Az emberiség hosszú utat tett meg a számítógépek megalkotása felé, amelyek nélkül elképzelhetetlen a modern társadalom életének minden területével az ipar, a nemzetgazdaság és a háztartási gépek területén. A haladás azonban még ma sem áll meg, és a számítógépesítés új formáit nyitja meg. A technológiai fejlődés középpontjában immár több évtizede a mikroprocesszor (MP) szerkezete áll, amelynek funkcionális és tervezési paraméterei is folyamatosan fejlődnek.
Mikroprocesszor koncepció
Általános értelemben a mikroprocesszor fogalmát nagy integrált áramkörön (LSI) alapuló, programvezérelt eszközként vagy rendszerként mutatják be. Az MP segítségével adatfeldolgozási műveleteket vagy információkat feldolgozó rendszerek kezelését hajtják végre. Az első szakaszokbanAz MP fejlesztése külön, alacsony működésű mikroáramkörökön alapult, amelyekben néhánytól százig terjedő mennyiségben voltak jelen a tranzisztorok. A legegyszerűbb tipikus mikroprocesszor-struktúra mikroáramkörök csoportját tartalmazhatja, amelyek közös elektromos, szerkezeti és elektromos paraméterekkel rendelkeznek. Az ilyen rendszereket mikroprocesszorkészletnek nevezzük. Az MP mellett egy rendszer állhatna állandó és közvetlen elérésű memóriaeszközökből, valamint vezérlőkből és külső berendezések csatlakoztatására szolgáló interfészekből is - ismételten kompatibilis kommunikáción keresztül. A mikrokontrollerek koncepciójának fejlesztése eredményeként a mikroprocesszor készlet kiegészült bonyolultabb kiszolgáló eszközökkel, regiszterekkel, buszmeghajtókkal, időzítőkkel stb.
Ma a mikroprocesszort egyre kevésbé tekintik külön eszköznek a gyakorlati alkalmazásokban. A mikroprocesszor funkcionális felépítését és működési elvét már a tervezési szakaszban az információ feldolgozásával és kezelésével kapcsolatos számos feladat elvégzésére tervezett számítástechnikai eszköz részeként történő felhasználása határozza meg. A mikroprocesszoros eszközök működésének megszervezésének folyamatában a kulcsfontosságú láncszem a vezérlő, amely fenntartja a vezérlési konfigurációt és a rendszer számítási magja és a külső berendezések közötti interakciós módokat. Az integrált processzor köztes kapcsolatnak tekinthető a vezérlő és a mikroprocesszor között. Funkciója olyan segédfeladatok megoldására összpontosít, amelyek nem kapcsolódnak közvetlenül a fő MT céljához. Ezek különösen olyan hálózati és kommunikációs funkciók lehetnek, amelyek biztosítják a mikroprocesszoros eszköz működését.
A mikroprocesszorok osztályozása
Még a legegyszerűbb konfigurációkban is az MP-k számos műszaki és működési paraméterrel rendelkeznek, amelyek segítségével beállíthatja az osztályozási jellemzőket. A besorolás főbb szintjei igazolására általában három funkcionális rendszert különböztetnek meg - működési, interfész és vezérlés. Ezen munkarészek mindegyike számos paramétert és megkülönböztető jellemzőt is biztosít, amelyek meghatározzák az eszköz működésének jellegét.
A mikroprocesszorok tipikus felépítése szempontjából az osztályozás elsősorban többlapkás és egylapkás modellekre osztja majd az eszközöket. Az előbbiekre jellemző, hogy munkaegységeik offline is működhetnek, és előre meghatározott parancsokat hajthatnak végre. És ebben a példában a képviselők kerülnek kiejtésre, amelyben a hangsúly az operatív funkción van. Az ilyen feldolgozók az adatfeldolgozásra összpontosítanak. Ugyanebben a csoportban például három chipes mikroprocesszorok lehetnek vezérlők és interfészek. Ez nem jelenti azt, hogy nem rendelkeznek működési funkcióval, de optimalizálás céljából a kommunikációs és energiaforrások nagy részét a mikroutasítások generálására vagy a perifériás rendszerekkel való interakció képességére osztják.
