Микропроцессоры. Характеристика микропроцессорных комплектов БИС

Главные задачи в области микроэлектроники - это полное обеспечение народного хозяйства изделиями микроэлектроники, дальнейшее совершенствование технических характеристик интегральных схем, повышение их надежности, улучшение качества, снижение стоимости.

Основной тенденцией развития микроэлектроники является разработка и выпуск схем большой функциональной сложности, высокой степени интеграции, так называемых больших интегральных схем (БИС), которые позволяют создавать РЭА и системы IV поколения. Особую роль микроэлектроника играет в развитии вычислительных средств, поскольку умелое, широкое использование электронно-вычислительной техники - один из важнейших факторов происходящей сейчас научно-технической революции.

Повышение уровня интеграции на кристалле до 10000-50 000 элементов позволило сделать значительный шаг в развитии управляющих систем - создать микро-ЭВМ и ввести вычислительные средства непосредственно в объект управления, т.е. качественно изменить возможности технологического оборудования, бытовой техники, заложить базу для создания полностью автоматизированных производств.

Основная часть микро-ЭВМ - микропроцессор (МП), состоящий из операционного и управляющего устройств и предназначенный для автоматического выполнения последовательности операций по за - писанной в оперативной или постоянной памяти программе, которая может изменяться.

Именно программное управление и обеспечивает широкую логическую гибкость, т.е. возможность использования МП для выполнения различных функций во многих областях, поскольку с изменением программы работы изменяется функционирование процессора.

Логическая структура и возможности микропроцессоров (разрядность и объем функций, система команд, количество магистралей при соединении ИС между собой и с периферийным оборудованием) определяются достижениями микроэлектронной технологии: уровнем интеграции элементов на кристалле, размерами кристаллов, числом слоев металлизированной разводки и количеством выводов корпусов интегральных схем.

Микропроцессор может выполняться в виде одной БИС (БИС МП) или нескольких функционально законченных БИС. Опыт показал, что при по строении простейших контроллеров и других устройств цифровой автоматики с ограниченными функциями и разрядностью наиболее эффективны однокристальные микропроцессоры.

В более сложных вычислительных системах они оказались малоэффективными из-за ограничений по функциональной полноте, низкой производительности и небольшой вычислительной мощности. Таким образом, необходимость реализации возможностей мини-ЭВМ на БИС привела к созданию многокристальных микропроцессоров, т.е. к расчленению процессора на несколько БИС, которые в сумме по функциональной сложности и разрядности удовлетворяют требованиям, предъявляемым к процессору мощной унифицированной ЭВМ.

Такие БИС получили название микропроцессорных секций, а их совокупность — микропроцессорного комплекта. Опыт применения комплектов, обладающих микропрограммным управлением и магистральной организацией связей, показал их высокую эффективность при создании микро-мини-ЭВМ для различных областей применения.

В настоящее время достаточно четко обозначились три основные области применения микро - процессоров:
- цифровая автоматика,
- малые ЭВМ,
- большие ЭВМ.

Устройства цифровой автоматики охватывают широкий круг разнообразных простейших контроллеров, необходимых для управления относительно несложными объектами. К ним относятся различные измерительные и бытовые приборы, роботы и простейшие автоматизированные станки, телефонные и игровые автоматы и т. д.

Контроллеры для управления такими объектами, как правило, имеют ограниченную разрядность (4, 8 и 12 бит), не требуют большой памяти и развитой системы команд, но часто критичны к габаритновесовым характеристикам. Потребность в таких контроллерах очень высока. Для устройств цифровой автоматики целесообразно применять однокристальные микропроцессоры, хотя это не исключает возможность применения секционированных микропроцессорных комплектов.

Для управления более сложными объектами, такими, как станки с ЧПУ, технологическое оборудование, средства связи, управление аппарату - рой различных объектов, требуются более мощные вычислительные средства с разрядностью 16-24 бит, ОЗУ емкостью 4-64 килослов и с развитой системой команд, т.е. микро-ЭВМ, построенные на основе микропроцессорных комплектов БИС.

Большие ЭВМ — это традиционная область вычислительной техники, в которой в настоящее время все большее применение получают также БИС. Процессор большой ЭВМ с разрядностью 32-64 бит, высокой вычислительной мощностью, развитым МО и системой команд имеет сложную структуру, он может быть построен на основе секционированного модульного комплекта БИС, каждая из которых представляет собой специализированную, функционально законченную схему.

При этом универсальность применения таких БИС уменьшается по сравнению с БИС микропроцессоров, а номенклатура возрастает по отношению к номенклатуре БИС микропроцессорного комплекта, но их сложность не уступает сложности БИС МП. Такие БИС для построения процессоров больших ЭВМ будем называть процессорно-ориентированными (ПО БИС).

