Основные сведения о микропроцессорах

Регистры-защёлки адреса 8282/8283

Так как в цикле доступа к  памяти ЦП выдаёт на мультиплексные линии  адреса-данных адрес запрашиваемой  ячейки только в первой части цикла, а затем линии заполняются  данными, то необходимы регистры-защёлки для сохранения этого адреса в течение всего цикла шины. Микропроцессорам 8086 и 8088 требуется три таких микросхемы. Современным микропроцессорам не нужны защёлки адреса, так как линии адреса и данных у них не мультиплексируются.

Контроллер системной шины 8288

В мультипроцессорных системах применяется  для арбитража доступа к системной  шине. Однако, даже в однопроцессорной системе контроллер ПДП требует  его наличия, так как должен обращаться к памяти, минуя ЦП.

Контроллер приоритетных прерываний 8259/8259A

Подробно рассмотрен в соответствующем  разделе. Общее назначение состоит  в координации доступа внешних  устройств к ЦП.

Контроллер прямого  доступа к памяти 8237/8237A

Управляет передачей данных между  памятью и интерфейсом ввода-вывода или внешней памяти. Основное его назначение – освободить ЦП от операций передачи больших блоков данных. В процессе передачи контроллер ПДП помещает адреса на шину, а также выдаёт и принимает сигналы квитирования так, как это делает логика управления шиной. Для этого ему требуется запрашивать циклы шины у процессора. Микросхема 8237 имеет три канала ПДП и 43 байт буферной памяти; она может обслуживать до трёх интерфейсов ввода-вывода или внешней памяти. В некоторых системах кроме контроллера ПДП нужен ещё и дешифратор его приказов, например, Intel 8205.

Контроллер накопителя на гибких магнитных дисках 8272/8272A

Используется для управления записью  и считыванием данных на (с) гибкие диски. Подробно рассмотрен в соответствующем  разделе. Для управления жёсткими (винчестерскими) дисками применяются контроллеры НЖМД 82062/82064 и их аналоги WD1010/2010, а также оригинальная микросхема WD42C22A фирмы Western Digital. Для поддержки своих микросхем в адаптерах НЖМД фирмой Western Digital выпускался целый комплект из микросхем WD10C20/21/22 (каждая в вариантах A и B – сепараторы данных), WD11C00-17 и WD14C17 (сопряжение с системной шиной на базе микропроцессоров 8086/8088), WD11C00C-22 и WD12C00A-22 (сопряжение с системной шиной на базе микропроцессора 80286), WD1015 (согласование протоколов обмена данными).

Контроллер клавиатуры 8279

Осуществляет контроль клавиатуры и через периферийный интерфейс  записывает в буфер в памяти коды нажатых клавиш.

Программируемый периферийный параллельный интерфейс 8255/8255A

Предназначен для многих целей: программного доступа к переключателям системной платы компьютера, передачи введённых с клавиатуры символов в память, управления таймером и кассетным магнитофоном, а также для некоторых других целей. В IBM AT вместо него используется микросхема КМОП–памяти Motorola MC146818.

Программируемый связной  последовательный интерфейс 8250/8251A

Может быть запрограммирован для асинхронной  или синхронной передачи данных через  последовательный порт, например, в  модем. Микросхемы асинхронной последовательной связи называют также УАПП – универсальными асинхронными приёмопередатчиками. Микросхема 8250/8251A может быть УАПП.

Программируемый интервальный таймер/счётчик 8253/8254

Подробно рассмотрен в соответствующем  разделе. Используется для обновления часов реального времени, регенерации  памяти, генерации звуков, синхронизации  операций с внешней памятью, а  иногда также для работы с клавиатурой.

Контроллер динамических запоминающих устройств произвольной выборки 8203

Производит автоматическую регенерацию  динамических ЗУПВ типа Intel 2117/2118 и 2164, а также выбирает необходимую  микросхему памяти по физическому адресу (т.е. дешифрует адрес). В настоящее  время встраивается в модули памяти. Примерами динамических ЗУПВ со встроенным контроллером являются микросхемы Intel 2186/2187.

Представители вспомогательных микросхем  каждого из трёх их основных типов  – контроллеры системных устройств, контроллеры внешних устройств, микросхемы управления использованием системной шины – рассмотрены в следующих разделах более детально.

Советские разработки.

В Советском Союзе длительное время  кибернетика считалась «буржуазной  лженаукой». Это вовсе не значит, что она не развивалась: на закрытых оборонных предприятиях – «почтовых  ящиках» – кибернетикой подчас занимались специалисты мирового масштаба. Но все разработки засекречивались, чтобы «потенциальный враг» не знал, что СССР способен создать оружие, управляемое автоматической системой наведения.

