Žmonija nuėjo ilgą kelią kurdama kompiuterius, be kurių neįmanoma įsivaizduoti šiuolaikinės visuomenės su visais jos gyvenimo aspektais pramonės, šalies ekonomikos ir buitinės technikos srityse. Tačiau ir šiandien progresas nestovi vietoje, atverdamas naujas kompiuterizacijos formas. Jau kelis dešimtmečius technologinės plėtros centre yra mikroprocesoriaus (MP) struktūra, kurios funkciniai ir dizaino parametrai yra tobulinami.
Mikroprocesoriaus koncepcija
Bendrąja prasme mikroprocesoriaus sąvoka pateikiama kaip programa valdomas įrenginys arba sistema, pagrįsta dideliu integriniu grandynu (LSI). MP pagalba atliekamos duomenų apdorojimo operacijos arba sistemų, kurios apdoroja informaciją, valdymas. Pirmuosiuose etapuoseMP kūrimas buvo pagrįstas atskiromis mažai veikiančiomis mikroschemomis, kuriose tranzistorių buvo nuo kelių iki šimtų. Paprasčiausioje tipinėje mikroprocesoriaus struktūroje gali būti mikroschemų grupė su bendrais elektriniais, struktūriniais ir elektriniais parametrais. Tokios sistemos vadinamos mikroprocesorių rinkiniu. Kartu su MP vieną sistemą taip pat galėtų sudaryti nuolatinės ir laisvosios kreipties atminties įrenginiai, taip pat valdikliai ir sąsajos išorinei įrangai prijungti – vėlgi, per suderinamus ryšius. Plėtojant mikrovaldiklių koncepciją, mikroprocesorių komplektas buvo papildytas sudėtingesniais aptarnavimo įrenginiais, registrais, autobusų vairuotojais, laikmačiais ir kt.
Šiandien praktikoje mikroprocesorius vis mažiau laikomas atskiru įrenginiu. Mikroprocesoriaus funkcinė struktūra ir veikimo principas jau projektavimo etapuose grindžiami naudojimu kaip skaičiavimo įrenginio, skirto atlikti daugybę užduočių, susijusių su informacijos apdorojimu ir valdymu, dalimi. Pagrindinė mikroprocesorinio įrenginio veikimo organizavimo procesų grandis yra valdiklis, kuris palaiko valdymo konfigūraciją ir sąveikos tarp sistemos skaičiavimo branduolio ir išorinės įrangos režimus. Integruotas procesorius gali būti laikomas tarpine grandimi tarp valdiklio ir mikroprocesoriaus. Jo funkcionalumas yra orientuotas į pagalbinių užduočių, kurios nėra tiesiogiai susijusios su pagrindinės MT paskirtimi, sprendimą. Visų pirma tai gali būti tinklo ir ryšio funkcijos, užtikrinančios mikroprocesorinio įrenginio veikimą.
Mikroprocesorių klasifikacijos
Net ir paprasčiausiose konfigūracijose MP turi daug techninių ir eksploatacinių parametrų, kuriais galima nustatyti klasifikavimo ypatybes. Norint pagrįsti pagrindinius klasifikavimo lygius, paprastai išskiriamos trys funkcinės sistemos – operacinė, sąsajos ir valdymo. Kiekviena iš šių darbinių dalių taip pat suteikia daugybę parametrų ir skiriamųjų požymių, kurie lemia įrenginio veikimo pobūdį.
Atsižvelgiant į tipinę mikroprocesorių struktūrą, klasifikacijoje įrenginiai pirmiausia skirstomi į kelių lustų ir vieno lusto modelius. Pirmiesiems būdinga tai, kad jų darbo vienetai gali veikti neprisijungę ir vykdyti iš anksto nustatytas komandas. Ir šiame pavyzdyje bus išreikšti parlamentarai, kuriuose akcentuojama operacinė funkcija. Tokie tvarkytojai yra orientuoti į duomenų tvarkymą. Toje pačioje grupėje, pavyzdžiui, trijų lustų mikroprocesoriai gali būti valdomi ir sąsaja. Tai nereiškia, kad jie neturi operatyvinės funkcijos, tačiau optimizavimo tikslais didžioji dalis ryšio ir maitinimo išteklių yra skirta mikroinstrukcijų generavimo arba gebėjimo sąveikauti su periferinėmis sistemomis užduotims.
