Космонавтика  Конструирование интегральных микросхем 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 [ 47 ] 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

Глава 3.

Микропроцессоры и микроЭВМ

и. Микропроцессоры

Непрерывное повышение степени интеграции элементов на кристалле и их быстродействия позволили создать новый класс интегральных микросхем - микропроцессоры, являющиеся удачной реализацией изделий вычислительной техники на базе полупроводниковой технологии.

Микропроцессор (МП)-это программно-управляемое цифровое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких интегральных микросхем. Его отличительные свойства: экономичность изготовления как стандартного изделия в условиях серийного производства и гибкость применения как универсального устройства [6j. Эти свойства способствуют широкому распространению микропроцессорных устройств в различных отраслях паротного хозяйства и особенно в тех, где использование вычислительной техники и Электроники было проблематичным.

Общие принципы работы МП определяются его архитектурой. По архитектуре МП во многом подобен процессору -больших ЭВ.М, но, уступая последнему по функциональным и вычислительным возможностям, обладает такими преимуществами, как простота, належ-ность, малые габаритные размеры, масса, стоимость, потребляемая мощность. Это позволило перейти к производству новых видов изделий - микроЭЗМ, микроконтроллеров и других микропроцессорных средств вычислительной техники (МСВТ) самого разнообразного па-значения. Однако собственно МП не позволяет создать законченного управляющего или вычислительного устройства. Необходим комплект дополнительных микросхем (запоминающих устройств, устройств ввода/вывода, регистров, формирователей), который, согласуясь с МП по техническим характеристикам, позволяет создать завершенное устройство. В этом случае речь идет о микропроцессорно.м комплекте (МПК).

3.1.1. Схемотехнологические особенности МПК

Номенклатура выпускаемых МПК непрерывно расширяется. Это позволяет потребителю максимально нснользовагь их достоинства для конкретных применений и в то же время затрудняет выбор оптимального -МПК.

Технология изготовления А\ПК развивается по двум направле-штям; МОП-те.хнология и бипо,1Ярная, каждая из которых имеет несколько разновидностей. Первые зарубежные и отечественные МП были изготовлены по рМОП-технопогни. Однако существенным недостатком этой технологии является принципиальное ограничение по быстродействию, поэтому несмотря на простоту и HHBiiyro стоимость р.НОП-технология, по-видимому, будет использоваться только в микросхемах, предназначенных для создания изделий бытовой техники малого быстродействия (КН5, КР1814). Следующим шагом развития МОП-структур явилось использование пМОП-технологии,



которая позволила на порядок по сравнению с рЛЮП-технологиеи увеличить быстродействие. Учитывая возможность большой плотности упаковки функциональных элементов в пМОП-струкгурах, их относительную простоту и невысокую стоимость, можно отметить, что пМОП-технология - основ1!ая для изгоговления МПК среднего быстродействия Здесь определяющим является требование \ини-мальпого числа микросхем в МПК (КР580. КР1801, KPI8I0). .Микропроцессорные комплекты, выполненные по КМОП-технологии, имеют малое потребление, высокую помехоустойчивость и надежно работают при более широком диапазоне напряжений питания и температуры окружающей среды (КР588).

Для большинства МПК используется мало.мощная ТТЛШ-тех-иология (К589, КР1802, КМ1804), обеспечивающая по сравнению с ТТЛ-технологией более низкий уровень потребляемой мощности. Данная технология позволяет создавать высокоскоростные контроллеры периферийных устройств с ш-ирокими технико-экономическими характеристиками, а также воспроизводить архитектуру существующих ЭВМ. На МПК, изготовленных по ЭСЛ-техпологии, можно воспроизвести структуру сверхскоростных больших универсальных ЭВМ. Примером здесь может служить МПК серии К18бО.

В зависимости от требований, предъявляемых к .МПК. в него могут входить микросхемы, выполненные по различным технологиям, например: пМОП и ТТЛШ, ЭСЛ и ТТЛШ. Кроме того, при разработке МСВТ при необходимости можно использовать микросхемы из различных МПК, учитывая, что параметры входных сигналов, подаваемых на микросхемы, и режимы их работы должны соответствовать научно-технической документации (НТД).

3.1,2. Основные характеристики МПК

Микропроцессор имеет техштческие характеристики, специфичные для вычислительных устройств (система команд, объем адресуемой памяти, система прерывания), и параметры, присущие интегральным микросхемам (входные и выходные уровни сигналов, помехоустойчивость, время задержки распространения сигналов) [7].

В связи с большим разнообразием МП и МПК (универсальные и специализированные, сдиокристальпые, миогокристальиые и секционные, синхронные и асинхронные, одномагистральные и многомаги-стралы!ые) определить единую систему характеристик, позволяющую производить оценку технических возможностей МПК, довольно сложно, поэтому рассмотрим те основные характеристики, которые позволят потребителю произвести ориентировочную оценку различных .МПК.

Разрядность обрабатываемых данных - характеристика, определяющая точность вычислепий. Сутцествуют МП как с фиксированным числом разрядов, так и с наращиваемой разрядностью. В МП с фиксированной разрядностью (КР580, КР588, КР1801, KPiSlO) увеличение числа разрядов обрабатываемых данных возможно просчетом программы в несколько этапов. Однако это снижает быстродействие систем. В МП с наращиваемой разрядностью (К589, К1800, КР1802, КМ 1804) микропроцессор строится из микропроцессорных секций, каждая из которых имеет К разрядов. Тогда разрядность обрабатываемых данных определяется как пК, где К=2, 4, 8,п = ~ 1, 2, 3,... 4



Система команд - характеристика, которая определяется совокупностью операций, обеспечивающих выполнение программы в соответствии с заданным алгоритмом. В систему команд входяг форматы команд и обрабатываемых данных; число команд; способы адресации данных; объем непосредственно адресуемой щмяти; объем и организация сгека; способы обработки прерываний: организация ввода/вывода. Простое сравнение МП по числу выполняемых команд недостаточно для оптимального выбора. Необходима оценка логической мощности и гибкости команд, выполняемых МП, оценка возможностей организации разветвленных вычислительных процессов. Микропроцессоры с фиксированной разрядностью имеют фиксированную систему команд. Причем МП серий КР588 и КР1801 ориентированы на систему команд микроЗВМ Электроника-60 , а МП серий КР580 и КР1810 - на систему команд соответственно микро-ЭВМ СМ1800 и СМ1810. Микропроцессоры с наращиваемой разрядностью (секционные) ориентированы на микропрограммное управление и позволяют пользователю в зависимости от специфики разрабатываемого устройства создавать собственные системы команд. Использовать МПК с микропрограммным управлением наиболее целесообразно при разработке систем специализированного назначения, когда созданием насыщенных и компактных команд можно достичь высокого быстродействия и существенной экономии па.мяти программ.

Быстродействие - характеристика, которая определяется схемо-технологическими возможностями МПК и его архитектурными особенностями При оценке быстродействия необходимо учитывать, что простое сравнение длительностей мащиииого такта (командного цикла) может привести к неверным выводам, так как некоторые коман-

Таблица 3

ехничесг

,не характеристик!

Серия

Текколо-

функцио-

о

нальный

Система команд

1налог

а -о

н S Ы S u S t- S

й 5 н

КР580

пМОП

MSC80

Совместима с мик-

ТТЛШ

роЭВМ СМ1800

КР588

КМОП

Совместима с мик-

роЭВМ Электро-

ника-60

КШОО

М10800

3000

Произвольная

КР1801

пМОП

Совместима с мш<-

роЭВМ Элсктро-

1Н!ка-60

КР1802

ТТЛШ

Произвольная

КМ 1804

ТТЛШ

Ат2900

КР1810

пМОП

MSC86

2500

Совместима с мик-

роЭВМ СМ1810



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 [ 47 ] 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165