Микро-вычислительные системы и их применение

Современная электроника в широком смысле слова развивается в двух направлениях: электронная техника (изделия электронной техники) и схемотехника (техника схемной компоновки этих изделий). Развиваясь, эти направления дополняют друг друга, взаимно обогащаются, постоянно демонстрируя результаты, характерные для периода научно-технической революции.

Шестидесятые годы можно считать годами возникновения и бурного развития микроэлектроники. Быстрый рост степени интеграции элементов на кристалле обусловил появление нового революционизирующего направления в технике-создание микропроцессоров.

Микропроцессоры, с одной стороны, воплотили в себе самые современные достижения в области полупроводниковой технологии, а с другой — многолетний опыт создания и применения вычислительных и управляющих машин и систем, а также математического обеспечения. Их появление послужило мощным толчком к дальнейшему развитию микроэлектроники, определив пути совершенствования существующей технологии, обусловив возникновение принципиально новых направлений работ в этой области.

Развитие микроэлектроники и техники вычислительных систем, тесно связанных между собой, привело к созданию микровычислительных систем; микропроцессоров, микро-ЭВМ микропроцессорных семейств, больших интегральных схем (БИС) электронной памяти, интерфейсов и внешних устройств.

Терминологию микровычислительных систем нельзя в настоящее время считать окончательно установившейся, однако основные определения можно сформулировать следующим образом.

Микропроцессор (МП) — часть микро-ЭВМ, преобразующая данные, построенная на БИС (одной или нескольких) и являющаяся функционально-законченным изделием, состоящим из арифметическо-логического устройства, регистров и устройства управления.

Микропроцессорный комплект БИС (МПК) — набор БИС с согласованными связями, предназначенный для построения микровычислительных систем и состоящий обычно из одной или нескольких БИС МП, БИС постоянного, полупостоянного и оперативного запоминающих устройств (ЗУ) и устройств ввода—вывода.

Микро-ЭВМ — конструктивно завершенная вычислительная система, основные элементы которой (БИС микропроцессора, БИС ЗУ и БИС устройстве сопряжения с вводом-выводом) реализованы на минимальном количестве БИС.

Появлению микропроцессоров предшествовало появление БИС, изготовленных по МОП-технологии, которые являются основной частью микрокалькуляторов. Уровень интеграции БИС достиг тысячи элементов на кристалле, а удельная стоимость логической функции снизилась по сравнению с предыдущим поколением ИС более чем в 10 раз.

Создание и серийное производство интегральных схем такого уровня интеграции и возможность его дальнейшего роста поставили перед специалистами проблему выбора принципов функционального построения новых БИС, каждая из которых во многих случаях равноценна по логической мощности законченному устройству, агрегату, прибору или значительной его части.

Традиционные пути решения этой проблемы, оправдавшие себя для схем средней степени интеграции, здесь оказались совершенно неприемлемыми, так как серии БИС в этом случае должны были бы содержать многие сотни и тысячи типов схем и практически превратились бы в бесконечный набор заказных схем для различных применений, что на многие годы задержало бы получение того экономического эффекта, который мог дать всем отраслям народного хозяйства переход на большие интегральные схемы.

Путь решения этой проблемы был найден в создании микропроцессоров и микро-ЭВМ - универсальных БИС или наборов БИС, содержащих в своем составе программно управляемое вычислительное логическое устройство, устройства памяти и являющихся универсальными устройствами, способными с высокой точностью реализовать программным путем логику работы любого вычислительного и управляющего устройства, построенного на дискретных электронных компонентах, интегральных схемах, элементах релейной автоматики, а также заменить многие аналоговые электронные и электромеханические устройства и даже управляющие устройства, построенные на чисто механическом принципе.

При этом резкое снижение удельной стоимости при переходе на БИС микропроцессоров радикально отражается и на стоимости этих вычислительных и управляющих устройств. Универсальность микропроцессора как массового изделия электронной техники, являясь в определенной степени неожиданностью для промышленности, выпускающей интегральные схемы, в то же время представляет собой результат естественного развития работ и идей в одной из важнейших областей вычислительной техники, занимающейся в течение последних 10—15 лет созданием и применением управляющих вычислительных машин (в частности, управляющей машины для народного хозяйства УМ1—НХ и ЭВМ серии "Электроника- 100").

Микропроцессоры и микро-ЭВМ стали новой ступенью в развитии управляющих машин. Они обеспечили снижение примерно в 10 раз стоимости этих машин и в связи с этим резкое расширение экономически доступной сферы их применения, подкрепленное широкими возможностями серийного производства.