Az egychipes MP-ket fix utasításkészlettel és az összes hardver kompakt elhelyezésével fejlesztették ki.egy magon. Ami a funkcionalitást illeti, az egychipes mikroprocesszor szerkezete meglehetősen korlátozott, bár megbízhatóbb, mint a többchipes analógok szegmenskonfigurációi.
Egy másik fontos osztályozás a mikroprocesszorok interfész kialakítására vonatkozik. A bemeneti jelek feldolgozásának módjairól beszélünk, amelyeket ma továbbra is digitálisra és analógra osztanak. Bár maguk a processzorok digitális eszközök, bizonyos esetekben az analóg adatfolyamok használata indokolt az ár és a megbízhatóság szempontjából. Az átalakításhoz azonban speciális konvertereket kell használni, amelyek hozzájárulnak a munkaállvány energiaterheléséhez és szerkezeti telítettségéhez. Az analóg MP-k (általában egylapkás) a szabványos analóg rendszerek feladatait látják el – például modulációt állítanak elő, oszcillációt generálnak, jelet kódolnak és dekódolnak.
Az MP működésének ideiglenes megszervezésének elve szerint szinkronra és aszinkronra osztják őket. A különbség az új művelet elindításához szükséges jel természetében rejlik. Például egy szinkron eszköz esetén az ilyen parancsokat a vezérlőmodulok adják, függetlenül az aktuális műveletek végrehajtásától. Aszinkron MP-k esetén az előző művelet befejeztével automatikusan is adható hasonló jel. Ehhez az aszinkron típusú mikroprocesszor logikai felépítésében egy elektronikus áramkört biztosítanak, amely szükség esetén biztosítja az egyes komponensek offline üzemmódban történő működését. A képviselői munkaszervezés ezen módszerének megvalósításának bonyolultsága annak köszönhető, hogymindig az egyik művelet befejezésekor elegendő bizonyos erőforrás áll rendelkezésre a következő elindításához. A processzormemóriát általában prioritási hivatkozásként használják a következő műveletek kiválasztásánál.
Mikroprocesszorok általános és speciális célokra
Az általános célú MP fő hatóköre a munkaállomások, személyi számítógépek, szerverek és tömeges felhasználásra szánt elektronikus eszközök. Funkcionális infrastruktúrájuk az információfeldolgozással kapcsolatos feladatok széles körének ellátására összpontosul. Ilyen eszközöket a SPARC, az Intel, a Motorola, az IBM és mások fejlesztenek.
Speciális mikroprocesszorok, amelyek jellemzői és felépítése erős vezérlőkön alapul, összetett eljárásokat valósít meg a digitális és analóg jelek feldolgozására és átalakítására. Ez egy nagyon változatos szegmens, több ezer konfigurációtípussal. Az ilyen típusú MP-struktúra sajátosságai közé tartozik, hogy egy kristályt használnak a központi processzor alapjaként, amely viszont számos perifériás eszközhöz csatlakoztatható. Ezek közé tartoznak a bemeneti / kimeneti eszközök, az időzítőkkel ellátott blokkok, interfészek, analóg-digitális átalakítók. Speciális eszközök, például blokkok csatlakoztatását is gyakorolják impulzusszélesség-jelek generálására. A belső memória használatának köszönhetően az ilyen rendszerekben kevés a működést támogató segédkomponensmikrokontroller.
Mikroprocesszor-specifikációk
A működési paraméterek határozzák meg az eszközfeladatok körét és azon komponensek készletét, amelyek elvileg egy adott mikroprocesszor-struktúrában használhatók. Az MP főbb jellemzői a következőképpen ábrázolhatók:
- Órafrekvencia. Azt jelzi, hogy a rendszer hány elemi műveletet tud végrehajtani 1 másodperc alatt. és MHz-ben van kifejezve. A felépítési különbségek ellenére a különböző képviselők többnyire hasonló feladatokat látnak el, de ez minden esetben egyéni időt igényel, ami a ciklusok számában is megmutatkozik. Minél erősebb az MP, annál több eljárást tud végrehajtani egy időegységen belül.
- Szélesség. Azon bitek száma, amelyeket az eszköz egyszerre tud végrehajtani. Sínszélesség, adatátviteli sebesség, belső regiszterek stb. kiosztása.
