Первое знакомство с микропроцессором

МикроЭВМ, или компьютер,— сложное устройство, основной частью которого является микропроцессор. Поэтому, чтобы изучить микроЭВМ, необходимо прежде всего ознакомиться с микропроцессором, узнать принципы его действия и особенности применения.

Ознакомление начнем с разъяснения слова микропроцессор Первая часть его, приставка микро, говорит о милых размерах этого устройства, а вторая — процессор - происходит от английского слова processor , означающего обработчик, и указывает на обработку цифровых данных, буквенного текста, графических изображений и других видов сообщений или сведений, называемых информацией. При этом под обработкой понимают вычисление, сравнение, преобразование, пересылку и упорядочение поступающей, информации.

Исходя из названия, можно коротко сказан: микропроцессор — это миниатюрное устройство, служащее для ооработки информации. Однако такое определение неполное. Оно не отражает самого главного, характерного свойства микропроцессора — его способности обрабатывать информацию по прогриммс, заложенной в специальное приспособление, называемое памятью. Меняя программу, один и тот же микропроцессор МОЖНО использовать для различных видов программной обработки, решая разнообразные задачи. Например, поместив в намни , данные о расположении шахматных фигур и программу их ХОДОВ, можно получить партнера для игры в шахматы. Если в эту же им мять заложить данные о соответствии русских слов — английским и программу поиска этого соответствия, то удается получить автоматический переводчик с русского языка на английский, и наоборот. Разместив в памяти сведения о температуре плавильной печи и составе компонентов, а также программу технологического процесса, получим возможность автоматически управлять режимом плавки металлов. Подобных примеров универсального использования одного и того же микропроцессора для решении различных задач можно привести очень много.

Помимо миниатюрности и программной обработки данных, микропроцессор имеет ряд других особенностей. Подобно радиоприемнику или телевизору, он состоит из электронных элементов транзисторов. Разница только в их количестве и размерах. Если радиоприемник содержит несколько транзисторов, а телевизор — два-три десятка, то в микропроцессоре их насчитывается сотни тысяч. Транзисторы радиоприемника размещаются на пластине (называемой платой) величиной с папиросную коробку. Плата телевизора примерно в десять раз больше. А кристаллик микропроцессора с транзисторами имеет размер спичечной головки. Благодаря уникальной технологии, удается в столь крошечном объеме разместить огромное количество транзисторов и соединить их друг с другом по нужной схеме.

Характерной особенностью микропроцессора является также чрезвычайно высокое быстродействие, во много раз превышающее человеческие возможности. Микропроцессор может выполнять миллионы и даже миллиарды операций в секунду. Чтобы понять, как велика эта скорость, попробуйте, например, сосчитать в уме до миллиона. На это уйдет более трех месяцев ежедневного восьмичасового труда, а для счета до миллиарда не хватит и всей человеческой жизни. Или попытайтесь сложить в уме два числа 56 712 381 и 79 148 312. Не каждому удается это сделать. Сложение при помощи карандаша и бумаги займет примерно полминуты. А микропроцессор сложит эти числа мгновенно, за миллионную долю секунды. Такой молниеносный счет позволяет выполнять огромное количество различных вычислений за короткий промежуток времени, решая этим самым очень сложные ранее недоступные человеку задачи из различных областей науки и техники.

Помимо арифметических вычислений, микропроцессор может выполнять разнообразные логические действия в виде сопоставления обрабатываемых данных, поиска наилучшего значения какой-либо величины, определения аварийных состояний, создания сигналов управления типа: открыть—закрыть, ввести—вывести, прочесть—записать и многие другие.

Отличительной особенностью микропроцессора является также обработки информации, условно представляемой в виде чисел в двоичной системе счисления, которая, в отличие от привычной нам десятичной системы, имеет всего два символа: 0 и 1.

Микропроцессор имеет малую массу, относительно низкую стоимость, очень надежен в работе, прост в техническом обслуживании и потребляет мало электроэнергии. Благодаря этим качествам, он находит все большее применение во многих областях науки и техники, на производстве, в быту.

Когда и как возник микропроцессор

В 50-х годах XX столетия в радиоэлектронике беспредельно господствовала радиолампа. Вся радиотехническая аппаратура — радиоприемники, телевизоры, ЭВМ — собиралась на радиолампах. ЭВМ на лампах выглядела очень неуклюже. Одна ИЗ первых ЭВМ ЭНИАК, насчитывающая 18 тыс. ламп, имела массу 30 тонн и занимала площадь 600 м 2 . Наличие огромного количества ламп приводило к тому, что часто какая-либо па ламп перегорала и это затрудняло эксплуатацию ЭВМ. Лампы выделяли много тепла и требовались специальные охлаждающие установки. Для накала ламп нужна была собственная подстанция, мощности которой хватало для электроснабжения городского поселка. ЭВМ и другие электронные устройства, собранные на радиолампах, были названы электронной аппаратурой первого поколения.

В 60-х годах радиолампы уступили место полупромилппконому Прибору — транзистору, который выполнял те же функции, что и радиолампа. По сравнению с лампой транзистор имен рал, преимуществ. Он был более долговечен, не требовал электрической мощности для накала, имел малые размеры и массу, В СВЯ ш с чем всю электронную аппаратуру начали выпускать на трап шпорах. Такая аппаратура получила название электронной аппаратуры второго поколения.

