Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/Intel/D19880811Elc030.shtml

БИС встроенных процессоров-контроллеров — новое серьезное направление деятельности компании Intel

УДК 681.325.—181.48

Бернард К. Коул (Bernard C. Cole)
Редакция Electronics

Bernard C. Cole. Intel's ambitious game plan in embedded chips, No.8. pp.97—100.

Ведущая полупроводниковая компания Intel Corp. активно разрабатывает процессоры с RISC-архитектурой и «быстрые» ЭСППЗУ, рассчитывая на завоевание прочных позиций на рынке высокоразвитых встроенных процессоров-контроллеров широкого применения. Одновременно компания решает вопрос миниатюризации своего микропроцессора 80386, ориентированного на универсальные управляющие системы.

После нескольких месяцев различных домыслов и слухов, распространявшихся в отрасли, полупроводниковая компания Intel Corp. (Санта-Клара, шт.Калифорния) раскрывает свои стратегические планы по освоению быстроразвивающегося рынка встроенных процессоров-контроллеров и программу действий в связи с ростом популярности процессоров с архитектурой RISC (компьютер с сокращенной системой команд) и развитием производства «быстрых» энергонезависимых репрограммируемых ЗУ с параллельным электрическим стиранием. В данный момент компания Intel планирует расширить сферу деятельности на рынке компонентов для встроенного управления путем выпуска трех новых семейств изделий, в составе которых имеются процессоры, ориентированные на различные прикладные секторы рынка.

Полупроводниковой компании Intel пришлось столкнуться с несколькими серьезными проблемами. На рынке появилось много новых процессорных кристаллов на основе RISC-архитектуры. В области встроенных устройств управления появление нескольких альтернативных вариантов процессоров-контроллеров создало угрозу ведущему положению компании Intel. А на рынке энергонезависимых ЗУ такие ее конкуренты, как компании Seeq Technology Inc. и Toshiba Corp., активно работали над созданием нового вида приборов памяти, получивших название «быстрых» электрически стираемых ППЗУ1{Электроника, 1988, №6, «Новые изделия»}.

В ответ на все это компания Intel подготовила к выпуску семейство микропроцессорных ИС 80376 (рис.2,а), чтобы расширить и укрепить свои позиции на растущем по-прежнему рынке встроенных процессоров-контроллеров. В настоящее время эти устройства строятся на таких ее универсальных процессорах, как 16-разрядные 80186 и 80286 и 32-разрядных 80386. Миниатюризованный вариант ее центрального процессора 80386 — прибор 80376 используется в паре с новой многофункциональной периферийной ИС 82370 (рис.2,б), которая сама является результатом модернизации прибора 82380, применяемого в сочетании с процессором 80386.


Рис.2. Результат миниатюризации процессорных ИС серии 386 Новый процессор 80376 компании Intel (а) и универсальная периферийная ИС 82370, предназначенная для совместной с ним работы (б), образуют устройство с внутренней 32-разрядной архитектурой и внешней 16-разрядной шиной данных.

Билл Рэш, управляющий маркетингом продукции в микропроцессорном отделении компании Intel (Санта-Клара, шт.Калифорния), говорит, что эта пара приборов семейства 80376/82370 предназначена для уже существующего рынка, на котором имеются практически все из примерно 2000 различных типов систем, реализованных на базе процессора. 80186. Из всего количества универсальных микропроцессоров 80286 и 80386 от 20 до 30% приходится сегодня на те же сферы применения. Прибор 80376 имеет ту же самую систему команд и внутреннюю архитектуру, что и 32-разрядный прибор 80386, а также прежнюю производительность 2,5—3 млн. команда/с. Раш говорит, что из внутренней структуры нового микропроцессора исключены только те режимы программирования, которые не требуются для встроенных контроллеров.

Вторая новинка компании Intel — семейство 80960 32-разрядных встроенных процессоров с архитектурой типа RISC — включает в себя три прибора с производительностью до 7,5 млн. кома ада/с, которые при тактовой частоте 20 МГц достигают пиковой производительности (в групповом режиме) 20 млн. команда/с. Приборы семейства 80960 представляют собой результат дальнейшего совершенствования и развития встроенных 3- и 16-разрядных микроконтроллеров компании Intel.

