мкм.

Самую высокую плотность записи данных смогут обеспечить

полимерные сегнетоэлектрические ОЗУ (PFRAM). Специалистами

фирмы Thin Film Electronics получена специфическая группа

полимеров с двумя стабильными состояниями поляризации. Это

позволяет программировать память путем изменения поляризации

пленки, заключенной между взаимно перпендикулярными

металлическими шинами, и обеспечивает энергонезависимость

памяти. Разработанные на фирме тонкие пленки полимера (толщиной

менее 0,1 мкм) можно наносить на любую подложку или поверх друг

друга с помощью обычных промышленных процессов.

Формирование многослойных структур позволяет получать ранее

недостижимо малые геометрические размеры памяти. При этом

увеличение емкости памяти не влечет за собой существенного

увеличения потребляемой мощности (энергия считывания или записи

одного разряда информации не превышает 1 пДж).

Новые типы энергонезависимой памяти имеют

многообещающие характеристики. Однако широкое применение

получит тот или те типы, которые окажутся самыми дешевыми и

простыми в изготовлении.

4.2. Микропроцессоры

Основным узлом всех устройств микропроцессорной техники

является микропроцессор (МП) или однокристальный

микроконтроллер (ОМК). Основное отличие МП от всех ранее

рассмотренных цифровых устройств заключается в способе обработки

информации. В обычных цифровых устройствах – последовательностных

или комбинационных –входные сигналы обрабатываются аппаратно, и

результат определяется схемой соединения различных элементарных

узлов – конъюнкторов, дизъюнкторов, триггеров и т. д. В МП процесс

обработки информации осуществляется программно, т.е. путем

последовательного выполнения элементарных действий – команд

программы, и результат обработки определяется этой программой.

Решаемая задача, таким образом, задается программой, а сами

аппаратные средства (микропроцессор и набор дополнительных ИС)

144

остаются неизменными. Это определяет универсальность устройств и

систем на основе МП.

Микропроцессором называется программно-управляемое

устройство в виде интегральной микросхемы, обрабатывающее

цифровую информацию и управляющее этим процессом. МП может

принимать, дешифрировать и выполнять команды, представленные в

двоичном коде.

Однокристальный микроконтроллер (ОМК) (его часто

называют однокристальной микроЭВМ) помимо арифметико-

логического устройства, устройства управления и сверхоперативной

памяти (регистров общего назначения), которые входят и в

однокристальный микропроцессор, содержит также оперативную и

постоянную память, устройство ввода/вывода и некоторые другие

устройства. Однако адресуемая емкость памяти у

однокристального микроконтроллера существенно меньше, чем

у однокристального микропроцессора, поэтому применяются ОМК в

узкоспециализированных системах в составе контроллеров с вполне

определенными алгоритмами обработки информации.

Для построения микропроцессорной системы на базе

микропроцессора используют микропроцессорный комплект –

набор совместимых интегральных микросхем, содержащий тактовый

генератор, таймеры, устройства прямого доступа к памяти,

устройства ввода/вывода и некоторые другие устройства.

Совершенствование микропроцессоров шло параллельно с

развитием микроэлектронной технологии, позволяющей размещать

в одном кристалле все большее количество транзисторов. Это можно

проследить на примере семейства МП фирмы Intel. Первый МП,

выпущенный в 1971 году был 4-разрядный и содержал 2300

транзисторов. Потом были созданы 8-, 16- и 32-разрядные МП, в

которых число транзисторов насчитывало уже сотни тысяч.

С 1995 года начат выпуск МП нового поколения Pentium Pro, в

котором насчитывается 5,5 млн транзисторов. МП седьмого

поколения корпорации Intel – Pentium IV, имеющий также название

Willamate, стал серьезной модернизацией архитектуры процессора

Pentium PRO. Направлениями модернизации были: переход на новую

системную шину, расширение объемов кэш-памяти и числа конвейеров.

