История развития современных микропроцессоров

Задание

1. Разработать алгоритм и составить программу для решения следующей задачи. Если РА0=1 или РА1=1 или РВ0=1, то записать в РС=0F иначе в РD=55.
2. Разработать алгоритм и программу для опаределения суммы нечетных чисел из массива А(10). Результат записать в РА, если D7=1, иначе в РС.
3. Разработать программу для реализации следующих логических условий или РА0=1 и РС0=1 или РА3=1, то записать в РD число FF. Иначе PD число 00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

1. Аннотация…………………………………………………………
2. Введение……………………………………………………….......
3. Микропроцессор………………………………………………….
4. Регистры……………………………………………………………
5. История развития современных микропроцессоров……………
6. Алгоритмы………………………………………………………….
7. Приложение………………………………………………………
8. Заключение………………………………………………………….
9. Литература…………………………………………………………

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация

Цель данной курсовой работы ознакомиться с устройством микроконтроллера и получить навыки разработки управляющих  устройств. Разработать алгоритм и  программу. А так же укрепить знания в области программной части  микроконтроллера и его программирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Развитие персональных компьютеров  в мире повлекло за собой и развитие микропроцессоров. Тенденции развития современных технологий изготовления процессоров и их применения с  каждым годом набирают все большие  обороты. Применяются новые нано-технологии, увеличивается число ядер на одном  кристалле, растет разрядность процессоров, увеличивается кэш память всех уровней, применяются новые наборы инструкций и многое другое. Именно поэтому  эта тема на сегодняшний день считается  наиболее актуальной для рассмотрения в данной курсовой работе. Целью  моей работы является изучения устройство микропроцессоров, узнать его технологии изготовления и рассмотреть виды современных микропроцессоров. Объектом изучения является микропроцессор и  его основные функции. Предметом  изучения является виды современных  микропроцессоров.

В основе любой ЭВМ лежит  использование микропроцессоров. Это  самое важное устройство любого компьютера. Именно от него зависит уровень производительности любого компьютера, и не только персонального. Микропроцессоры окружают человека везде. Любая электроника в современном  обществе снабжена своим микропроцессором.

 

 

 

 

 

 

 

Микропроцессор

Микропроцессор - центральное  устройство (или комплекс устройств) ЭВМ (или вычислительной системы), которое  выполняет арифметические и логические операции, заданные программой преобразования информации, управляет вычислительным процессом и координирует работу устройств системы (запоминающих, сортировальных, ввода — вывода, подготовки данных и др.). В вычислительной системе  может быть несколько параллельно  работающих процессоров; такие системы  называют многопроцессорными. Наличие  нескольких процессоров ускоряет выполнение одной большой или нескольких (в том числе взаимосвязанных) программ. Основными характеристиками микропроцессора являются быстродействие и разрядность. Быстродействие - это  число выполняемых операций в  секунду. Разрядность характеризует  объём информации, который микропроцессор обрабатывает за одну операцию: 8-разрядный  процессор за одну операцию обрабатывает 8 бит информации, 32-разрядный - 32 бита, 64-разрядный – 64 бита. Скорость работы микропроцессора во многом определяет быстродействие компьютера. Он выполняет  всю обработку данных, поступающих  в компьютер и хранящихся в  его памяти, под управлением программы, также хранящейся в памяти. Персональные компьютеры оснащают центральными процессорами различных мощностей.

Функции процессора:

·          обработка данных по заданной программе  путем выполнения арифметических и  логических операций;

·          программное управление работой  устройств компьютера.

Модели процессоров включают следующие совместно работающие устройства:

·          Устройство управления (УУ). Осуществляет координацию работы всех остальных  устройств, выполняет функции управления устройствами, управляет вычислениями в компьютере.

