Mänskligheten har kommit långt mot skapandet av datorer, utan vilka det är omöjligt att föreställa sig det moderna samhället med alla aspekter av dess liv inom industrin, den nationella ekonomin och hushållsapparater. Men än i dag står inte framstegen stilla och öppnar upp för nya former av datorisering. I centrum för den tekniska utvecklingen i flera decennier nu är strukturen hos mikroprocessorn (MP), som håller på att förbättras i sina funktions- och designparametrar.
Mikroprocessorkoncept
I en allmän mening presenteras konceptet med en mikroprocessor som en programstyrd enhet eller system baserat på en stor integrerad krets (LSI). Med hjälp av MP utförs databehandlingsoperationer eller hantering av system som behandlar information. I de första stadiernaUtvecklingen av MP baserades på separata lågfunktionella mikrokretsar, där transistorer fanns i mängder från några till hundra. Den enklaste typiska mikroprocessorstrukturen skulle kunna innehålla en grupp mikrokretsar med gemensamma elektriska, strukturella och elektriska parametrar. Sådana system kallas en mikroprocessoruppsättning. Tillsammans med MP kan ett system också bestå av permanenta och slumpmässiga minnesenheter, såväl som kontroller och gränssnitt för anslutning av extern utrustning – återigen genom kompatibel kommunikation. Som ett resultat av utvecklingen av konceptet med mikrokontroller kompletterades mikroprocessorsatsen med mer komplexa serviceenheter, register, bussförare, timers, etc.
Idag betraktas mikroprocessorn allt mindre som en separat enhet i samband med praktiska tillämpningar. Den funktionella strukturen och funktionsprincipen för mikroprocessorn redan vid designstadierna styrs av användningen som en del av en datorenhet utformad för att utföra ett antal uppgifter relaterade till bearbetning och hantering av information. Nyckellänken i processerna för att organisera driften av en mikroprocessorenhet är styrenheten, som upprätthåller kontrollkonfigurationen och interaktionssätten mellan systemets datorkärna och extern utrustning. En integrerad processor kan betraktas som en mellanlänk mellan styrenheten och mikroprocessorn. Dess funktionalitet är fokuserad på att lösa hjälpuppgifter som inte är direkt relaterade till syftet med huvud-MT. I synnerhet kan dessa vara nätverks- och kommunikationsfunktioner som säkerställer driften av mikroprocessorenheten.
Klassificeringar av mikroprocessorer
Även i de enklaste konfigurationerna har parlamentsledamöter många tekniska och operativa parametrar som kan användas för att ställa in klassificeringsfunktioner. För att motivera de huvudsakliga klassificeringsnivåerna särskiljs vanligtvis tre funktionssystem - drift, gränssnitt och kontroll. Var och en av dessa arbetsdelar tillhandahåller också ett antal parametrar och särskiljande egenskaper som bestämmer hur enheten fungerar.
Ur den typiska strukturen för mikroprocessorer kommer klassificeringen i första hand att dela upp enheter i multi-chip och single-chip modeller. De förra kännetecknas av att deras arbetsenheter kan fungera offline och utföra förutbestämda kommandon. Och i det här exemplet kommer MPs att uttalas, där tonvikten ligger på den operativa funktionen. Sådana processorer är inriktade på databehandling. I samma grupp kan till exempel tre-chips mikroprocessorer vara styrning och gränssnitt. Detta betyder inte att de inte har en operativ funktion, men i optimeringssyfte är de flesta av kommunikations- och kraftresurserna allokerade till uppgifterna att generera mikroinstruktioner eller förmågan att interagera med perifera system.
När det gäller MPs med ett chip, är de utvecklade med en fast uppsättning instruktioner och kompakt placering av all hårdvarapå en kärna. När det gäller funktionalitet är strukturen hos en mikroprocessor med ett chip ganska begränsad, även om den är mer tillförlitlig än segmentkonfigurationer av analoger med flera chip.
En annan viktig klassificering hänvisar till gränssnittsdesignen för mikroprocessorer. Vi pratar om sätt att bearbeta insignaler, som idag fortsätter att delas upp i digitala och analoga. Även om processorerna i sig är digitala enheter, motiverar användningen av analoga strömmar sig i vissa fall när det gäller pris och tillförlitlighet. För konvertering måste dock speciella omvandlare användas, som bidrar till arbetsplattformens energibelastning och strukturella fyllighet. Analoga MP:er (vanligen single-chip) utför uppgifterna för vanliga analoga system - till exempel producerar de modulering, genererar svängningar, kodar och avkodar en signal.