- A gyorsítótár memória mennyisége. Ez az a memória, amely a mikroprocesszor belső szerkezetében van és mindig limitált frekvencián működik. A fizikai ábrázolásban ez egy kristály, amely a fő MP chipre van elhelyezve, és a mikroprocesszor busz magjához van csatlakoztatva.
- Konfiguráció. Ebben az esetben a parancsok szervezéséről és a megszólítási módszerekről beszélünk. A gyakorlatban a konfiguráció típusa jelentheti a több parancs egyidejű végrehajtási folyamatainak, az MP működési módok és elvek kombinálásának lehetőségét, valamint a perifériás eszközök jelenlétét az alap mikroprocesszoros rendszerben.
Mikroprocesszor-architektúra
A MP általánosságban univerzálisinformációfeldolgozó, de működésének egyes területein gyakran speciális konfigurációk szükségesek a struktúrájának végrehajtásához. A mikroprocesszorok architektúrája egy adott modell alkalmazásának sajátosságait tükrözi, ami a rendszerbe integrált hardver és szoftver jellemzőit idézi elő. Konkrétan a biztosított aktuátorokról, programregiszterekről, címzési módokról és utasításkészletekről beszélhetünk.
Az MP architektúrájának és működési jellemzőinek ábrázolásában gyakran alkalmaznak eszközdiagramokat és a rendelkezésre álló szoftverregiszterek interakcióját, amelyek vezérlési információkat és operandusokat (feldolgozott adatokat) tartalmaznak. Ezért a regisztermodellben szolgáltatásregiszterek csoportja, valamint általános célú operandusok tárolására szolgáló szegmensek találhatók. Ennek alapján határozzák meg a programok végrehajtásának módját, a memóriaszervezési sémát, a működési módot és a mikroprocesszor jellemzőit. Az általános célú MP struktúra például tartalmazhat egy programszámlálót, valamint regisztereket a rendszer működési módjainak állapotára és vezérlésére. Egy eszköz munkafolyamata egy architekturális konfiguráció kontextusában reprezentálható a regiszterátvitelek modelljeként, címzést, operandusok és utasítások kiválasztását, eredmények átvitelét stb. regiszter, amelynek tartalma a processzor aktuális állapotát tükrözi.
Általános információk a mikroprocesszorok felépítéséről
Ebben az esetben a szerkezetet nem csak a működő rendszer összetevőinek összességeként kell érteni, hanemkapcsolati eszközök közöttük, valamint azok interakcióját biztosító eszközök. A funkcionális besoroláshoz hasonlóan a struktúra tartalma három összetevőn keresztül fejezhető ki - működési tartalom, a busszal való kommunikáció eszközei és a vezérlő infrastruktúra.
A kezelőrész eszköze határozza meg a parancsdekódolás és adatfeldolgozás jellegét. Ez a komplexum tartalmazhat aritmetikai-logikai funkcionális blokkokat, valamint ellenállásokat az információk ideiglenes tárolására, beleértve a mikroprocesszor állapotára vonatkozó információkat is. A logikai struktúra 16 bites ellenállások használatát írja elő, amelyek nemcsak logikai és aritmetikai eljárásokat hajtanak végre, hanem eltolási műveleteket is. A regiszterek munkája különböző sémák szerint szervezhető, amelyek többek között meghatározzák a programozó számára elérhetőségüket. Külön regiszter van fenntartva az akkumulátor funkció számára.
A buszcsatlakozók felelősek a perifériás berendezésekhez való csatlakozásért. Feladataik közé tartozik az adatok memóriából való lekérése és a parancssorok kialakítása is. A tipikus mikroprocesszor-struktúra IP parancsmutatót, címösszeadókat, szegmensregisztereket és puffereket tartalmaz, amelyeken keresztül a címbuszokkal létesített kapcsolatokat szolgálják ki.
A vezérlőeszköz viszont vezérlőjeleket generál, dekódolja a parancsot, és biztosítja a számítási rendszer működését is, mikroparancsokat adva ki a belső MP műveletekhez.