·          Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Так называется устройство для целочисленных  операций. Арифметические операции, такие  как сложение, умножение и деление, а также логические операции (OR, AND, ASL, ROL и др.) обрабатываются при помощи АЛУ. Эти операции составляют подавляющее большинство программного кода в большинстве программ. Все операции в АЛУ производятся в регистрах - специально отведенных ячейках АЛУ. В процессоре может быть несколько АЛУ. Каждое способно исполнять арифметические или логические операции независимо от других, что позволяет выполнять несколько операций одновременно. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические действия. Логические операции делятся на две простые операции: "Да" и "Нет" ("1" и "0"). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

·          AGU (Address Generation Unit) - устройство генерации адресов. Это устройство не менее важное, чем АЛУ, т.к. оно отвечает за корректную адресацию при загрузке или сохранении данных. Абсолютная адресация в программах используется только в редких исключениях. Как только берутся массивы данных, в программном коде используется косвенная адресация, заставляющая работать AGU.

·          Математический сопроцессор (FPU). Процессор может содержать несколько математических сопроцессоров. Каждый из них способен выполнять, по меньшей мере, одну операцию с плавающей точкой независимо от того, что делают другие АЛУ. Метод конвейерной обработки данных позволяет одному математическому сопроцессору выполнять несколько операций одновременно. Сопроцессор поддерживает высокоточные вычисления как целочисленные, так и с плавающей точкой и, кроме того, содержит набор полезных констант, ускоряющих вычисления. Сопроцессор работает параллельно с центральным процессором, обеспечивая, таким образом, высокую производительность. Система выполняет команды сопроцессора в том порядке, в котором они появляются в потоке. Математический сопроцессор персонального компьютера IBM PC позволяет ему выполнять скоростные арифметические и логарифмические операции, а также тригонометрические функции с высокой точностью.

·          Дешифратор инструкций (команд). Анализирует  инструкции в целях выделения  операндов и адресов, по которым  размещаются результаты. Затем следует  сообщение другому независимому устройству о том, что необходимо сделать для выполнения инструкции. Дешифратор допускает выполнение нескольких инструкций одновременно для загрузки всех исполняющих устройств.

·          Кэш-память. Особая высокоскоростная память процессора. Кэш используется в качестве буфера для ускорения обмена данными  между процессором и оперативной  памятью, а также для хранения копий инструкций и данных, которые  недавно использовались процессором. Значения из кэш-памяти извлекаются  напрямую, без обращения к основной памяти. При изучении особенностей работы программ было обнаружено, что  они обращаются к тем или иным областям памяти с различной частотой, а именно: ячейки памяти, к которым  программа обращалась недавно, скорее всего, будут использованы вновь. Предположим, что микропроцессор способен хранить  копии этих инструкций в своей  локальной памяти. В этом случае процессор сможет каждый раз использовать копию этих инструкций на протяжении всего цикла. Доступ к памяти понадобиться в самом начале. Для хранения этих инструкций необходим совсем небольшой  объём памяти. Если инструкции в  процессор поступают достаточно быстро, то микропроцессор не будет  тратить время на ожидание. Таким  образом экономиться время на выполнение инструкций. Но для самых  быстродействующих микропроцессоров этого недостаточно. Решение данной проблемы заключается в улучшении организации памяти. Память внутри микропроцессора может работать со скоростью самого процесс

1. Кэш первого уровня (L1 cache). Кэш-память, находящаяся внутри процессора. Она быстрее всех остальных типов памяти, но меньше по объёму. Хранит совсем недавно использованную информацию, которая может быть использована при выполнении коротких программных циклов.

2. Кэш второго уровня (L2 cache). Также находится внутри процессора. Информация, хранящаяся в ней, используется реже, чем информация, хранящаяся в кэш-памяти первого уровня, но зато по объёму памяти он больше. Также в настоящее время в процессорах используется кэш третьего уровня.

3. Основная память. Намного больше по объёму, чем кэш-память, и значительно менее быстродействующая.

