 |
|
Тема. Характеристики та призначення ВІС
Операційний процесор служить для обробки даних, керуючий процесор виконує функції вибірки, декодування й обчислення адрес операндів і також генерує послідовності мікрокоманд. Автономність роботи і велика швидкодія БІС УП дозволяє вибирати команди з пам'яті з більшою швидкістю, ніж швидкість їх виконання БІС ОП. При цьому в УП утвориться черга ще не виконаних команд, а також заздалегідь підготовляються ті дані, які будуть потрібні ОП у наступних циклах роботи. Така випереджальна вибірка команд заощаджує час ОП на чекання операндів, необхідних для виконання команд програм. Інтерфейсний процесор дозволяє підключити пам'ять і периферійні засоби до мікропроцесора; він, по суті, є складним контролером для пристроїв введення / виведення інформації. БІС ИП виконує також функції каналу прямого доступу до пам'яті. Можливі з пам'яті команди розпізнаються і виконуються кожною частиною мікропроцесора автономно і тому може бути забезпечений режим одночасної роботи всіх БІС МП, тобто конвеєрний потоковий режим виконання послідовності команд програми (виконання послідовності з невеликим тимчасовим зрушенням). Такий режим роботи значно підвищує продуктивність мікропроцесора. Багатокристальні секційні мікропроцесори виходять у тому випадку, коли у виді БІС реалізуються частини (секції) логічної структури процесора при функціональній розбивці її вертикальними площинами (мал. 60.1). Для побудови багаторозрядних мікропроцесорів при паралельному включенні секцій БІС у них додаються кошти "стикування". Для створення високопродуктивних багаторозрядних мікропроцесорів потрібно настільки багато апаратних засобів, не реалізованих у доступних БІС, що може виникнути необхідність ще й у функціональній розбивці структури мікропроцесора горизонтальними площинами. У результаті розглянутого функціонального поділу структури мікропроцесора на функціонально і конструктивно закінчені частини створюються умови реалізації кожної з них у вигляді БІС. Всі вони утворюють комплект секційних БІС МП. Таким чином, мікропроцесорна секція це БІС, призначена для обробки декількох розрядів даних або виконання визначених керуючих операцій. Секційних БІС МП визначає можливість "нарощування" розрядності оброблюваних даних або ускладнення пристроїв керування мікропроцесора при "паралельному" включенні більшого числа БІС. Однокристальний і трехкрістальние БІС МП, як правило, виготовляють на основі мікроелектронних технологій уніполярних напівпровідникових приладів, а багатокристальні секційні БІС МП на основі технології біполярних напівпровідникових приладів. Використання многокристального мікропроцесорних високошвидкісних біполярних БІС, мають функціональну закінченість при малій фізичній розрядності оброблюваних даних і монтуються в корпус з великим числом висновків, дозволяє організувати розгалуження зв'язку в процесорі, а також здійснити конвеєрні принципи обробки інформації для підвищення його продуктивності. За призначенням розрізняють універсальні і спеціалізовані мікропроцесори. Універсальні мікропроцесори можуть бути застосовані для вирішення широкого круга різноманітних завдань. При цьому їхня ефективна продуктивність слабко залежить від проблемної специфіки розв'язуваних задач. Спеціалізація МП, тобто його проблемна орієнтація на прискорене виконання визначених функцій дозволяє різко збільшити ефективну продуктивність при рішенні тільки визначених задач. Серед спеціалізованих мікропроцесорів можна виділити різні мікроконтролери, орієнтовані на виконання складних послідовностей логічних операцій, математичні МП, призначені для підвищення продуктивності при виконанні арифметичних операцій за рахунок, наприклад, матричних методів їхнього виконання, МП для обробки даних у різних областях застосувань і т. д. За допомогою спеціалізованих МП можна ефективно вирішувати нові складні завдання паралельної обробки даних. Наприклад, конволюция дозволяє здійснити більш складну математичну обробку сигналів, чим широко використовувані методи кореляції. Останні в основному зводяться до порівняння всього двох серій даних: вхідних, переданих формою сигналу, і фіксованих опорних і до визначення їх подібності. Конволюция дає можливість в реальному масштабі часу знаходити відповідність для сигналів змінюється форми шляхом порівняння їх з різними еталонними сигналами, що, наприклад, може дозволити ефективно виділити корисний сигнал на тлі шуму. Розроблені однокристальні конвольвери використовуються в пристроях впізнання образів у тих випадках, коли можливості збору даних перевершують здатності системи обробляти ці дані. По виду оброблюваних вхідних сигналів розрізняють цифрові й аналогові мікропроцесори. Самі мікропроцесори цифрові пристрої, однак можуть мати вбудовані аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі. Тому вхідні аналогові сигнали передаються в МП через перетворювач у цифровій формі, обробляються і після зворотного перетворення в аналогову форму надходять на вихід. З архітектурної точки зору такі мікропроцесори є аналогові функціональні перетворювачі сигналів і називаються аналоговими мікропроцесорами. Вони виконують функції будь аналогової схеми (наприклад, виробляють генерацію коливань, модуляцію, зсув, фільтрацію, кодування і декодування сигналів у реальному масштабі часу і т.