I enlighet med principen om tillfällig organisation av MP:s funktion är de uppdelade i synkrona och asynkrona. Skillnaden ligger i typen av signal för att starta en ny operation. Till exempel, i fallet med en synkron anordning, ges sådana kommandon av styrmoduler, oavsett exekveringen av aktuella operationer. I fallet med asynkrona MP:er kan en liknande signal ges automatiskt efter avslutad föregående operation. För att göra detta tillhandahålls en elektronisk krets i den logiska strukturen hos mikroprocessorn av asynkron typ, som säkerställer driften av enskilda komponenter i offline-läge, om nödvändigt. Komplexiteten i att implementera denna metod för att organisera MP:s arbete beror på det faktum attalltid i ögonblicket för slutförandet av en operation finns det tillräckligt med vissa resurser för att starta nästa. Processorminne används vanligtvis som en prioriteringslänk i själva valet av efterföljande operationer.
Mikroprocessorer för allmänna och speciella ändamål
Den huvudsakliga omfattningen av MP för allmänna ändamål är arbetsstationer, persondatorer, servrar och elektroniska enheter avsedda för massanvändning. Deras funktionella infrastruktur är fokuserad på att utföra ett brett spektrum av uppgifter relaterade till informationsbehandling. Sådana enheter utvecklas av SPARC, Intel, Motorola, IBM och andra.
Specialiserade mikroprocessorer, vars egenskaper och struktur är baserade på kraftfulla kontroller, implementerar komplexa procedurer för bearbetning och konvertering av digitala och analoga signaler. Detta är ett mycket varierat segment med tusentals konfigurationstyper. Egenskaperna hos MP-strukturen av denna typ inkluderar användningen av en kristall som bas för den centrala processorn, som i sin tur kan kopplas samman med ett stort antal perifera enheter. Bland dem är medel för ingång / utgång, block med timers, gränssnitt, analog-till-digital-omvandlare. Det är också praktiserat att ansluta specialiserade enheter som block för att generera pulsbreddssignaler. På grund av användningen av internminne har sådana system ett litet antal hjälpkomponenter som stöder operationenmikrokontroller.
Mikroprocessorspecifikationer
Driftsparametrar definierar omfånget av enhetsuppgifter och den uppsättning komponenter som i princip kan användas i en viss mikroprocessorstruktur. De viktigaste egenskaperna hos MP kan representeras enligt följande:
- Klockfrekvens. Indikerar antalet elementära operationer som systemet kan utföra på 1 sekund. och uttrycks i MHz. Trots skillnaderna i struktur utför olika riksdagsledamöter för det mesta liknande uppgifter, men i varje fall kräver det individuell tid, vilket återspeglas i antalet cykler. Ju mer kraftfull MP är, desto fler procedurer kan den utföra inom en tidsenhet.
- Bredd. Antalet bitar som enheten kan köra samtidigt. Tilldela bussbredd, dataöverföringshastighet, interna register, etc.
- Mängden cacheminne. Detta är minnet som ingår i mikroprocessorns interna struktur och som alltid arbetar med begränsande frekvenser. I den fysiska representationen är detta en kristall placerad på MP-huvudkretsen och kopplad till mikroprocessorns busskärna.
- Konfiguration. I det här fallet talar vi om organisationen av kommandon och adresseringsmetoder. I praktiken kan typen av konfiguration innebära möjligheten att kombinera processerna för att utföra flera kommandon samtidigt, lägena och principerna för MP-drift och närvaron av kringutrustning i det grundläggande mikroprocessorsystemet.
Mikroprocessorarkitektur
I stort sett är MP universellinformationsprocessor, men inom vissa områden av dess verksamhet krävs ofta speciella konfigurationer för utförande av dess struktur. Arkitekturen hos mikroprocessorer återspeglar specifikationerna för tillämpningen av en viss modell, vilket orsakar funktionerna hos hårdvaran och mjukvaran integrerade i systemet. Specifikt kan vi prata om de tillhandahållna ställdonen, programregister, adresseringsmetoder och instruktionsuppsättningar.
I representationen av arkitekturen och funktionerna i MP:ns funktion använder de ofta enhetsdiagram och interaktionen mellan tillgängliga programvaruregister som innehåller kontrollinformation och operander (bearbetade data). Därför finns det i registermodellen en grupp tjänsteregister, såväl som segment för lagring av allmänna operander. På grundval av detta bestäms metoden för att exekvera program, schemat för minnesorganisation, driftsätt och mikroprocessorns egenskaper. MP-strukturen för allmänna ändamål kan till exempel inkludera en programräknare, såväl som register för status och styrning av systemdriftmoden. En enhets arbetsflöde i samband med en arkitektonisk konfiguration kan representeras som en modell av registeröverföringar, tillhandahållande av adressering, val av operander och instruktioner, överföring av resultat, etc. Exekvering av olika instruktioner, oavsett tilldelning, kommer att påverka statusen register, vars innehåll återspeglar processorns aktuella tillstånd.
