Микропроцессорные системы. Перспективы развития микроэлектроники. Персональные компьютеры

Микропроцессорные системы

Лекция 1.

1.Перспективы развития микроэлектроники

Современная элементная база СВТ- сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).Они обладают большой плотностью компоновки транзисторов на кристалле- единицы и миллионы транзисторов на кристалле.

С функциональной точки зрения на базе СБИС строятся микропроцессоры - устройства обработки информации, микросхемы памяти - устройства хранения информации, программируемые логические интегральные схемы - ПЛИС и базовые матричные кристаллы (БМК) для проектирования интегральных схем с произвольной логикой функционирования (логические устройства, контроллеры и т.д.).

Основу современной вычислительной техники составляют микропроцессоры и микроконтроллеры. С функциональной точки зрения МП и их структура ничем не отличается от структуры традиционных процессоров, т.е.  это комбинация операционного и управляющего автоматов, однако как правило реализованные на базе современной микроэлектронной базы СБИС.

Микропроцессором называют программируемое логическое устройство, изготовленное по БИС технологии, предназначенное для арифметико-логической обработки информации, поступающей на его вход. В самом общем случае структуру микропроцессора удобно представить в виде трех основных блоков: операционного блока, устройства управления и интерфейсного блока (рис.1)

Преимущественно МП реализованы на одном кристалле. МП в свою очередь делятся на универсальные,  предназначенные для цифровой сигнальной обработки (ЦОС) и микроконтроллеры. Разновидностью сигнальных процессоров являются медийные процессоры. На базе универсальных МП строятся компьютеры класса mainframe (суперЭВМ), workingstation (WS) и персональные ЭВМ (PC). Различие данных классов ЭВМ в их назначении (применении) , вычислительной мощности, объеме памяти, количестве периферийных устройств. Как правило речь идет о 64 битных МП выполняющих  как целочисленную обработку, так и  обработку с плавающей запятой.

Не зависимо от принадлежности к классу все ЭВМ как правило работают в сетевой среде, выполняя распределенную обработку информации в ЛВС и ГВС (Интернет). Характер обрабатываемой информации универсальный ,т.к. содержит текстовую информацию, научно-технические вычисления, графику, видео, звук, т.е. все то, что мы называем мультимедийной информацией.

Архитектура Main frame компьютеров зачастую базируется на SMP-SymmetricalMultiProcessing, т.е. симметричном включении десятков и сотен однотипных процессоров под управлением мультизадачной ОС. Это возможно благодаря вспоенным в современные МП механизмам синхронизации и специальным протоколом когерентной работы КЭШей(протоколам типа MESI).  (Рис.2)

Рабочие станции, например такие, как Silicon Graphics  и подобные им обслуживают работу САПР, сложное графическое моделирование в архитектуре , анимацию и создание моделей виртуальной реальности.

Персональные компьютеры, находясь в непосредственной близости  от пользователя могут реализовать полноценную обработку мультимедийной информации, по сути заменяя все остальные бытовые приборы (видеомагнитофоны, радио, системы домашнего кино и т.д.). , а интегрированные через ГВС участвовать в распределенной обработке и получении любого сервиса от информационного до покупок через ИНТЕРНЕТ.

МП ЦОС засчитаны на обработку в реальном времени цифровых потоков, образованных путем оцифровывания аналоговых сигналов.

Как правило, их разрядность составляет 8-16-32. В основном они обрабатывают целочисленные операнды, однако некоторые из них выполняют обработку с плавающей запятой.

Наибольшей специализацией и разнообразием обладают однокристальные микроконтроллеры, объединяющие на своем кристалле МП, ЗУ команд, ЗУ данных, периферийные элементы (порты, таймеры, схемы прерывания).Как правило они занимают сектор рынка встроенных систем автоматики и управления, управления устройствами бытовой техники и т.д. Разнообразие архитектур и типов , различных систем команд превышает-500. Типовая разрядность-8-16бит. 

Со времени создания первого МП I4004 в 1971г. развитие современной микроэлектронной базы двигалось огромными темпами  и постепенно приближается к своему технологическому пределу линейных размеров.

Проектные нормы, определяемые физическими ограничениями, равны 0.05мкм. За прошедшее время МП прошли ряд поколений и к настоящему времени наиболее совершенные относятся к 7-му поколению. Лучшие образцы МП используют нормы 0.1- 0.15мкм. Тактовые частоты 750Мгц-3.5Ггц. На кристалле размещаются десятки миллионов транзисторов. Производительность достигает 5000-10000 млн. оп/сек.(MIPS).

Существует проблема отвода тепла от кристалла МП. Рассеиваемая мощность достигает 50- 60Вт. Для снижения потребляемой мощности применяется снижение проектных норм, увеличение слоев металлизации (до 4-х 5-ти), снижение питающего напряжения с 5В до 2.5-1.25В.

Однако уже сейчас наряду с совершенствованием традиционных технологий