д., замінюючи складні схеми, що складаються з операційних підсилювачів, котушок індуктивності, конденсаторів і т.д .). При цьому застосування аналогового мікропроцесора значно підвищує точність обробки аналогових сигналів і їх відтворюваність, а також розширює функціональні можливості за рахунок програмної "настроювання" цифрової частини мікропроцесора на різні алгоритми обробки сигналів. Зазвичай у складі однокристальних аналогових МП мається кілька каналів аналого-цифрового і цифро-аналогового перетворення. В аналоговому мікропроцесорі розрядність оброблюваних даних досягає 24 біт і більше, велике значення приділяється збільшенню швидкості виконання арифметичних операцій. Відмітна риса аналогових мікропроцесорів здатність до переробки великого обсягу числових даних, тобто до виконання операцій додавання і множення з великою швидкістю при необхідності навіть за рахунок відмови від операцій переривань і переходів. Аналоговий сигнал, перетворений у цифрову форму, обробляється в реальному масштабі часу і передається на вихід звичайно в аналоговій формі через цифро-аналоговий перетворювач. При цьому відповідно до теореми Котельникова частота квантування аналогового сигналу повинна вдвічі перевищувати верхню частоту сигналу. Порівняння цифрових мікропроцесорів виробляється зіставленням часу виконання ними списків операцій. Порівняння ж аналогових мікропроцесорів виробляється по кількості еквівалентних ланок аналого-цифрових фільтрів рекурсивних фільтрів другого порядку. Продуктивність аналогового мікропроцесора визначається його здатністю швидко виконувати операції множення: чим швидше здійснюється множення, тим більше еквівалентну кількість ланок фільтра в аналоговому перетворювачі і тим більше складний алгоритм перетворення цифрових сигналів можна задавати в мікропроцесорі. Одним з напрямів подальшого вдосконалення аналогових мікропроцесорів є підвищення їхньої універсальності і гнучкості. Тому разом з підвищенням швидкості обробки великого обсягу цифрових даних будуть розвиватися засоби забезпечення розвинених обчислювальних процесів обробки цифрової інформації за рахунок реалізації апаратних блоків переривання програм і програмних переходів. За характером часової організації роботи мікропроцесори поділяють на синхронні та асинхронні. Синхронні мікропроцесори - мікропроцесори, у яких початок і кінець виконання операцій задаються пристроєм керування (час виконання операцій у цьому випадку не залежить від виду виконуваних команд і величин операндів). Асинхронні мікропроцесори дозволяють початок виконання кожної наступної операції визначити за сигналом фактичного закінчення виконання попередньої операції. Для більш ефективного використання кожного пристрою мікропроцесорної системи до складу асинхронно працюючих пристроїв вводять електронні ланцюги, що забезпечують автономне функціонування пристроїв. Закінчивши роботу над якою-небудь операцією, пристрій виробляє сигнал запиту, що означає його готовність до виконання наступної операції. При цьому роль природного розподільника робіт приймає на себе пам'ять, яка відповідно до заздалегідь встановленим пріоритетом виконує запити інших пристроїв по забезпеченню їх командного інформацією та даними. По організації структури мікропроцесорних систем розрізняють мікроЕОМ одне - і многомагістральние. У одномагістральних мікроЕОМ всі пристрої мають однаковий інтерфейс і підключені до єдиної інформаційної магістралі, по якій передаються коди даних, адрес і керуючих сигналів. У многомагістральних мікроЕОМ устрою групами підключаються до своєї інформаційної магістралі. Це дозволяє здійснити одночасну передачу інформаційних сигналів по декількох (або усім) магістралей. Така організація систем ускладнює їх конструкцію, проте збільшує продуктивність. За кількістю виконуваних програм розрізняють одно-і багатопрограмні мікропроцесори. У однопрограмних мікропроцесорах виконується тільки одна програма. Перехід до виконання іншої програми відбувається після завершення поточної програми. У багато-або мультипрограмних мікропроцесорах одночасно виконується трохи (звичайно кілька десятків) програм. Організація мультипрограмній роботи мікропроцесорних керуючих систем дозволяє здійснити контроль за станом і управлінням великим числом джерел або приймачів інформації.
Одним з найважливіших шляхів вдосконалення обчислювальної техніки є широке застосування в ній досягнень сучасної мікроелектроніки. Успіхи напівпровідникової інтегральної електроніки привели до створення нового класу складних функціональних електронних виробів - великих інтегральних схем, які стали основною елементною базою ЕОМ четвертого покоління (кінець 70-х років).
В одній такій схемі об'ємом всього лише в частки кубічного сантиметра розміщується блок, що займав в ЕОМ першого покоління цілу шафу. У результаті досягнуто суттєве підвищення продуктивності ЕОМ.
Якщо в ЕОМ третього покоління швидкодія сягає 20-30 млн операцій за секунду, то в машинах четвертого покоління продуктивність досягає сотень мільйонів операцій у секунду. Відповідно зростає й обсяг пам'яті. Поряд з удосконаленням традиційних пристроїв пам'яті на магнітних дисках і стрічках створюється пам'ять без рухомих частин. Загальний обсяг зовнішньої пам'яті у великих машинах четвертого покоління перевершує 10 14 символів, що еквівалентно бібліотеці, що складається з декількох мільйонів об'ємистих томів.
БІС створені в результаті природного розвитку інтегральних схем. Передумовою їх появи є освоєння електронною промисловістю планарної технології виготовлення кремнієвих напівпровідникових приладів. Принципова новизна цієї технології полягає в тому, що вона дозволила замінити звичайні дискретні компоненти дифузійними або тонкоплівковими компонентами.
Висока надійність ЕОМ закладається в процесі її виробництва. Перехід на нову елементну базу - надвеликі інтегральні схеми (НВІС) - різко скорочує число використовуваних інтегральних схем, а значить, і число їх з'єднань один з одним. Добре продумані компонування комп'ютера і забезпечення необхідних режимів роботи (охолоджування, захист від пилу).
Всі сучасні обчислювальні машини будуються на комплексах (системах) інтегральних мікросхем (ІС). Електронна мікросхема називається інтегральною, якщо її компоненти і з'єднання між ними виконані в єдиному технологічному циклі, на єдиній підставі і мають загальну герметизацію та захист від механічних впливів. Кожна мікросхема є мініатюрну електронну схему, сформовану пошарово в кристалі напівпровідника: кремнію, германію і т.д. До складу мікропроцесорних наборів включаються різні типи мікросхем, але всі вони повинні мати єдиний тип міжмодульних зв'язків, заснований на стандартизації параметрів сигналів взаємодії (амплітуда, полярність, тривалість імпульсів і т.п.). Основу набору зазвичай складають великі інтегральні схеми (ВІС) і надвеликі інтегральні схеми (НВІС). У найближчому майбутньому слід очікувати появи ультрабольшой ІС (УБИС). Крім них зазвичай використовуються мікросхеми з малої і середньої ступенем інтеграції (СІС). Функціонально мікросхеми можуть відповідати пристрою, вузла чи блоку, але кожна з них складається з комбінації найпростіших логічних елементів, що реалізують функції формування, перетворення, запам'ятовування сигналів і т.д.
