Inimkond on arvutite loomise poole teinud pika tee, ilma milleta on võimatu ette kujutada kaasaegset ühiskonda koos selle elu kõigi aspektidega tööstuse, rahvamajanduse ja kodumasinate vallas. Kuid isegi tänapäeval ei seisa areng paigal, avades uusi arvutistamise vorme. Tehnoloogilise arengu keskmes on juba mitu aastakümmet olnud mikroprotsessori (MP) struktuur, mille funktsionaalseid ja disainiparameetreid täiustatakse.
Mikroprotsessori kontseptsioon
Üldises mõttes esitatakse mikroprotsessori mõistet kui programmiga juhitavat seadet või süsteemi, mis põhineb suurel integraallülitusel (LSI). MP abil teostatakse andmetöötlustoiminguid või infot töötlevate süsteemide haldamist. Esimestel etappidelMP arendus põhines eraldiseisvatel vähefunktsionaalsetel mikroskeemidel, milles transistore oli kogustes mõnest sadadeni. Lihtsaim tüüpiline mikroprotsessori struktuur võib sisaldada ühiste elektriliste, struktuuriliste ja elektriliste parameetritega mikroskeeme. Selliseid süsteeme nimetatakse mikroprotsessorite komplektiks. Koos MP-ga võiks üks süsteem koosneda ka püsi- ja muutmäluseadmetest, samuti kontrolleritest ja liidestest välisseadmete ühendamiseks – jällegi ühilduva side kaudu. Mikrokontrollerite kontseptsiooni väljatöötamise tulemusena täienes mikroprotsessorite komplekt keerukamate teenindusseadmete, registrite, siinijuhtide, taimerite jms.
Tänapäeval peetakse mikroprotsessorit praktiliste rakenduste kontekstis üha vähem eraldi seadmeks. Mikroprotsessori funktsionaalne struktuur ja tööpõhimõte juba projekteerimisetapis juhinduvad kasutamisest arvutusseadme osana, mis on mõeldud mitmete teabe töötlemise ja haldamisega seotud ülesannete täitmiseks. Mikroprotsessorseadme töö korraldamise protsesside võtmelüliks on kontroller, mis säilitab juhtimiskonfiguratsiooni ning süsteemi arvutustuumiku ja välisseadmete vahelise interaktsiooni režiimid. Integreeritud protsessorit võib pidada vahelüliks kontrolleri ja mikroprotsessori vahel. Selle funktsionaalsus on keskendunud abiülesannete lahendamisele, mis ei ole otseselt seotud põhilise MT eesmärgiga. Eelkõige võivad need olla võrgu- ja sidefunktsioonid, mis tagavad mikroprotsessorseadme töö.
Mikroprotsessorite klassifikatsioonid
Isegi kõige lihtsamate konfiguratsioonide korral on MP-del palju tehnilisi ja tööparameetreid, mida saab kasutada klassifitseerimisfunktsioonide määramiseks. Klassifitseerimise põhitasemete põhjendamiseks eristatakse tavaliselt kolme funktsionaalset süsteemi - töö-, liides- ja juhtimissüsteemi. Kõik need tööosad pakuvad ka mitmeid parameetreid ja eristavaid tunnuseid, mis määravad seadme töö olemuse.
Mikroprotsessorite tüüpilise struktuuri seisukoh alt jagab klassifikatsioon seadmed peamiselt mitmekiibilisteks ja ühekiibilisteks mudeliteks. Esimesi iseloomustab asjaolu, et nende tööüksused saavad töötada võrguühenduseta ja täita etteantud käske. Ja selles näites hääldatakse parlamendiliikmeid, milles rõhk on operatiivfunktsioonil. Sellised töötlejad on keskendunud andmetöötlusele. Samas rühmas võivad näiteks kolme kiibiga mikroprotsessorid olla juht- ja liides. See ei tähenda, et neil ei oleks tööfunktsiooni, kuid optimeerimise eesmärgil eraldatakse suurem osa side- ja toiteressurssidest mikrokäskude genereerimise või välissüsteemidega suhtlemise võime jaoks.
Ühekiibiliste MP-de puhul on need välja töötatud kindlate juhiste komplekti ja kogu riistvara kompaktse paigutusegaühel tuumal. Funktsionaalsuse poolest on ühekiibilise mikroprotsessori struktuur üsna piiratud, kuigi see on usaldusväärsem kui mitmekiibiliste analoogide segmendikonfiguratsioonid.