Тактовая частота последних (2003 год) модификаций МП превысила 3

ГГц.

145

4.2.1. Виды процессорных устройств

В настоящее время имеются следующие основные виды

микропроцессоров [5]: универсальные микропроцессоры с CISC-

архитектурой; универсальные микропроцессоры с RISC-

архитектурой; специализированные микропроцессоры (сигнальные,

арифметические и др.); микроконтроллеры.

Универсальные микропроцессоры с CISC-архитектурой

(Complicated Instruction Set Computer – компьютер со сложным

набором команд) применяются главным образом в персональных

компьютерах и серверах. Лидером в этой области является фирма

Intel, которой комплектуется более 80 % выпускаемых персональных

компьютеров. Универсальные микропроцессоры с RISC-

архитектурой (Reduced Instruction Set Computer – компьютер с

сокращенным набором команд), применяются в основном в рабочих

станциях и мощных серверах.

В классе специализированных микропроцессоров в

настоящее время наиболее широко представлены DSP (Digital Signal

Processor) – процессоры цифровой обработки сигналов. Кроме DSP,

выпускаются микропроцессоры, специализированные для передачи

информации в системах коммуникации – коммуникационные

контроллеры, а также для обработки графической информации,

арифметические сопроцессоры и многие другие.

Однокристальные микроконтроллеры (ОМК) являются

наиболее массовыми представителями микропроцессорной техники.

Интегрируя на одном кристалле высокопроизводительный процессор,

память и набор периферийных устройств, они позволяют с

минимальными затратами реализовать широкую номенклатуру

систем управления различными объектами и процессами.

Использование ОМК в системах управления и обработки

информации обеспечивает исключительно высокие показатели

эффективности при столь низкой стоимости, что им практически нет

альтернативной элементной базы для построения качественных и

дешевых систем. Во многих применениях система может состоять

только из одного однокристального микроконтроллера. Исключением

является применение программируемых логических интегральных

схем (ПЛИС) для обработки сигналов, когда требуется параллельная

146

обработка большого потока входных данных. Производством

микроконтроллеров занимается огромное число фирм.

К сожалению, отечественная электронная промышленность,

также имевшая некоторые успехи в этой области, в настоящее время

утратила свои позиции среди производителей микропроцессоров.

При разработке современных электронных приборов российские

специалисты используют в основном зарубежную элементную базу,

которая стала доступной широкому кругу потребителей.

Среди микроконтроллеров, производящихся в России, следует

отметить микроконтроллеры серий 1816 и 1830, являющиеся

аналогами контроллеров семейства MCS51.

МикропроцессорыYхарактеризуются:

1) тактовой частотой, определяющей максимальное время

выполненияYпереключенияYэлементовYвYЭВМ;

2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно

обрабатываемых двоичных разрядов (разрядность МП обозначается

m/n/k, где m – разрядность внутренних регистров, определяющая

принадлежность к тому или иному классу процессоров;

n – разрядность шины данных, определяющая скорость передачи

информации; k – разрядность шины адреса, определяющая размер

адресного пространства). Так, МП i8088 характеризуется

значениямиYm/n/k=16/8/20;

3) архитектурой (понятие архитектуры микропроцессора

включает систему команд и способы адресации, возможность

совмещения выполнения команд во времени, наличие

дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы

и режимы его работы).

Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.

Микроархитектура микропроцессора – это аппаратная организация и

логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие

схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие

устройства и связывающие их информационные магистрали.

Макроархитектура – это система команд, типы обрабатываемых

данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.

В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное

представление машины в терминах основных функциональных

модулей, языка ЭВМ, структуры данных.

