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。

基本介紹

• 中文名：單片式微處理器
• 外文名：chip microprocessor
• 性質：中央處理器
• 技術：大規模積體電路技術

正文

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。