Kalbant apie vieno lusto MP, jie sukurti naudojant fiksuotą instrukcijų rinkinį ir kompaktišką visos aparatinės įrangos vietąant vienos šerdies. Kalbant apie funkcionalumą, vieno lusto mikroprocesoriaus struktūra yra gana ribota, nors ji yra patikimesnė nei kelių lustų analogų segmentinės konfigūracijos.
Kita svarbi klasifikacija susijusi su mikroprocesorių sąsajos dizainu. Mes kalbame apie būdus, kaip apdoroti įvesties signalus, kurie šiandien ir toliau skirstomi į skaitmeninius ir analoginius. Nors patys procesoriai yra skaitmeniniai įrenginiai, kai kuriais atvejais analoginių srautų naudojimas pateisina kainą ir patikimumą. Tačiau konvertavimui turi būti naudojami specialūs keitikliai, kurie prisideda prie darbinės platformos energijos apkrovos ir konstrukcijos pilnumo. Analoginiai MP (dažniausiai vieno lusto) atlieka standartinių analoginių sistemų užduotis – pavyzdžiui, jie sukuria moduliaciją, generuoja virpesius, koduoja ir dekoduoja signalą.
Pagal laikino MP veikimo organizavimo principą jie skirstomi į sinchroninius ir asinchroninius. Skirtumas slypi naujos operacijos pradžios signalo pobūdyje. Pavyzdžiui, sinchroninio įrenginio atveju tokias komandas duoda valdymo moduliai, nepriklausomai nuo esamų operacijų vykdymo. Asinchroninių MP atveju panašus signalas gali būti duodamas automatiškai, užbaigus ankstesnę operaciją. Norėdami tai padaryti, asinchroninio tipo mikroprocesoriaus loginėje struktūroje yra numatyta elektroninė grandinė, kuri prireikus užtikrina atskirų komponentų veikimą neprisijungus. Šio parlamentarų darbo organizavimo metodo įgyvendinimo sudėtingumą lemia tai, kadvisada vienos operacijos užbaigimo momentu yra pakankamai tam tikrų išteklių kitai operacijai pradėti. Procesoriaus atmintis paprastai naudojama kaip prioritetų nustatymo nuoroda renkantis vėlesnes operacijas.
Bendros ir specialios paskirties mikroprocesoriai
Pagrindinė bendrosios paskirties MP taikymo sritis yra darbo stotys, asmeniniai kompiuteriai, serveriai ir elektroniniai įrenginiai, skirti masiniam naudojimui. Jų funkcinė infrastruktūra orientuota į įvairiausių užduočių, susijusių su informacijos apdorojimu, atlikimą. Tokius įrenginius kuria SPARC, Intel, Motorola, IBM ir kiti.
Specializuoti mikroprocesoriai, kurių charakteristikos ir struktūra pagrįsti galingais valdikliais, įgyvendina sudėtingas skaitmeninių ir analoginių signalų apdorojimo ir konvertavimo procedūras. Tai labai įvairus segmentas su tūkstančiais konfigūracijos tipų. Šio tipo MP struktūros ypatumai apima vieno kristalo naudojimą kaip centrinio procesoriaus pagrindą, kuris, savo ruožtu, gali būti sujungtas su daugybe išorinių įrenginių. Tarp jų yra įvesties / išvesties priemonės, blokai su laikmačiais, sąsajos, analoginiai-skaitmeniniai keitikliai. Taip pat praktikuojama prijungti specializuotus įrenginius, tokius kaip blokai impulso pločio signalams generuoti. Dėl vidinės atminties naudojimo tokiose sistemose yra nedidelis skaičius pagalbinių komponentų, kurie palaiko operacijąmikrovaldiklis.
Mikroprocesoriaus specifikacijos
Veikimo parametrai apibrėžia įrenginio užduočių diapazoną ir komponentų rinkinį, kuris iš esmės gali būti naudojamas tam tikroje mikroprocesoriaus struktūroje. Pagrindinės MP charakteristikos gali būti pavaizduotos taip:
- Laikrodžio dažnis. Nurodo elementarių operacijų, kurias sistema gali atlikti per 1 sekundę, skaičių. ir išreiškiamas MHz. Nepaisant struktūros skirtumų, skirtingi MP dažniausiai atlieka panašias užduotis, tačiau kiekvienu atveju tam reikia individualaus laiko, o tai atsispindi ciklų skaičiuje. Kuo MP galingesnis, tuo daugiau procedūrų jis gali atlikti per vieną laiko vienetą.
