Иное дело проводники, соединяющие выводы корпусов, в которых заключены кристаллы. Длина этих проводников несколько сантиметров, а возможно, и десятки сантиметров. Сильные электрические и магнитные поля наводят в таких проводниках заметные ЭДС. По этим, а также ряду других соображений всегда, когда это возможно, следует стремиться оформить проектируемую конструкцию в виде одного кристалла, помещенного в одном корпусе. Все сказанное в полной мере справедливо и для процессоров.

А как быть со степенью интеграции? Размещение схемы, показанной на рис. 2.7, в одном кристалле не вызывает особых трудностей. К подобному выводу читатель может прийти и сам, примерно посчитав число транзисторов, занятых в схеме процессора, показанной на рис. 2.7.

Но дальще начинаются вопросы. Первый из них: сколько символов (их называют также разрядами) должно содержать слово (операнд), обрабатываемое в АЛУ процессора? В настоящее время чаще всего используются слова длиной 8 или 16 разрядов. Длина слова в 8 разрядов (1 байт) позволяет представить в одном слове один символ натурального (например, русского) алфавита, включая буквы строчные и прописные, цифры и знаки препинания, или две десятичные цифры. Кроме того, 1 байт позволяет представить числен, е значение некоторого параметра с минимальной погрешностью около 0,8%. По многим причинам, среди которых немалую роль играет традиция, длина слова в 8 разрядов оказывается сейчас наиболее распространенной.

Увеличение длины слова до 16 разрядов соответственно расширяет возможности процессора. И опять-таки здесь не возникает ограничение! со стороны допускаемой степени интеграции. Однокристальные процессоры с длиной слова 8 н 16 разрядов широко выпускаются сейчас во многих странах, в том числе и в СССР.

Второй вопрос: сколько символов (разрядов) должно одновременно передаваться по каналу, обозначенному на рис. 2 7 как Обмен адресами с внешней средой ? Мы установили, что этот параметр определяет максимальное число адресуемых ячеек памяти. Адрес длиной 8 разрядов позволяет выбрать одну из 256 ячеек, адрес длиной 10 разрядов - одну из iI024 ячеек, адрес длиной 16 разрядов - одну из 65 536 ячеек. Последняя цифра сейчас наиболее распространена.

Наконец, код операцнн. Легко подсчитать, что минимальная длина кода операции, обеспечивающая выполнение всех возможных преобразований слов длиной 8 разрядов (с учетом, что в преобразовании участвуют операнд и внутреннее состояние АЛУ, т, е. всего 16 разрядов), равна 256 разрядам.

Вспомним теперь, что согласно сформулированным ведущим принципам организации процессоров данные и код операции (точнее вся микрокоманда) должны поступать в процессор извне, а адреса - из процессора во внешнюю память. Взяв наименьшие из приведенных цифр, приходим к выводу, что корпус однокристального процессора должен содерлоть минимум 272 вывода. Это совершенно нереально. Стандартные корпуса современных процессоров имеют до 48 выводов. Ценой больших усилий эту цифру можно было бы удвоить. Но и только. Есть все основания считать цифру 60-80 выводов предельной. Но есть еще одна возможность, которая состоит в том, чтобы передавать через Один и тот же вывод разную информацию (например, разные разряды одною и того же слова) в различные моменты времени. Такой прием называется муло-типлексированием.

Но мультиплексирование резко ухудшает важнейшую характеристику процессора-быстродействие и все равно не решает проблемы, поскольку требуется дополнительная информация о том, как именно мультиплексировать, т. е. разделять отдельные слова во времени.

Если во что бы то ни стало хочется иметь процессор в однокристальном исполнении, приходится чем-то поступиться. Поскольку больше всего выводов требует код операции, то его и сокращают в первую очередь. Так, процессор К580ИК80А (один из наиболее распространенных в настоящее время) из общего числа 25 возможных различных преобразований (подстановок) выполняет всего 78. Кристалл этого процессора имеет габаритные размеры 4,2X4,8 мм, содержит около 5000 МДП-транзисторов с каналом типа п л заключен в корпус с 48 выводами. Размеры корпуса: длина 30 мм, ширина (с выводами) 35 мм. Выводы распределяются так: обмен данными с внешней средой 8, обмен адресами с внешней средой 16, обмен управляющими сигналами с внешней средой 12, питание 4, Код операции, который в данном случае вместе с признаками имеет длину всего 8 разрядов, поступает в процессор по каналу Обмен дч.нными с внешней средой . Другими словами, здесь частично все же исполь-3 ется мультиплексирование. Кроме того, код операции записывается на языке, С} щественно отличном от языка, которым пользуется АЛУ процессора. Для перевода с внешнего языка на язык АЛУ в состав блока управления процессора в\одят пять программируемых логических матриц.