Teine oluline klassifikatsioon viitab mikroprotsessorite liidese disainile. Räägime sisendsignaalide töötlemise viisidest, mis tänapäeval jagatakse jätkuv alt digitaalseks ja analoogiks. Kuigi protsessorid ise on digitaalsed seadmed, õigustab analoogvoogude kasutamine end mõnel juhul hinna ja töökindluse mõttes. Muundamiseks tuleb aga kasutada spetsiaalseid muundureid, mis aitavad kaasa tööplatvormi energiakoormusele ja konstruktsioonilisele täiusele. Analoog MP-d (tavaliselt ühe kiibiga) täidavad standardsete analoogsüsteemide ülesandeid – näiteks tekitavad modulatsiooni, genereerivad võnkumisi, kodeerivad ja dekodeerivad signaali.
Vastav alt MP toimimise ajutise korraldamise põhimõttele jaotatakse need sünkroonseteks ja asünkroonseteks. Erinevus seisneb uue toimingu alustamise signaali olemuses. Näiteks sünkroonseadme puhul annavad selliseid käske juhtmoodulid, sõltumata jooksvate toimingute täitmisest. Asünkroonsete MP-de puhul saab sarnase signaali anda automaatselt pärast eelmise toimingu lõpetamist. Selleks on asünkroonset tüüpi mikroprotsessori loogilisse struktuuri ette nähtud elektrooniline vooluahel, mis tagab vajadusel üksikute komponentide töö ka võrguühenduseta režiimis. Selle parlamendiliikme töö korraldamise meetodi rakendamise keerukus tuleneb asjaolust, etalati on ühe toimingu lõpetamise hetkel piisav alt ressursse järgmise käivitamiseks. Protsessori mälu kasutatakse tavaliselt järgmiste toimingute valimisel prioritiseerimise lingina.
Mikroprotsessorid üld- ja eriotstarbeks
Üldotstarbeliste MP-de põhivaldkond on massikasutuseks mõeldud tööjaamad, personaalarvutid, serverid ja elektroonikaseadmed. Nende funktsionaalne infrastruktuur on keskendunud paljude infotöötlusega seotud ülesannete täitmisele. Selliseid seadmeid arendavad SPARC, Intel, Motorola, IBM ja teised.
Spetsiaalsed mikroprotsessorid, mille omadused ja struktuur põhinevad võimsatel kontrolleritel, rakendavad keerulisi protseduure digitaal- ja analoogsignaalide töötlemiseks ja teisendamiseks. See on väga mitmekesine segment tuhandete konfiguratsioonitüüpidega. Seda tüüpi MP-struktuuri eripärade hulka kuulub ühe kristalli kasutamine keskprotsessori alusena, mida saab omakorda liidestada suure hulga välisseadmetega. Nende hulgas on sisend- / väljundvahendid, taimeritega plokid, liidesed, analoog-digitaalmuundurid. Samuti harjutatakse spetsiaalsete seadmete, näiteks plokkide ühendamist impulsi laiuse signaalide genereerimiseks. Sisemälu kasutamise tõttu on sellistes süsteemides väike arv abikomponente, mis toimimist toetavadmikrokontroller.
Mikroprotsessori spetsifikatsioonid
Tööparameetrid määravad seadme ülesannete vahemiku ja komponentide komplekti, mida saab põhimõtteliselt kasutada konkreetses mikroprotsessori struktuuris. MP põhiomadusi saab esitada järgmiselt:
- Kellasagedus. Näitab elementaarsete toimingute arvu, mida süsteem suudab 1 sekundi jooksul teha. ja seda väljendatakse MHz-des. Vaatamata struktuurierinevusele täidavad erinevad MP-d enamasti sarnaseid ülesandeid, kuid igal juhul nõuab see individuaalset aega, mis kajastub tsüklite arvus. Mida võimsam MP, seda rohkem protseduure suudab see ühe ajaühiku jooksul sooritada.
- Laius. Bittide arv, mida seade saab korraga käivitada. Määra siini laius, andmeedastuskiirus, sisemised registrid jne.
- Vahemälu maht. See on mälu, mis sisaldub mikroprotsessori sisemises struktuuris ja töötab alati piiratud sagedustel. Füüsilises esituses on see kristall, mis asetatakse MP-kiibile ja on ühendatud mikroprotsessori siini südamikuga.