Всі сучасні ЕОМ будуються на мікропроцесорних наборах, основу яких складають великі (ВІС) і надвеликі інтегральні схеми (НВІС). Технологічний принцип розробки та виробництва інтегральних схем діє вже понад чверть століття. Він полягає в пошаровому виготовленні частин електронних схем по циклу "програма - малюнок - схема". За програмами на запилений фоторезісторний шар наноситься малюнок майбутнього шару мікросхеми. Потім малюнок протравлюється, фіксується, закріплюється і ізолюється від нових шарів.
На основі цього створюється просторова твердотільна структура. Наприклад, НВІС типу Pentium включає близько трьох з половиною мільйонів транзисторів, що розміщуються в пятислойной структурі. Ступінь мікромініатюризації, розмір кристала ІС, продуктивність і вартість технології безпосередньо визначаються типом літографії. До теперішнього часу домінуючою залишалася оптична літографія, тобто пошарові малюнки на фоторезистора мікросхем наносилися світловим променем. В даний час провідні компанії, що виробляють мікросхеми, реалізують кристали з розмірами приблизно 400-600 мм2 для процесорів(наприклад, Pentium) і 200-400 мм 2 - для схем пам'яті. Мінімальний топологічний розмір (товщина ліній) при цьому становить 0,25-0,135 мкм. Для порівняння можна навести такий приклад. Товщина людської волосини становить приблизно 100 мкм. Значить, при такому дозволі на товщині 100 мкм потрібно викреслювати більше двохсот ліній.
Подальші успіхи мікроелектроніки зв'язуються з електронною (лазерної), іонної та рентгенівської літографією. Це дозволяє вийти на розміри 0,13; 0,10 і навіть 0,08 мкм. Замість раніше використовуваних алюмінієвих провідників у мікросхемах повсюдно починають застосовувати мідні з'єднання, що дозволяє підвищити частоту роботи.
Такі високі технології породжують цілий ряд проблем. Мікроскопічна товщина ліній, порівнянна з діаметром молекул, вимагає високої чистоти використовуваних і напилюваних матеріалів, застосування вакуумних установок і зниження робочих температур. Дійсно, досить потрапляння найменшої пилинки при виготовленні мікросхеми - і вона потрапляє в шлюб. Тому нові заводи з виробництва мікросхем представляють собою унікальне обладнання, розташоване в "чистих приміщеннях класу 1", мікросхеми в яких транспортуються від устаткування до обладнання в замкнутих надчистих міні-атмосферах класу 1000. Міні-атмосфеpa створюється, наприклад, надчистих азотом або іншим інертним газом при тиску КГ4 Торр.
В даний час основою побудови всіх мікросхем була і залишається КМОП-технології (комплементарні схеми, тобто спільно використовують п-і р-переходи втранзисторах зі структурою "метал - окисел - напівпровідник").
Однак поява БІС породило дуже серйозну проблему-"що покласти на підкладку" або, іншими словами, яким чином реалізувати пристрій на схемах з таким колосальним кількістю елементів.
Першим і досить природним рішенням цієї проблеми стало виготовлення так званих замовних схем, що розробляються кожен раз спеціально для використання в конкретній апаратурі. У той же час проектування замовних ВІС - вельми тривалий і трудомісткий процес, що використовує складні людино-машинні системи автоматизованого проектування. Тому розробка і виготовлення замовних ВІС можуть бути економічно виправдані тільки при масовому виробництві апаратури, в якій ці схеми застосовуються.
Хорошою альтернативою рекомендованим БІС з'явилися мікропроцесорні набори - сукупність великих інтегральних схем, що реалізують складні функції цифрової апаратури. З цих "цеглин" досить просто будуються мікрокомп'ютери (мікро-ЕОМ), що отримали виключне розвиток і знайшли широке застосування в різноманітних системах управління.