Однако и в СССР ситуация сильно изменилась с появлением микропроцессоров, а с ними и персональных компьютеров. Когда в конце 1970-х число персональных компьютеров (как правило, вывезенных из заграничных командировок или собранных вручную по схемам из зарубежных журналов) в стране составило тысячи, Госплан должен был как-то отреагировать, чтобы удовлетворить всё возрастающий спрос на них. Времени на разработки собственного микропроцессора не было; «оборонная» кибернетика, варившаяся десятки лет «в собственном соку», отстала от мировых достижений. Поэтому первый советский микропроцессорный комплект – КР580 – был практически скопирован с комплекта микросхем для поддержки процессора Intel 8080, а сам микропроцессор комплекта – КР580ИК80 – был точной копией процессора 8080 и даже поначалу распространялся с оригинальной документацией, непереведённой на русский язык. Новое направление развития промышленности назвали микроэлектроникой, чтобы отметить, что микропроцессоры не имеют ничего общего с «лженаучной» кибернетикой. Соответственно, компьютеры называли ЭВМ, а микрокомпьютеры – микроЭВМ, поскольку само слово «компьютер» считалось «империалистическим».

Член-корреспондент АН СССР И. М. Макаров  так оценивал значение микропроцессоров в 1987 г.:

«Подлинным катализатором научно-технического прогресса является современная  вычислительная техника. Намечено «обеспечить рост объёма производства вычислительной техники в 2 – 2,3 раза, повысить её надёжность. Высокими темпами наращивать масштабы применения современных высокопроизводительных электронно-вычислительных машин всех классов». (Цит. по «Основные направления экономического и социального развития СССР на 1986 – 1990 г.г. и на период до 2000 г.») … Микрокомпьютеры являются, пожалуй, самым блестящим достижением последних пятнадцати лет развития микроэлектроники. Сравнительно краткая история этих машин восходит к появлению в начале семидесятых годов микропроцессоров. Среди различных вычислительных систем, созданных на базе микропроцессоров, микрокомпьютеры сразу же выделились своими особенностями: обладая подчас не меньшей производительностью, чем громоздкие ЭВМ первых поколений, микрокомпьютеры несравненно более предпочтительны по таким показателям, как габариты, стоимость, энергопотребление, надёжность. Если к этому ещё добавить гибкость и приспособляемость микрокомпьютеров к самым различным задачам науки, техники и производства, то можно представить себе не только широчайшую сферу применения микропроцессорной техники, но и обусловливаемый ею более высокий уровень использования современной вычислительной техники в целом. В отличие от громоздких ЭВМ первых поколений микропроцессоры и микроЭВМ могут быть легко встроены в любое орудие производства, в любой объект, требующий оперативного управления. Речь идёт не только об усовершенствовании и оптимизации работы уже известных изделий: станков, автомобилей, телевизоров и т.п., но и о создании принципиально новых аппаратов, приборов, инструментов.»

Как это ни странно, ориентация на копирование «империалистических» микропроцессоров сохранялась до 1991 г., когда СССР распался. Шутят, что  было запланировано 4 прорыва в микроэлектронике – клонирование процессоров 8080, 8086, 80286 и 80386 соответственно. Последний из них не совершился из-за того, что после падения Советского Союза обнаружилось, что закупать американские микросхемы дешевле, чем разрабатывать собственные. Вообще же, не только микропроцессоры, но и целые компьютеры часто были всего лишь копией привезённых из-за рубежа, может быть, с добавлением нескольких функций; спрос на ПК был настолько велик, что времени на разработку собственной машины у советской микроэлектроники не было. Один из создателей отечественного персонального компьютера «Корвет» описывает его создание в 1989 г. так:

«В один прекрасный день в их [сотрудников  Отдела физики плазмы ИЯФ МГУ] лаборатории  появилось устройство, входящее в  комплект физической аппаратуры и называемое TRS-80 (фирма Tandy, США). Этим устройством была одна из первых в мире ПЭВМ. Она сразу же прижилась в лаборатории, и через некоторое время число людей, желающих на ней поработать, стало настолько большим, что машина перестала быть персональной. … Возможности приобрести такую или подобную машину всем желающим не представлялось. Выход напрашивался один: сделать свою собственную машину. … Однако не прошло и года, как на свет появился прообраз современной ПЭВМ Корвет.»

Примерно подобным образом создавались и другие советские компьютеры. Естественно, были и оригинальные советские разработки, но они, как правило, создавались исключительно энтузиазмом разработчиков – стимула создавать что-то новое, а не копировать зарубежные образцы, не было. Как следствие, подобные оригинальные разработки не поддерживались авторами и потому популярности не завоевали.

Советские разработки: первые МПК.

Микропроцессорный комплект КР588 является одним из первых микропроцессорных  комплектов, выпущенным в Советском  Союзе, и потому он сохраняет черты ЦПУ миникомпьютера. Созданный на базе КМОП-технологии, этот комплект предназначен для создания аппаратуры средней производительности. Отличительными способностями микросхем комплекта являются малое потребление мощности от источника питания, широкий набор периферийных микросхем и гибкость, обеспечиваемая незафиксированной системой команд управляющей памяти комплекта. Например, в состав комплекта входят микросхемы, позволяющие реализовать систему, полностью аналогичную микрокомпьютеру «Электроника-60». Пользователь может построить управляющую память, реализующую практически любую систему команд.

