Микропроцессорные системы

Москва
ИНФРА-М
2021

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ 

СИСТЕМЫ

В.В. ГУРОВ

УЧЕБНИК

Рекомендовано 
Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебника 
для учебных заведений, реализующих программу 
среднего профессионального образования 
по укрупненной группе специальностей 
09.02.00 «Информатика и вычислительная техника» 
(протокол № 6 от 25.03.2019)

УДК 004.31(075.32)
ББК 32.973.26-04я723
Г95

Подписано в печать 16.04.2021.
Формат 60 90/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Newton». Печать цифровая.
Усл. печ. л. 21,0. ППТ30. Заказ № 00000

TK 711172-1514901-180419

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru

Гуров В.В. 
Г95 
 Микропроцессорные системы : учебник / В.В. Гуров. — Москва : 
ИНФРА-М, 2021. — 336 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — 
(Среднее профессиональное образование). 

ISBN 978-5-16-015323-0 (print)
ISBN 978-5-16-107848-8 (online)

В учебнике отражены как базовые вопросы архитектуры микропроцессоров различных классов и построения систем на их основе, так и последние достижения в этой 
области. Рассмотрена архитектура универсальных микропроцессоров, однокристальных микроконтроллеров, процессоров цифровой обработки сигналов.
Большое внимание уделено российским микропроцессорам, а также проведен 
сравнительный анализ микропроцессорных архитектур таких гигантов этого рынка, 
как корпорации Intel и MD.
Для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по укрупненным группам специальностей 09.02.00 «Информатика и вычислительная техника», 10.02.00 «Информационная безопасность».
УДК 004.31(075.32)
ББК 32.973.26-04я723

Р е ц е н з е н т ы:
Жуков Д.О., доктор технических наук, профессор, директор Института информационных технологий МГТУ МИРЭА;
Корячко В.П., доктор технических наук, профессор Рязанского государственного 
радиотехнического университета, заслуженный деятель науки и техники РФ;
Бурцев В.Л., кандидат технических наук, доцент, директор учебного центра компании IBM «КУДИЦ-ОБРАЗ»

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 
в электронно-библиотечной системе Znanium.com

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

ISBN 978-5-16-015323-0 (print)
ISBN 978-5-16-107848-8 (online)
© Гуров В.В., 2019

ПРЕДИСЛОВИЕ

Информационные технологии являются в настоящее время одной 
из наиболее бурно развивающихся областей науки и техники. Такое 
развитие опирается на две составляющие: прогресс в области аппаратного и программного обеспечения. 
Основой любой аппаратуры в области вычислительной техники 
являются микропроцессоры различных типов. Их развитие идет колоссальными темпами. В свое время Гордон Мур, председатель Совета директоров фирмы Intel, отмечал: «Если бы автомобилестроение 
развивалось со скоростью полупроводниковой промышленности, то 
сегодня ролс-ройс стоил бы 3 долл., мог бы проехать полмиллиона миль 
на одном галлоне бензина, и было бы дешевле его выбросить, чем 
платить за парковку»1.
Микропроцессоры разделяются на ряд типов, каждый — со своими архитектурными особенностями и областями применения.
Универсальные микропроцессоры ориентированы на решение 
широкого класса задач от компьютерных игр до сложных инженерных 
расчетов, не связанных, как правило, жесткими ограничениями реального времени.
Однокристальные микроконтроллеры представляют собой микропроцессоры, позволяющие построить небольшую законченную 
систему управления без использования дополнительных микросхем. 
В силу широкого распространения в настоящее время различных систем, выполняющих в автоматическом режиме функции управления, 
этот тип микропроцессоров по числу выпускаемых микросхем занимает две трети общего объема рынка микропроцессоров.
На стыке этих двух основных типов микропроцессорных БИС находятся процессоры цифровой обработки сигналов, которые незаменимы в наше время повсеместного распространения аудио- и видеоинформации.
Определенный, но уже чисто академический интерес представляют сошедшие со сцены секционированные микропроцессоры, которые позволяли проектировать процессоры, имеющие необходимую 
для заказчика разрядность и систему команд.
Согласно эмпирическому закону Мура, число транзисторов на 
кристалле, а вместе с этим и функциональные возможности микропроцессоров удваиваются каждые 18 месяцев. За последнее время 
только у наиболее известной в этом сегменте рынка фирмы Intel по
1 
Известное выражение. См., например: Сейсян Р.П. Скрытый кризис микроэлектроники на пороге XXI века. — http://wmw-magazine.ru/uploads/
volumes/01/seisjan.pdf и многие другие.

