Umanitatea a parcurs un drum lung spre crearea calculatoarelor, fără de care este imposibil să ne imaginăm societatea modernă cu toate aspectele vieții sale în domeniile industriei, economiei naționale și electrocasnicelor. Dar nici astăzi progresul nu stă pe loc, deschizând noi forme de informatizare. În centrul dezvoltării tehnologice de câteva decenii se află structura microprocesorului (MP), care este îmbunătățită în parametrii funcționali și de proiectare.
Concept de microprocesor
Într-un sens general, conceptul de microprocesor este prezentat ca un dispozitiv sau sistem controlat de program bazat pe un circuit integrat mare (LSI). Cu ajutorul MP se realizează operațiuni de prelucrare a datelor sau management al sistemelor care prelucrează informații. La primele etapeDezvoltarea MP s-a bazat pe microcircuite separate cu funcționalitate scăzută, în care tranzistorii erau prezenți în cantități de la câteva la sute. Cea mai simplă structură tipică de microprocesor ar putea conține un grup de microcircuite cu parametri electrici, structurali și electrici comuni. Astfel de sisteme se numesc set de microprocesoare. Alături de MP, un sistem ar putea consta și din dispozitive de memorie cu acces permanent și aleatoriu, precum și controlere și interfețe pentru conectarea echipamentelor externe - din nou, prin comunicații compatibile. Ca urmare a dezvoltării conceptului de microcontrolere, kitul de microprocesor a fost completat cu dispozitive de service mai complexe, registre, drivere de autobuz, cronometre etc.
Astăzi, microprocesorul este din ce în ce mai puțin considerat un dispozitiv separat în contextul aplicațiilor practice. Structura funcțională și principiul de funcționare a microprocesorului aflat deja în fazele de proiectare sunt ghidate de utilizarea ca parte a unui dispozitiv de calcul conceput pentru a îndeplini o serie de sarcini legate de procesarea și gestionarea informațiilor. Veriga cheie în procesele de organizare a funcționării unui dispozitiv cu microprocesor este controlerul, care menține configurația de control și modurile de interacțiune între miezul de calcul al sistemului și echipamentele externe. Un procesor integrat poate fi considerat ca o legătură intermediară între controler și microprocesor. Funcționalitatea sa este axată pe rezolvarea sarcinilor auxiliare care nu sunt direct legate de scopul principalului MT. În special, acestea pot fi funcții de rețea și de comunicație care asigură funcționarea dispozitivului cu microprocesor.
Clasificarea microprocesoarelor
Chiar și în cele mai simple configurații, MP-urile au mulți parametri tehnici și operaționali care pot fi utilizați pentru a seta caracteristicile de clasificare. Pentru a justifica principalele niveluri de clasificare, de obicei se disting trei sisteme funcționale - operațional, de interfață și de control. Fiecare dintre aceste părți de lucru oferă, de asemenea, o serie de parametri și caracteristici distinctive care determină natura funcționării dispozitivului.
Din punctul de vedere al structurii tipice a microprocesoarelor, clasificarea va împărți în primul rând dispozitivele în modele cu mai multe cipuri și modele cu un singur cip. Primele se caracterizează prin faptul că unitățile lor de lucru pot funcționa offline și pot executa comenzi predeterminate. Și în acest exemplu vor fi pronunțați parlamentari, în care accentul este pus pe funcția operațională. Astfel de procesoare se concentrează pe prelucrarea datelor. În același grup, de exemplu, microprocesoarele cu trei cipuri pot fi de control și interfață. Aceasta nu înseamnă că nu au o funcție operațională, dar în scopuri de optimizare, majoritatea resurselor de comunicare și energie sunt alocate sarcinilor de generare a microinstrucțiunilor sau capacității de a interacționa cu sistemele periferice.
