7/26/2019 CAP1nr

1/8

1. INTRODUCERE

1.1. MICROPROCESORUL - REPERE GENERALE

Printre progresele tehnologiei electronice, inregistrate in ultimele decenii, aparitia

microprocesoarelor a reprezentat un moment de cotitura, atat in ceea ce priveste plaja practicnelimitata a domeniilor de aplicatie a acestor componente revolutionare din punct de vedere

tehnic si tehnologic, cat si in ceea ce priveste conceptia si realizarea (tehnicile de analiza,

proiectare, sintetizare si testare) a sistemelor cu microprocesor. Un nou mod de abordare a

controlului proceselor industriale, cu ajutorul sistemelor numerice, devenea posibil cu acest

prilej.

Incepand modest, cu microprocesoare de 4 biti, de viteza relativ redusa, cu costuri ridicate si

dispunand de relativ putine elemente de dezvoltare a aplicatiilor, piata microprocesoarelor a

inregistrat progrese de-a dreptul inimaginabile in urma cu cativa ani, evoluand intr-o progresie

exponentiala.

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

extrem de rapid, iar estimarile pentru urmatorii ani prevad o expansiune a sistemelor

microprocesor, ce vor depasi, in curand, ca numar de sisteme implementate in diverse

aplicatii, populatia globului pamantesc.

Si din punctul de vedere al caracteristicilor putere de calcul / cost / nivel de sofisticare,

microprocesoarele si microcalculatoarele (calculatoarele care utilizeaza ca unitate centrala un

microprocesor), se situeaza pe pozitii deosebit de avantajate, comparativ cu celelalte tipuri

"clasice", de calculatoare. Figura 1.1. prezinta sintetic unele dintre aceste caracteristici pentru

diversele tipuri de echipamente de calcul aflate in uz. Se remarca faptul ca microcalculatoarelesi microprocesoarele reprezinta elemente deosebit de atractive din punctele de vedere al

raportului performanta/pret, si nivel de sofisticare/pret, in comparatie cu celelalte tipuri de

asemenea echipamente.

Termenul de "microprocesor" a fost introdus in 1972 de catre firma americana INTEL,

realizatoarea primului microprocesor de 4 biti, in anul 1971. Curand, microprocesoare de 8,

16 si 32 de biti au fost produse (in 1972, 1974 si 1981, respectiv). Numarul de componente pe

cip a crescut de peste 500 de ori, frecventa de lucru a circuitelor de peste 100 de ori, in esenta

capacitatea globala a acestor sisteme s-a majorat cu peste trei ordine de marime.

7/26/2019 CAP1nr

2/8

BAZELE MICROPROCESOARELOR

1-2

Logica cablata

Calculatoareelementare

Microprocesoare

Microcalculatoare

Minicalculatoare

Midicalculatoare

Calculatoare de mare

performanta (mainframe)

putere de calcul

numar de biti

n

cost

lungime cuvint

minima maxima

grad desofisticare

foarteridicat

scazut

2 4 6 8

4 8 16 32 64

Fig.1.1. Compararea costului, puterii de calcul si capacitatii diverselor calculatoare numerice

In primul deceniu de existenta, microprocesoarele au evoluat de la structuri relativ elementare,

cu performante limitate, la situatia de a se impune treptat in fruntea sistemelor de calcul de

larga raspandire, atat din punct de vedere al puterii de calcul, cat si al structurii arhitecturale,

deosebit de sofisticate. Primele tipuri de microprocesoare indeplineau doar functiile de baza

ale sistemului, necesitand suplimentar o gama intreaga de circuite suplimentare pentrugenerarea semnalelor de temporizare, pentru memorarea datelor si a programelor, pentru

interfatarea cu perifericele sistemului si cu procesul controlat, etc. Utilizarea

microprocesoarelor a fost orientata initial cu predilectie ca microcontrolere in structuri

dedicate, pentru aplicatii de control al proceselor. Setul de instructiuni al acestora era relativ

limitat, iar programarea se facea direct in cod masina. Dezvoltarea ulterioara a arhitecturilor

evoluate, aparitia limbajelor de programare de nivel inalt, deosebit de performante, cresterea

puterii de calcul si a flexibilitatii, aparitia si expansiunea sistemelor de dezvoltare, au largit

considerabil aria de aplicatii ale microprocesoarelor.

