Ludzkość wytyczyła olbrzymią ścieżkę do tworzenia komputerów, bez których nie można wyobrazić sobie nowoczesnego społeczeństwa ze wszystkimi aspektami jego życia w sferze przemysłu, gospodarki narodowej i urządzeń gospodarstwa domowego. Ale nawet dzisiaj nie ma postępu, otwierającego nowe formy komputeryzacji. W centrum rozwoju technologii, od kilkudziesięciu lat, znajduje się struktura mikroprocesora (MP), która jest ulepszona pod względem parametrów funkcjonalnych i strukturalnych.

Pojęcie mikroprocesora

Ogólnie rzecz biorąc, pojęcie mikroprocesora jest reprezentowane jako urządzenie lub system sterowane przez oprogramowanie oparte na dużym układzie scalonym (LIS). Za pomocą MP operacje są wykonywane na przetwarzaniu danych lub zarządzaniu systemem, przetwarzaniu informacji. We wczesnych stadiach rozwoju IPs opierały się na osobnych mikroukładach o niskiej funkcjonalności, w których tranzystory występowały w ilościach od kilkuset do setek. Najprostsza typowa struktura mikroprocesora może zawierać grupę mikroukładów o wspólnych parametrach elektrycznych, strukturalnych i elektrycznych. Takie systemy nazywane są zestawem mikroprocesorowym. Wraz z procesorami głównymi jeden i ten sam system mógłby również składać się ze stałych i operacyjnych urządzeń pamięci masowej, a także kontrolerów i interfejsów do podłączania urządzeń zewnętrznych - ponownie, z kompatybilną komunikacją. W wyniku koncepcji mikrokontrolerów zestaw mikroprocesorowy został uzupełnionybardziej złożone urządzenia serwisowe, rejestry, urządzenia do tworzenia magistral, zegary itd.


Dzisiaj mikroprocesor coraz częściej traktowany jest jako oddzielne urządzenie w kontekście praktycznego zastosowania. Struktura funkcjonalna i zasada działania mikroprocesora już na etapach projektowania opierają się na wykorzystaniu urządzenia komputerowego zaprojektowanego do wykonywania szeregu zadań związanych z realizacją przetwarzania i zarządzania informacją. Kluczowym ogniwem w procesach organizowania pracy urządzenia mikroprocesorowego jest kontroler, który obsługuje konfigurację sterowania i tryby interakcji rdzenia obliczeniowego systemu z urządzeniem zewnętrznym. Jako pośrednie połączenie pomiędzy kontrolerem a mikroprocesorem można rozważyć zintegrowany procesor. Jego funkcjonalność koncentruje się na rozwiązywaniu zadań pomocniczych, które nie są bezpośrednio związane z powołaniem głównego deputowanego. W szczególności mogą to być funkcje sieciowe i komunikacyjne zapewniające pracę urządzenia mikroprocesorowego.