- Plotis. Bitų, kuriuos įrenginys gali vykdyti vienu metu, skaičius. Priskirkite magistralės plotį, duomenų perdavimo spartą, vidinius registrus ir kt.
- Laikinosios atminties kiekis. Tai atmintis, įtraukta į vidinę mikroprocesoriaus struktūrą ir visada veikianti ribojančiais dažniais. Fiziniame atvaizde tai yra kristalas, patalpintas ant pagrindinės MP lusto ir sujungtas su mikroprocesoriaus magistralės šerdimi.
- Konfigūracija. Šiuo atveju kalbame apie komandų organizavimą ir kreipimosi būdus. Praktiškai konfigūracijos tipas gali reikšti galimybę derinti kelių komandų vykdymo procesus vienu metu, MP veikimo režimus ir principus bei periferinių įrenginių buvimą pagrindinėje mikroprocesorių sistemoje.
Mikroprocesoriaus architektūra
Iš esmės MP yra universalusinformacijos procesorius, tačiau kai kuriose jo veikimo srityse jo struktūrai vykdyti dažnai reikalingos specialios konfigūracijos. Mikroprocesorių architektūra atspindi konkretaus modelio taikymo specifiką, sukeldama į sistemą integruotos techninės ir programinės įrangos ypatybes. Konkrečiai galime kalbėti apie pateiktas pavaras, programų registrus, adresavimo būdus ir instrukcijų rinkinius.
Pavaizduodami MP architektūrą ir veikimo ypatybes, jie dažnai naudoja įrenginių diagramas ir turimos programinės įrangos registrų, kuriuose yra valdymo informacijos ir operandų (apdorotų duomenų), sąveiką. Todėl registro modelyje yra paslaugų registrų grupė, taip pat segmentai, skirti saugoti bendrosios paskirties operandus. Tuo remiantis nustatomas programų vykdymo būdas, atminties organizavimo schema, veikimo režimas ir mikroprocesoriaus charakteristikos. Pavyzdžiui, bendrosios paskirties MP struktūroje gali būti programų skaitiklis, taip pat sistemos veikimo režimų būsenos ir valdymo registrai. Įrenginio darbo eiga architektūrinės konfigūracijos kontekste gali būti pavaizduota kaip registrų perkėlimo modelis, teikiantis adresavimą, parenkant operandus ir komandas, perduodant rezultatus ir kt. Įvairių komandų vykdymas, nepaisant priskyrimo, turės įtakos būsenai registras, kurio turinys atspindi esamą procesoriaus būseną.
Bendra informacija apie mikroprocesorių struktūrą
Šiuo atveju struktūra turėtų būti suprantama ne tik kaip veikiančios sistemos komponentų rinkinys, bet irryšio tarp jų priemones, taip pat jų sąveiką užtikrinančius įrenginius. Kaip ir funkcinėje klasifikacijoje, struktūros turinį galima išreikšti trimis komponentais – eksploataciniu turiniu, ryšio su magistrale priemonėmis ir valdymo infrastruktūra.
Valdymo dalies įrenginys nustato komandų dekodavimo ir duomenų apdorojimo pobūdį. Į šį kompleksą gali būti įtraukti aritmetiniai-loginiai funkciniai blokai, taip pat rezistoriai, skirti laikinai saugoti informaciją, įskaitant informaciją apie mikroprocesoriaus būseną. Loginė struktūra numato naudoti 16 bitų rezistorius, kurie atlieka ne tik logines ir aritmetines procedūras, bet ir poslinkio operacijas. Registrų darbas gali būti organizuojamas pagal skirtingas schemas, kurios, be kita ko, lemia jų prieinamumą programuotojui. Atskiras registras rezervuotas akumuliatoriaus funkcijai.
Autobusų jungtys yra atsakingos už prijungimą prie išorinės įrangos. Jų užduočių spektras taip pat apima duomenų gavimą iš atminties ir komandų eilės sudarymą. Įprastą mikroprocesoriaus struktūrą sudaro IP komandų žymeklis, adresų papildikliai, segmentų registrai ir buferiai, kuriais aptarnaujamos nuorodos su adresų magistralėmis.
Valdymo įtaisas savo ruožtu generuoja valdymo signalus, iššifruoja komandą, taip pat užtikrina skaičiavimo sistemos veikimą, išduodamas mikro komandas vidinėms MP operacijoms.