В своих приборах серии 80960 компания Intel делает попытку объединить элементы RISC-архитектуры и специализированных ИС, опираясь при этом на свой большой опыт ведущего поставщика однокристальных микроконтроллеров. В числе первых приборов этой серии — 20-МГц приборы 80960KA и 80960KB (рис.3), а также прибор 80960MC. В приборах 80960KA и 80960KB не только реализована архитектура RISC, но, как говорит Винод Махендру, директор по маркетингу в микрокомпьютерном отделении компании Intel (Чандлер, шт.Аризона), заложена такая система команд, которая отражает конкретные требования встроенного управления.

В новом 32-разрядном встроенном процессоре-контроллере 80960 компании Intel использована архитектура, близкая к архитектуре RISC-машин. Прибор изготов
Рис.3. В новом 32-разрядном встроенном процессоре-контроллере 80960 компании Intel использована архитектура, близкая к архитектуре RISC-машин. Прибор изготовлен на кристалле размером 9,9*9,9 мм по новой фирменной КМОП-технологии CHMOS-llec 1,5-мкм проектными нормами и содержит 350 тыс. транзисторов.

В приборе 80960KB имеется встроенный 32-разрядный арифметический блок с плавающей точкой, что нехарактерно для кристаллов с RISC-архитектурой. В состав кристалла входят также командная кэш-память емкостью 512 байт, регистровая кэш-память из четырех блоков по 16 локальных регистров, 32-разрядная внутренняя шина данных, оригинальная 32-разрядная внешняя локальная шина группового монопольного обмена (burst bus) и 32-разрядная адресная шина обеспечивающая адресацию линейного адресного пространства объемом до 4 Гбайт. ИС 80960MC тоже имеет встроенный 32-разрядный арифметический блок с плавающей точкой. Кроме того, прибор 80960MC содержит средства управления виртуальной памятью и поддержки мультипроцессорных систем, которые, по словам специалистов компании Intel, будут весьма полезны для многих систем военного назначения с встроенными устройствами управления.

Приборы, следующие за 80960КВ, будут обладать как увеличенным быстродействием и, возможно, разрядностью слов данных (при развитии «вверх»), так и заменять существующие микроконтроллерные семейства компании Intel (при развитии «вниз»), говорит Махендру. Кроме того, эти будущие модели должны иметь более широкую номенклатуру, которая позволит охватить различные области применения и запросы потребителей.

Третья часть плана компании Intel связана с ее новым семейством «быстрых» ЭСППЗУ, в состав которого входят 28-контактный прибор памяти 57F64 с организацией 8К*8 бит и два прибора памяти с организацией 32К*8 бит: 32-контактный 27F256 и 28-контактный 28F256. Именно они и составляют главный пункт всей стратегии компании Intel в области встроенных устройств управления. Приборы этого нового семейства «быстрых» ЭСППЗУ разработаны как недорогое средство внутрисистемного хранения изменяемых программ большого объема, требующихся для решения многих прикладных задач встроенного управления. Брюс Маккормик, управляющий маркетингом «быстрых» ЭСППЗУ в отделении приборов памяти компании Intel (Фолсом, шт.Калифорния), говорит, что для встроенных устройств управления такими системами, как графические станции, робототехнические системы и системы обработки данных в реальном времени, эти приборы памяти помогут быстро создавать опытные и макетные образцы и проводить модификации в условиях эксплуатации. Как и обе другие новые группы изделий, «быстрые» ЭСППЗУ изготавливаются по фирменной 1,5-мкм технологии CHMOSIIec.

Прорыв компании Intel на рынок встроенных процессоров-контроллеров вовсе не случаен — компания считает, что этот рынок весьма перспективен. Основываясь на данных по рынкам сбыта, представленных фирмой Dataquest Inc. (Сан-Хосе, шт.Калифорния), специалисты компании Intel считают, что суммарный объем продаж 16- и 32-разрядных процессоров для встроенного управления вырастет к 1992г. почти до 72 млн. штук. В стоимостном выражении объем продаж 32-разрядных встроенных процессоров-контроллеров, на долю которых приходится примерно одна четверть всего объема продаж 32-разрядных приборов, к 1992г. увеличится до 740 млн. долл. Так считает Дейв Хаус, вице-президент и генеральный управляющий объединения микрокомпьютерных компонентов компании Intel.