явилось более 20 новых моделей микропроцессоров. Рассмотрение 
особенностей работы каждой из новых моделей не представляется 
возможным, да и не является необходимым. Цель данного пособия 
заключается в том, чтобы рассмотреть основные принципы построения микропроцессоров различных типов и систем на их основе, отразить этапы их развития, атакже состояние вэтой области на момент 
подготовки книги к изданию.

Материал пособия базируется во многом на открытых интернет
источниках, так как отражение материалов по данной тематике в печатных изданиях не всегда успевает за быстрыми темпами развития 
данного направления IT-индустрии. Представленный курс призван 
помочь читателям на основе представленных в пособии общих принципов самостоятельно разобраться в динамично меняющейся картине современных микропроцессоров и микропроцессорных систем.

1

 
АРХИТЕКТУРА 
МИКРОПРОЦЕССОРА

1.1. 
ОСнОВныЕ ПОняТИя И ХАРАКТЕРИСТИКИ  
АРХИТЕКТУРы МИКРОПРОЦЕССОРОВ

Микропроцессор (МП) — программно-управляемое устройство, 
предназначенное для обработки цифровой информации и управления 
процессом этой обработки, выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).
Понятие «большая интегральная схема» в настоящее время четко 
не определено. Ранее считалось, что к этому классу следует относить 
микросхемы, содержащие более 1000 элементов на кристалле. И действительно, сюда укладывались первые микропроцессоры. Например, 
4-разрядная процессорная секция микропроцессорного комплекта 
К584, выпускавшегося в конце 1970-х годов, содержала около 1500 
элементов. Сейчас, когда микропроцессоры содержат десятки миллионов транзисторов и их число непрерывно увеличивается, под БИС 
будем понимать интегральную схему, обладающую большими функциональными возможностями.
Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких 
устройств, основу которого составляет микропроцессор.
Микропроцессор характеризуется большим числом параметров 
и свойств, так как он, с одной стороны, является сложным вычислительным устройством, а с другой — электронным прибором, изделием электронной промышленности.
Как средство вычислительной техники он характеризуется, прежде 
всего, своей архитектурой, то есть совокупностью программно-аппаратных свойств, предоставляемых пользователю. Сюда относятся 
система команд, типы и форматы обрабатываемых данных, режимы 
адресации, число и распределение регистров, принципы взаимодействия с оперативной памятью и внешними устройствами.
Архитектуру микропроцессоров можно разделить на несколько 
типов (рис. 1.1).

Микропроцессоры

Универсальные

CISC
RISC
Процессоры ЦОС

Однокристальные 
микроконтроллеры
Секционированные

Рис. 1.1. Классификация микропроцессоров

Универсальные микропроцессоры предназначены для решения задач 
цифровой обработки различного типа информации — от инженерных 
расчетов до работы с базами данных, не связанных жесткими ограничениями на время выполнения задания. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. К нему относятся такие широко известные микропроцессоры, как МП ряда Pentium фирмы Intel и МП 
семейства Athlon — фирмы AMD.
Характеристики универсальных микропроцессоров:
 
• разрядность: определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически 
разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ);
 
• виды и форматы обрабатываемых данных;
 
• система команд, режимы адресации операндов;
 
• объем прямоадресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса;
 
• частота внешней синхронизации. Для частоты синхронизации 
обычно указывается ее максимально возможное значение, при 
котором гарантируется работоспособность схемы. Для схем со 
сложными функциями, к которым относятся и микропроцессоры, 
иногда указывают также минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может также 
привести к отказу схемы. В то же время в тех применениях МП, 
где не требуется высокого быстродействия, снижение частоты 
синхронизации — одно из направлений энергосбережения. В ряде 
современных микропроцессоров при уменьшении частоты он переходит в «спящий режим», при котором сохраняет свое состояние. 
Частота синхронизации в пределах одной архитектуры позволяет 
сравнить производительность микропроцессоров. В то же время 
разные архитектурные решения влияют на производительность 
гораздо больше, чем частота;
 
• производительность: определяется с помощью специальных тестов, при этом совокупность тестов подбирается таким образом, 
чтобы они, по возможности, покрывали различные характеристики микроархитектуры процессоров, влияющие на производительность.
Универсальные микропроцессоры принято разделять на CISC- 
и RISC-микропроцессоры. CISC-микропроцессоры (completed instruction 
set computing — вычисления с полной системой команд) имеют в своем составе весь классический набор команд с широко развитыми режимами адресации операндов. Именно к этому классу относятся, 
например, микропроцессоры класса Pentium. В то же время RISCмикропроцессоры (reduced instruction set computing — вычисления с сокращенной системой команд) используют, как следует из определения, 
уменьшенное число команд и режимов адресации. Здесь следует вы