În ceea ce privește MP-urile cu un singur cip, acestea sunt dezvoltate cu un set fix de instrucțiuni și plasare compactă a întregului hardwarepe un nucleu. În ceea ce privește funcționalitatea, structura unui microprocesor cu un singur cip este destul de limitată, deși este mai fiabilă decât configurațiile de segment ale analogilor cu mai multe cipuri.
O altă clasificare importantă se referă la proiectarea interfeței microprocesoarelor. Vorbim despre modalități de procesare a semnalelor de intrare, care astăzi continuă să fie împărțite în digitale și analogice. Deși procesoarele în sine sunt dispozitive digitale, în unele cazuri utilizarea fluxurilor analogice se justifică în ceea ce privește prețul și fiabilitatea. Pentru conversie, totuși, trebuie utilizate convertoare speciale, care contribuie la sarcina energetică și la plinătatea structurală a platformei de lucru. MP-urile analogice (de obicei cu un singur cip) îndeplinesc sarcinile sistemelor analogice standard - de exemplu, produc modulație, generează oscilații, codifică și decodifică un semnal.
Conform principiului organizării temporare a funcționării MP, acestea se împart în sincrone și asincrone. Diferența constă în natura semnalului pentru a începe o nouă operațiune. De exemplu, în cazul unui dispozitiv sincron, astfel de comenzi sunt date de module de control, indiferent de executarea operațiilor curente. În cazul MP-urilor asincrone, un semnal similar poate fi dat automat la finalizarea operației anterioare. Pentru a face acest lucru, în structura logică a microprocesorului de tip asincron este prevăzut un circuit electronic, care asigură funcționarea componentelor individuale într-un mod offline, dacă este necesar. Complexitatea implementării acestei metode de organizare a muncii deputatului se datorează faptului căîntotdeauna în momentul finalizării unei operațiuni există suficiente anumite resurse pentru a începe următoarea. Memoria procesorului este folosită de obicei ca o legătură de prioritizare în alegerea operațiunilor ulterioare.
Microprocesoare pentru scopuri generale și speciale
Scopul principal al MP de uz general este stațiile de lucru, computerele personale, serverele și dispozitivele electronice destinate utilizării în masă. Infrastructura lor funcțională este concentrată pe realizarea unei game largi de sarcini legate de procesarea informațiilor. Astfel de dispozitive sunt dezvoltate de SPARC, Intel, Motorola, IBM și alții.
Microprocesoarele specializate, ale căror caracteristici și structură se bazează pe controlere puternice, implementează proceduri complexe de procesare și conversie a semnalelor digitale și analogice. Acesta este un segment foarte divers, cu mii de tipuri de configurații. Particularitățile structurii MP de acest tip includ utilizarea unui cristal ca bază pentru procesorul central, care, la rândul său, poate fi interfațat cu un număr mare de dispozitive periferice. Printre acestea se numără mijloacele de intrare/ieșire, blocuri cu temporizatoare, interfețe, convertoare analog-digitale. De asemenea, se practică conectarea dispozitivelor specializate, cum ar fi blocuri pentru generarea de semnale cu lățimea impulsurilor. Datorită utilizării memoriei interne, astfel de sisteme au un număr mic de componente auxiliare care suportă funcționareamicrocontroler.
Specificații microprocesor
Parametrii de funcționare definesc gama de sarcini ale dispozitivului și setul de componente care, în principiu, pot fi utilizate într-o anumită structură de microprocesor. Principalele caracteristici ale MP pot fi reprezentate după cum urmează:
- Frecvența ceasului. Indică numărul de operații elementare pe care sistemul le poate efectua în 1 secundă. și se exprimă în MHz. În ciuda diferențelor de structură, diferiți parlamentari îndeplinesc în cea mai mare parte sarcini similare, dar în fiecare caz necesită timp individual, care se reflectă în numărul de cicluri. Cu cât MP este mai puternic, cu atât poate efectua mai multe proceduri într-o singură unitate de timp.