Рынок встроенных процессоров-контроллеров характеризуется более высоким разнообразием и специализацией, по словам Хауса, нежели относительно стабильный рынок универсальных программируемых ЦП, для которых требуются единство архитектуры, однотипность систем команд и совместимость программного обеспечения. Рынок встроенных процессоров-контроллеров делится на три специальных сектора, каждый из которых имеет свой собственный набор требований к производительности, архитектурным решениям и системе команд. Хаус говорит, что в число этих секторов входят секторы контроллеров событий, контроллеров данных и системных контроллеров (рис.1).

Динамика изменения рынка встроенных процессоров-контроллеров.
Рис.1. Динамика изменения рынка встроенных процессоров-контроллеров.

Хаус говорит также, что в качестве контроллеров событий в основном в настоящее время используются 8- и 16-разрядные микроконтроллеры типа 8051 и 8096 компании Intel. Однако он считает, что к 1992г. потребуются более мощные процессорные компоненты. Областями применения таких высокоразвитых процессоров будут системы управления электродвигателями, автомобильными двигателями, станками и измерительной аппаратурой. По оценкам фирмы Intel, для таких контроллеров событий, в которых требуется переработка больших объемов цифровых данных, общий объем сбыта составит около 50,5 млн. штук в год при суммарной стоимости около 200 млн. долл., причем львиную долю этого сектора рынка составят 16-разрядные устройства с шинной архитектурой.

Другой важный сектор рынка образуют контроллеры данных, предназначенные для таких приложений, как системы массовой памяти и графические системы, в которых требуется управлять протокольными преобразованиями, форматированием данных и вводом-выводом. В настоящее время потребности этого рынка удовлетворяются такими универсальными процессорами с программируемой архитектурой, как 80186 компании Intel. Предполагаемый натуральный объем этого сектора в 1992г. составит около 9 млн. приборов при стоимостном объеме около 180 млн. долл. в год.

Однако, как утверждает компания Intel, именно третий сектор рынка встроенных процессоров-контроллеров — системные контроллеры — будет иметь максимальный размер в стоимостном выражении. Речь идет о приборах для таких приложений, как обработка изображений, робототехника, управление производственными процессами и аппаратура связи. Хотя прогнозируемый натуральный объем этого сектора рынка — 7 млн. штук в год — меньше по сравнению с двумя предыдущими, его предполагаемый объем в стоимостном выражении составит 370 млн. долл., что близко к суммарному объему продаж двух первых категорий процессоров-контроллеров.

Предвидя значительный рост объема рынка встроенных процессоров-контроллеров, компания Intel разработала и проводит в жизнь стратегию наступления по трем направлениям. Ее процессорный комплект 80376/370 обеспечивает особые преимущества тем разработчикам встроенных устройств управления, для которых важную роль играют технико-экономические показатели. Раш говорит, что снижение стоимости в этом случае достигается благодаря двум факторам. Комбинация приборов 80376/370 в партиях по 100 шт. обходится покупателю в 99 и 57 долл. за каждую пару приборов, что значительно дешевле любых других компонентов аналогичной производительности. Данный комплект ИС обеспечивает за счет масштаба производства экономию, которая уже достигнута для современного комбинированного набора 386/380. Опытные партии комплекта ИС 80376/370 должны появиться в продаже в июне 1988г., а его серийное производство планируется развернуть к концу года. Приборы будут выпускаться как в 100-контактных корпусах с малым шагом выводов в виде крыла чайки, предназначенных для монтажа на поверхность, так и в герметичных 88-контактных корпусах с матрицей штырьковых выводов.

Кроме того, прибор 80376 по существу представляет собой некий упрощенный вариант полного 32-разрядного микропроцессора 386, и поэтому для него можно использовать практически все средства разработки программного обеспечения и компиляторы, применяемые для систем на основе процессора 386. Для нового микропроцессора в дальнейшем предполагается адаптировать большинство стандартных для промышленности операционных систем реального времени. Но даже сегодня операционные системы реального времени процессора 386 можно эксплуатировать на процессоре 376 с минимальными изменениями.