Создание микропроцессоров минимальной сложности стало возможным при появлении БИС с уровнем интеграции 1—3 тыс. элементов на кристалле; изготовленных технологическими методами, обеспечивающими получение такого уровня интеграции. Первые микропроцессоры и микро-ЭВМ были созданы на базе р - канальной МОП-технологии, в наибольшей степени отработанной в процессе массового производства БИС микрокалькуляторов. Эти первые модели микропроцессоров, большинство из которых выпускается в настоящее время , с самого начала определили несколько различных направлений развития новой области микроэлектроники.

Так, модели микропроцессоров 4004 и 8008 фирмы Intel и PPS -4, PPS-4/2 фирмы Rockwell, а также SC/MP фирмы National Semiconductor, представляют собой малоразрядные (4—8 бит) устройства с быстродействием 10—15 тыс. операций/с, недостаточно эффективные для реализации сложных вычислительных процедур из -за малой разрядности, отсутствия возможности ее наращивания, ограниченности системы команд, однако позволяющие вместе с сопутствующими схемами оперативной и постоянной памяти и схемами ввода—вывода создавать законченные конфигурации микро-ЭВМ и микро-контроллеров на весьма ограниченном количестве больших интегральных схем.

Эти микропроцессоры получили дальнейшее развитие, и при переходе на л-канальную МОП-технологию существенно повысилось их быстродействие, расширилась система команд. Примером таких n-канальных "малоразрядных" однокристальных микропроцессоров являются модели 4040 и 8080 Intel, n-канальная модификация модели SС/МР фирмы National Semiconductor, а также отечественный микропроцессор модели МПК -25.

Параллельно создавалось и продолжает развиваться другое направление в технике микропроцессоров и микро-ЭВМ — 16-разрядные системы. Идеология применения таких машин подготовлена многолетним опытом работ с мини-ЭВМ, и не удивительно, что по этому пути в первую очередь пошли как в Советском Союзе, так и за рубежом те организации и фирмы, которые ранее занимались созданием мини-ЭВМ.

Но так как схемы 16-разрядных процессоров содержат значительно большее количество элементов, а уровень развития технологии позволял выпускать только 4- и 8-разрядные однокристальные микропроцессоры, то для построения этих процессоров использовали 2- 8-разрядные процессорные секции арифметическо-логических устройств (АЛУ), схем микропрограммного управления и микропрограммной памяти.

Такая структура характерна для р-канальных микро-ЭВМ фирмы National Semiconductor IMP-4, IMP-8, IMP- 16, выполненных на 4-разрядных АЛУ, отечественных микро-ЭВМ "Электроника С5-01" и "Электроника С5-11", построенных на 8-разрядных АЛУ, а также для БИС на ТТЛ-схемах с диодами Шоттки Intel - 3000 и отечественных - серии К-589, построенных на 2-разрядных АЛУ, для схем на инжекционной логике SBP - 0400А и SBP - 0401А фирмы Texas Instruments и ряде других типов микропроцессоров.

Большинство этих микропроцессоров и микро-ЭВМ выпускается в течение длительного времени. Они применяются в различных изделиях, и, хотя трудно провести Меткую границу между областями их применения, очевидно, что малоразрядные МП используются в первую очередь в аппаратуре, предназначенной для выполнения логических операций, в которой связь с внешними устройствами реализуется преимущественно в цифровом коде. 16-разрндные МП больше пригодны для реализации вычислений, как части алгоритма управления и обработки информации, и существенно более эффективны при работе в комплекте с аналого-цифровыми и цифроаналоговыми преобразователями.

Как развиваются микропроцессоры по мере возрастания степени интеграции БИС? Первый шаг - переход к однокристальному микропроцессору (для 4- и 8-разрядных МП это произошло непосредственно при их появлении). Важность этого шага определяется не только прямым влиянием снижения количества кристаллов МП и сопутствующих схем оперативной и постоянной памяти на стоимость и надежность микро-ЭВМ, но и связанным с этим существенным снижением трудоемкости монтажных и настроечных работ при изготовлении микро-ЭВМ, причем особенно заметно это сказывается при производстве простейших конфигураций микро-ЭВМ.

Переход на однокристальные микропроцессоры осуществлен фирмой National Semiconductor (л-канальный МП, программно совместный с микро-ЭВМ IMP-16); на базе n-канального однокристального процессора построена и микро-ЭВМ "Электроника С5-21", совместимая с микро-ЭВМ "Электроника С5-11", и другие. Переход на однокристальные микропроцессоры для 16-разрядных микро-ЭВМ потребовал уровня интеграции 5—10 тыс. элементов на кристалле.

