單片式微處理器

單片式微處理器

利用大規模和超大規模積體電路技術,在一個微小的矽片上製作的中央處理器。

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單片式微處理器 單片式微處理器

單片式微處理器(chip microprocessor)
利用大規模和超大規模積體電路技術,在一個微小的矽片上製作的中央處理器。晶片包括中央處理器的主要部分,如控制邏輯電路,指令解碼、運算和處理電路等。單片式微處理器用 MOS電路工藝製成。第一個單片式微處理器是美國的intel 4004型4位微處理器,於1971年投產。後又試製出 8位的Intel 8008微處理器。而第一個指令系統比較完整、功能較強的 8位單片式微處理器,則是1973年生產的8080。到80年代初已有16位、32位高性能單片式微處理器,性能已接近或超過一些小型計算機。

單片式微處理器8080由暫存器組、算術邏輯部件、時序邏輯電路和指令操作控制部件等組成。外部採用三匯流排(數據匯流排、地址匯流排、控制匯流排)結構,與存儲器、輸入輸出等接口電路相聯接(見圖)。由地址匯流排決定從存儲器(或接口電路)的某單元取的指令碼(或數據),通過數據匯流排送到指令操作控制部件(數據送到暫存器組或累加器)。經過解碼後,在時序邏輯電路配合下產生一系列控制信號,協調算術邏輯部件、暫存器組和外部電路工作。算術邏輯部件完成加、減和邏輯運算;暫存選擇器組存放運算的原始數據和中間結果。

8位和16位單片式微處理器採用 NMOS工藝和HMOS工藝(見N溝道金屬-氧化物-半導體積體電路、高性能金屬-氧化物-半導體積體電路),速度快,使用單電源5伏,可與電晶體-電晶體邏輯電路(TTL)兼容。肖特基TTL電路用於位片式微處理器。CMOS電路工藝因其特有的優點如功耗少、抗干擾性能好、環境適應範圍大等而受到重視。

在NMOS電路工藝中,反相器採用增強型與耗盡型金屬-氧化物-半導體積體電路,有利於提高電路速度和減小晶片面積。觸發器採用雙相時鐘(有的是內部產生)準靜態電路;暫存器組採用存儲器結構;指令操作控制早期採用隨機邏輯電路,以節省晶片面積和提高操作速度,後為可程式序的邏輯陣列或微程式唯讀存儲器。這有利於晶片版圖的規整,易於修改設計和調試。因MOS電路驅動能力弱,在輸出級採用大面積的推挽式驅動器,以驅動外界一個標準TTL邏輯電路負載。

微處理器發展迅速,新產品不斷出現。一方面向高性能發展,如採用流水線技術,面向作業系統和高級語言的指令系統,實現軟體透明的多重處理,支持浮點運算和提高虛擬地址空間等。用超大規模集成技術在一個晶片上製作幾十萬個元件(包括MOS電晶體),實現過去用軟體完成的工作。工藝上採用小於2微米的溝道,可使門延遲小於200皮秒,晶片主頻率提高到12兆赫以上。另一方面,單片式微處理器向低造價、大批量的微控制器發展,即在一個晶片上包括中央處理器(4位、8位、16位)、數據存儲器、輸入輸出接口電路、數-模和模-數轉換器、時鐘電路、定時器和固化的程式存儲器等。

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