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 in

tehnologii MOS, datorita densitatii mai mari de tranzistoare pe cip, ce se pot obtine in aceste

tehnologii. Dintre acestea, tehnologia NMOS a fost cea mai utilizata, atit datorita densitatii

mari cat si a vitezei ridicate de comutatie. (Firma INTEL a denumit aceasta tehnologie HMOS

- H high performance= mare performanta). Astfel, circuitul INTEL 8086, produs in 1978,

continea 29000 de tranzistoare; nu mult mai tarziu, in 1982, era produs circuitul INTEL

80286, cu un numar de 130000 de tranzistoare pe cip. Aparut in 1988, microprocesorul 80486

a ajuns la peste 2000000 tranzistoare pe cip. Progrese tot mai mari s-au facut in tehnologia

7/26/2019 CAP1nr

3/8

INTRODUCERE

1-3

CMOS, care prezinta avantajul de a avea viteze superioare, consum redus de putere, si o mai

mare imunitate la zgomot.

Unul dintre cele mai importante criterii, pentru evaluarea si selectia microprocesoarelor, estemarimea cuvantului de dateal acestora. Cuvinte de date mai mari implica evident o putere de

calcul si adresabilitate sporite. Actualmente, microprocesoarele de 16 si 32 biti domina piata

de microcalculatoare, desi o gama relativ importanta de aplicatii, in domeniul controlului

proceselor industriale, este implementata cu microprocesoare de putere mai mica (uzual,

microprocesoare de 8 biti), suficiente ca putere de calcul si capacitati de adresare, si

competitive ca pret de cost.

Progrese importante s-au facut si in domeniul "microprogramarii". Procesoarele

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

instructiuni impus de fabricant), permit (desi la o viteza relativ mai redusa), obtinerea unor

structuri mult mai flexibile, in ceea ce priveste realizarea si modificarea eventuala a setului deinstructiuni, de catre utilizator, adaptate specific aplicatiei abordate. Aceste instructiuni

(macro-instructiuni), sunt definite pe baza unui set restrans de microinstructiuni, de catre

realizatorul sistemului. Executia programelor se face astfel in doua etape succesive (doua

nivele de control). Aceasta reduce intru-catva viteza globala a sistemului.

Progresele inregistrate din punct de vedere tehnologic au facut ca, practic, densitatea

circuitelor integrate de tip VLSI1ce includ microprocesoarele, sa se dubleze la fiecare doi ani.

Avantajul imediat al acestui fapt consta in posibilitatea de a se implementa seturi de

instructiuni mult imbunatatite si extinse. Exista astfel microprocesoare in care o singura

instructiune controleaza transferul unor blocuri de date din memorie, sau opereaza cu maimulte registre simultan. De multe ori, unele instructiuni sunt apropiate de instructiuni in

limbaje de nivel inalt, usurand compilarea deosebit de eficienta a programelor, si

implementand direct o gama de functii uzual realizate prin programare (software). Cresterea

performantelor si a complexitatii acestor circuite s-a facut bineinteles cu pretul unui efort de

proiectare sensibil crescut. Astfel, acesta a crescut de la 1 om-an, la peste 100 om-an, pentru

circuitele cele mai avansate.

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

Numarul de moduri auxiliare de adresare a crescut deasemenea. Multe firme ofera circuite

specializate pentru controlul si coordonarea functionarii memoriei sistemului. Totodata, firme

ca INTEL includ in circuitul microprocesorului si functiile de protectie a accesului si controlal memoriei. Utilizarea memoriei virtuale permite adresarea unor spatii de ordinul

gigaoctetilor. Este posibila astfel executia programelor foarte mari, executia "simultana" a mai

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

Asemenea sisteme utilizeaza suporturi de memorie exterioara (disc), pentru memorarea

temporara a programului si a datelor. Un concept deasemenea tot mai utilizat este asa-numita

memorie cache, relativ mai redusa volumic, dar de viteze foarte mari, in care se

inmagazineaza programul sau datele, extrase din memoria sistemului, sau de pe disc, marind

sensibil, per global, viteza de lucru a sistemului, si deci performantele acestuia.