Klasyfikacje mikroprocesorów

Nawet w najprostszych konfiguracjach MP istnieje wiele parametrów technicznych i operacyjnych, które można wykorzystać do klasyfikacji cech. Aby uzasadnić podstawowe poziomy klasyfikacji, zwykle wyróżnia się trzy systemy funkcjonalne - operacyjny, interfejs i sterowanie. Każde z tych obszarów roboczych zapewnia również szereg parametrów i charakterystycznych cech, które określają charakter działania urządzenia. Z punktu widzenia typowegostruktura klasyfikacji mikroprocesorów, w pierwszej kolejności podzieli urządzenie na modele wielokrystaliczne i monokryształy. Te pierwsze charakteryzują się tym, że ich jednostki robocze mogą działać niezależnie i wykonywać pewne polecenia z góry. I w tym przykładzie wyraźny MP, w którym nacisk położony jest na funkcję operacyjną. Takie procesory koncentrują się na przetwarzaniu danych. W tej samej grupie na przykład mikroprocesory trójkrystaliczne mogą być menedżerami i skierowanymi do przodu. Nie oznacza to, że nie ma funkcji operacyjnej, ale w celu zoptymalizowania większości komunikacji i zasobów energetycznych przydzielono zadanie generowania mikrokomputerów lub współdziałania z systemami peryferyjnymi.
Jeśli chodzi o pojedyncze chipy, są one tworzone z ustalonym zestawem poleceń i kompaktowym rozmieszczeniem całego sprzętu na jednym rdzeniu. Pod względem funkcjonalności struktura mikroprocesora jednokrystalicznego jest dość ograniczona, aczkolwiek bardziej niezawodna niż segmentowe konfiguracje analogów multikrystalicznych. Kolejna ważna klasyfikacja dotyczy wydajności interfejsu mikroprocesorów. Mówimy o sposobach przetwarzania przychodzących sygnałów, które dziś nadal są podzielone na cyfrowe i analogowe. Chociaż same procesory są urządzeniami cyfrowymi, w niektórych przypadkach wykorzystanie samych strumieni analogowych uzasadnia cenę i niezawodność. Konwersja powinna jednak wykorzystywać specjalne konwertery, które przyczyniają się do obciążenia energetycznego i strukturalnegopełność platformy roboczej. Analogowe wzmacniacze (zwykle jednoukładowe) wykonują zadania standardowych systemów analogowych - na przykład wytwarzają modulację, generują oscylacje, kodują i dekodują sygnał.
Na zasadzie tymczasowej organizacji działania posłów dzieli się na synchroniczne i asynchroniczne. Różnica polega na charakterze sygnału przed rozpoczęciem nowej operacji. Na przykład, w przypadku urządzenia synchronicznego, takie polecenia zapewniają moduły sterujące niezależnie od wykonywania bieżących operacji. W przypadku asynchronicznych MPs podobny sygnał może być zastosowany automatycznie po zakończeniu poprzedniej operacji. Aby to zrobić, w logicznej strukturze mikroprocesora asynchroniczny typ zapewnia obwód elektroniczny, który zapewnia pracę poszczególnych komponentów w trybie offline, jeśli to konieczne. Złożoność wdrażania takiego sposobu organizacji pracy MP wynika z faktu, że nie zawsze w momencie zakończenia jednej operacji jest wystarczająca ilość jednego lub drugiego zasobu, aby rozpocząć następny. Pamięć procesora jest zwykle używana jako łącze zarządzające priorytetami w wyborze dalszych operacji.

Mikroprocesory ogólnego i specjalnego przeznaczenia

Głównym obszarem zastosowania uniwersalnych MPs są stacje robocze, komputery osobiste, serwery i urządzenia elektroniczne przeznaczone do masowego użytku. Ich infrastruktura funkcjonalna koncentruje się na szerokim zakresie zadań związanych z przetwarzaniem informacji. Te urządzenia zostały opracowane przez SPARC,Intel, Motorola, IBM i inne.

Specjalistyczne mikroprocesory, których cechy i struktura zbudowane są na podstawie wydajnych sterowników, wdrażają złożone procedury przetwarzania i przekształcania sygnałów cyfrowych i analogowych. Jest to dość zróżnicowany segment, w którym reprezentowane są tysiące konfiguracji. Specyfikacje struktury MP tego typu obejmują zastosowanie jednego kryształu jako podstawy dla centralnego procesora, który z kolei może być powiązany z dużą liczbą urządzeń peryferyjnych. Obejmują one środki wejścia /wyjścia, bloki z zegarami, interfejsy, konwertery analogowo-cyfrowe. Istnieje również praktyka łączenia wyspecjalizowanych urządzeń, takich jak generatory sygnałów o szerokości impulsu. Ze względu na wykorzystanie pamięci wewnętrznej takie systemy mają niewielką liczbę pomocniczych komponentów, które wspierają pracę mikrokontrolera.

Charakterystyka mikroprocesora

Parametry pracy określają zakres zadań urządzenia i zestaw komponentów, które mogą z zasady być wykorzystywane w konkretnej strukturze mikroprocesora. Główne cechy MP można przedstawić w następujący sposób:

Częstotliwość zegara. Określa liczbę elementarnych operacji, które system może wykonać w ciągu 1 sekundy. i wyrażone w MHz. Pomimo różnic w strukturze, różni członkowie parlamentu wykonują w zasadzie podobne zadania, ale w każdym przypadku wymaga to indywidualnego czasu, który jest wyświetlany w liczbie cykli. MP ma większą moc, tym więcej procedur może wykonać w ramach jednej jednostki czasu.