делить такие микропроцессоры, как Alpha 21x64, PowerPC. Число 
команд в системе команд — наиболее очевидное, но на сегодняшний 
день не самое главное различие в направлениях развития универсальных микропроцессоров. Другие различия мы будем рассматривать по 
мере изучения особенностей их архитектуры.
Однокристальные микроконтроллеры (ОМК, или просто МК) предназначены для использования в системах промышленной и бытовой 
автоматики. Они представляют собой большие интегральные схемы, 
включающие все устройства, необходимые для реализации цифровой 
системы управления минимальной конфигурации: процессор (как 
правило, целочисленный), ЗУ команд, ЗУ данных, генератор тактовых 
сигналов, программируемые устройства для связи с внешней средой 
(контроллер прерывания, таймеры-счетчики, разнообразные порты 
ввода/вывода), иногда аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т.д. В некоторых источниках этот класс микропроцессоров называется однокристальными микроЭВМ (ОМЭВМ).
В настоящее время две трети всех производимых микропроцессорных 
БИС в мире составляют МП этого класса. Причем почти две трети из 
них имеет разрядность, не превышающую 16 бит. К классу однокристальных микроконтроллеров, прежде всего, относятся микропроцессоры серии MCS-51фирмы Intel и аналогичные микропроцессоры других производителей, архитектура которых де-факто стала стандартом.
Отличительные особенности архитектуры однокристальных микроконтроллеров:
 
• незначительная емкость внутренней памяти;
 
• физическое и логическое разделение памяти команд и памяти данных (гарвардская архитектура), в то время как в классической, 
неймановской, архитектуре программы и данные находятся в общем запоминающем устройстве и имеют одинаковый механизм 
доступа;
 
• упрощенная и ориентированная на задачи управления система 
команд: в МК, как правило, отсутствуют средства обработки данных с плавающей точкой, но в то же время в систему команд входят 
команды, ориентированные на задачи управления, например, команды обработки битовой информации;
 
• простейшие режимы адресации операндов.
Основные характеристики микроконтроллеров (в качестве примера 
численные значения представлены для MK-51).
1. Разрядность (8 бит).
2. Объем внутренней памяти команд и памяти данных, возможности и пределы их расширения:
 
• внутренняя память команд — 4 Кбайт (в среднем команда 
имеет длину 2 байта, таким образом, во внутренней памяти 
может быть размещена программа длиной около 2000 команд); 

возможность наращивания за счет подключения внешней 
памяти до 64 Кбайт;
 
• память данных на кристалле 128 байт (можно подключить 
внешнюю память общей емкостью до 64 Кбайт).
3. Тактовая частота:
 
• внешняя частота 12 МГц;
 
• частота машинного цикла 1 МГц.
4. Возможности взаимодействия с внешними устройствами: количество и назначение портов ввода-вывода, характеристики системы 
прерывания, программная поддержка взаимодействия с внешними 
устройствами.
5. Наличие и характеристики встроенных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) 
для упрощения согласования с датчиками и исполнительными устройствами системы управления.
Секционированные микропроцессоры (другие названия: микропрограммируемые и разрядно-модульные) — микропроцессоры, предназначенные для построения специализированных процессоров. Они 
представляют собой микропроцессорные секции относительно небольшой (от 2 до 16) разрядности с пользовательским доступом к микропрограммному уровню управления и средствами для объединения 
нескольких секций. Такая организация позволяет построить процессор необходимой разрядности и со специализированной системой 
команд. Из-за малой разрядности микропроцессорные секции могут 
быть построены с использованием быстродействующих технологий, 
например ТТЛШ. Совокупность всех этих факторов позволяет создавать процессоры, наилучшим образом ориентированные на заданный 
класс алгоритмов как по системе команд и режимам адресации, так 
и по форматам данных.
Одним из первых комплектов секционированных микропроцессоров были МП БИС семейства Intel 3000. В нашей стране их выпускали в составе серии К589 и 585. Процессорные элементы этой серии 
представляли собой двухразрядный микропроцессор.
Наиболее распространенным комплектом секционированных микропроцессоров является Am2900, основу которого составляют 4-разрядные секции. В нашей стране аналог этого комплекта выпускался 
в составе серии К1804. В состав комплекта входили следующие БИС:
 
• 4-разрядное секционное АЛУ;
 
• блок ускоренного переноса;
 
• 4-разрядное секционное АЛУ с аппаратной поддержкой умножения;
 
• 3 типа схем микропрограммного управления;
 
• контроллер состояния и сдвига;
 
• контроллер приоритетных прерываний.