1VLSI - Very Large Scale Integrated = Integrare pe scara foarte larga

7/26/2019 CAP1nr

4/8

BAZELE MICROPROCESOARELOR

1-4

Microprocesoarele difera sensibil in ceea ce priveste capacitatile de memorare si manipulare

a diverselor tipuri de date. Daca reprezentarea si manipularea informatiilor sub forma octetilor

si a cuvintelor de date este uzuala la toate tipurile de microprocesoare, alte tipuri de operatii,ca de exemplu cu informatii reprezentate pe biti,BCD1, reale (virgula mobila), texte (siruri de

caractere), etc., nu sunt intotdeauna direct acceptate. De exemplu, date manipulate ca biti

individuali nu sunt acceptate de catre microprocesorul 8086, desi sunt foarte utilizate in

aplicatiile de proces. Cu cat accepta o gama mai extinsa de tipuri de date, microprocesorul

devine mai potrivit unei game tot mai largi de posibile aplicatii. Din nefericire aceasta implica

o structura complexa a sistemului, si utilizarea unui numar tot mai mare de componente.

Uneori, tipuri de date suplimentare se pot folosi doar prin utilizarea unor circuite auxiliare. De

exemplu, circuitul INTEL 8087, coprocesor matematic compatibil cu microprocesorul 8086,

permite implementarea calculelor in virgula mobila in sistemele respective. Diversitatea

tipurilor de microprocesoare si a coprocesoarelor aferente, produse de diferite firme, a impus

standardizarea operatiilor aritmetice in virgula mobila (standardul IEEE P754), acceptata decatre microprocesoarele sau coprocesoarele aritmetice aferente.

Revolutia microprocesoarelor este generata de tendinta de a se implementa toate

componentele unui calculator cu ajutorul unui numar relativ redus de cipuri. Orice calculator,

indiferent de marime, incorporeaza trei componente de baza: uni tatea centrala de prelucrare

(CPU2), continand elementele de calcule aritmetice, logice si functiile de control; memoria

(RAM - pentru citire/scriere, si ROM - doar citire), si in ter fetele de intrare/iesire pentru

controlul periferiei calculatorului. Odata cu progresele tehnologice inregistrate, tot mai multe

componente pot fi integrate pe acelasi cip, si astfel tot mai multe functii auxiliare se pot

implementa pe cipul microprocesorului insusi. Se obtin astfel calculatoare construite cu foarteputine cipuri. Un microcalculator combina un microprocesor cu memorie si capacitati de

intrare/iesire pe unul sau mai multe cipuri. Microcalculatoarele pe un singur cipconstituie

un subset important al microprocesoarelor, in care toate functiile, inclusiv memoria, sunt

implementate pe acelasi cip. Evident, aparitia acestor tipuri de microcalculatoare este

intotdeauna relativ intarziata fata de aparitia microprocesoarelor cu o putere de calcul similara

(de exemplu, primul microcalculator de 8 biti pe un cip, INTEL 8048, a fost produs in anul

1976, la patru ani dupa producerea primului microprocesor de 8 biti, INTEL 8008).

Deoarece aceste circuite se produc in cantitati deosebit de mari, este necesara o proiectare

foarte atenta, optimizandu-se arhitectura propusa, memoria sistemului, setul de instructiuni,

tehnicile de adresare a memoriei, si alte restrictii de proiectare, legate de parametrii deperformanta, executie, etc. Peste 4/5 din tranzistoarele cipului tind a fi utilizate pentru functii

de memorie. Desi au performante foarte bune, aceste circuite sunt inca departe de

performantele de calcul ale supercalculatoarelor de tipul CRAY-1.

La cealalta extremitate a spectrului se afla aplicatiile ce necesita o putere de calcul foarte

mare, sau precizie sporita, ce nu se pot atinge cu microprocesoarele "clasice". Utilizarea

procesoarelor bit-slicepermite legarea mai multor cipuri modulare identice in paralel, pana la

1BCD - Binary Coded Decimal = zecimal codat binar

2CPU - Central Processing Unit = unitate centrala de prelucrare

7/26/2019 CAP1nr

5/8

INTRODUCERE

1-5

obtinerea structurii cu o precizie corespunzatoare. Dupa cum s-a precizat, posibilitatea de a

dezvolta si un macro-set de instructiuni, specific unei aplicatii date, confera un avantaj

suplimentar la utilizarea acestor structuri.