Pagrindinio MP struktūra
Supaprastinta šio mikroprocesoriaus struktūra suteikia dvi funkcijasdalys:
- Operacinė. Šiame bloke yra valdymo ir duomenų apdorojimo įrenginiai, taip pat mikroprocesoriaus atmintis. Skirtingai nuo visos konfigūracijos, pagrindinė mikroprocesoriaus struktūra neapima segmentų registrų. Kai kurie vykdymo įrenginiai yra sujungti į vieną funkcinį vienetą, o tai taip pat pabrėžia optimizuotą šios architektūros pobūdį.
- Sąsaja. Iš esmės tai priemonė, užtikrinanti ryšį su pagrindiniu greitkeliu. Šioje dalyje yra vidinės atminties registrai ir adresų papildiklis.
Signalų tankinimo principas dažnai naudojamas pagrindinių MP išoriniuose išvesties kanaluose. Tai reiškia, kad signalizacija vyksta bendrais laiko pasidalijimo kanalais. Be to, priklausomai nuo esamo sistemos veikimo režimo, ta pati išvestis gali būti naudojama signalams perduoti įvairiais tikslais.
Mikroprocesoriaus komandų struktūra
Ši struktūra labai priklauso nuo bendros konfigūracijos ir MP funkcinių blokų sąveikos pobūdžio. Tačiau net sistemos projektavimo etape kūrėjai nustato galimybes taikyti tam tikrą operacijų masyvą, pagal kurį vėliau formuojamas komandų rinkinys. Dažniausiai pasitaikančios komandų funkcijos:
- Duomenų perdavimas. Komanda atlieka š altinio ir paskirties operandų reikšmių priskyrimo operacijas. Registrus arba atminties langelius galima naudoti kaip pastarąjį.
- Įvestis-išvestis. PerI/O sąsajos įrenginiai perduoda duomenis į prievadus. Atsižvelgiant į mikroprocesoriaus struktūrą ir jo sąveiką su periferine įranga ir vidiniais įrenginiais, komandos nustato prievadų adresus.
- Tipo konvertavimas. Nustatomi naudojamų operandų formatai ir dydžio reikšmės.
- Pertraukos. Šio tipo instrukcijos yra skirtos programinės įrangos pertraukimams valdyti – pavyzdžiui, tai gali būti procesoriaus funkcijos sustabdymas, kai pradeda veikti įvesties / išvesties įrenginiai.
- Ciklų organizavimas. Nurodymai pakeičia ECX registro reikšmę, kuris gali būti naudojamas kaip skaitiklis vykdant tam tikrą programos kodą.
Paprastai apribojimai taikomi pagrindinėms komandoms, susijusioms su galimybe dirbti su tam tikru atminties kiekiu, vienu metu valdyti registrus ir jų turinį.
MP valdymo struktūra
MP valdymo sistema yra pagrįsta valdymo bloku, kuris yra susietas su keliomis funkcinėmis dalimis:
- Signalo jutiklis. Nustato impulsų seką ir parametrus, tolygiai paskirstydamas juos laikui bėgant magistralėse. Tarp jutiklių veikimo charakteristikų galima paminėti ciklų skaičių ir valdymo signalus, reikalingus operacijoms atlikti.
- Signalų š altinis. Viena iš valdymo bloko funkcijų mikroprocesoriaus struktūroje yra priskirta signalų generavimui arba apdorojimui – tai yra jų perjungimui per tam tikrą ciklą konkrečioje magistralėje.
- Veikimo kodo dekoderis. Atlieka operacijų kodų, esančių komandų registre, iššifravimąŠis momentas. Kartu su aktyvios magistralės nustatymu ši procedūra taip pat padeda generuoti valdymo impulsų seką.
Nemažą reikšmę valdymo infrastruktūroje turi nuolatinis saugojimo įrenginys, kurio ląstelėse yra signalai, reikalingi apdorojimo operacijoms atlikti. Komandoms skaičiuoti apdorojant impulsinius duomenis galima naudoti adresų generavimo bloką – tai būtinas mikroprocesoriaus vidinės struktūros komponentas, įtrauktas į sistemos sąsajos bloką ir leidžiantis nuskaityti atminties registrų detales. su visais signalais.