- Lățime. Numărul de biți pe care dispozitivul îi poate executa în același timp. Alocați lățimea magistralei, rata de transfer de date, registrele interne etc.
- Cantitatea de memorie cache. Aceasta este memoria inclusă în structura internă a microprocesorului și care funcționează întotdeauna la frecvențe limită. În reprezentarea fizică, acesta este un cristal plasat pe cipul MP principal și cuplat la miezul magistralei microprocesorului.
- Configurare. În acest caz, vorbim despre organizarea comenzilor și metodele de adresare. În practică, tipul de configurație poate însemna posibilitatea combinării proceselor de execuție a mai multor comenzi în același timp, a modurilor și principiilor de funcționare MP și a prezenței dispozitivelor periferice în sistemul de bază cu microprocesor.
Arhitectura microprocesor
În general, MP este universalprocesor de informații, dar în unele zone ale funcționării acestuia sunt adesea necesare configurații speciale pentru execuția structurii sale. Arhitectura microprocesoarelor reflectă specificul aplicării unui anumit model, determinând caracteristicile hardware și software integrate în sistem. Mai exact, putem vorbi despre actuatoarele furnizate, registrele de programe, metodele de adresare și seturile de instrucțiuni.
În reprezentarea arhitecturii și a caracteristicilor de funcționare a MP, se folosesc adesea diagrame de dispozitiv și interacțiunea registrelor software disponibile care conțin informații de control și operanzi (date prelucrate). Prin urmare, în modelul de registru există un grup de registre de servicii, precum și segmente pentru stocarea operanzilor de uz general. Pe această bază se determină metoda de executare a programelor, schema de organizare a memoriei, modul de funcționare și caracteristicile microprocesorului. Structura MP de uz general, de exemplu, poate include un contor de programe, precum și registre pentru starea și controlul modurilor de funcționare a sistemului. Fluxul de lucru al unui dispozitiv în contextul unei configurații arhitecturale poate fi reprezentat ca un model de transferuri de registre, oferind adresare, selectarea operanzilor și instrucțiunilor, transferarea rezultatelor etc. Executarea diferitelor instrucțiuni, indiferent de atribuire, va afecta starea. registru, al cărui conținut reflectă starea curentă a procesorului.
Informații generale despre structura microprocesoarelor
În acest caz, structura trebuie înțeleasă nu numai ca un set de componente ale sistemului de lucru, ci și camijloace de conectare între ele, precum și dispozitive care asigură interacțiunea acestora. Ca și în clasificarea funcțională, conținutul structurii poate fi exprimat prin trei componente - conținut operațional, mijloace de comunicare cu magistrala și infrastructura de control.
Dispozitivul părții de operare determină natura decodării comenzilor și procesării datelor. Acest complex poate include blocuri funcționale aritmetice-logice, precum și rezistențe pentru stocarea temporară a informațiilor, inclusiv informații despre starea microprocesorului. Structura logică prevede utilizarea rezistențelor de 16 biți care efectuează nu numai proceduri logice și aritmetice, ci și operații de schimbare. Lucrarea registrelor poate fi organizată după diferite scheme, care determină, printre altele, accesibilitatea acestora la programator. Un registru separat este rezervat pentru funcția de acumulator.
Cuplele de autobuz sunt responsabile pentru conexiunile la echipamentele periferice. Gama sarcinilor lor include, de asemenea, preluarea datelor din memorie și formarea unei cozi de comenzi. Structura tipică a microprocesorului include un pointer de comandă IP, aditoare de adrese, registre de segmente și buffere, prin care sunt deservite legăturile cu magistralele de adrese.
Dispozitivul de control, la rândul său, generează semnale de control, decriptează comanda și, de asemenea, asigură funcționarea sistemului de calcul, emitând micro-comenzi pentru operațiuni MP interne.