147

По назначению различают универсальные и

специализированные микропроцессоры. Универсальные

микропроцессоры могут быть применены для решения широкого

круга разнообразных задач. При этом их эффективная

производительность слабо зависит от проблемной специфики

решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация

на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко

увеличить его эффективную производительность при решении только

определенных задач.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить

различные математические МП, предназначенные для повышения

производительности арифметических операций за счет применения,

например, матричных методов их выполнения, МП для обработки

данных в различных областях и т. д. С помощью

специализированных МП можно эффективно решать новые сложные

задачи параллельной обработки данных.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают

цифровые и аналоговые микропроцессоры. Микропроцессоры могут

иметь встроенные АЦП и ЦАП, тогда входные аналоговые сигналы

передаются в МП через АЦП в цифровой форме, там обрабатываются

по соответствующей программе и после преобразования с помощью

ЦАП в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной

точки зрения такие микропроцессоры представляют собой

аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются

аналоговыми микропроцессорами.

Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например,

производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию,

кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д.,

заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек

индуктивности, конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового

микропроцессора позволяет значительно повысить точность обработки

аналоговых сигналов, а также расширить функциональные возможности

самого МП путем программной «настройки» цифровой части микропроцессора

на различные алгоритмы обработки сигналов. Обычно в составе

однокристальных аналоговых МП имеется несколько каналов аналого-

цифрового и цифро-аналогового преобразования. В аналоговом

микропроцессоре большое значение уделяется увеличению скорости

выполнения арифметических операций. Отличительная черта аналоговых

микропроцессоров – способность к переработке большого объема числовых

данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой

148

скоростью при необходимости даже путем отказа от операций прерываний и

переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму,

обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в

аналоговой форме через цифроаналоговый преобразователь. При этом,

согласно теореме Котельникова, частота квантования аналогового сигнала

должна вдвое превышать верхнюю частоту сигнала.

Цифровые микропроцессоры сравниваются по времени выполнения ими

списков операций, аналоговые микропроцессоры – по количеству

эквивалентных звеньев аналого-цифровых рекурсивных фильтров второго

порядка. Производительность аналогового микропроцессора определяется

его способностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрее

осуществляется умножение, тем большее эквивалентное число звеньев фильтра

в аналоговом преобразователе и тем более сложный алгоритм преобразования

цифровых сигналов можно задавать в микропроцессоре. Одним из направлений

дальнейшего совершенствования аналоговых микропроцессоров является

повышение их универсальности и гибкости, поэтому вместе с повышением

скорости обработки большого объема цифровых данных развиваются средства

обеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой

информации путем применения аппаратных блоков прерывания программ и

программных переходов.

По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на

синхронные и асинхронные. У синхронных микропроцессоров начало и конец

выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения

операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин

операндов). Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения

каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания

выполнения предыдущей операции.

4.2.2. Внутренняя архитектура микропроцессора

149

Основными внутренними компонентами МП являются

арифметико-логическое устройство, реализующее множество

арифметических и логических функций МП, узел синхронизации и

управления, воспринимающий и генерирующий внешние

управляющие сигналы; набор регистров для временного хранения

кодов команд, данных, адресов и информации о внутреннем

состоянии МП (рис.4.1).

Рис.4.1. Внутренняя организация микропроцессора

Содержимое некоторых из внутренних регистров МП может

быть изменено программным путем, другая их часть недоступна

программисту. Общее число внутренних регистров МП разных

семейств различно, как различны конкретные функции,

выполняемые ими. Тем не менее при всем многообразии

внутренних регистров МП наиболее значимыми являются

следующие виды.

Регистр команды воспринимает код текущей команды с

шины данных и хранит его в течение всего времени ее исполнении.

Регистр команды недоступен программисту.

Для хранения данных и промежуточных результатов в МП

используются программно-доступные рабочие регистры. Если все

150

Буфер ША

Регистр

команды

Дешифратор

команды

Схема синхронизации

и управления

РОН

АЛУ

Аккумулятор

Флажки

Буфер ШД

ШУ

ША

ШД

Внутренняя шина данных

ГТИ

рабочие регистры в составе МП позволяют непосредственно

записывать в них результаты вычислений, выполненных АЛУ, их

обычно называют регистрами общего назначения (РОН). Если в МП

имеется всего лишь один такой специализированный регистр, его

называют аккумулятором.