Многоуровневая кэш-память позволяет снизить требования наиболее производительных микропроцессоров к  быстродействию основной динамической памяти. Так, если сократить время  доступа к основной памяти на 30%, то производительность хорошо сконструированной  кэш-памяти повыситься только на 10-15%. Кэш-память, как известно, может достаточно сильно влиять на производительность процессора в зависимости от типа исполняемых  операций, однако ее увеличение вовсе  не обязательно принесет увеличение общей производительности работы процессора. Все зависит от того, насколько  приложение оптимизировано под данную структуру и использует кэш, а  также от того, помещаются ли различные  сегменты программы в кэш целиком  или кусками.

Кэш-память не только повышает быстродействие микропроцессора при  операции чтения из памяти, но в ней  также могут храниться значения, записываемые процессором в основную память; записать эти значения можно  будет позже, когда основная память будет не занята. Такая кэш-память называется кэшем с обратной записью (write back cache). Её возможности и принципы работы заметно отличаются от характеристик кэша со сквозной записью (write through cache), который участвует только в операции чтения из памяти.

·          Шина - это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий  в печатной плате, провода, припаянные к выводам разъемов, в которые  вставляются печатные платы, либо плоский  кабель. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может  быть предусмотрена отдельная линия (параллельная шина), или все биты слова могут последовательно  во времени использовать одну линию (последовательная шина). К шине может  быть подключено много приемных устройств - получателей. Обычно данные на шине предназначаются  только для одного из них. Сочетание  управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно. Управляющая  логика возбуждает специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю, когда ему следует принимать  данные. Получатели и отправители  могут быть однонаправленными (т.е. осуществлять только либо передачу, либо прием) и двунаправленными (осуществлять и то и другое). Однако самая быстрая  процессорная шина не сильно поможет, если память не сможет доставлять данные с соответствующей скоростью.

Типы шин:

1. Шина данных. Служит для пересылки данных между процессором и памятью или процессором и устройствами ввода-вывода. Эти данные могут представлять собой как команды микропроцессора, так и информацию, которую он посылает в порты ввода-вывода или принимает оттуда.
2. Шина адресов. Используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устройства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему.

3. Шина управления. По ней передаются управляющие сигналы, предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).

Регистры

         Регистры - это внутренняя память  процессора. Представляют собой  ряд специализированных дополнительных  ячеек памяти, а также внутренние  носители информации микропроцессора.  Регистр является устройством  временного хранения данных, числа  или команды и используется  с целью облегчения арифметических, логических и пересылочных операций. Над содержимым некоторых регистров  специальные электронные схемы  могут выполнять некоторые манипуляции.  Например, "вырезать" отдельные  части команды для последующего  их использования или выполнять  определенные арифметические операции  над числами. Основным элементом  регистра является электронная  схема, называемая триггером,  которая способна хранить одну  двоичную цифру (разряд). Регистр  представляет собой совокупность  триггеров, связанных друг с  другом определённым образом  общей системой управления. Существует  несколько типов регистров, отличающихся  видом выполняемых операций.

Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

1. сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции.

2.  счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти.

3. регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

 

История развития современных микропроцессоров

История развития Современных  микропроцессоров начинается с изобретения  транзистора в 1948 г, который вытеснил электронные лампы. Сам по себе транзистор умеет очень немного: либо пропускать через себя ток, либо перекрывать  ему дорогу дальше по цепи. Достигается  это благодаря использованию  особых материалов – «полупроводников». Один транзистор мог заменить 40 электронных  ламп. В 1955 г. фирма Bell Laboratories создала первый транзисторный компьютер второго поколения. 1960 г. Компания DEC выпустила по тем временам «мини»-компьютер, который вмещался в небольшой комнате- PDP-1.Но эволюция на этом не остановилась и к 60-ым годам научились выпускать интегральные схемы. Первые из них содержали всего 6 транзисторов, позднее их число стало расти в геометрической прогрессии. В настоящее время число транзисторов на интегральной микросхеме зашкаливает за несколько десятков миллионов.