Structura MP de bază
Structura simplificată a acestui microprocesor oferă două funcționalepiese:
- Sală de operație. Această unitate include facilități de control și procesare a datelor, precum și memorie cu microprocesor. Spre deosebire de configurația completă, structura de bază a microprocesorului exclude registrele de segmente. Unele dispozitive de execuție sunt combinate într-o singură unitate funcțională, ceea ce subliniază și natura optimizată a acestei arhitecturi.
- Interfață. În esență, un mijloc de comunicare cu autostrada principală. Această parte conține registrele memoriei interne și sumatorul de adrese.
Principiul multiplexării semnalului este adesea folosit pe canalele externe de ieșire ale MP-urilor de bază. Aceasta înseamnă că semnalizarea are loc pe canale comune de partajare a timpului. În plus, în funcție de modul de funcționare curent al sistemului, aceeași ieșire poate fi utilizată pentru a transmite semnale în scopuri diferite.
Structura de instrucțiuni pentru microprocesor
Această structură depinde în mare măsură de configurația generală și de natura interacțiunii blocurilor funcționale MP. Cu toate acestea, chiar și în etapa de proiectare a sistemului, dezvoltatorii stabilesc posibilitățile de aplicare a unei anumite game de operații pe baza cărora se formează ulterior un set de comenzi. Cele mai comune funcții de comandă includ:
- Transfer de date. Comanda efectuează operațiunile de atribuire a valorilor operanzilor sursă și destinație. Registrele sau celulele de memorie pot fi folosite ca acestea din urmă.
- Intrare-ieșire. PrinDispozitivele de interfață I/O transferă date către porturi. În conformitate cu structura microprocesorului și interacțiunea acestuia cu hardware-ul periferic și unitățile interne, comenzile setează adresele portului.
- Type conversie. Se determină formatele și mărimea operanzilor utilizați.
- Întreruperi. Acest tip de instrucțiuni este conceput pentru a controla întreruperile software - de exemplu, poate fi o oprire a funcției procesorului în timp ce dispozitivele I/O încep să funcționeze.
- Organizarea ciclurilor. Instrucțiunile modifică valoarea registrului ECX, care poate fi folosit ca numărător atunci când se execută un anumit cod de program.
De regulă, se impun restricții asupra comenzilor de bază legate de capacitatea de a opera cu anumite cantități de memorie, de a gestiona simultan registrele și conținutul acestora.
Structura de gestionare a MP
Sistemul de control MP se bazează pe unitatea de control, care este asociată cu mai multe părți funcționale:
- Senzor de semnal. Determină secvența și parametrii impulsurilor, distribuindu-le uniform în timp pe magistralele. Printre caracteristicile de funcționare a senzorilor se numără numărul de cicluri și semnalele de control necesare pentru efectuarea operațiilor.
- Sursa semnalelor. Una dintre funcțiile unității de control din structura microprocesorului este atribuită generarii sau procesării semnalelor - adică comutarea acestora în cadrul unui anumit ciclu pe o anumită magistrală.
- Decodor de cod de operare. Efectuează decriptarea codurilor de operare prezente în registrul de instrucțiuni peacest moment. Împreună cu determinarea magistralei active, această procedură ajută și la generarea unei secvențe de impulsuri de control.
De o importanță nu mică în infrastructura de control este un dispozitiv de stocare permanent care conține în celulele sale semnalele necesare pentru efectuarea operațiunilor de procesare. Pentru a număra comenzile la procesarea datelor de impuls, poate fi utilizată o unitate de generare a adresei - aceasta este o componentă necesară a structurii interne a microprocesorului, care este inclusă în unitatea de interfață a sistemului și vă permite să citiți detaliile registrelor de memorie. cu semnale în întregime.
Componente microprocesor
Majoritatea blocurilor funcționale, precum și dispozitivele externe, sunt organizate între ele și microcircuitul central MP prin magistrala internă. Se poate spune că aceasta este rețeaua principală a dispozitivului, oferind o legătură cuprinzătoare de comunicare. Un alt lucru este că magistrala poate conține și elemente cu diferite scopuri funcționale - de exemplu, circuite pentru transferul de date, linii pentru transferul celulelor de memorie, precum și o infrastructură pentru scrierea și citirea informațiilor. Natura interacțiunii dintre blocurile magistralei în sine este determinată de structura microprocesorului. Dispozitivele incluse în MP, pe lângă autobuz, includ următoarele:
- Unitate logică aritmetică. După cum sa menționat deja, această componentă este concepută pentru a efectua operații logice și aritmetice. Funcționează atât cu date numerice, cât și cu caractere.
- Dispozitiv de control. Răspunzător decoordonarea în interacțiunea diferitelor părți ale MT. În special, acest bloc generează semnale de control, direcționându-le către diferite module ale dispozitivului mașinii în anumite momente în timp.
- Memorie cu microprocesor. Folosit pentru a înregistra, stoca și emite informații. Datele pot fi asociate atât cu operațiuni de calcul de lucru, cât și cu procese care deservesc mașina.
- Procesor matematic. Este folosit ca modul auxiliar pentru a crește viteza atunci când se efectuează operații de calcul complexe.
Caracteristici ale structurii coprocesorului
Chiar și în cadrul efectuării operațiilor aritmetice și logice tipice, nu există suficientă capacitate a unui MP convențional. De exemplu, microprocesorul nu are capacitatea de a executa instrucțiuni aritmetice în virgulă mobilă. Pentru astfel de sarcini se folosesc coprocesoare, a căror structură prevede combinarea unui procesor central cu mai mulți MP. În același timp, logica funcționării dispozitivului în sine nu are diferențe fundamentale față de regulile de bază pentru construirea microcircuitelor aritmetice.
Coprocesoarele execută comenzi tipice, dar în strânsă interacțiune cu modulul central. Această configurație presupune monitorizarea constantă a cozilor de comenzi pe mai multe linii. În structura fizică a unui microprocesor de acest tip, este permisă utilizarea unui modul independent pentru a furniza intrare-ieșire, o caracteristică a cărei caracteristică este abilitatea de a-și selecta comenzile. Cu toate acestea, pentru ca o astfel de schemă să funcționeze corect, coprocesoarele trebuie să definească în mod clar sursa de selecție a instrucțiunilor,coordonarea interacțiunii dintre module.
Principiul construirii unei structuri generalizate a unui microprocesor cu o configurație puternic cuplată este, de asemenea, legat de conceptul de dispozitiv coprocesor. Dacă în cazul precedent se poate vorbi despre un bloc I/O independent cu posibilitatea selectării proprii a comenzilor, atunci o configurație puternic cuplată presupune includerea în structura unui procesor independent care controlează fluxurile de comenzi.
Concluzie
Principiile creării microprocesoarelor au suferit puține modificări de la apariția primelor dispozitive de calcul. Caracteristicile, design-urile și cerințele pentru suportul resurselor s-au schimbat, ceea ce a schimbat radical computerul, dar conceptul general cu regulile de bază pentru organizarea blocurilor funcționale rămâne în cea mai mare parte același. Cu toate acestea, viitorul dezvoltării structurii microprocesorului poate fi influențat de nanotehnologie și de apariția sistemelor de calcul cuantic. Astăzi, astfel de domenii sunt luate în considerare la nivel teoretic, dar marile corporații lucrează activ la perspectivele de utilizare practică a noilor circuite logice bazate pe tehnologii inovatoare. De exemplu, ca posibilă opțiune pentru dezvoltarea ulterioară a MT, utilizarea particulelor moleculare și subatomice nu este exclusă, iar circuitele electrice tradiționale pot face loc unor sisteme de rotație dirijată a electronilor. Acest lucru va face posibilă crearea de procesoare microscopice cu o arhitectură fundamental nouă, a căror performanță va depăși de multe ori cea de astăzi. MP.