Основным недостатком микропроцессорных систем на базе секционированных микропроцессорных БИС явилась сложность проектирования, отладки и программирования систем на их основе. 
Возможность создания оптимального по многим параметрам специализированного процессора требовала труда квалифицированных 
разработчиков на протяжении длительного времени. К тому же разработка собственной системы команд, обеспечивая возможность 
разработки эффективных для данного применения программ, не позволяла использовать созданные другими разработчиками программные средства. Бурное развитие электронных технологий привело 
к тому, что за время проектирования специализированного процессора на секционированных МП, пусть и очень хорошего с точки зрения решения поставленных перед ним задач, также разрабатывался 
универсальный микропроцессор, который перекрывал весь объем 
возможных получаемых выигрышей от специализированного устройства. Это привело к тому, что в настоящее время данный класс микропроцессорных БИС практически не используется. 
Процессоры цифровой обработки сигналов, или цифровые сигнальные 
процессоры, представляют собой бурно развивающийся класс микропроцессоров, предназначенных для решения задач цифровой обработки сигналов, к которым относится обработка звуковых сигналов, 
изображений, распознавание образов и т.д. Они обладают многими 
чертами однокристальных микроконтроллеров: гарвардской архитектурой, характеризующейся физическим и логическим разделением 
памяти программ и памяти данных, встраиваемых в БИС, развитыми 
возможностями работы с внешними устройствами. В то же время в них 
присутствуют черты и универсальных МП, особенно с RISC-архитектурой: конвейерная организация работы, программные и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей запятой, аппаратная поддержка сложных специализированных вычислений, особенно умножения.
Как электронное изделие микропроцессор характеризуется рядом 
параметров, наиболее важными из которых являются следующие.
1. Требования к синхронизации: максимальная частота, стабильность.
2. Количество и номиналы источников питания, требования к их 
стабильности. В настоящее время существует тенденция к уменьшению напряжения питания, что сокращает тепловыделение схемы 
и ведет к повышению частоты ее работы. Если первые микропроцессоры работали при напряжении питания ±15 В, то сегодня отдельные 
схемы используют источники менее 1 В.
3. Мощность рассеяния — мощность потерь в выходном каскаде 
схемы, превращающаяся в тепло и нагревающая выходные транзис

торы. Этот параметр характеризует показатель тепловыделения БИС, 
что во многом определяет требования к конструктивному оформлению 
микропроцессорной системы. Эта характеристика особенно важна 
для встраиваемых МПС.
4. Уровни сигналов логического нуля и логической единицы, которые связаны с номиналами источников питания.
5. Тип корпуса позволяет оценить пригодность схемы для работы 
в тех или иных условиях, а также возможность использования новой 
БИС в качестве замены существующей на плате.
6. Температура окружающей среды, при которой может работать 
схема. Здесь выделяют два диапазона:
 
• коммерческий (0 °С …+70 °С);
 
• расширенный (–40 °С … +85 °С).
7. Помехоустойчивость определяет способность схемы выполнять 
свои функции при наличии помех. Помехоустойчивость оценивается 
интенсивностью помех, при которых нарушение функций устройства 
еще не превышает допустимых пределов. Чем сильнее помеха, при 
которой устройство остается работоспособным, тем выше его помехоустойчивость.
8. Нагрузочная способность, или коэффициент разветвления по 
выходу, определяется числом схем этой же серии, входы которых могут быть присоединены к выходу данной схемы без нарушения ее работоспособности. Чем выше нагрузочная способность, тем шире 
логические возможности схемы и тем меньше таких микросхем необходимо для построения сложного вычислительного устройства. 
Однако с увеличением этого коэффициента ухудшается помехоустойчивость и снижается быстродействие.
9. Надежность — способность схемы сохранять свой уровень качества функционирования при установленных условиях за некий 
фиксированный период времени. Обычно характеризуется интенсивностью отказов (час-1) или средним временем наработки на отказ (час). 
В настоящее время этот параметр для больших интегральных схем 
обычно изготовитель не указывает. О надежности МП БИС можно 
судить по косвенным показателям, например, по приводимой разработчиками средств вычислительной техники надежности изделия 
в целом.
10. Характеристики технологического процесса. Основной показатель — разрешающая способность процесса. В настоящее время она 
составляет 32 нм, то есть 0,032 микрона. В некоторых разработках она 
доходит до 22 нм. Более совершенный технологический процесс позволяет создать микропроцессор, обладающий большими функциональными возможностями.
Затраты на изготовление устройств, использующих микропроцессорные БИС, представлены на рис. 1.2.