Gęstość Liczba dysków binarnych, które urządzenie może wykonać w tym samym czasie. Przydziel trochę opon, szybkości transmisji danych i wewnętrznych rejestrów itp.

Wielkość pamięci podręcznej. Ta pamięć jest zawarta w wewnętrznej strukturze mikroprocesora i zawsze działa na częstotliwości graniczne. W fizycznej reprezentacji jest to kryształ, umieszczony na głównym chipie MP i połączony z rdzeniem szyny mikroprocesorowej.

Konfiguracja. W tym przypadku chodzi o porządkowanie poleceń i metod adresowania. Praktycznie rodzaj konfiguracji może oznaczać możliwość jednoczesnego łączenia procesów wykonywania wielu poleceń, trybów i zasad działania MP oraz obecności urządzeń peryferyjnych w systemie bazowym mikroprocesora.

Architektura mikroprocesora

Ogólnie rzecz biorąc, IP jest uniwersalnym narzędziem obsługi informacji, ale w niektórych obszarach jego działania często wymagane są specjalne konfiguracje jego struktury. Architektura mikroprocesorów odzwierciedla specyfikę zastosowania konkretnego modelu, powodując integrację funkcji sprzętu i oprogramowania z systemem. W szczególności język może odnosić się do zamierzonych urządzeń operacyjnych, rejestrów programów, trybów adresowania i zestawów poleceń.
W przedstawianiu architektury i cech działania IP, często używa się schematów urządzeń i interakcji dostępnych rejestrów programów, które zawierają informacje kontrolne i operandy (dane, które są przetwarzane). W związku z tym w modelu rejestru znajduje się grupa rejestrów usług, a także segmenty do przechowywaniaoperandy ogólnego przeznaczenia. Na tej podstawie określa się w drodze programów działania pamięci Schemat organizacyjny i cech mikroprocesora. Na przykład struktura ogólnego przeznaczenia MP może zawierać licznik programów, a także rejestry stanu i sterowania trybami pracy systemu. Układ Workflow w kontekście konfiguracji architektonicznej można przedstawić jako model rejestr peresylok dostarczenie rozwiązania, dobór argumentów i polecenia przekazywania wyników, i tak dalej. D. realizacji różnych poleceń, niezależnie od miejsca przeznaczenia wpłynie na rejestr stanu, którego treść odzwierciedla aktualny stan procesora .

Ogólna struktura mikroprocesorów

W tym przypadku, struktura należy rozumieć nie tylko zbiór składników roboczych systemu, ale również środki połączenia między nimi, jak również urządzenia, aby zapewnić współpracę. Jako klasyfikacji funkcjonalnej, struktura treści może być wyrażona w trzech liści - zawartość operacyjnego, komunikacji autobusowej wraz z infrastrukturą i kontroli. Część obsługująca urządzenie określa naturę poleceń dekodujących i przetwarzania danych. W tym kompleksie mogą obejmować arytmetycznych logiczne bloki funkcjonalne i rezystory do czasowego przechowywania informacji, w tym statusu mikroprocesora. W strukturze logicznej zakłada się stosowanie 16-bitowych rezystorów wykonujących nie tylko operacje logiczne i arytmetyczne, ale także operacje offsetowe. Praca rejestrów może być zorganizowana na różne sposobyschematy określające ich dostępność dla programisty. Oddzielny rejestr jest przypisany do funkcji akumulatora. Urządzenie do komunikacji z magistralą jest odpowiedzialne za podłączenie do urządzeń peryferyjnych. Zakres ich zadań obejmuje także implementację próbki danych pamięci i tworzenie kolejki poleceń. Typowa struktura mikroprocesora obejmuje wskaźnik do poleceń IP, agregatory sumatorów, rejestry segmentów i bufory, które służą do komunikacji z adresami magistrali. Z kolei urządzenie sterujące generuje sygnały sterujące, dokonuje deszyfrowania polecenia, a także zapewnia działanie systemu komputerowego, dając mikrokomputerom wewnętrzne operacje MP.