Allmän information om strukturen hos mikroprocessorer
I det här fallet ska strukturen inte bara förstås som en uppsättning komponenter i arbetssystemet, utan ocksåmedel för anslutning mellan dem, såväl som enheter som säkerställer deras interaktion. Liksom i funktionsklassificeringen kan strukturens innehåll uttryckas genom tre komponenter - driftinnehåll, kommunikationsmedel med bussen och styrinfrastruktur.
Enheten för manöverdelen bestämmer typen av kommandoavkodning och databehandling. Detta komplex kan innefatta aritmetisk-logiska funktionsblock, såväl som motstånd för temporär lagring av information, inklusive information om mikroprocessorns tillstånd. Den logiska strukturen tillhandahåller användningen av 16-bitars motstånd som utför inte bara logiska och aritmetiska procedurer, utan också skiftoperationer. Arbetet med register kan organiseras enligt olika scheman, som bland annat bestämmer deras tillgänglighet för programmeraren. Ett separat register är reserverat för batteripaketfunktionen.
Buskopplingar ansvarar för anslutningar till kringutrustning. Omfånget av deras uppgifter inkluderar också att hämta data från minnet och att bilda en kö av kommandon. Den typiska mikroprocessorstrukturen inkluderar en IP-kommandopekare, adressadderare, segmentregister och buffertar, genom vilka länkar med adressbussar betjänas.
Kontrollenheten genererar i sin tur styrsignaler, dekrypterar kommandot och säkerställer även driften av datorsystemet och utfärdar mikrokommandon för interna MP-operationer.
Struktur av grundläggande MP
Den här mikroprocessorns förenklade struktur ger två funktionelladelar:
- Operationsrum. Denna enhet inkluderar kontroll- och databehandlingsfaciliteter, såväl som mikroprocessorminne. Till skillnad från den fullständiga konfigurationen, exkluderar den grundläggande mikroprocessorstrukturen segmentregister. Vissa exekveringsenheter är kombinerade till en funktionell enhet, vilket också betonar den optimerade karaktären hos denna arkitektur.
- Gränssnitt. I huvudsak ett sätt att tillhandahålla kommunikation med huvudvägen. Denna del innehåller de interna minnesregistren och adressadderaren.
Principen för signalmultiplexering används ofta på de externa utgångskanalerna för grundläggande MP. Detta innebär att signaleringen sker över vanliga tidsdelningskanaler. Dessutom, beroende på systemets aktuella driftläge, kan samma utgång användas för att sända signaler för olika ändamål.
Mikroprocessorinstruktionsstruktur
Denna struktur beror till stor del på den allmänna konfigurationen och typen av interaktion mellan MP-funktionsblocken. Men även i systemets designstadium, fastställer utvecklare möjligheterna att tillämpa en viss uppsättning operationer baserat på vilka en uppsättning kommandon sedan bildas. De vanligaste kommandofunktionerna inkluderar:
- Dataöverföring. Kommandot utför operationerna för att tilldela värdena för käll- och destinationsoperander. Register eller minnesceller kan användas som det senare.
- Input-output. GenomI/O-gränssnittsenheter överför data till portar. I enlighet med mikroprocessorns struktur och dess interaktion med perifer hårdvara och interna enheter, ställer kommandona in portadresserna.
- Typomvandling. Formaten och storleksvärdena för de använda operanderna bestäms.
- Avbrott. Den här typen av instruktion är utformad för att styra programavbrott - det kan till exempel vara ett processorfunktionsstopp medan I/O-enheter börjar fungera.
- Organisation av cykler. Instruktioner ändrar värdet på ECX-registret, som kan användas som räknare vid exekvering av viss programkod.
Som regel läggs begränsningar på grundläggande kommandon relaterade till möjligheten att arbeta med vissa mängder minne, samtidigt hantera register och deras innehåll.
MP ledningsstruktur
MP styrsystem är baserat på styrenheten, som är associerad med flera funktionella delar:
- Signalsensor. Bestämmer sekvensen och parametrarna för pulser och fördelar dem jämnt i tiden över bussarna. Bland egenskaperna för driften av sensorer är antalet cykler och styrsignaler som krävs för att utföra operationer.
- Källa till signaler. En av funktionerna hos styrenheten i mikroprocessorns struktur är tilldelad generering eller bearbetning av signaler - det vill säga deras omkoppling inom en specifik cykel på en specifik buss.