Мікропроцесор є універсальним пристроєм, здатним реалізувати будь-яку логічну функцію. Однак програмна реалізація логіки управління здійснюється порівняно повільно, мікропроцесор часто не здатний забезпечити необхідну швидкодію. У зв'язку з цим в даний час широкого поширення набули програмовані БІС з матричною структурою, серед яких особливе місце займають програмовані логічні матриці (ПЛМ) - великі інтегральні схеми, що поєднують регулярність структури напівпровідникового пристрою, що запам'ятовує (ЗП) з універсальністю мікропроцесора. ПЛМ володіє істотними перевагами перед мікропроцесором при реалізації складних алгоритмів керування.
Як функціональних вузлів БІС, орієнтованих на реалізацію бульових функцій, широко використовуються так звані матричні схеми.
Матрична схема являє собою сітку ортогональних провідників, в місцях перетину яких можуть бути встановлені напівпровідникові елементи з односторонньою провідністю (ЕОП) - діоди або транзистори.
Розглянемо матриці М1і М2 на малюнку № 1. Спосіб включення ЕОП в місцях перетину шин матриці М1 дозволяє реалізувати на будь-якому з її виходів будь-яку кон'юнкцію її вхідних змінних, взятих зі знаком або без знаку інверсії.
Р4
SHAPE \ * MERGEFORMAT
| Р1 |
| Р2 |
| Р3 |
| Р4 |
| М2 |
| М1 |
| Х1 |
| Х2 |
| Х3 |
| У1 |
| У2 |
| Р1 |
| Р2 |
| Р3 |
| Р4 |
Малюнок 60.1 1
Матриця М2 має 4 вертикальних і 2 горизонтальних шини. Спосіб включення ЕОП в місцях перетину шин М2 дозволяє реалізувати на будь-якому з її виходів будь-яку диз'юнкцію її вхідних змінних.
Якщо з'єднати ці матриці як показано на малюнку 60.2, то можна помітити, що будь-яка система булевих функцій у1. yn водних змінних x1. xn може бути реалізована дворівневої матричної схеми, на першому рівні якої утворюються різні елементарні кон'юнкції, а на другому - диз'юнкції відповідних кон'юнкція (y1 ... yn).
У результаті побудова схем з матричною структурою зводиться до визначення точок перетину шин, де повинні бути включені ЕОП.
SHAPE \ * MERGEFORMAT
| М1 |
| М2 |
| У1 У2 |
| Х1 Х2 Х3 |
Малюнок 60.3
За способом програмування розрізняють матриці, що настроюються (програмовані) на заводі-виробнику, користувачем і репрограмміруемие (багаторазово настроюються).
У матрицях першого типу з'єднання ЕОП з шинами здійснюється 1 раз за допомогою спеціальних масок, які використовуються для металізації певних ділянок кристала БІС. Після виготовлення БІС отримані сполуки змінені бути не можуть.
Матриці другого типу поставляються споживачеві не налаштованими і містять ЕОП в кожній точці перетину їх шин. Налаштування зводиться до видалення (відключення) деяких непотрібних ЕОП. Фізично процес налаштування здійснюється різними способами, наприклад, шляхом пропускання серії імпульсів струму досить великої амплітуди через відповідний ЕОП і руйнування плавкої перемички, включеної послідовно з цим ЕОП і з'єднує його з однією з шин у точці їх перетину.
Матриці третього типу дозволяють здійснювати програмування неодноразово. Повторне програмування виконується електричним способом після стирання вмісту матриць під дією ультрафіолетового (іноді рентгенівського) опромінення або електричним способом окремо для кожного ЕОП.
Так само необхідно сказати кілька слів про так званих програмованих матрицях.
Програмована логічна матриця (ПЛМ) являє собою функціональний блок, створений на базі напівпровідникової технології і призначений для реалізації логічних схем цифрових систем. У залежності від внутрішньої організації програмовані логічні матриці можна розділити на ПЛМ комбінаційної логіки і ПЛМ з пам'яттю.
Слід зазначити, що на кристалі БІС ПЛМ передбачена спеціальна система шин, яка дозволяє поєднати виходи донної матриці з входами інший. Виконання розрізів шин і організація необхідних зв'язків між входами і виходами різних матриць здійснюються на етапі налаштування ПЛМ на заводі виробнику.
СРС № 61