Az alap MP felépítése
Ennek a mikroprocesszornak az egyszerűsített felépítése két funkciót biztosítrészek:
- Műtő. Ez az egység vezérlő- és adatfeldolgozó berendezéseket, valamint mikroprocesszoros memóriát tartalmaz. A teljes konfigurációtól eltérően az alapvető mikroprocesszor-struktúra nem tartalmazza a szegmensregisztereket. Egyes végrehajtó eszközök egyetlen funkcionális egységben vannak kombinálva, ami szintén hangsúlyozza az architektúra optimalizált jellegét.
- Interfész. Lényegében a főúttal való kommunikáció biztosításának eszköze. Ez a rész tartalmazza a belső memória regisztereket és a címösszeadót.
A jelmultiplexelés elvét gyakran alkalmazzák az alap MP-k külső kimeneti csatornáin. Ez azt jelenti, hogy a jelzés közös időmegosztási csatornákon keresztül történik. Ezenkívül a rendszer aktuális működési módjától függően ugyanaz a kimenet használható jelek továbbítására különböző célokra.
Mikroprocesszoros utasításstruktúra
Ez a struktúra nagymértékben függ az általános konfigurációtól és az MP funkcionális blokkok interakciójának természetétől. A fejlesztők azonban már a rendszer tervezési szakaszában lefektetik a lehetőségeket egy bizonyos műveletsor alkalmazására, amely alapján a későbbiekben parancskészletet alakítanak ki. A leggyakoribb parancsfunkciók a következők:
- Adatátvitel. A parancs végrehajtja a forrás és a cél operandus értékeinek hozzárendelési műveleteit. Ez utóbbiként a regiszterek vagy memóriacellák használhatók.
- Bemenet-kimenet. KeresztülAz I/O interfész eszközök adatokat továbbítanak a portokra. A mikroprocesszor felépítésének és a perifériás hardverrel és belső egységekkel való interakciójának megfelelően a parancsok beállítják a portcímeket.
- Típuskonverzió. Meg van határozva a használt operandusok formátuma és méretértéke.
- Megszakítások. Az ilyen típusú utasítások a szoftveres megszakítások vezérlésére szolgálnak – például ez lehet a processzorfunkció leállása, miközben az I/O eszközök elkezdenek működni.
- A ciklusok szervezése. Az utasítások megváltoztatják az ECX regiszter értékét, amely bizonyos programkódok végrehajtásakor számlálóként használható.
Általában korlátozások vonatkoznak az alapvető parancsokra, amelyek bizonyos mennyiségű memóriával való működésre, a regiszterek és azok tartalmának egyidejű kezelésére vonatkoznak.
MP irányítási struktúra
MP vezérlőrendszer a vezérlőegységen alapul, amely több funkcionális részhez kapcsolódik:
- Jelérzékelő. Meghatározza az impulzusok sorrendjét és paramétereit, időben egyenletesen elosztva azokat a buszok között. Az érzékelők működésének jellemzői közé tartozik a műveletek végrehajtásához szükséges ciklusok és vezérlőjelek száma.
- Jelek forrása. A mikroprocesszor felépítésében a vezérlőegység egyik funkciója a jelek generálásához vagy feldolgozásához van hozzárendelve, vagyis ezeknek egy adott cikluson belüli kapcsolása egy adott buszon.
- Műveleti kód dekódoló. Az utasításregiszterben található műveleti kódok visszafejtését hajtja végreEbben a pillanatban. Az aktív busz meghatározásával együtt ez az eljárás egy vezérlőimpulzus-sorozat létrehozását is segíti.
A vezérlő infrastruktúrában nem kis jelentőséggel bír egy állandó tárolóeszköz, amely celláiban tartalmazza a feldolgozási műveletek végrehajtásához szükséges jeleket. Az impulzusadatok feldolgozása során a parancsok számlálásához címgeneráló egység használható - ez a mikroprocesszor belső szerkezetének szükséges összetevője, amely a rendszer interfész egységében található, és lehetővé teszi a memóriaregiszterek részleteinek olvasását. teljes jelekkel.
