Общие сведения о микропроцессорах

Микропроцессор (МП) — функционально законченное устройство обработки цифровой информации, управляемое хранимой в памяти программой и выполненное в виде одной или нескольких БИС.

Термин «микропроцессор» был впервые употреблен в 1972 г., хотя годом рождения следует считать 1971 г., когда фирма Intel выпустила МП серии 4004 — «интегральное микропрограммируемое вычислительное устройство». Это был однокристальный процессор, имеющий четырехразрядный параллельный сумматор, 16 четырехразрядных регистров, накапливающий сумматор и стек. Он был реализован на 2300 транзисторах, работал на частоте 750 кГц и мог выполнять 45 различных команд. С тех пор МП стал элементом, заменяющим сотни типов заказных БИС с фиксированной логикой и пригодным для реализации различных функций по обработке информации и управления.

По всем показателям темпы развития МП не имели себе равных в технической области. Первоначально МП классифицировали по технологии изготовления, в связи с чем выделялось несколько поколений.

К первому поколению относят МП, выполненные по р-М011- технологии, скорость выполнения команд которых достигала 60 мкс. Это четырехразрядные МП с жестким управлением. Они требовали довольно много внешних согласующих цепей.

Ко второму поколению относят МП, выполненные по п-МОП технологии, здесь плотность компоновки выше, управление также жесткое, но список команд значительно шире и почти не требуется внешних согласующих устройств. Это восьмиразрядные МП, время выполнения команд до 8 мкс.

Третье поколение — МП, выполненные по биполярным технологиям. Плотность компоновки невысокая, поэтому выпускались двухили четырехразрядные секции, охваченные общим микропрограммных управлением. Это МП с наращиваемой разрядностью. Время выполнения команд — до 0,1 мкс.

Четвертое поколение — это развитие второго поколения, используя Н-МОП, В-МОП, К-МОП-технологии. Разрядность 8, 16, 32, время выполнения команд до 0,5 мкс. Управление схемное, жесткое. Список команд значительно расширен. Не нужны согласующие устройства.

Последующее развитие МП идет по пути совмещения различных технологий. Это уже многослойные БИС, и речь идет о толщине пленки, в которой и создаются отдельные функциональные узлы МП. Так, существуют технологии: 0,5 мкм, 0,25 мкм, 0,12 мкм, 0,09 мкм. Повышение плотности компоновки позволило поднять тактовую частоту МП до единиц гигагерц. Изменилась и архитектура (стиль постройки, представление МП с точки зрения программиста) микропроцессоров. Широкое внедрение RISC-архитектуры (процессоры с сокращенным набором команд) позволило дополнительно увеличить быстродействие МП. Здесь команды короткие и быстро выполняются, нет обращения к ЗУ, а используется обращение только к регистрам.

Существующие фирмы — изготовители МП оказались неспособными в одиночку решить многие технические проблемы, и они пришли к выводу: нужно объединяться! Некто древний и великий (Теренций) сказал: «Когда двое делают одно и то же, это уже не одно и то же».

Именно бесперспективность дальнейшего одиночного развития побудила фирму Intel заключить соглашение с компанией Hewlett Packard (HP). Их совместный RISC-процессор — РА-9000 разрядностью 64 бит выполнял три команды за один такт, изготовлен, но технологии 0,2 мкм и состоял из 5,5 млн вентилей.

Другая «команда»: фирмы IBM, Motorola и Apple — также разработала RISC-процессор РРС-604, который не уступает по показателям РА-9000, но значительно проще и дешевле (изготовлен по технологии 0,5 мкм, содержит 3,6 млн вентилей, выполняет четыре команды за один такт).

Безусловно, эти фирмы занимаются и самостоятельными разработками. Компания HP выпустила МП РА-8800. Это двухпроцессорная система. Она состоит из 300 млн транзисторов, размещена на одном кристалле площадью 366 мм², выполнена по технологии 0,13 мкм, системная шина 128 бит, тактовая частота 400 МГц.

Крупнейший производитель МП в России — коллектив «Эльбрус», который 40 лет разрабатывает суперкомпьютеры.

«Эльбрус-1» (1978 г.) — это 10-процессорная система с разделяемой памятью. В системе использовались: перестановка последовательности выполнения операций, спекулятивное исполнение и переименование регистров, теговая защита и динамическая проверка типов данных. Все это было в серийной машине за 15 лет до появления первых зарубежных RISC-процессоров! Теговая архитектура заключалась в наличии избыточных битов для указания типа данных. Это мощная форма аппаратной защиты памяти.

В 1990;е гг. реорганизованная компания «Эльбрус-интернэшнл» занималась совершенствованием низковольтной К-МОПтехнологии. Результат этой работы — процессор Е2к. В нем впервые реализованы параллельное выполнение команд и технология двоичной компиляции. Процессор Е2к в три-пять раз превосходил по быстродействию аналогичный совместный процессор фирм Intel и HP — Merced. Е2к имел меньший размер кристалла и себестоимость, защищен 70 патентами в США.

Другой творческий коллектив НТЦ «Модуль» создает МП по «беспроизводственной» схеме: архитектура и инструментальное программное обеспечение разработаны в России, а производство — за рубежом по технологии 0,2 мкм (за рубежом — 0,09 мкм). Процессор NM 6403 по техническим параметрам находится на уровне лучших мировых достижений. Аналогичный процессор TMS320TC40 (сигнальный процессор с плавающей запятой компании Texas Instmment) при такой же тактовой частоте имеет в 5—10 раз меньшую производительность. Ядро процессора NM 6403 использовано в составе собственных микросхем Fujitsu для применения в высокоскоростных системах передачи данных и сотовой телефонии.