Struktura podstawy MP

Uproszczona struktura tego mikroprocesora zapewnia dwie części funkcjonalne:

Operacyjna. To urządzenie obejmuje zarządzanie danymi i ich przetwarzanie, a także pamięć mikroprocesorową. W przeciwieństwie do pełnej konfiguracji, struktura mikroprocesora podstawowego eliminuje obecność rejestrów segmentów. Niektóre siłowniki są połączone w jeden blok funkcjonalny, co również podkreśla zoptymalizowany charakter architektury.

Interfejs. W gruncie rzeczy środki komunikacji z główną linią. Ta część zawiera rejestry pamięci wewnętrznej i adresy sumatorów.

Zasada sygnałów multipleksujących jest często używana na zewnętrznych kanałach wyjściowych podstawowych MP. Oznacza to, że sygnały są przesyłane przez wspólne kanały z podziałem czasu. Ponadto, w zależności od bieżącegosystem operacyjny tego samego wyjścia może być wykorzystywany do przesyłania sygnałów o różnych celach.

Struktura poleceń mikroprocesorowych

Ta struktura w dużej mierze zależy od ogólnej konfiguracji i charakteru interakcji bloków funkcjonalnych PM. Jednak na etapie projektowania systemu programiści mieli możliwość zastosowania pewnej liczby operacji, na podstawie których utworzono następnie zestaw poleceń. Najczęstsze funkcje poleceń to:

Przesyłanie danych. Polecenie wykonuje operacje przypisujące wartości operandów źródłowego i odbiorczego. Jako te ostatnie można stosować rejestry lub komórki pamięci.

Dane wyjściowe. Poprzez urządzenia wejścia /wyjścia interfejsu przesyłane są porty danych. Zgodnie ze strukturą mikroprocesora i jego interakcją ze sprzętem peryferyjnym i blokami wewnętrznymi, polecenia są określonymi adresami portów.

Konwersja typów. Definiuje formaty i wartości wymiarowe użytych operandów.

Przerwy. Tego typu polecenia są przeznaczone do kontrolowania przerw w programach - na przykład mogą zatrzymać działanie procesora na tle urządzeń wejścia /wyjścia.

Organizacja cykli. Polecenia zmieniają wartość rejestru ECX, który może być użyty jako licznik przy wykonywaniu określonego kodu programu.

Zasadniczo podstawowe polecenia nakładają ograniczenia związane z możliwością obsługi określonych objętości pamięci,jednoczesne zarządzanie rejestrami i ich zawartością.

Struktura sterowania MP

System sterowania MP opiera się na jednostce sterującej, która jest połączona z kilkoma częściami funkcyjnymi:

Czujnik sygnału. Określa porządek i parametry impulsów, równomiernie rozkładając je w czasie na oponach. Wśród charakterystyk działania czujników jest liczba łańcuchów i sygnałów sterujących niezbędnych do wykonywania operacji.

Źródło sygnałów. Jedna z funkcji jednostki sterującej w strukturze mikroprocesora jest alokowana na generowanie lub przetwarzanie sygnałów - to jest ich przełączanie w określonym takcie na danej magistrali.

Dekoder kodu transakcji. Wykonuje deszyfrowanie kodów operacji obecnych w rejestrze poleceń w danym momencie. Wraz z definicją aktywnej magistrali procedura ta pomaga utworzyć sekwencję impulsów sterujących.

Znaczenie infrastruktury kontrolnej ma stałe urządzenie pamięci masowej, które zawiera w swoich komórkach sygnały potrzebne do wykonywania operacji przetwarzania. Dla rachunku poleceń przy przetwarzaniu danych impulsu można wykorzystać tworzenie węzła adresu - jest to niezbędny składnik wewnętrznej struktury mikroprocesora, który jest zawarty w jednostce interfejsu systemu i pozwala odczytać szczegóły rejestrów pamięci z sygnałami w pełni.