Путь ограничения возможностей

Процессор 80376 представляет собой не только миниатюризованный вариант 32-разрядного ЦП 80386, но и основан на принципе ограничения возможностей. «По существу в процессоре 386 была заложена целая гамма индивидуальных возможностей — защищенный режим для использования в полных 32-разрядных системах с ОС Unix и три режима для использования в системах на базе персональных компьютеров PC (собственный режим, режим процессора 80286 и виртуальный режим процессора 8086)»,— говорит Раш. В процессоре 80376 сохранен только защищенный режим процессора 386, что существенно облегчает программирование. С учетом тех требований, которые существуют во многих встроенных устройствах управления, разрядность внешней шины данных уменьшена до 16 (вместо исходных 32 разрядов); кроме того, снижена с 32 до 24 бит разрядность адресной шины. Последнее приводит к тому, что полный объем адресного пространства уменьшен с 4 Гбайт до всего 16 Мбайт.

Для обеспечения полного архитектурного соответствия с процессором 376 в универсальной периферийной ИС 80370 сохранены все возможности процессора 80386; единственные изменения касаются перехода на 16-разрядную шину данных и 24-разрядную адресную шину. Количество каналов прямого доступа к памяти (ПДП) и прерываний, имеющихся в распоряжении разработчика, увеличено в четыре раза по сравнению с существующей ИС 80186. Это достигнуто путем включения в состав кристалла функциональных блоков восьми каналов ПДП, трех контроллеров прерываний, четырех 16-бит программируемых интервальных таймеров, генератора состояний ожидания и логики управления шиной.

В серии 80960, включающей 20-МГц приборы 80960KA и 80960KB и прибор 80960MC военного назначения, компания Intel предлагает разработчикам систем сочетание RISC-архитектуры и ряда специализированных технических решений, ориентированных на рынок встроенных устройств управления (рис.4).

Чтобы можно было применять микропроцессор 80960 во встроенных устройствах управления с функциональными возможностями 32-разрядных машин, в новом крист
Рис.4 Чтобы можно было применять микропроцессор 80960 во встроенных устройствах управления с функциональными возможностями 32-разрядных машин, в новом кристалле компании Intel реализовано сочетание основных элементов RISC-архитектуры и встроенного арифметического блока с плавающей точкой.

Адаптируя RISC-архитектуру для своих кристаллов, компания Intel исходила из собственных представлений об использовании данной технологии построения микропроцессоров. «RISC-архитектура вовсе не является сводом архитектурных законов, которым нужно слепо следовать,— говорит Махендру из микрокомпьютерного отделения компании Intel.— Напротив, это набор методов и принципов, которые следует разумно использовать при проектировании процессора для получения более высокого быстродействия». Он говорит, что при выборе технических решений необходимо также учитывать такие факторы, как стоимость, прикладная специализация, а также простота применения и программирования кристаллов.

Махендру отмечает, что взяв в качестве базового технического решения свое семейство 80960, компания Intel планирует создать целую гамму разнообразных стандартных изделий с одинаковой базовой системой команд, но разными сочетаниями функциональных возможностей, оптимизированными применительно к потребностям конкретных секторов рынка. Компания в настоящее время также разрабатывает серию стандартных процессоров под специальные приложения. Если ее стандартные процессоры ориентированы на определенные секторы рынка, то стандартные процессоры для специальных приложений создаются под конкретные прикладные задачи; при этом их системы команд и функциональные возможности подбираются применительно к этим конкретным приложениям. «Преимущество второго подхода состоит в том, что в рамках одинаковой технологии и архитектуры кристаллов удается получить более высокую производительность, чем для аналогичного кристалла с RISC-архитектурой»,— говорит Махендру. В конечном счете процессор 80960 будет включен в библиотеку стандартных элементов компании Intel в качестве макроэлемента процессорного ядра, добавил он, что позволит заказчикам компании самостоятельно разрабатывать свои собственные процессоры, специализированные под задачи потребителя.