Все это, естественно, сказывается на быстродействии. Заглянув в любой справочник, вы увидете, что время выполнения операции сложения (двух восьмиразрядных двоичных чисел) у процессора К580ИК80 равно 2 мкс. Но не спешите обольщаться. В [7, с. 244] приведена интересная таблица, описывающая процесс сложения двух чисел, 2 и 3, при условии, что оба числа извлекаются из ОЗУ, а результат операции также поступает в ОЗУ. Полное время выполнения такой операции составляет 75 мкс. Семьдесят пять, а не две! Львиная доля дополнительного времени тратится на формирование микрокоманды, которая передается в процессор по частям и накапливается в РОН.

Итак, преимущества однокристальной конструкции процессора достигаются очень дорогой ценой и в первую очередь потерей универсальности и значительным уменьшением быстродействия. Важно понимать, что оба эти фактора тесно взаимосвязаны. Часто бывает так, что из-за отсутствия нужной операции ту же подстановку выполняют за несколько операций, на что, естественно, тратится дополнительное время. Но большая длительность выполнения отдель-ных операций заставляет подчас отказываться от их использования.

Альтернативное решение состоит в конструировании процессоров, состоящих из нескольких кристаллов и соответственно из нескольких корпусов, выводы которых соединяют между собой в процессе изготовления. И снова возникает вопрос: как лучше разрезать этот пирог? Мы не даром заговорили здесь о пироге. В литературе по микропроцессорной технике на английском языке отдельные кристаллы составных процессов так и называют слайсы (иногда говорят бит-слайсы ), а слово слайс (slice) буквально означает ломтик чего-нибудь (пирога).

Так как же наилучшим образом разрезать пирог? Одно из простых решений напрашивается само собой-резать пирог, то бишь процессор, на одинаковые части, содержащие все то, что показано на рис. 2.7, но работающие не

с целыми словами, а с частями слов, В русской литературе такой прием называется разрядным секционированием.

Достаточно ясно и то, какой должна быть длина части слова. Два разряд,а мало (хотя и делаются попытки конструировать двухразрядные слайсы), и прн этом не удастся использовать все преимущества БИС. Восемь разрядов - это уже целое слово. Значит, четыре! Коли мы согласились резать пирог, т. е. отказаться от преимуществ однокристальных процессоров, то чрезвычайно удобно иметь секции, из которых составляются конструкции, работающие со словами длиной 8, 12, 16, 20, 24 и т. д. вплоть до любого разумного числа разрядов. То есть каждый раз именно столько, сколько нужно, - не больще и не меньше. Примером такой четырехразрядной секции может служить БИС KI804BC1. Эта БИС содержит все элементы процессора, поэтому объединение таких БИС в схему с большим числом разрядов не требует дополнительного оборудования. Примером двухразрядной секции может служить БИС К589ИК02.

Но разрядное секционирование само по себе еще не решает проблемы. Все трудности, связанные с передачей, накоплением и формированием микрокоманд, у разрядных секций те же, что и у однокристальных процессоров. Положение в известном смысле даже ухудшается, поскольку в каждой секции приходится повторять одни и те же элементы управления. Ничего не поделаешь, приходится разрезать пирог еще и по горизонтали, т. е. по функциональному признаку. Как это делается, лучше всего рассмотреть на примере серии БИС KPI1802.

Эта серия содержит в своем составе отдельный кристалл АЛУ (КР1802ВС1), способный обрабатывать слова длиной 8 разрядов; отдельный кристалл РОН (КР1802ИР1), построенный таким образом, что, используя несколько кристаллов, можно доводить число РОН до любого разу.много количества; кристаллы (KPI802BBI и KPI802BB2) - аналоги буферны.х регистров; электрически программируемые матрицы (KP556PTI и М556РТ2), обеспечивающие перевод языка описания алгоритмов на язык микрокоманд. Интересна л особенность серии КР1802 -наличие арифметических расширителей. Арифметические расширители - это самостоятельные кристаллы, способные выполнять некоторые специфические арифметические операции, например быстрые операции умножения и деления. Используются они тогда (и только тогда), когда подлежащие реализации алгоритмы предусматривают выполнение относительно большого числа арифметических операций. В составе cepini KP1I8O2 такими БИС являются арифметический расширитель KPI802BP1 и умножитель KPI802BP2.

Примером компромиссного решения может служить серия K5S4. В ее состав входят три основных кристалла: центральный процессорный элемент (К584ВМ1), блок микропрограммного управления (К584ВУ1) и контроллер состояний (К584ВГ1).

Центральный процессорный элемент (рис. 2.9) выполняет операции иад словами длиной 4 разряда. На первый взгляд схема, показанная на рис. 2 9, значительно отличается от схемы, показанной на рис. 2 7. Но на самом деле это не совсем так. Попробуем выявить их общие черты и различия.

Главная отличительная особенность схемы на рис. 2.9 состоит в том, что в ней отсутствует внутренняя магистраль данных. Что это - отход от одного из ведущих принципов? Отнюдь нет. Просто внутренняя магистраль данных является внутренней по отношению ко всему процессору. На рис. 2.9 показана