Микропроцессоры, память и микроконтроллеры

June 27, 2010 by admin Комментировать »

Электронные устройства на дискретных элементах и тем более на микросхе­мах могут выполнять в автоматическом режиме довольно сложные функции. Устройства управления военной техникой в сороковые—шестидесятые годы XX века так и делали — для них строили специальные схемы на каждый раз, для каждой конкретной задачи, иногда очень «навороченные» и весьма ост­роумно придуманные. Эти схемы объединяли цифровые и аналоговые узлы, реализовывавшие различные функции, вплоть до решения в реальном време­ни сложнейших дифференциальных уравнений. Вы только представьте сложность задачи управления межконтинентальной баллистической ракетой, которая даже в те времена, когда не было ни спутников наведения, ни систем глобального позиционирования, обеспечивала точность попадания в радиусе нескольких десятков—сотен метров на расстоянии в тысячи километров!

Характерная черта таких устройств — они построены в принципе из одних и тех же основных элементов. Особенно это касается цифровой техники — со времен Клода Шеннона известно, что любая цифровая функция может быть реализована всего на нескольких базовых «кирпичиках», и мы видели в пре­дыдущих главах, как на основе таких «кирпичиков» — логических элемен­тов— строятся последовательно все более сложные устройства, вплоть до сумматоров и многофункциональных счетчиков, которые затем уже могут комбинироваться в схемы любой степени сложности. Возникает естественная мысль — а нельзя ли соорудить универсальное устройство, которое бы могло выполнять любые подобные функции, раз в какой-то глубинной основе своей они похожи?

К этой мысли человечество двигалось и с другой стороны, связанной с нико­гда не покидавшей человечество мечтой о построении искусственного разу­ма. Через арифмометр Паскаля, аналитическую машину Бэббиджа, матема­тическую логику Буля, теоретические построения Тьюринга и Шеннона, через первые электромеханические компьютеры Конрада Цузе, Эйкена и Атанасова, этот путь воплотился в ЭНИАКе— построенной в 1946 году электронной вычислительной машине, которая стала символом начала ком­пьютерной эпохи (хотя, добавим, была не самой первой и не единственной даже в те времена).

Ученые сразу поняли, каковы потенциальные возможности этого устройст­ва,— зародилось направление «искусственного интеллекта», стали обсуж­даться проблемы автоматического перевода, шахматного компьютера, распо­знавания образов— в общем-то, многие из них, несмотря на то, что мощность компьютеров возросла в миллионы раз, так и не решены до сих пор и вряд ли будут решены в ближайшее время ^

Компьютер и есть то самое универсальное электронное устройство, которое может выполнить любую задачу — от наведения баллистической ракеты на цель до банального переключения режимов стиральной машины, нужно только иметь соответствующую программу.

Заметки на полях

Для понимания того, как работают микропроцессорные системы, нужно очень твердо усвоить, что программирование процессора и составление логических схем есть в полном смысле слова один и тот же процесс, только выраженный на разных языках— либо в виде последовательности команд процессора, либо в виде схемы. Грубо говоря, при переходе на микроконтроллеры вы за­меняете паяльник средствами программирования, причем программировать много проще, потому что гораздо легче поправить ошибку, а результат оказы­вается дешевле, надежнее и компактнее. Принцип эквивалентности можно проиллюстрировать на таком примере: на процессоре 8086 операции с дейст­вительными числами выполнялись с помощью подпрограмм, но выполнение программы всегда медленнее, чем работа «железок». Поэтому к нему сначала добавили арифметический сопроцессор (8087), а потом (начиная с 486-х) и во­все интегрировали блок обработки чисел «с плавающей точкой» внутрь про­цессора. В результате программы упростились, а процессор усложнился, но с точки зрения пользователя ничего (кроме ускорения работы) не произошло. Но потом процессоры стали быстрее, а количество необходимых функций воз­росло, поэтому, начиная с какого-то момента, их опять стали реализовывать в виде подпрограмм, только уже «зашитых» прямо в процессор. И опять с точки зрения пользователя ничего не произошло: просто процессор стал «умнее».

Но принцип эквивалентности «железа» и программ, благодаря работам Шеннона понятный ученым и инженерам еще задолго до эпохи всеобщей компьютеризации, дошел до практики далеко не сразу— «железо» резко отставало от нужд практики. Первые ЭВМ были огромными, потребляли энергии, как небольшой завод, требовали непрерывного обслуживания (плановое ежесуточное время работы первых советских ЭВМ составляло 16 часов, а остальное занимал ремонт). Кому в те времена могла прийти мысль даже о том, чтобы дать компьютер каждому в персональное пользо­вание, не то что пристроить его к управлению стиральной машиной, прав­да? Революция произошла лишь с изобретением микропроцессора в фирме Intel в 1971 году. С этого момента инженерам-электронщикам пришлось учить программирование.

clip_image002

Первый микропроцессор

Первоначально корпорация Intel не помышляла ни о каких процессорах и за­нималась разработкой и продажами микросхем памяти, на которые тогда как раз начиналось увеличение спроса. В 1969 г. в Intel появились несколько чело­век из Busicom — молодой японской компании, занимающейся производством калькуляторов. Им требовался набор из 12 интегральных схем в качестве ос­новного элемента нового дешевого настольного калькулятора.

Проект был разработан Масатоши Шима (Masatoshi Shima), который и пред­ставлял японскую сторону. Тед Хофф (Marcian Е. «Ted» Hoff, p. 1937), руково­дитель отдела, занимавшегося разработкой применений для продукции Intel, ознакомившись с проектом, понял, что вместо того чтобы создать калькулятор с некоторыми возможностями программирования, можно поступить наоборот: создать компьютер, программируемый для работы в качестве калькулятора. Развивая идею, в течение осени 1969 г. Хофф определился с архитектурой бу­дущего микропроцессора. Весной в отдел Хоффа пришел (все из той же уже известной нам Fairchild) новый сотрудник Федерико Фэггин (Federico Faggin), который и придумал название для всей системы: «семейство 4000». Семейство состояло из четырех 16-выводных микросхем: 4001 содержал ROM на 2 Кбайта;

4002 содержал RAM с 4-битным выходным портом для загрузки программ;

4003 представлял собой 10-битный расширитель ввода-вывода с последова­тельным вводом и параллельным выводом для связи с клавиатурой, индикатором и другими внешними устройствами; наконец, 4004 (рис. 18.1) был 4-битным ЦПУ (центральным процессорным устройством). Он содержал 2300 транзи­сторов и работал с тактовой частотой 108 кГц. 15 ноября 1971 г. было объяв­лено о создании первого микропроцессора. Busicom приобрела разработку, за­платив Intel $60 ООО. Но B^Intel решили возвратить Busicom эти деньги, чтобы вернуть себе права на микропроцессор.

i4004 обладал вычислительной мощностью, сравнимой с первым электронным компьютером ENIAC. Свое первое практическое применение 4004-й нашел в таких системах, как устройства управления дорожными светофорами и анали­заторы крови. Он использован в бортовой аппаратуре межпланетного зонда Pioneer-10, который поставил рекорд долгожительства среди подобных аппа­ратов: он был запущен NASA в 1972 г., а к 1 сентября 2001 г. Pioneer-10 уда­лился от Земли на 11,78 млрд км и все еще работал.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты