Menneskeheten har kommet langt mot å skape datamaskiner, uten hvilke det er umulig å forestille seg et moderne samfunn med alle aspekter av livet innen industri, nasjonal økonomi og husholdningsapparater. Men selv i dag står ikke fremgangen stille, og åpner for nye former for databehandling. I sentrum av den teknologiske utviklingen i flere tiår nå er strukturen til mikroprosessoren (MP), som blir forbedret i funksjons- og designparametere.
Mikroprosessorkonsept
I en generell forstand presenteres konseptet med en mikroprosessor som en programkontrollert enhet eller system basert på en stor integrert krets (LSI). Ved hjelp av MP utføres databehandlingsoperasjoner eller styring av systemer som behandler informasjon. På de første stadieneUtviklingen av MP var basert på separate lavfunksjonelle mikrokretser, der transistorer var tilstede i mengder fra noen få til hundrevis. Den enkleste typiske mikroprosessorstrukturen kan inneholde en gruppe mikrokretser med vanlige elektriske, strukturelle og elektriske parametere. Slike systemer kalles et mikroprosessorsett. Sammen med MP kan ett system også bestå av permanente og tilfeldige minneenheter, samt kontrollere og grensesnitt for tilkobling av eksternt utstyr – igjen, gjennom kompatibel kommunikasjon. Som et resultat av utviklingen av konseptet med mikrokontrollere ble mikroprosessorsettet supplert med mer komplekse serviceenheter, registre, bussjåfører, tidtakere osv.
I dag blir mikroprosessoren mindre og mindre betraktet som en egen enhet i sammenheng med praktiske applikasjoner. Den funksjonelle strukturen og operasjonsprinsippet til mikroprosessoren allerede på designstadiene styres av bruken som en del av en dataenhet designet for å utføre en rekke oppgaver knyttet til behandling og styring av informasjon. Nøkkelleddet i prosessene for å organisere driften av en mikroprosessorenhet er kontrolleren, som opprettholder kontrollkonfigurasjonen og modusene for interaksjon mellom systemets datakjerne og eksternt utstyr. En integrert prosessor kan betraktes som en mellomledd mellom kontrolleren og mikroprosessoren. Dens funksjonalitet er fokusert på å løse hjelpeoppgaver som ikke er direkte relatert til formålet med hoved-MT. Spesielt kan dette være nettverks- og kommunikasjonsfunksjoner som sikrer driften av mikroprosessorenheten.
Klassifiseringer av mikroprosessorer
Selv i de enkleste konfigurasjonene har parlamentsmedlemmer mange tekniske og operasjonelle parametere som kan brukes til å angi klassifiseringsfunksjoner. For å rettferdiggjøre hovednivåene for klassifisering skilles vanligvis tre funksjonelle systemer - operasjonelle, grensesnitt og kontroll. Hver av disse arbeidsdelene gir også en rekke parametere og kjennetegn som bestemmer funksjonen til enheten.
Fra synspunktet til den typiske strukturen til mikroprosessorer, vil klassifiseringen primært dele enheter inn i multi-chip og single-chip modeller. De førstnevnte er preget av det faktum at deres arbeidsenheter kan fungere offline og utføre forhåndsbestemte kommandoer. Og i dette eksemplet vil parlamentsmedlemmer bli utt alt, der det legges vekt på den operative funksjonen. Slike prosessorer er fokusert på databehandling. I samme gruppe kan for eksempel tre-brikke mikroprosessorer være kontroll og grensesnitt. Dette betyr ikke at de ikke har en operasjonell funksjon, men for optimaliseringsformål er det meste av kommunikasjons- og strømressursene allokert til oppgavene med å generere mikroinstruksjoner eller evnen til å samhandle med perifere systemer.
Når det gjelder MP-er med én brikke, er de utviklet med et fast sett med instruksjoner og kompakt plassering av all maskinvarepå en kjerne. Når det gjelder funksjonalitet, er strukturen til en enkeltbrikkemikroprosessor ganske begrenset, selv om den er mer pålitelig enn segmentkonfigurasjoner av multibrikkeanaloger.
En annen viktig klassifisering refererer til grensesnittdesignet til mikroprosessorer. Vi snakker om måter å behandle inngangssignaler på, som i dag fortsatt er delt inn i digitale og analoge. Selv om prosessorene i seg selv er digitale enheter, rettferdiggjør bruken av analoge strømmer seg i noen tilfeller med tanke på pris og pålitelighet. For ombygging må det imidlertid brukes spesielle omformere som bidrar til arbeidsplattformens energibelastning og strukturelle fylde. Analoge MP-er (vanligvis enkeltbrikke) utfører oppgavene til standard analoge systemer - for eksempel produserer de modulasjon, genererer oscillasjoner, koder og dekoder et signal.
I henhold til prinsippet om midlertidig organisering av funksjonen til MP er de delt inn i synkrone og asynkrone. Forskjellen ligger i karakteren til signalet for å starte en ny operasjon. For eksempel, i tilfelle av en synkron enhet, blir slike kommandoer gitt av kontrollmoduler, uavhengig av utførelsen av gjeldende operasjoner. Når det gjelder asynkrone MP-er, kan et lignende signal gis automatisk ved fullføring av forrige operasjon. For å gjøre dette er en elektronisk krets tilveiebrakt i den logiske strukturen til den asynkrone typen mikroprosessor, som sikrer driften av individuelle komponenter i frakoblet modus, om nødvendig. Kompleksiteten ved å implementere denne metoden for å organisere arbeidet til MP skyldes det faktum atalltid i øyeblikket for fullføring av en operasjon er det nok visse ressurser til å starte den neste. Prosessorminne brukes vanligvis som en prioriteringslenke i selve valget av påfølgende operasjoner.
Mikroprosessorer for generelle og spesielle formål
Hovedomfanget av MP for generell bruk er arbeidsstasjoner, personlige datamaskiner, servere og elektroniske enheter beregnet for massebruk. Deres funksjonelle infrastruktur er fokusert på å utføre et bredt spekter av oppgaver knyttet til informasjonsbehandling. Slike enheter utvikles av SPARC, Intel, Motorola, IBM og andre.
Spesialiserte mikroprosessorer, hvis egenskaper og struktur er basert på kraftige kontrollere, implementerer komplekse prosedyrer for behandling og konvertering av digitale og analoge signaler. Dette er et veldig mangfoldig segment med tusenvis av konfigurasjonstyper. Det særegne ved MP-strukturen av denne typen inkluderer bruken av en krystall som base for sentralprosessoren, som igjen kan kobles til et stort antall perifere enheter. Blant dem er midlene for inngang / utgang, blokker med tidtakere, grensesnitt, analog-til-digital-omformere. Det praktiseres også å koble til spesialiserte enheter som blokker for å generere pulsbreddesignaler. På grunn av bruken av internminne har slike systemer et lite antall hjelpekomponenter som støtter operasjonenmikrokontroller.
Mikroprosessorspesifikasjoner
Driftsparametere definerer rekkevidden av enhetsoppgaver og settet med komponenter som i prinsippet kan brukes i en bestemt mikroprosessorstruktur. Hovedkarakteristikkene til MP kan representeres som følger:
- Klokkefrekvens. Indikerer antall elementære operasjoner som systemet kan utføre på 1 sekund. og uttrykkes i MHz. Til tross for forskjellene i struktur, utfører forskjellige parlamentsmedlemmer stort sett lignende oppgaver, men i hvert tilfelle krever det individuell tid, noe som gjenspeiles i antall sykluser. Jo kraftigere MP er, desto flere prosedyrer kan den utføre innen én tidsenhet.
- Bredde. Antall biter som enheten kan kjøre samtidig. Tildel bussbredde, dataoverføringshastighet, interne registre osv.
- Mengden cache-minne. Dette er minnet som er inkludert i den interne strukturen til mikroprosessoren og som alltid opererer med begrensede frekvenser. I den fysiske representasjonen er dette en krystall plassert på MP-hovedbrikken og koblet til mikroprosessorbusskjernen.
- Konfigurasjon. I dette tilfellet snakker vi om organisering av kommandoer og adresseringsmetoder. I praksis kan typen konfigurasjon bety muligheten for å kombinere prosessene med å utføre flere kommandoer samtidig, modusene og prinsippene for MP-drift, og tilstedeværelsen av perifere enheter i det grunnleggende mikroprosessorsystemet.
Mikroprosessorarkitektur
I det store og hele er MP universellinformasjonsprosessor, men i noen områder av driften er det ofte nødvendig med spesielle konfigurasjoner for utførelse av strukturen. Arkitekturen til mikroprosessorer gjenspeiler spesifikasjonene ved bruken av en bestemt modell, noe som forårsaker funksjonene til maskinvaren og programvaren integrert i systemet. Spesielt kan vi snakke om de medfølgende aktuatorene, programregistrene, adresseringsmetoder og instruksjonssett.
I representasjonen av arkitekturen og funksjonene ved funksjonen til MP bruker de ofte enhetsdiagrammer og samspillet mellom tilgjengelige programvareregistre som inneholder kontrollinformasjon og operander (behandlede data). Derfor er det i registermodellen en gruppe tjenesteregistre, samt segmenter for lagring av generelle operander. På dette grunnlaget bestemmes metoden for å utføre programmer, skjemaet for minneorganisering, driftsmåten og egenskapene til mikroprosessoren. MP-strukturen for generelle formål kan for eksempel inkludere en programteller, så vel som registre for status og kontroll av systemdriftsmodi. Arbeidsflyten til en enhet i sammenheng med en arkitektonisk konfigurasjon kan representeres som en modell av registeroverføringer, som gir adressering, velger operander og instruksjoner, overfører resultater osv. Utførelsen av forskjellige instruksjoner, uavhengig av oppdraget, vil påvirke statusen register, hvis innhold gjenspeiler den nåværende tilstanden til prosessoren.
Generell informasjon om strukturen til mikroprosessorer
I dette tilfellet skal strukturen ikke bare forstås som et sett med komponenter i arbeidssystemet, men ogsåmidler for forbindelse mellom dem, samt enheter som sikrer deres interaksjon. Som i funksjonsklassifiseringen kan innholdet i strukturen uttrykkes gjennom tre komponenter – driftsinnhold, kommunikasjonsmidler med bussen og kontrollinfrastruktur.
Enheten til betjeningsdelen bestemmer arten av kommandodekoding og databehandling. Dette komplekset kan inkludere aritmetisk-logiske funksjonsblokker, så vel som motstander for midlertidig lagring av informasjon, inkludert informasjon om tilstanden til mikroprosessoren. Den logiske strukturen sørger for bruk av 16-bits motstander som utfører ikke bare logiske og aritmetiske prosedyrer, men også skiftoperasjoner. Arbeidet med registre kan organiseres i henhold til forskjellige ordninger, som blant annet bestemmer deres tilgjengelighet for programmereren. Et eget register er reservert for batteripakkefunksjonen.
Busskoplinger er ansvarlige for tilkoblinger til periferutstyr. Omfanget av oppgavene deres inkluderer også å hente data fra minnet og danne en kø med kommandoer. Den typiske mikroprosessorstrukturen inkluderer en IP-kommandopeker, adresseadderere, segmentregistre og buffere, gjennom hvilke koblinger med adressebusser betjenes.
Kontrollenheten genererer på sin side kontrollsignaler, dekrypterer kommandoen og sørger også for driften av datasystemet, og utsteder mikrokommandoer for interne MP-operasjoner.
Struktur av grunnleggende MP
Den forenklede strukturen til denne mikroprosessoren gir to funksjonelledeler:
- Operasjonsrom. Denne enheten inkluderer kontroll- og databehandlingsfasiliteter, samt mikroprosessorminne. I motsetning til den fullstendige konfigurasjonen, ekskluderer den grunnleggende mikroprosessorstrukturen segmentregistre. Noen utførelsesenheter er kombinert til én funksjonell enhet, noe som også understreker den optimaliserte naturen til denne arkitekturen.
- Grensesnitt. I hovedsak et middel for å gi kommunikasjon med hovedveien. Denne delen inneholder de interne minneregistrene og adresseadderen.
Prinsippet for signalmultipleksing brukes ofte på de eksterne utgangskanalene til grunnleggende MP-er. Dette betyr at signaleringen skjer over vanlige tidsdelingskanaler. I tillegg, avhengig av gjeldende driftsmodus for systemet, kan den samme utgangen brukes til å sende signaler til forskjellige formål.
Mikroprosessorinstruksjonsstruktur
Denne strukturen avhenger i stor grad av den generelle konfigurasjonen og arten av interaksjonen til MP-funksjonsblokkene. Imidlertid, selv på designstadiet av systemet, fastsetter utviklere mulighetene for å bruke en viss rekke operasjoner basert på hvilke et sett med kommandoer senere dannes. De vanligste kommandofunksjonene inkluderer:
- Dataoverføring. Kommandoen utfører operasjonene med å tildele verdiene til kilde- og destinasjonsoperander. Register eller minneceller kan brukes som sistnevnte.
- Input-output. GjennomI/O-grensesnittenheter overfører data til porter. I samsvar med strukturen til mikroprosessoren og dens interaksjon med perifer maskinvare og interne enheter, setter kommandoene portadressene.
- Typekonvertering. Formatene og størrelsesverdiene til operandene som brukes, bestemmes.
- Avbrudd. Denne typen instruksjoner er laget for å kontrollere programvareavbrudd - det kan for eksempel være en prosessorfunksjonsstopp mens I/O-enheter begynner å fungere.
- Organisering av sykluser. Instruksjoner endrer verdien til ECX-registeret, som kan brukes som en teller ved utføring av bestemt programkode.
Som regel er det pålagt restriksjoner på grunnleggende kommandoer knyttet til muligheten til å operere med visse mengder minne, samtidig administrere registre og deres innhold.
MP-administrasjonsstruktur
MP styresystem er basert på kontrollenheten, som er tilknyttet flere funksjonsdeler:
- Signalsensor. Bestemmer sekvensen og parametrene til pulser, og fordeler dem jevnt i tid over bussene. Blant egenskapene til driften av sensorer er antall sykluser og kontrollsignaler som kreves for å utføre operasjoner.
- Kilde til signaler. En av funksjonene til kontrollenheten i strukturen til mikroprosessoren er tilordnet generering eller behandling av signaler - det vil si deres svitsjing innenfor en bestemt syklus på en bestemt buss.
- Driftskodedekoder. Utfører dekryptering av operasjonskodene som finnes i instruksjonsregisteret pådette øyeblikket. Sammen med å bestemme den aktive bussen, hjelper denne prosedyren også til å generere en sekvens av kontrollpulser.
Av ingen liten betydning i kontrollinfrastrukturen er en permanent lagringsenhet som inneholder i cellene sine signalene som kreves for å utføre prosesseringsoperasjoner. For å telle kommandoer ved behandling av pulsdata, kan en adressegenereringsenhet brukes - dette er en nødvendig komponent i den interne strukturen til mikroprosessoren, som er inkludert i grensesnittenheten til systemet og lar deg lese detaljene til minneregistrene med fullstendige signaler.
Mikroprosessorkomponenter
De fleste funksjonsblokkene, så vel som eksterne enheter, er organisert mellom seg selv og den sentrale mikrokretsen MP gjennom den interne bussen. Det kan sies at dette er ryggradsnettverket til enheten, og gir en omfattende kommunikasjonskobling. En annen ting er at bussen også kan inneholde elementer av ulike funksjonelle formål – for eksempel kretser for dataoverføring, linjer for overføring av minneceller, samt en infrastruktur for skriving og lesing av informasjon. Naturen til interaksjonen mellom blokkene til selve bussen bestemmes av strukturen til mikroprosessoren. Enhetene som er inkludert i MP, i tillegg til bussen, inkluderer følgende:
- Aritmetisk logikkenhet. Som allerede nevnt, er denne komponenten designet for å utføre logiske og aritmetiske operasjoner. Den fungerer med både numeriske data og tegndata.
- Kontrollenhet. Ansvarlig forkoordinering i samspillet mellom ulike deler av MT. Spesielt genererer denne blokken kontrollsignaler, som dirigerer dem til forskjellige moduler i maskinen på bestemte tidspunkter.
- Mikroprosessorminne. Brukes til å registrere, lagre og utstede informasjon. Data kan assosieres med både fungerende beregningsoperasjoner og prosesser som betjener maskinen.
- Matematisk prosessor. Den brukes som en hjelpemodul for å øke hastigheten når du utfører komplekse beregningsoperasjoner.
Funksjoner i koprosessorstrukturen
Selv innenfor rammen av å utføre typiske aritmetiske og logiske operasjoner, er det ikke nok kapasitet til en konvensjonell MP. For eksempel har ikke mikroprosessoren evnen til å utføre aritmetiske instruksjoner med flyttall. For slike oppgaver brukes koprosessorer, hvis struktur gir mulighet for kombinasjonen av en sentral prosessor med flere parlamentsmedlemmer. Samtidig har logikken i selve enhetens operasjon ingen grunnleggende forskjeller fra de grunnleggende reglene for å konstruere aritmetiske mikrokretser.
Koprosessorer utfører typiske kommandoer, men i nært samspill med sentralmodulen. Denne konfigurasjonen forutsetter konstant overvåking av kommandokøer over flere linjer. I den fysiske strukturen til en mikroprosessor av denne typen er det tillatt å bruke en uavhengig modul for å gi input-output, en funksjon som er muligheten til å velge kommandoene. Imidlertid, for at et slikt opplegg skal fungere riktig, må koprosessorer klart definere kilden for instruksjonsvalg,koordinerende interaksjon mellom moduler.
Prinsippet om å bygge en generalisert struktur av en mikroprosessor med en sterkt koblet konfigurasjon er også forbundet med konseptet med en koprosessorenhet. Hvis vi i det forrige tilfellet kan snakke om en uavhengig I/O-blokk med mulighet for eget valg av kommandoer, innebærer en sterkt koblet konfigurasjon inkludering i strukturen av en uavhengig prosessor som kontrollerer kommandostrømmer.
Konklusjon
Prinsippene for å lage mikroprosessorer har gjennomgått få endringer siden de første dataenhetene kom. Egenskapene, designene og kravene til ressursstøtte har endret seg, noe som har endret datamaskinen radik alt, men det generelle konseptet med de grunnleggende reglene for organisering av funksjonelle blokker forblir for det meste det samme. Imidlertid kan fremtiden for utvikling av mikroprosessorstrukturer bli påvirket av nanoteknologi og fremkomsten av kvantedatabehandlingssystemer. I dag vurderes slike områder på teoretisk nivå, men store selskaper jobber aktivt med utsiktene for praktisk bruk av nye logiske kretser basert på innovative teknologier. For eksempel, som et mulig alternativ for videreutvikling av MT, er bruk av molekylære og subatomære partikler ikke utelukket, og tradisjonelle elektriske kretser kan vike for systemer med rettet elektronrotasjon. Dette vil gjøre det mulig å lage mikroskopiske prosessorer med en fundament alt ny arkitektur, hvis ytelse mange ganger vil overgå dagens. MP.