Транзисторов требовалось все больше и больше. Технология их производства непрерывно совершенствовалась и привела к тому, что транзисторы стали изготовлять одним заходом, получая за один технологический цикл на одной кремниевой пластинке несколько десятков, а то и сотен транзисторов. После изготовления пластинку разрезали на отдельные транзисторы, упаковывали каждый в пластмассовый или металлический корпус и пускали в продажу. Приобретая транзисторы, их снова устанавливали на пластинке и соединяли друг с другом по заданной схеме. При этом невольно возникал вопрос: зачем транзисторы сперва разрезать, а потом снова соединять? Нельзя ли сразу, при изготовлении серии транзисторов на пластинке, соединять их по нужной схеме? Оказалось — можно. Ученые в содружестве с технологами разработали разные способы изготовления готовых электронных схем, состоящих из транзисторов и других электронных элементов. Чаще всего применяли многократное напыление нужного материала на кремниевую пластинку, называемую подложкой. Напыление производилось через отверстия специального трафарета. При этом распыляемый материал оседал в виде тончайшей пленки в нужных местах подложки, создавая определенный геометрический рисунок отдельных частей транзисторов, а также диодов, резисторов, конденсаторов и соединительных проводников. Иногда использовался и фотолитографический способ образования нужного узора пленки, основанный на фотохимическом процессе травления, напоминающем получение печатного монтажа, которым часто пользуются радиолюбители. Эти и другие уникальные технологические приемы напыления законченных электронных схем (усилителей, генераторов, электронных реле, счетчиков и др.) привели к появлению новых электронных приборов, получивших название интегральных схем. Начиная с 70-х годов интегральные схемы стали широко применяться при изготовлении многих электронных изделий: радиоприемников, телевизоров, магнитофонов, блоков автоматики и ЭВМ. Электронная аппаратура, собранная на интегральных схемах, стала называться аппаратурой третьего поколения.

Преимущество этой аппаратуры сводилось к резкому уменьшению ее габаритов, массы, стоимости, повышению надежности и главное — возможности автоматизации сборки деталей схемы, пайки, монтажа и налаживания.

В аппаратуре третьего поколения сначала применяли интегральные схемы с малой степенью интеграции, при которой в одном корпусе, на одной подложке создавалось несколько десятков транзисторов, диодов и резисторов, соединенных между собой по нужной схеме. Затем начали применять интегральные схемы со средней степенью интеграции, насчитывающие сотни и тысячи электронных элементов. Далее появились большие интегральные схемы (сокращенно БИС), сверхбольшие (СБИС) и ультрабольшие (УБИС), число элементов которых достигало сотен тысяч и миллионов. Электронная аппаратура с использованием БИС стала называться аппаратурой четвертого поколения.

Разработка и изготовление БИС оказались трудоемкими, сложными и, главное, очень дорогостоящими. Когда БИС представляла собой электронную схему широкого спроса (например, БИС для электронных часов или телефонных аппаратов), изготавливаемую в большом количестве экземпляров, то цена ее была умеренной. Стоимость же уникальных БИС, используемых в единичных экземплярах, оказывалась такой высокой, что приходилось воздерживаться от разработки и изготовления узко специализированных БИС. Эта ситуация изменилась лишь в середине 70-х годов, когда появилась и была реализована идея создания универсальной БИС, пригодной для изготовления различных электронных устройств путем изменения программы ее работы. Такая программируемая БИС получила название микропроцессора. Она могла быть выпущена промышленностью в большом количестве экземпляров по сравнительно низкой цене для самых разнообразных изделий. Некоторую роль в создании микропроцессоров сыграло и то обстоятельство, что, наряду с развитием технологии изготовления БИС, непрерывно совершенствовалось искусство составления программ для ЭВМ. К середине 70-х годов программирование достигло такого высокого уровня, при котором стала возможной реализация идеи создания универсальной программируемой БИС — микропроцессора.

Традиционным методом, а именно: сперва разрабатывалась схема устройства, а затем подбирались нужные детали и устанавливались на плате. Далее выполнялся монтаж и, наконец, следовала серия операций по регулировке и налаживанию. Причем каждое новое устройство требовало своего комплекта деталей, своей схемы соединений и своих приемов налаживания. С появлением же микропроцессора для создания какого-либо иного электронного устройства совершенно не нужным оказался паяльник для монтажа и измерительные приборы для регулировки (так как изменение действий устройства с микропроцессором и выполнение им операций всецело зависит от программы, заложенной в память). Задумали мы, например, сделать электронное устройство для телевизионных игр. Составляем программу, помещаем ее? В память и такое устройство готово. Сменив программу, вместо телеигры получаем электронный арифметический вычислитель (микрокалькулятор) или электронные часы, обучающее устройство или календарь, будильник или записную книжку, устройство для программируемого управления бытовыми приборами и др. Поначалу даже трудно поверить в такую метаморфозу, в мгновенную перемену действий микропроцессора.

На следующих страницах нас ждет близкое знакомство с этим удивительным электронным прибором. Мы поймем, в частности, почему и как происходит изменение действий микропроцессора в соответствии с заложенной программой.