Микропроцессорный комплект КР588 состоит  из следующих микросхем: (в скобках  для некоторых микросхем указан компонент центрального процессора более высокой степени интеграции, соответствующий по функциям данной микросхеме)

• КР588ВУ2 – управляющая память, хранящая описания действий микропроцессорной системы для каждой конкретной команды во внутреннем 12-битном формате (память микрокодов) – 42 контакта корпуса;
• КР588ВС2 – арифметическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции над 16-битными целыми числами (АЛУ) – 42 контакта корпуса;
• КР588ВГ1 – системный контроллер, управляющий взаимодействием системы посредством системной шины – 42 контакта корпуса;
• К588ВР2 – умножитель, позволяющий быстро осуществлять операции умножения и деления 16-битных целых чисел (часть АЛУ) – 24 контакта корпуса;
• КР588ВА1 – 8-битный приёмопередатчик – 28 контактов корпуса;
• КР588ИР1 – 8-разрядный регистр защёлки – 28 контактов корпуса;
• КР588ВГ2 – контроллер ЗУ, осуществляющий выборку команд из памяти (устройство выборки) – 18 контактов корпуса;
• К588ВТ1 – селектор адреса, осуществляющий доступ системы к портам ввода-вывода – 42 контакта корпуса.

Легко заметить, что многие микросхемы имеют больше контактов корпуса, чем их более совершенные потомки. На примере микросхем комплекта  КР588 особенно хорошо виден ход увеличения степени интеграции микросхем –  именно подобный комплект из большого числа микросхем был заказан для своего калькулятора фирмой Busicom в 1970 г.

Имелось 7 различных типов микросхемы КР588ВУ2. Эти микросхемы КР588ВУ2-0001 –  КР588ВУ2-0007 реализовали различные  наборы команд, например, некоторые  из них – систему команд микрокомпьютера «Электроника-60».

Общий принцип работы системы на базе комплекта КР588 таков: контроллер ЗУ выбирает команду из памяти и  передаёт её в управляющую память; та дешифрует команду и выдаёт её микрокод на 12-разрядную внутреннюю шину микрокода системы; устройства, которые микрокод побуждает к действию, выполняют дешифрованную операцию. Как легко видеть, на один микрокод может реагировать несколько устройств одновременно. Подобная архитектура системы существенно усложняет её монтаж (необходимостью использовать десятки корпусов микросхем), но зато обеспечивает гибкость, несравнимую ни с какой из систем на базе монокристального процессора.

Поскольку микросхемы комплекта КР588 обладают высокой помехоустойчивостью, то их применение было оправдано в  устройствах, действующих в условиях сильных электромагнитных полей, например, в системе навигации подводной лодки, где малое энергопотребление микросхем комплекта КР588 также увеличивает длительность автономного плавания. 

  Подобными микропроцессорными комплектами были также комплекты К1802 и К1804, совместимые друг с другом. Эти комплекты позволяли организовывать микропроцессорные системы, схожие по архитектуре, гибкости и быстродействию с миникомпьютерами и даже суперкомпьютерами. Для подробного рассмотрения этих микропроцессорных комплектов нет необходимости, так как они во многом повторяют черты комплекта КР588 и, что важнее, не содержат микропроцессоров в полном смысле этого слова. Отметим только, что ядром комплекта К1804 было 4-битное ЦПУ К1804ВС1, содержащее 16 рабочих регистров регистр сдвига и регистр флажков, АЛУ, способное выполнять 8 логических и арифметических операций, и «сдвигатель» для ускорения операций сдвига. Однако это ЦПУ не могло выбирать свои команды из памяти и не могло взаимодействовать с системной шиной. С другой стороны, ЦПУ типа К1804ВС1 можно было объединять в системе, эффективно получая 8-, 12- или 16-битное ЦПУ. Ядро комплекта К1802 состояло из 8-битного АЛУ К1802ВС1, 16-битного арифметического расширителя К1802ВР1 (совокупность его и микросхемы К1802ВС1 образует полноценное 16-битное АЛУ), умножителя К1802ВР2 и регистрового набора К1802ИР1. К этому многокристальному ядру применимы все те же рассуждения, что и к ЦПУ К1804ВС1.

Для взаимодействия ЦПУ типа К1804ВС1 с оперативной памятью применялись 4-битные схемы управления памятью К1804ВУ1/2 и К1804ВУ3. Каждая из схем К1804ВУ1/2 включает программный счётчик, 4-элементный стек, указатель этого стека и адресный регистр, программируемый ЦПУ для доступа к операндам в памяти. Схема К1804ВУ3 служит для вычисления адреса следующей команды по коду предыдущей и состоянию флажков ЦПУ. Для взаимодействия ядра комплекта К1802 с системной шиной применялись микросхемы К1802ВВ1/2.