O tot mai mare amploare o au in ultima vreme procesoarele specializate, de tipul

procesoarelor DSP1, cu capacitati de calcul deosebite (implementare specifica de filtre

numerice, transformate Fourier - FFT, corelatii, convolutii, etc.), in ceea ce priveste

prelucrarea numerica a semnalelor. Uzual, aceste microprocesoare sunt dotate cu elementele

de interfatare necesare, inclusiv convertoare A/D si D/A pentru conectarea la procese

analogice.

O evolutie interesanta au avut-o si transputerele, procesoare cu structuri pretabile la realizarea

de calculatoare cu procesare paralela, de performante deosebit de ridicate, mai ales in ceea ce

privesc performantele de calcul obtinute.

In fine, trebuiesc mentionate circuitele integrate de tip VLSI, proiectate si realizate direct

pentru o aplicatie data (asa numitele circuite de tip ASIC2 ). S-a ajuns la solutii economic

convenabile de a se proiecta, pe un sistem microcalculator de putere sporita (asa numitele

workstations3), utilizand pachete puternice de programe de proiectare (CAD4), structura

circuitului dorit. Se porneste de la caracteristicile functionale finale dorite ale circuitului.

Proiectantul trebuie sa cunoasca cerintele produsului final, si sa il sintetizeze utilizand ca

elemente componente "blocuri" functionale predefinite, puse la dispozitia sa de catre

programul de proiectare. Dupa definirea structurii functionale a sistemului, se simuleaza

functionarea si se modifica (daca este cazul) structura circuitului, pana la obtinerea

comportarii si performantelor dorite. Apoi, se produc efectiv circuitele respective, si setesteaza "pe viu" functionarea acestora. Acest mod de proiectare ofera avantajul deosebit de a

se muta conceperea circuitului, la virtualul utilizator, care poate produce cel mai adecvat

procesor pentru aplicatia data. Bineinteles, economic vorbind, acest mod de producere a

circuitelor integrate specializate (inclusiv procesoare), este avantajos doar pentru cantitati

relativ mari de circuite de un tip dat. Durata proiectarii si realizarii circuitelor in acest mod

scade sensibil.

Concluzionand, putem remarca extrema diversitate de aspecte ridicate de caracterizarea

circuitelor microprocesor existente. Paleta deosebit de larga de performante, caracteristici,

structuri si nu in ultimul rand, de preturi de cost, poate pune probleme serioase in fata

utilizatorului, a proiectantului de sistem, care trebuie sa decida, alegand solutia optima,conform unui criteriu complex de evaluare a sistemului.

1.2. OBIECTUL CARTII

1DSP - Digital Signal Processing = prelucrarea numerica a semnalelor2ASIC - Application Specific Integrated Circuit = circuit integrat specific unei aplicatii date3workstations = statii de lucru

4 CAD - Computer Aided Design = proiectare asistata de calculator

7/26/2019 CAP1nr

6/8

BAZELE MICROPROCESOARELOR

1-6

Pe baza considerentelor prezentate in paragraful anterior, putem totusi conclude ca "filozofia"

generala a realizarii sistemelor microcalculator, componentele tipice, functiile de baza, sunt

comune tuturor tipurilor de microprocesoare, indiferent de firma producatoare si de generatia

de circuite careia ii apartine microprocesorul.Plecand de la aceste premize, si totodata luand in considerare faptul ca, pentru acest volum,

punctul de pornire, cat si cel de sosire in studiul microprocesoarelor, este cel al aplicatiilor

industriale, si cu precadere cel al aplicatiilor in echipamentele electrice (actionari electrice,

sisteme de achizitii de date, standuri de masura, diagnoza, control, etc.), prezentul volum se

doreste o incercare de a pune bazele conceptuale ale proiectarii sistemelor cu

microprocesoare, de a fundamenta principalele aspecte si probleme legate de structura

constructiva (hardware) si programele implementate (software) in aceste sisteme.

Intr-un mod oarecum general, acoperind practic o gama extrem de larga de cazuri, figura 1.2

prezinta structura de principiu a unui asemenea sistem, controlat cu ajutorul unui

microcalculator.