Mikroprocesoriaus komponentai
Dauguma funkcinių blokų, taip pat išorinių įrenginių, yra suskirstyti tarp jų ir centrinės mikroschemos MP per vidinę magistralę. Galima sakyti, kad tai yra pagrindinis įrenginio tinklas, užtikrinantis visapusišką ryšio ryšį. Kitas dalykas, kad magistralėje gali būti ir skirtingos funkcinės paskirties elementų – pavyzdžiui, duomenų perdavimo grandinės, atminties elementų perdavimo linijos, taip pat informacijos rašymo ir skaitymo infrastruktūra. Pačios magistralės blokų sąveikos pobūdį lemia mikroprocesoriaus struktūra. Į MP įtrauktus įrenginius, be magistralės, yra šie:
- Aritmetinis loginis vienetas. Kaip jau minėta, šis komponentas skirtas loginėms ir aritmetinėms operacijoms atlikti. Jis veikia tiek su skaitiniais, tiek su simboliais.
- Valdymo įrenginys. Atsakingas užskirtingų MT dalių sąveikos koordinavimas. Visų pirma, šis blokas generuoja valdymo signalus, nukreipdamas juos į skirtingus mašinos įrenginio modulius tam tikru momentu.
- Mikroprocesoriaus atmintis. Naudojamas informacijai įrašyti, saugoti ir išduoti. Duomenys gali būti susieti ir su darbo skaičiavimo operacijomis, ir su mašiną aptarnaujančiais procesais.
- Matematikos procesorius. Jis naudojamas kaip pagalbinis modulis, siekiant padidinti greitį atliekant sudėtingas skaičiavimo operacijas.
Koprocesoriaus struktūros ypatybės
Net atliekant tipines aritmetines ir logines operacijas, įprasto MP talpos nepakanka. Pavyzdžiui, mikroprocesorius neturi galimybės vykdyti slankiojo kablelio aritmetinių komandų. Tokioms užduotims atlikti naudojami koprocesoriai, kurių struktūra numato centrinio procesoriaus ir kelių MP derinį. Tuo pačiu metu pati įrenginio veikimo logika neturi esminių skirtumų nuo pagrindinių aritmetinių mikroschemų konstravimo taisyklių.
Koprocesoriai vykdo įprastas komandas, tačiau glaudžiai sąveikauja su centriniu moduliu. Ši konfigūracija apima nuolatinį komandų eilių stebėjimą keliose eilutėse. Šio tipo mikroprocesoriaus fizinėje struktūroje įvesties-išvesties teikimui leidžiama naudoti nepriklausomą modulį, kurio ypatybė yra galimybė pasirinkti jo komandas. Tačiau, kad tokia schema veiktų tinkamai, koprocesoriai turi aiškiai apibrėžti instrukcijų pasirinkimo š altinį,koordinuoti modulių sąveiką.
Apibendrintos mikroprocesoriaus struktūros su stipriai susieta konfigūracija kūrimo principas taip pat yra susijęs su bendro procesoriaus įrenginio koncepcija. Jei ankstesniu atveju galime kalbėti apie nepriklausomą įvesties / išvesties bloką su galimybe pačiam pasirinkti komandas, tada stipriai susieta konfigūracija apima nepriklausomo procesoriaus, valdančio komandų srautus, įtraukimą į struktūrą.
Išvada
Po pirmųjų skaičiavimo įrenginių atsiradimo mikroprocesorių kūrimo principai buvo šiek tiek pakeisti. Pasikeitė resursų palaikymo charakteristikos, dizainas ir reikalavimai, o tai iš esmės pakeitė kompiuterį, tačiau bendra koncepcija su pagrindinėmis funkcinių blokų organizavimo taisyklėmis didžiąja dalimi išlieka ta pati. Tačiau mikroprocesorių struktūros kūrimo ateičiai įtakos gali turėti nanotechnologijos ir kvantinių skaičiavimų sistemų atsiradimas. Šiandien tokios sritys yra svarstomos teoriniu lygmeniu, tačiau didelės korporacijos aktyviai dirba su naujoviškomis technologijomis pagrįstų naujų loginių grandinių praktinio panaudojimo perspektyvomis. Pavyzdžiui, kaip galimas tolesnio MT vystymosi variantas, neatmetama molekulinių ir subatominių dalelių panaudojimas, o tradicinės elektros grandinės gali užleisti vietą kryptingo elektronų sukimosi sistemoms. Taip bus galima sukurti iš esmės naujos architektūros mikroskopinius procesorius, kurių našumas daug kartų viršys šiandieninius. MP.
