Sisteme cu Microprocesoare

1. INTRODUCERE

1.1. Microprocesorul. Notiuni generale

Progresele tehnologice si electronice, înregistrate în ultimele decenii, au determinat

aparitia microprocesoarelor care a reprezentat un moment important, atât în ceea ce priveste

domeniile de aplicatie a acestor componente revolutionare din punct de vedere tehnic si

tehnologic, cât si în ceea ce priveste conceptia si realizarea sistemelor cu microprocesor.

Începând cu microprocesoare de 4 biti, de viteză relativ redusă, cu costuri ridicate si

dispunând de putine elemente de dezvoltare a aplicatiilor, piata microprocesoarelor a

înregistrat progrese uimitoare, în urmă cu câtiva ani, evoluând într-o progresie exponentială.

Obtinerea "calculatoarelor pe un cip", cu performante de-a dreptul spectaculoase, s-a

făcut extrem de rapid, iar estimările pentru următorii ani prevăd o expansiune a sistemelor

microprocesor.

Din punctul de vedere al caracteristicilor putere de calcul / cost / complexitate,

microprocesoarele si microcalculatoarele (calculatoarele care utilizează ca unitate centrală un

microprocesor), se situează pe pozitii avantajate, comparativ cu celelalte tipuri "clasice", de

calculatoare.

Figura 1.1 prezintă unele dintre aceste caracteristici pentru diversele tipuri de

echipamente de calcul.

Figura1.1. Compararea costului, puterii de calcul si capacitătii

diverselor calculatoare numerice

Termenul de "microprocesor" a fost introdus în 1972 de către firma americana INTEL,

realizatoarea primului microprocesor de 4 biti, în anul 1971. Au urmat apoi microprocesoarele

de 8, 16 si 32 de biti (în 1972, 1974 si 1981, respectiv). Numărul de componente pe cip a

crescut de peste 500 de ori iar frecventa de lucru a circuitelor de peste 100 de ori.

Utilizarea microprocesoarelor a fost orientata initial cu predilectie ca microcontrolere

în structuri dedicate, pentru aplicatii de control al proceselor. Setul de instructiuni al acestora

era relativ limitat, iar programarea se făcea direct în cod masină. Dezvoltarea ulterioară a

arhitecturilor evoluate, aparitia limbajelor de programare de nivel înalt, deosebit de

performante, cresterea puterii de calcul si a flexibilitătii, aparitia si expansiunea sistemelor de

dezvoltare, au lărgit considerabil aria de aplicatii ale microprocesoarelor.

2 4 6 8

Logică cablată

Complexitate

scăzută

foarte

ridicată

cost

Calculatoare elementare

Microprocesoare

Microcalculatoare

Minicalculatoare

Calculatoare de mare

performantă

4 8 16 32 64

lungime cuvânt

număr de biti

minimă putere de calcul maximă

Din punctul de vedere al tehnologiei de fabricatie, s-a pornit initial de la tehnologia

pMOS. Practic, toate tehnologiile disponibile de fabricare a circuitelor semiconductoare au

fost testate de-a lungul anilor (CMOS, NMOS, bipolare, I2L). Sunt preferate circuitele

realizate în tehnologii MOS, datorită densitătii mai mari de tranzistoare pe cip, ce se pot

obtine în aceste tehnologii.

Unul dintre cele mai importante criterii, pentru evaluarea si selectia

microprocesoarelor, este mărimea cuvântului de date al acestora. Cuvinte de date mai mari

implica evident o putere de calcul si adresabilitate sporite. În prezent, microprocesoarele de

16 si 32 biti domină piata de microcalculatoare, desi o gamă relativ importantă de aplicatii, în

domeniul controlului proceselor industriale, este implementată cu microprocesoare de putere

mai mică (uzual, microprocesoare de 8 biti), suficiente ca putere de calcul, capacitate de

adresare si competitive ca pret de cost.

Progrese importante s-au făcut si în domeniul "microprogramarii". Procesoarele

microprogramate, (spre deosebire de microprocesoarele "clasice", cu structura fixa si set de

instructiuni impus de fabricant), permit (desi la o viteză relativ mai redusă), obtinerea unor

structuri mult mai flexibile, în ceea ce priveste realizarea si modificarea setului de

instructiuni, de către utilizator, adaptate aplicatiei abordate.

Progresele înregistrate din punct de vedere tehnologic au făcut ca, practic, densitatea

circuitelor integrate de tip VLSI(VLSI - Very Large Scale Integrated = Integrare pe scara

foarte largă) ce includ microprocesoarele, să se dubleze la fiecare doi ani. Avantajul imediat al

acestui fapt constă în posibilitatea de a se implementa seturi de instructiuni mult îmbunătătite

si extinse. De multe ori, unele instructiuni sunt apropiate de instructiuni în limbaje de nivel

înalt, usurând compilarea programelor si implementând direct o gamă de functii uzual

realizate prin programare (software).

În decursul anilor, a crescut sensibil si capacitatea de adresare a microprocesoarelor.

Numărul de moduri auxiliare de adresare a crescut. Multe firme oferă circuite specializate

pentru controlul si coordonarea functionării memoriei sistemului. În acelasi timp, firme ca

INTEL includ în circuitul microprocesorului si functiile de protectie a accesului si control al

memoriei. Utilizarea memoriei virtuale permite adresarea unor spatii de ordinul giga octetilor.

Este posibilă astfel executia programelor foarte mari, executia "simultană" a mai multor

programe (multitasking), lucrul "simultan" al mai multor utilizatori (multiuser).

Microprocesoarele diferă sensibil în ceea ce priveste capacitătile de memorare si

manipulare a diverselor tipuri de date. Dacă reprezentarea si manipularea informatiilor sub

forma octetilor si a cuvintelor de date este uzuală la toate tipurile de microprocesoare, alte

tipuri de operatii, ca de exemplu cu informatii reprezentate pe biti, BCD (Binary Coded

Decimal = zecimal codat binar), reale (virgula mobila), texte (siruri de caractere), etc., nu sunt

întotdeauna direct acceptate. De exemplu, date manipulate ca biti individuali nu sunt

acceptate de către microprocesorul 8086, desi sunt foarte utilizate în aplicatiile de proces. Cu

cât acceptă o gamă mai extinsă de tipuri de date, microprocesorul devine mai potrivit unei

game tot mai largi de posibile aplicatii.