Mikroprocesszor-összetevők
A legtöbb funkcionális blokk, valamint a külső eszközök egymás és a központi mikroáramkör MP között vannak elrendezve a belső buszon keresztül. Elmondható, hogy ez a készülék gerinchálózata, amely átfogó kommunikációs kapcsolatot biztosít. A másik dolog az, hogy a busz különböző funkcionális célú elemeket is tartalmazhat - például adatátviteli áramköröket, memóriacellák átvitelére szolgáló vonalakat, valamint információírási és -olvasási infrastruktúrát. A busz blokkjai közötti kölcsönhatás jellegét a mikroprocesszor szerkezete határozza meg. Az MP-ben szereplő eszközök a buszon kívül a következőket tartalmazzák:
- Aritmetikai logikai egység. Mint már említettük, ez az összetevő logikai és aritmetikai műveletek végrehajtására szolgál. Numerikus és karakteres adatokkal is működik.
- Vezérlőeszköz. Felelős valamiértkoordináció az MT különböző részeinek kölcsönhatásában. Ez a blokk különösen vezérlőjeleket állít elő, és azokat bizonyos időpontokban a gép különböző moduljaihoz irányítja.
- Mikroprocesszoros memória. Információk rögzítésére, tárolására és kiadására szolgál. Az adatok mind működő számítási műveletekhez, mind a gépet kiszolgáló folyamatokhoz társíthatók.
- Matek processzor. Kiegészítő modulként használják a sebesség növelésére összetett számítási műveletek végrehajtásakor.
A társprocesszor szerkezetének jellemzői
Még a tipikus aritmetikai és logikai műveletek végrehajtása során sem elegendő a hagyományos MP kapacitása. Például a mikroprocesszor nem képes lebegőpontos aritmetikai utasításokat végrehajtani. Az ilyen feladatokhoz társprocesszorokat használnak, amelyek felépítése lehetővé teszi egy központi processzor és több MP kombinációját. Ugyanakkor magának az eszköznek a működési logikája nem különbözik alapvetően az aritmetikai mikroáramkörök felépítésének alapvető szabályaitól.
A társprocesszorok tipikus parancsokat hajtanak végre, de szoros kölcsönhatásban a központi modullal. Ez a konfiguráció feltételezi a parancssorok folyamatos figyelését több sorban. Az ilyen típusú mikroprocesszorok fizikai felépítésében megengedett egy független modul használata a bemenet-kimenet biztosítására, amelynek jellemzője a parancsok kiválasztásának képessége. Ahhoz azonban, hogy egy ilyen séma megfelelően működjön, a társprocesszoroknak egyértelműen meg kell határozniuk az utasítás kiválasztásának forrását,a modulok közötti interakció koordinálása.
Az erősen csatolt konfigurációjú mikroprocesszor általános szerkezetének felépítésének elve a társprocesszoros eszköz fogalmához is kapcsolódik. Ha az előző esetben egy független I / O blokkról beszélhetünk a saját parancsok kiválasztásának lehetőségével, akkor az erősen csatolt konfiguráció magában foglalja egy független processzor beépítését a struktúrába, amely vezérli a parancsfolyamokat.
Következtetés
A mikroprocesszorok létrehozásának elvei kevés változáson mentek keresztül az első számítástechnikai eszközök megjelenése óta. Az erőforrás-támogatás jellemzői, kialakítása és követelményei megváltoztak, ami radikálisan megváltoztatta a számítógépet, de az általános koncepció a funkcionális blokkok szervezésének alapvető szabályaival többnyire változatlan maradt. A mikroprocesszor-szerkezetek fejlesztésének jövőjét azonban befolyásolhatja a nanotechnológia és a kvantumszámítógép-rendszerek megjelenése. Manapság az ilyen területeket elméleti szinten veszik figyelembe, de a nagyvállalatok aktívan dolgoznak az innovatív technológiákon alapuló új logikai áramkörök gyakorlati alkalmazásának kilátásain. Például az MT továbbfejlesztésének egy lehetséges opciójaként nem kizárt a molekuláris és szubatomi részecskék alkalmazása, a hagyományos elektromos áramkörök utat engedhetnek az irányított elektronforgatású rendszereknek. Ezzel alapvetően új architektúrájú mikroszkopikus processzorok készíthetők, amelyek teljesítménye sokszorosan meghaladja a mai teljesítményt. MP.