Следующие шаги в развитии техники микропроцессоров связаны с созданием однокристальных микро-ЭВМ, т.е. с введением в состав кристалла с уже размещенными схемами процессора также схем оперативной и постоянной (полупостоянной) памяти, центрального управления вводом-выводом, а затем и самих каналов ввода-вывода. Переход к однокристальным микро-ЭВМ в области 4- и 8-разрядных моделей распространился уже на 16-разрядные модели, потребовав уровня интеграции свыше 30 тыс. элементов на кристалле.

Создание однокристальных микро-ЭВМ является исключительно важным шагом, так как именно начиная с этого этапа стала возможной реализация в одной интегральной схеме законченного контроллера, встроенного вычислителя и т.д.

Уже первые примеры применения МП и микро-ЭВМ показали их чрезвычайно высокую эффективность и свидетельствовали о необходимости их массового производства.

Отечественная практика применения микро-ЭВМ — от первых отечественных микро-ЭВМ "Электроника С5" до микро-ЭВМ "Электроника -60" и "Электроника НЦ" - убедительно подтверждает тезис о революционизирующем их воздействии на различные отрасли народного хозяйства.

"Электроника С5" (С5-01 и С5-11 — 10 тыс. операций/с, 8—16 разрядов, 32К). Применение микро-ЭВМ этого типа в программных абонентских пунктах, заменивших абонентские пункты на "жесткой" логике дало возможность сократить в 1,5 раза стоимость абонентного пункта, в 3 раза уменьшить габариты и потребляемую мощность и на порядок повысить его надежность. По оценке потребителей, применение этих микро-ЭВМ в цифровых регуляторах, используемых для прогностных испытаний конструкций самолета, обеспечивает 100 тыс. руб. годовой прибыли. Не менее эффективным оказалось и применение микро-ЭВМ "Электроника С5 - 01 "в контуре управления вентиляторами аэродинамической трубы.

Примером использования микро-ЭВМ в приборостроении явился спектрофотометр СФ -29, созданный на базе "Электроники С5-11". Встроенная в измерительный прибор микро-ЭВМ придала ему ряд принципиально новых качеств, позволивших вести экспресс -обработку результатов измерений и автоматизировать работу прибора, в связи с этим повысилась более чем в 10 раз производительность труда оператора и, самое главное, появилась возможность непосредственно воздействовать на ход технологического процесса, параметры которого измеряются этим прибором.

Перспективным представляется применение микро-ЭВМ семейства "Электроника С5" в средствах автоматики и телемеханики для промышленных предприятий, энергосистем, нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности, мелиорации и сельского хозяйства. Так, применение микро-ЭВМ "Электроника С5" в комплексе промышленной телемеханики сократит трудоемкость его изготовления в 1,5 раза и обеспечит экономию каналов связи в 3—4 раза.

"Электроника-60" (250 тыс. операций/с, 16 разрядов, 56 К). Микро-ЭВМ с возможностями мини-ЭВМ нашла первое применение в нашей отрасли в сварочном оборудовании, позволив втрое поднять производительность труда на операциях термокомпрессии с одновременным повышением качества сварки. Высокой эффективностью характеризуется применение микро-ЭВМ "Электроника -60" в измерительных системах, в автоматизированной линии фотолитографии при производстве интегральных схем, в реакторах для наращивания эпитаксиальных пленок полупроводниковых материалов, в различных АСУТП, где она успешно заменяет мини - ЭВМ типа "Электроника -100" и М-6000.

"Электроника НЦ" (150 операций/с, 16 разрядов, 128 К, пониженное потребление энергии, повышенные помехозащищенность и надежность, высокие эксплуатационные характеристики). Микро-ЭВМ, уступающая мини-ЭВМ лишь по производительности, обладает такой же, как последняя, системой команд, конструктивной завершенностью. Микро-ЭВМ типа "Электроника НЦ" нашли широкое применение в управлении станками с числовым программным управлением, технологическими процессами; в измерительном и контрольно-испытательном оборудовании; в качестве программируемых контроллеров терминалов в вычислительных комплексах; для решения инженерных задач и т.д.

По утверждению ряда специалистов, применение микро-ЭВМ повысит производительность обработки информации при управлении газо- и нефтепроводами в 2,5 раза, в телеграфной аппаратуре в 4-8 раз, в АСУТП прокатного производства в 15—20 раз, в АСУТП смесеприготовления в 20-30 раз и т.д.