Elementy mikroprocesora

Większość bloków funkcjonalnych, a także urządzeń zewnętrznych, jest zorganizowanych między sobą, a centralny układ MP przez wewnętrzną magistralę. Możesz powiedzieć, że to sieć trunkingowaurządzenie zapewniające kompleksowe połączenie komunikacyjne. Inną rzeczą jest to, że opona może mieć elementy, które różnią się funkcjonalnością, takie jak ścieżki do transmisji danych, linie komórek pamięci i infrastruktura do zapisu i odczytu informacji. Charakter interakcji między blokami samej magistrali zależy od struktury mikroprocesora. Do urządzeń wchodzących w skład MP, oprócz opon, należą:

Arytmetyczne urządzenie logiczne. Jak już wspomniano, ten komponent jest przeznaczony do wykonywania operacji logicznych i arytmetycznych. Działa zarówno numerycznie, jak i symbolicznie.

Jednostka sterująca. Odpowiedzialny za koordynację w interakcji różnych części MP. W szczególności blok ten generuje sygnały sterujące, przesyłając je do różnych modułów urządzenia maszynowego w określonych momentach czasu.

Pamięć mikroprocesora. Służy do nagrywania, przechowywania i wydawania informacji. Dane mogą być powiązane zarówno z działającymi komputerami, jak i procesami obsługującymi maszynę.

Procesor matematyczny. Jest wykorzystywany jako dodatkowy moduł do zwiększania prędkości podczas wykonywania złożonych operacji obliczeniowych.

Cechy struktury koprocesora

Nawet w ramach wykonywania typowych operacji arytmetycznych logicznych, nie ma wystarczającej pojemności zwykłego MP. Na przykład mikroprocesor nie ma możliwości wykonywania poleceń arytmetycznych, które wymagają użycia liczb zmiennoprzecinkowych. Do podobnych zadań użyj koprocesorów w strukturzektóry ma zjednoczyć CPU z kilkoma MPs. Jednocześnie logika samego urządzenia nie ma zasadniczej różnicy w stosunku do podstawowych zasad konstruowania układów arytmetycznych. Koprocesory wykonują typowe polecenia, ale w bliskiej interakcji z modułem centralnym. Ta konfiguracja zapewnia ciągłe monitorowanie kolejek zespołu w kilku liniach. W fizycznej strukturze mikroprocesora tego typu dozwolone jest użycie niezależnego modułu do dostarczania I /O, którego cechą jest możliwość wyboru ich poleceń. Jednak w celu poprawnego działania takiego schematu współprocesor musi wyraźnie zidentyfikować źródło wyboru poleceń, koordynując interakcję między modułami. Koncepcja koprocesora obejmuje również konstrukcję uogólnionej struktury mikroprocesorowej o konfigurowalnej konfiguracji. Jeśli w poprzednim przypadku można powiedzieć o niezależnym bloku we /wy z możliwością własnego wyboru poleceń, silnie związana konfiguracja wymaga włączenia do struktury niezależnego procesora, zarządzania wątkami poleceń.

Wniosek

Zasady tworzenia mikroprocesorów uległy pewnym zmianom od czasu pojawienia się pierwszych urządzeń komputerowych. Specyfikacje, projekty i wymagania dotyczące wsparcia zasobów zmieniły się radykalnie, ale ogólna koncepcja z podstawowymi zasadami organizowania bloków funkcjonalnych była w dużej mierze niezmieniona. Niemniej jednak wpływ może mieć przyszły rozwój struktury mikroprocesorananotechnologia i pojawienie się kwantowych systemów komputerowych. Dziś takie obszary są rozważane na poziomie teoretycznym, ale duże korporacje aktywnie pracują nad perspektywami praktycznego wykorzystania nowych schematów logicznych w innowacyjnych technologiach. Na przykład, w możliwych opcji dalszego rozwoju MP możliwe jest zastosowanie molekularnych i cząstek elementarnych, i konwencjonalny obwód elektryczny może ustąpić kierunku obrotu elektronów. Umożliwi to tworzenie mikroskopijnych procesorów o całkowicie nowej architekturze, której charakterystyka wydajnościowa będzie wielokrotnie wyższa niż dzisiejszych parlamentarzystów.