- Driftkodsavkodare. Utför dekryptering av operationskoderna som finns i instruktionsregistret pådet här ögonblicket. Tillsammans med bestämning av den aktiva bussen hjälper denna procedur också till att generera en sekvens av styrpulser.
Av ingen liten betydelse i kontrollinfrastrukturen är en permanent lagringsenhet som innehåller i sina celler de signaler som krävs för att utföra bearbetningsoperationer. För att räkna kommandon vid bearbetning av pulsdata kan en adressgenereringsenhet användas - detta är en nödvändig komponent i mikroprocessorns interna struktur, som ingår i systemets gränssnittsenhet och låter dig läsa detaljerna i minnesregistren med fullständiga signaler.
Mikroprocessorkomponenter
De flesta funktionsblocken, såväl som externa enheter, är organiserade mellan sig själva och den centrala mikrokretsen MP genom den interna bussen. Det kan sägas att detta är enhetens stamnät, vilket ger en omfattande kommunikationslänk. En annan sak är att bussen även kan innehålla element av olika funktionella syften – till exempel kretsar för dataöverföring, ledningar för överföring av minnesceller, samt en infrastruktur för att skriva och läsa information. Naturen för interaktionen mellan blocken på själva bussen bestäms av strukturen hos mikroprocessorn. Enheterna som ingår i MP, förutom bussen, inkluderar följande:
- Aritmetisk logikenhet. Som redan nämnts är denna komponent utformad för att utföra logiska och aritmetiska operationer. Det fungerar med både numerisk data och teckendata.
- Kontrollenhet. Ansvarig församordning i samspelet mellan olika delar av MT. Speciellt genererar detta block styrsignaler som leder dem till olika moduler i maskinanordningen vid vissa tidpunkter.
- Mikroprocessorminne. Används för att registrera, lagra och utfärda information. Data kan kopplas till både fungerande beräkningsoperationer och processer som betjänar maskinen.
- Matematisk processor. Den används som en hjälpmodul för att öka hastigheten när du utför komplexa beräkningsoperationer.
Funktioner i samprocessorstrukturen
Även inom ramen för att utföra typiska aritmetiska och logiska operationer finns det inte tillräckligt med kapacitet hos en konventionell MP. Till exempel har mikroprocessorn inte förmågan att utföra aritmetiska instruktioner med flyttal. För sådana uppgifter används samprocessorer, vars struktur möjliggör kombinationen av en central processor med flera MP. Samtidigt har logiken i själva enhetens funktion inga grundläggande skillnader från de grundläggande reglerna för att konstruera aritmetiska mikrokretsar.
Coprocessorer utför typiska kommandon, men i nära samverkan med den centrala modulen. Denna konfiguration förutsätter konstant övervakning av kommandoköer över flera rader. I den fysiska strukturen hos en mikroprocessor av denna typ är det tillåtet att använda en oberoende modul för att tillhandahålla input-output, en egenskap hos vilken är möjligheten att välja dess kommandon. Men för att ett sådant schema ska fungera korrekt måste medprocessorer tydligt definiera källan för val av instruktion,koordinerande interaktion mellan moduler.
Principen att bygga en generaliserad struktur för en mikroprocessor med en starkt kopplad konfiguration är också kopplad till konceptet med en samprocessorenhet. Om vi i det föregående fallet kan tala om ett oberoende I/O-block med möjlighet till eget val av kommandon, så innebär en starkt kopplad konfiguration inkludering i strukturen av en oberoende processor som styr kommandoströmmar.
Slutsats
Principerna för att skapa mikroprocessorer har genomgått få förändringar sedan tillkomsten av de första datorenheterna. Egenskaperna, designen och kraven på resursstöd har förändrats, vilket radik alt har förändrat datorn, men det allmänna konceptet med de grundläggande reglerna för att organisera funktionsblock förblir till största delen detsamma. Emellertid kan framtiden för utveckling av mikroprocessorstrukturer påverkas av nanoteknik och tillkomsten av kvantberäkningssystem. Idag betraktas sådana områden på teoretisk nivå, men stora företag arbetar aktivt med utsikterna för praktisk användning av nya logiska kretsar baserade på innovativ teknik. Till exempel, som ett möjligt alternativ för vidareutveckling av MT, är användningen av molekylära och subatomära partiklar inte utesluten, och traditionella elektriska kretsar kan ge vika för system med riktad elektronrotation. Detta kommer att göra det möjligt att skapa mikroskopiska processorer med en i grunden ny arkitektur, vars prestanda många gånger kommer att överträffa dagens. MP.