Регистры для хранения адресов (указательные регистры) также

программно доступны. К указательным регистрам относятся

программный счетчик (другое наименование – указатель

команды), а также регистры – указатели стека.

Программный счетчик (РС) обеспечивает хранение

двоичного кода адреса ячейки памяти, где помещена команда,

которую предстоит выполнить процессору вслед за исполняемой им

в данный момент командой.

Новый цикл выбора команды МП всегда начинается с того,

что на его шине адреса появляется содержимое РС, и очередная

команда по этому адресу переписывается с шины данных в регистр

команд, после чего она поступает на дешифратор команды. Выходы

дешифратора подключены к узлу синхронизации и управления,

определяющему требуемое для выполнения этой команды

направление передачи данных и реагирующему на внешние

сигналы, поступающие по шине управления от других устройств. В

процессе исполнения команды содержимое РС автоматически

увеличивается. Таким образом, в любой момент времени его

содержимое представляет собой адрес очередной ячейки памяти, где

может храниться либо следующая команда, либо дополнительные

данные, привлекаемые МП для исполнения данной команды.

Регистр-указатель стека SP используется для хранения

адреса последней использованной ячейки стека (области памяти,

размер которой изменяется в процессе обработки). Работа стека

организована по принципу «последним пришел – первым вышел».

При записи данных в стек содержимое регистра SP автоматически

уменьшается, и по этому адресу данные заносятся в память. При

удалении данных из стека они переписываются из ячейки, адрес

которой хранится в SP, после чего его содержимое автоматически

увеличивается. Таким образом, этот регистр всегда следит за

положением вершины стека (наиболее удаленной от начала стека

ячейки памяти).

151

Информация об особенностях результата последней операции,

выполненной АЛУ (информация о внутреннем состоянии МП),

хранится в регистре флажков (другие его названия – регистр

состояния, регистр кода условия). В микропроцессорной технике так

обычно называют простой набор триггеров, состояния которых

зависят от результатов операции АЛУ (строго говоря, простой набор

отдельных триггеров нельзя называть регистром, но применительно к

МП это не вызывает особых недоразумений). Каждый триггер в

составе регистра состояния устанавливается (или сбрасывается) при

какой-то своей особенности результата в АЛУ (например, триггер

нуля Z, переполнения V, отрицательного результата

N переноса С и

др.). Регистры состояния программно-доступны, причем программист

может установить (или сбросить) каждый триггер в отдельности

или одновременно весь регистр.

Рассмотренные основные компоненты в составе МП связаны

между собой быстродействующей внутренней шиной данных, а его

внешние шины отделены от нее буферными каскадами,

повышающими нагрузочную способность внешних шин. Отметим,

что разрядность МП определяется числом бит данных,

обрабатываемых в одной операции АЛУ, и всегда равна числу

проводников внешней шины данных. Объем адресуемой памяти

МП зависит от проводников внешней адресной шины. Нетрудно

убедиться в том, что с помощью адресной шины из N

проводников МП можно передать 2

различных двоичных адресов

ячеек памяти. Всякому внешнему устройству ввода/вывода также

присваивается определенный адрес, что позволяет МП осуществлять

операции ввода/вывода подобно обращению к обычной ячейке

памяти.

Все операции в МП инициируются импульсами синхронизации

от внешнего (реже встроенного) генератора тактовых импульсов (ТГ),

стабилизированного кварцевым резонатором. По значению частоты

следования импульсов синхронизации в первом приближении

можно судить о быстродействии МП. При прочих равных условиях

оно тем больше, чем выше частота синхронизации. Первые образцы

МП работали при частотах тактового генератора

2…4 МГц, для современных МП типичны значения частоты порядка

1…3 ГГц и выше.

152