5. Перспективы развития микропроцессорных систем

5.1. Совершенствование аппаратных средств мпс

Развитие микропроцессорных средств идет по двум направлениям: совершенствование аппаратных средств и программного обеспечения. Рассмотрим сначала развитие схемных принципов построения МПС. При этом будем рассматривать только МП и ОЭВМ, не используемые для комплектации персональных ЭВМ, так как МП для ПК - это отдельная тема.

5.1.1. Развитие структуры и характеристик мп.

Микропроцессоры как элемент МПС развивается в следующих направлениях:

• увеличение разрядности ЦПЭ,

• повышение быстродействия,

• увеличение степени интеграции БИС ЦПЭ,

• уменьшение энергопотребления.

В настоящее время существующие БИС МП и ОЭВМ имеют степень интеграции около 300 тыс. элементов/см. В ближайшем будущем возможно повышение этой степени до 1 млн. элементов/см. Это уже предел для современного уровня технологии производства БИС. Дальнейшее повышение степени интеграции сопряжено с очень большими технологическими трудностями и, естественно с увеличением стоимости МП. При этом теряется одно из главных преимуществ МП - его дешевизна. Поэтому нельзя ожидать в ближайшем будущем существенного повышения степени интеграции.

Быстродействие современных МП приближается к миллиону операций в секунду (тактовая частота около 50 МГц). Следует ожидать увеличения быстродействия примерно до 100 МГц. Однако повышению производительности всей МПС в целом препятствует не ЦПЭ, а низкоскоростные внешние устройства. Поэтому основной проблемой, стоящей на современном этапе перед разработчиками МПС, является повышение быстродействия всех компонент МПС. А это сделать по ряду причин очень трудно. Кроме того, повышение быстродействия влечет за собой, опять таки, повышение стоимости МПС. Возможен другой подход. Необходимо изменить сам принцип обработки информации в МП. Например, в МП серии К584, ОЭВМ Intel 251 семейства применен так называемый "конвейерный" принцип выполнения микрокоманд. Он заключается в одновременном исполнении команды и приемом кода команды из ОЗУ команд. Поэтому, хотя тактовая частота МП серии К584 и вполовину меньше, чем у МП серии К580, но скорость выполнения команд увеличивается почти в десять раз.

Другим способом повышения мощности МП и ОЭВМ является принципиально иное использование процессорного времени для распределения функций и операций. Так американская фирма Dallas Semiconductor выпустила на рынок новую ОЭВМ DS80C310 - DS80C530, которая имеет ядро типа ОЭВМ MCS51, но при тактовой частоте до 33 МГц ее производительность такова, как будто тактовая частота обычной ОЭВМ была бы 80-100 МГц.

На заре развития МП считалось, что во многих применениях 8-ми разрядного ЦПЭ вполне хватит для работы с приемлемой точностью. Однако по мере развития МП техники, расширения ее функциональных способностей, становилось очевидным, что необходимо повышать разрядность МП. И хотя в 8-ми разрядных ЦПЭ часто предусматривалась возможность оперировать с 16-ти разрядными данными, но быстродействие таких операций было весьма низким. Поэтому появились 16-ти разрядный МП, такие как К1801ВМ1, 1810ВМ86 и др. Правда электронное обрамление этих ЦПЭ все более усложнялось, так как в связи с ограниченным числом выводов БИС ЦПЭ использовалась мультиплексированная ШД/ША. Другим путем увеличения разрядности обрабатываемых данных явилось использование секционированных МП (например, серий К584, К589, К1802, К1804 и др.), хотя в настоящее время это направление считается неперспективным.

Уменьшенное энергопотребление важно в тех случаях, когда предусматривается автономная работа МПС на объектах малой энергонасыщенности. Ранее уже был создан МПК на основе КМОП - серия К588. В настоящее время по этой технологии создаются однокристальные микро-ЭВМ, предназначенные для встраивания в различное оборудование. Однако в перспективных типах ОЭВМ вопросам энергопотребления отводится не последняя роль. При этом стремятся при сохранении заданной технологии (КМОП), уменьшить энергопотребление схемными методами. Однако потребление энергии и быстродействие находятся во взаимном противоречии, то для создания быстродействующих МП жертвуют малым энергопотреблением.

Другим направлением уменьшения энергопотребления является широкое использование режимов Idle и Standby, в которых ОЭВМ потребляет в 10 – 100 раз меньший ток, чем в рабочем режиме.

Наконец, всеобъемлющей тенденцией развития МП техники является тотальная замена МПС на основе МП на ОЭВМ, к которым при необходимости можно присоединить дополнительные элементы: БИС ОЗУ, ППЗУ, УВВ. Развитие технологии производства ОЭВМ достигли даже в настоящее время такого уровня, который позволяет на одном кристалле сформировать составляющие МПС, которые ранее умещались только на печатной плате или даже в других модулях. Примером может служить разработанная совсем недавно фирмой Analog Devices (США) ОЭВМ типа AduC812, которая имеет структуру и систему команд, совпадающие с семейством MCS-51, но дополнительно на кристалле сформирован высококачественный восьмиканальный 12-битный АЦП и два 12-битных ЦАП. Таким образом, одна ОЭВМ заменяет целое сложное устройство для встраивания в аналоговое оборудование.