Столь высокая эффективность применения микровычислительных систем подтверждается и зарубежными данными. В обширном перечне литературы по МП и микро-ЭВМ приводятся многочисленные примеры эффективности их применения. В 1976 г. серийный выпуск микро-ЭВМ в США составил 10 тыс., микропроцессоров — более 300 тыс., в 1977 г. — соответственно 36,7 тыс. и более 450 тыс.

Работы по применению микро-ЭВМ в медицинской аппаратуре, такой, например, как комплекс оборудования для автоматизации лабораторных анализов и кардиологического наблюдения, а также в системе профессионально-технического отбора, в сфере охраны окружающей средь« имеют не только научно-техническое, но и большое социальное значение.

Рассмотрев основные этапы развития микропроцессоров и микро-ЭВМ и уже определившиеся области их применения, целесообразно задать вопрос: каковы пути дальнейшего развития МП и микро-ЭВМ по мере роста интеграции БИС? Прежде всего это увеличение объемов памяти. Однако оно связано с существенным возрастанием выделяемой мощности, а следовательно, не может считаться радикальным по сравнению с сегодняшними однокристальными микро-ЭВМ.

Естественное стремление увеличить мощность каналов ввода—вывода трудно осуществить из-за ограниченных возможностей увеличения числа выводов корпуса БИС. Большой интерес представляет введение в состав однокристальных микро-ЭВМ схем аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей, тем более, что это одновременно решает проблему организации связи микро-ЭВМ с внешними устройствами при минимальном числе выводов корпуса БИС.

Несомненно, что по мере возрастания степени интеграции будут также расширяться функциональные возможности процессорной части микро-ЭВМ, развиваться система команд, увеличиваться реальное быстродействие не только за счет повышения рабочей частоты, но и за счет введения методов ускорения элементарных операций, достаточно отработанных в больших вычислительных машинах, а также схемной реализации сложных функций.

На всех рассмотренных выше этапах развития микропроцессоры немыслимы без развитых систем памяти и ввода-вывода, построенных на той же технологической базе, полностью использующих достигнутый уровень интеграции.

Можно утверждать, что переход от многокристальных микропроцессоров к однокристальным и далее - к микро-ЭВМ на одном кристалле дает наибольшую выгоду при построении минимальных конфигураций, поэтому создание таких минимальных конфигураций является одной из основных задач развития техники микропроцессоров и микро-ЭВМ.

С другой стороны, создание микро-ЭВМ на одном кристалле потребует дальнейшего усовершенствования и разработки новых технологических методов изготовления БИС со степенью интеграции 500 тыс. и более элементов на кристалла при ужесточении требований к материалам и качественно новых требованиях к технологическому оборудованию.

Чрезвычайно велика роль и тех моделей микро-ЭВМ, которые по своему построению близки к мини-ЭВМ. Для этих машин характерна многоплатная конструкция, развитые системы внутренней памяти и ввода-вывода, поплатное наращивание, оснащенность широким набором внешних устройств памяти, документирования, отображения и так далее. Обладая низкой стоимостью, эти модели позволяют преодолеть барьер, мешавший применению вычислительных и управляющих машин во многих отраслях техники, а также являются наиболее массовыми вычислительными машинами из всех, когда-либо выпускавшихся промышленностью.

Весьма плодотворно создание на одном наборе БИС одноплатных и многоплатных моделей микро-ЭВМ в виде семейства, объединенного общим программным обеспечением и интерфейсом. При этом одноплатная модель может являться составной частью многоплатной микро-ЭВМ, как, например, машина "Электроника-60", которая в свою очередь сама может войти в системы с мини-ЭВМ "Электроника - 25", а может иметь самостоятельную конструкцию, как семейство микро-ЭВМ "Электроника С5".

Проблема совместимости как часть проблемы стандартизации имеет важнейшее значение при разработке микровычислительных систем. Эти проблемы должны определять и саму стратегию разработок с точки зрения минимизации номенклатуры систем.

Отсутствие стандартизации привело, по сообщениям журнала Electronics к наличию только в США более 60 типов МП и микро-ЭВМ , при этом если функциональная плотность микро-ЭВМ ежегодно удваивается, то число их конструкций растет гораздо быстрее.