В настоящее время ИС серии 80960 выпускаются опытными партиями. Кристалл 80960KB в 132-контактном корпусе с матрицей штырьковых выводов стоит 390 долл. в партиях по 100 шт. Кристалл 80960KA, выпуск которого начнется в IV квартале 1988г., будет стоить 230 долл. В I квартале 1989г. в продажу поступят 25-МГц модели микропроцессоров. Модели микропроцессора 80960MC, рассчитанные на военный температурный диапазон, появятся в продаже в III квартале 1988г. по цене 2400 долл. в партиях по 100 шт. В IV квартале 1988г. планируется освоить выпуск моделей, полностью аттестованных по стандарту STD 88C.

Архитектура приборов серии 80960 обладает многими особенностями RISC-архитектур, а также имеет многочисленные преимущества перед компьютерами со сложными системами команд: приборы работают с более высокой тактовой частотой, количество тактов в расчете на выполняемую команду у них меньше, в них используются более глубокие конвейеры и средства параллельного выполнения команд, в их состав входит больше регистров и встроенных регистровых ЗУ и кэш-ЗУ команд. Отличия же состоят, как говорит Махендру, в применяемой комбинации команд, которая отражает требования систем с встроенными процессорами-контроллерами в такой же степени, в какой их отражают традиционные RISC-машины.

Махендру говорит, что в качестве примера нежелания компании Intel безоговорочно следовать принципам RISC-архитектуры можно привести ее решение включить в состав кристаллов 80960KB и 80960MC встроенные арифметические блоки с плавающей точкой. «При анализе широкой гаммы применений встроенных процессоров-контроллеров оказывается, что значительная часть этих устройств требует в той или иной степени высокоразвитых средств выполнения арифметических операций с плавающей точкой»,— отмечает он. В конструкции указанных выше процессоров реализованы как обязательные требования, так и рекомендации стандарта ИИЭР IEEE-754 по вычислениям с плавающей точкой и по реализации экспоненциальной, логарифмической и других трансцендентных функций.

Встроенные средства управления виртуальной памятью, входящие в состав кристалла 80960MC, включают средства подкачки страниц по требованию с двухуровневой схемой защиты, а также средства перекачки страниц и схемы буферного хранения преобразованных адресов. Для поддержки многопроцессорных режимов работы в составе ИС 960MC предусмотрены также такие функции, как передача внешних сообщений, допускающая приоритетное обслуживание процессов, выполняемых на других процессорах, и высокоуровневое управление процессами, обеспечивающее планирование и диспетчеризацию работ.

Даже в функциях, соответствующих типовой RISC-архитектуре, разработчики процессора 80960 сумели изыскать пути повышения производительности. Как и в большинстве RISC-машин, в архитектуре процессора 80960 для обращения к памяти используются команды загрузки и записи. Однако помимо этого в его архитектуре для облегчения аппаратной дешифрации команд используется упрощенный формат команд. Если говорить конкретно, то команды выравнены по границам слов, так что все команды имеют длину одного слова, за исключением одного класса команд, в которых следующее слово используется в качестве 32-разрядного смещения.

Махендру говорит, что в процессоре 80960 имеется ядро из 51 команды при общем их количестве 184, которые рассчитаны на выполнение за один такт. Однако процессор 80960KB имеет и отличия от других RISC-машин — в нем предусмотрен ряд важных многотактных команд, например команды умножения и деления 32-разрядных чисел. Реализация этих команд внутри кристалла значительно уменьшает накладные расходы программного кода и отрицательные эффекты, связанные с увеличением объема программ RISC-процессоров. С целью дальнейшего повышения производительности в процессоре 80960 организовано совмещение выполнения команд, реализованное с помощью специальных встроенных логических схем буферизации записи и табличного распределения регистровой памяти (register score-boarding). Буферизация записи позволяет начать выполнение команды записи сразу после того, как она помещается в буфер, и не ждать, когда на шине начнется реальная операция записи. Аналогично табличное распределение регистровой памяти дает процессору возможность продолжать выполнение других команд после того, как встречается команда загрузки, что ослабляет влияние низкого быстродействия памяти.