Amplificatoranalogic

intraresistem

Sistem fizic(proces)

Traductor siadaptare semnal

iesire

(semnal analogic)

date prelucrate(variatie continua)

marimeacontrolata

Microcalculator

Portde

iesire

Portde

intrare

Algoritm

numericsau logic

ConvertorA/D

ConvertorD/A

interfataiesire sistem - intrare calculator

interfataiesire calculator - intrare sistem

intrari comenzi de controlsi iesiri de stare ale microcalculatorului

In instalatiile conduse cu sisteme microprocesor, de acest tip, operatiile se desfasoara

continuu, ciclic, sistemul de calcul efectuand operatii de masurare a datelor, calcule, si dand

comenzi in mod succesiv. Asemenea aplicatii ne vor interesa in cadrul cursului de fata, cuprecadere. Ele sunt denumite apli catii in timp real, si au specific faptul ca echipamentul

controleaza functionarea unui proces, calculele facandu-se in timpul controlarii acestei

functionari. In esenta, orice aplicatie in timp real se va desfasura ca in figura 1.3.

In mod corespunzator, secventializarea operatiilor din sistem va determina o succesiune a

operatiilor ca in figura 1.4.

Trebuie remarcata deosebirea fundamentala fata de sistemele de calcul "clasice", utilizate doar

pentru calcule, in care desfasurarea acestora nu este legata si nici conditionata in vre-un fel de

evenimentele exterioare (evolutia procesului condus, nu trebuie sa scape de sub controlul

Figura 1.2. Structura de principiu a unui sistem de control numeric

7/26/2019 CAP1nr

7/8

INTRODUCERE

1-7

sistemului numeric, in cazul aplicatiilor in timp real). Evident, toate aceste aspecte vor implica

aparitia unor abordari si tratari specifice ale problemelor ce apar, pentru sistemele de acest gen

(pentru controlul proceselor).

initializari

conversiedate

citiredate

executieprogram

scrieredate

start

t0

t1

t2

t3

t4

t5

1

2

3

4

5

Fig. 1.4. Secventializarea operatiilor intr-o

aplicatie de timp real

Ca si in alte domenii ale proiectarii

ingineresti, fazele metodologice si de

dezvoltare ale unui asemenea sistem sunt

dictate cu precadere de catre specificatiile

referitoare la performantele si

caracteristicile produsului final. Pentrusistemele cu microprocesoare, un element

caracteristic este reprezentat de catre cele

doua elemente interconditionate -

proiectarea structurii constructive -

hardware, si proiectarea programelor -

software. Datorita legaturii foarte stranse

dintre structurile hardware si software, cele doua componente ale proiectarii interactioneaza

permanent. Astfel, conceperea acestor sisteme este ceva mai complexa decat in cazul

sistemelor logice "clasice". Activitatile cheie si fazele de dezvoltare ale unui produs bazat pe

utilizarea unui microprocesor sunt prezentate in figura 1.5.

Prezentul volum va incerca acoperirea principalelor aspecte legate de conceptele, notiunile,

structura si caracteristicile functionale ale sistemelor microprocesor, atat in general cat si prin

concretizare pentru anumite tipuri de microprocesoare si circuitele aferente. Se va insista pe

aspectele concrete, aplicative, si se vor exemplifica unele implementari de structuri

microcalculator de proces, pentru aplicatii in echipamentele electrice, dupa cum s-a

mentionat.

Fig. 1.3. Structura temporala a unei aplicatii

in timp real

Initializare parametri si definire porturi I/O

Achizitie date din porturi de intrare

(citire - "READ")

Executie program specific

(prelucrare date de intrare,

conform algoritmului numeric)

Transmitere date prelucrate

prin port de iesire

(scriere - "WRITE")

Programul

trebuie reluat

Lansare alt

program specificSTOP

7/26/2019 CAP1nr

8/8

BAZELE MICROPROCESOARELOR

1-8

caracteristiciprodus

teorie proiectare

disponibildezvoltare

proprietatielemente componente

configurare hardware

structura software

adaptare

productie evaluare aperformantelor

faza intrare proiectare si productie faza iesire

Fig. 1.5. Etapele proiectarii si producerii unui sistem cu microprocesor