Во избежание избыточной номенклатуры микропроцессорных БИС, что может привести также к избыточной номенклатуре средств вычислительной техники, проводится большая работа по унификации микропроцессоров и микропроцессорных комплектов. В основу унификации положены следующие факторы:

- реализуемость (с высокими показателями) на основе данных комплектов БИС МП вычислительных средств различных классов, отличающихся назначением, производительностью;

- соответствие принципов построения комплектов БИС МП основным архитектурно-структурным принципам построения и тенденциям развития вычислительной техники;

- максимальная совместимость комплектов БИС МП;

- возможность развития и совершенствования комплекте БИС МП и, в том числе, расширения состава БИС, перехода к БИС с более высоким уровнем интеграции (по мере развития технологии);

- отсутствие в составе комплектов БИС МП схем, выполненных по особому заказу, так называемых заказных.

При создании комплектов БИС МП одним из главных требований являлось обеспечение максимальной гибкости структуры и управления, для чего применяли модульное построение структур, магистральный способ обмена информацией, микропрограммное управление.

Унифицированные БИС МП, выполненные по разным технологиям, позволяют более полно удовлетворить потребности широкого круга потребителей и получить широкий диапазон технико-экономических параметров комплектов БИС МП, а также контроллеров, микро-ЭВМ, мини-ЭВМ. Так, быстродействие МОП-p-канальных комплектов в операциях типа регистр-регистр может составлять 50 тыс., МОП-п-канальных - 700 тыс., КМОП- 400 тыс., ИаЛ - 1 млн., ТТЛ - 2 млн., ЭСЛ - 5 млн. операций/с.

Изготовление унифицированных БИС дает возможность:
- создать комплекты БИС МП для широких областей применения;
- резко снизить и систематизировать номенклатуру БИС микропроцессоров, функционально дополнить их разработанными и разрабатываемыми сериями ИС и СИС, снизить стоимость БИС, увеличить применяемость всех серий, повысить их качество и надежность;

- стандартизировать контрольно-измерительное оборудование;
- автоматизировать этапы проектирования БИС и вычислительных средств на их основе;
- увеличить гибкость проектирования цифровых средств, выполненных с использованием универсальных комплектов БИС МП на разных технологических принципах;

- за счет сокращения числа комплектов БИС МП получить значительный экономический эффект при разработке БИС и микро-ЭВМ на их основе, быстро организовать их серийное производство;
- унифицировать разрабатываемые различными ведомствами вычислительные средства в широких масштабах.

В таблице приведены краткие характеристики нескольких микропроцессоров и секционированных микропроцессорных комплектов. Серии К580, К582 и К584 представляют собой однокристальные микропроцессоры, которые наиболее эффективно применяются при построении устройств цифровой автоматики и простейших контроллеров, но могут быть использованы и для построения микро-ЭВМ.

Таб. Характеристики микропроцессорных комплектов БИС

К582ИК1 - 4-разрядный параллельный микропроцессор, содержащий арифметико-логическое устройство, 8 регистров общего назначения, рабочие регистры, счетчик команд, коммутирующее устройство, операционный регистр, программируемую логическую матрицу. Входные цепи микропроцессора по уровням согласованы с ТГЛ-схемами.

Микропроцессорные комплекты К536, К581, К587, К588 и К589 предназначены в первую очередь для построения микро-ЭВМ и сложных контроллеров, но они могут быть с успехом применены и для построения простейших средств цифровой автоматики. Благодаря секционному построению, применению микропрограммирования, магистральной организации связей, они обеспечивают возможность построения широкого круга средств вычислительной техники.

На основе комплектов К536 и К581 выполнены микро-ЭВМ серии "Электроника С5" и "Электроника-60".

Серии К587 и К588 являются представителями семейства микропроцессорных комплектов, предназначенных для построения ряда совместимых микро-ЭВМ "Электроника НЦ". Обе серии отличаются от всех других значительно более низкой потребляемой мощностью, высокой помехоустойчивостью, что делает перспективным их применение в микро-ЭВМ и контроллерах для станков с ЧПУ, различных агрегатов и в других объектах с коммутацией сильных токов.

К589 - быстродействующий микропроцессорный комплект, обеспечивающий возможность построения микро-ЭВМ с производительностью до 1 млн. операций/с и предназначенный для построения контроллеров и микро-ЭВМ. Он широко применяется при разработке технических средств СМ ЭВМ.

Таким образом, создание микропроцессорных и процессорно-ориентированных БИС обеспечило возможность создания минимальной номенклатуры унифицированных отечественных БИС МП и ПО БИС, удовлетворяющих требованиям широкого круга потребителей.