Чтобы обеспечить при тактовой частоте 20 МГц групповой режим с производительностью 20 млн. команда/с, в процессоре 80960 предусмотрена оригинальная широкополосная локальная шина L-BUS, состоящая из 32-разрядного мультиплексного тракта адресов/данных и линий сигналов управления транзакциями данных. Благодаря большой емкости встроенных устройств кэшпамяти шина L-BUS может передавать до четырех последовательных слов данных по одному слову за такт. Транзакции на шине L-BUS могут выполняться с 8-, 16- или 32-разрядными данными с адресацией физической памяти емкостью до 4 Гбайт.

Другая особенность процессора 80960, несвойственная RISC-машинам,— это сложный контроллер прерываний, близкий по принципу построения к недорогим 8- и 16-разрядным микроконтроллерам компании Intel. Такая организация позволяет процессору 960 использовать встроенные средства прерывания, внешний контроллер прерываний или и то и другое, работая с типом структуры, определяемым внутренним регистром вектора прерываний. А для многопроцессорных систем в процессоре 80960КВ предусмотрен четвертый метод под названием метода межагентской связи (interagent communication, или IAC), когда данный процессор может осуществить прерывания другого процессора, послав на него IAC-сигнал.

В рамках общей стратегии компании Intel, нацеленной на рассматриваемые рынки, не следует недооценивать и роль ее третьей группы изделий — семейства «быстрых» ЭСППЗУ (см. «Первые «быстрые» ЭСППЗУ компании Intel, облегчающие внутрисхемное перепрограммирование устройств в энергонезависимой памяти»), которое позволяет связать новые разработки процессорных кристаллов в единый комплекс. Такое объединение достигается благодаря тому, что потребитель получает в свое распоряжение энергонезависимую память достаточно большой емкости, способную хранить многие сложные программы встроенного управления и выполнять внутрисистемное программирование памяти без извлечения схем памяти из системы.

Приборы памяти 57F64 емкостью 64К и 27F256 и 28F256 емкостью 256К сочетают в себе механизм записи горячими электронами, применяемый в СППЗУ, и механизм стирания холодными электронами, применяемый в полнофункциональных ЭСППЗУ1{Электроника, 1988, №5, «Сообщения»}. Как говорит Брюс Маккормик, управляющий маркетингом «быстрых» ЭСППЗУ в отделении ЗУ компании Intel (Фолсом, шт.Калифорния), эти «быстрые» ЭССПЗУ совершат революцию в практике проектирования систем с встроенными устройствами управления. «Для таких систем требуются недорогие компоненты памяти, допускающие внутрисистемное изменение хранимых программ и тем самым позволяющие быстро проверять новые алгоритмы и обновлять хранимые программы в условиях эксплуатации»,— говорит он. В большинстве встроенных устройств управления, выполненных с применением ППЗУ с УФ-стиранием, эта задача может решаться только путем извлечения платы памяти и замены ЗУ, что во многих реальных системах — дело достаточно сложное. Маккормик говорит, что применение обычных ЭСППЗУ оказывается приемлемым только в системах, для которых стоимость не является определяющим фактором, а требования к емкости памяти программ относительно невысоки. В «быстрых» ЭСППЗУ запоминающие элементы выполнены на одном транзисторе (аналогично СППЗУ), поэтому по уровню информационной емкости эти новые приборы памяти должны достаточно близко следовать за СППЗУ.

Маккормик говорит, что применение «быстрых» ЭСППЗУ позволит реализовать новые методы и подходы к программированию систем, которые для СППЗУ были чересчур громоздкими, а для ЭСППЗУ — слишком дорогими. Возможные приложения новых приборов включают в себя передачу управляющих программ по телефонным каналам, изменение хранимых программ по локальным сетям и применение гибких дисков для загрузки новых управляющих программ во встроенные процессоры-контроллеры периферийных устройств.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 61, No.08 (790), 1988г - пер. с англ. М.: Мир, 1988, стр.48

Electronics Vol.61 No.08 April 14, 1988 VNU Business Publication Inc.

Bernard C. Cole. Intel's ambitious game plan in embedded chips, No.8. pp.97—100.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Полупроводниковая техника





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/Intel/D19880811Elc030.shtml