Жесткая стандартизация конструктивных решений, устройств ввода-вывода, минимальная номенклатура микро –ЭВМ, минимальное количество языков в сочетании с высшими достижениями современной электронной технологии и технологии ближайшего будущего делают реальной возможность создания универсальной микро-ЭВМ в одном кристалле.

Успех в области создания микропроцессоров и микро - ЭВМ определяется не только ростом интеграции БИС и правильным выбором пути развития функциональных решений по мере повышения уровня интеграции. Не менее важным фактором является постоянное совершенствование математического обеспечения микропроцессоров и микро-ЭВМ и средств отладки систем на их основе.

Средства математического обеспечения МП и микро -ЭВМ имеют много общего с МО вычислительных машин и, прежде всего, мини- ЭВМ с постоянной памятью. Они содержат языки программирования различного уровня, трансляторы с этих языков, реализованные на универсальных ЭВМ (кросс-трансляторы) и на самих микро-ЭВМ (резидентные трансляторы), наборы стандартных подпрограмм, тесты, диспетчерские системы.

Принципиальное отличие заключается в том, что реализация программ в виде БИС постоянной памяти в серийных образцах микро-ЭВМ, предназначенных для использования в серийной аппаратуре и системах, потребовала организационного и технического объединения системы автоматизации программирования и системы машинного проектирования БИС.

К тому же для минимальных конфигураций микро-ЭВМ отладка программ и взаимодействие с системой в связи с отсутствием необходимых органов управления и индикации невозможны без применения специальных отладочных средств. Создание этих средств является составной частью работ по микропроцессорам.

Все перечисленные проблемы потребовали для своего решения консолидации усилий специалистов в области полупроводниковой технологии, схемотехники и структуры вычислительных машин, программирования.

Только коллективы, объединяющие таких специалистов, оказались в состоянии решить комплексную проблему разработки и организации серийного производства микропроцессоров и микро-ЭВМ. И лишь при организованном серийном производстве микропроцессоры и микро-ЭВМ в полной мере обретают те основные качества, которые определяют их революционизирующую роль — массовость, дешевизну, надежность.

Однако организацией серийного производства не исчерпывается круг решаемых проблем. Микропроцессоры и микро-ЭВМ, являясь принципиально новым классом изделий электронной техники, потребовали изменений традиционных взаимоотношений и новой организации взаимодействия между потребителем и поставщиком этих изделий, широко развернутой работы по поиску и подготовке новых применений на возможно более ранних этапах работы.

Подводя итоги сказанному, следует еще рез отметить те огромные перспективы, которые открываются при использовании микропроцессоров и микро-ЭВМ в самых разнообразных областях науки и техники, в сельском хозяйстве, медицине и быту. Особенный эффект дает применение их в измерительных приборах, где помимо прямой экономии оборудования обеспечивается возможность автоматизации работы прибора, повышения его точности и, самое главное, экспресс-обработки и регистрации результатов измерений, т.е. прибор приобретает принципиально новые метрологические и эксплуатационные качества, чрезвычайно важные при его использовании непосредственно в сфере производства.

Применение микро-ЭВМ в массовой аппаратуре связи и средствах телемеханики позволяет повысить достоверность передаваемой информации и снизить загрузки каналов связи. Трудно переоценить роль микропроцессоров в промышленной автоматике, где их применение позволяет разработать и организовать серийное производство универсальных контроллеров и логических регуляторов и тем самым резко повысить технический уровень этой важнейшей отрасли техники, снизить затраты на проектирование и изготовление промышленного оборудования, его монтаж и эксплуатацию.

В настоящее время микропроцессоры все глубже внедряются в народное хозяйство. Некоторое отставание наметилось (как в отечественной, так и зарубежной практике) в разработке и применении их в бытовой технике. По оценке американских специалистов, только в США в настоящее время более 2 млн. человек в состоянии творчески использовать ЭВМ.

К созданию микро-ЭВМ личного пользования для самого широкого применения приступили советские специалисты.

Правильная организация работ заинтересованных предприятий по применению микропроцессоров и микро-ЭВМ не должна ограничиваться созданием первых образцов приборов и систем на их основе. Необходимо одновременно решить вопросы по обучению специалистов различных отраслей промышленности, подготовке служб эксплуатации и ремонту микро-ЭВМ в составе аппаратуры пользователей.

Особую важность имеет скорейшая организация серийного производства аппаратуры на базе микропроцессоров, так как только тогда, когда начнется серийный выпуск и эксплуатация этой аппаратуры у потребителей, будет фактически получен тот огромный экономический эффект, который может дать народному хозяйству это новое поколение изделий электронной техники.