- Seadistus. Sel juhul räägime käskude korraldusest ja adresseerimismeetoditest. Praktikas võib konfiguratsiooni tüüp tähendada võimalust kombineerida mitme käsu samaaegse täitmise protsesse, MP töörežiime ja põhimõtteid ning välisseadmete olemasolu põhilises mikroprotsessorisüsteemis.
Mikroprotsessori arhitektuur
Üldiselt on MP universaalneteabeprotsessor, kuid mõnes selle töövaldkonnas on selle struktuuri täitmiseks sageli vaja spetsiaalseid konfiguratsioone. Mikroprotsessorite arhitektuur peegeldab konkreetse mudeli rakenduse spetsiifikat, põhjustades süsteemi integreeritud riist- ja tarkvara funktsioone. Täpsem alt saame rääkida pakutavatest täiturmehhanismidest, programmiregistritest, adresseerimismeetoditest ja käsukomplektidest.
MP arhitektuuri ja funktsioonide esitamisel kasutavad nad sageli seadmete diagramme ja saadaolevate tarkvararegistrite koostoimet, mis sisaldavad juhtimisteavet ja operande (töödeldud andmeid). Seetõttu on registrimudelis nii teenuseregistrite rühm kui ka segmendid üldotstarbeliste operandide salvestamiseks. Selle põhjal määratakse programmide täitmise meetod, mälukorralduse skeem, töörežiim ja mikroprotsessori omadused. Üldotstarbeline MP struktuur võib näiteks sisaldada programmiloendurit, samuti registreid süsteemi töörežiimide oleku ja juhtimise jaoks. Seadme töövoogu arhitektuurse konfiguratsiooni kontekstis saab kujutada registriedastuste mudelina, mis pakub adresseerimist, operandide ja käskude valimist, tulemuste ülekandmist jne. Erinevate käskude täitmine, sõltumata ülesandest, mõjutab olekut register, mille sisu peegeldab protsessori hetkeseisu.
Üldine teave mikroprotsessorite struktuuri kohta
Sel juhul tuleks struktuuri mõista mitte ainult töösüsteemi komponentide kogumina, vaid kanendevahelised ühendused, samuti seadmed, mis tagavad nende vastastikuse mõju. Sarnaselt funktsionaalse klassifikatsiooniga saab struktuuri sisu väljendada kolme komponendi kaudu – töösisu, siiniga sidevahendid ja juhtimistaristu.
Kasutusosa seade määrab käsudekodeerimise ja andmetöötluse olemuse. See kompleks võib sisaldada aritmeetika-loogilisi funktsionaalseid plokke, aga ka takisteid teabe ajutiseks salvestamiseks, sealhulgas teavet mikroprotsessori oleku kohta. Loogikastruktuur näeb ette 16-bitiste takistite kasutamise, mis teostavad mitte ainult loogilisi ja aritmeetilisi protseduure, vaid ka nihkeoperatsioone. Registrite tööd saab korraldada erinevate skeemide järgi, mis määravad muuhulgas nende ligipääsetavuse programmeerijale. Aku funktsiooni jaoks on reserveeritud eraldi register.
Siiniühendused vastutavad välisseadmetega ühendamise eest. Nende ülesannete hulka kuulub ka andmete toomine mälust ja käskude järjekorra moodustamine. Tüüpiline mikroprotsessori struktuur sisaldab IP-käsukursorit, aadressi lisajaid, segmendiregistreid ja puhvreid, mille kaudu teenindatakse linke aadressisiinidega.
Juhtseade genereerib omakorda juhtsignaale, dekrüpteerib käsu ja tagab ka arvutussüsteemi töö, andes mikrokäske MP sisemiste toimingute jaoks.
Põhi MP struktuur
Selle mikroprotsessori lihtsustatud struktuur pakub kahte funktsiooniosad:
- Operatsioonituba. See seade sisaldab juhtimis- ja andmetöötlusseadmeid, samuti mikroprotsessori mälu. Erinev alt täiskonfiguratsioonist ei sisalda mikroprotsessori põhistruktuur segmendiregistreid. Mõned täitmisseadmed on ühendatud üheks funktsionaalseks üksuseks, mis rõhutab ka selle arhitektuuri optimeeritud olemust.
- Liides. Sisuliselt vahend, mis tagab side põhimaanteega. See osa sisaldab sisemälu registreid ja aadressi lisajat.
Signaali multipleksimise põhimõtet kasutatakse sageli põhiliste MP-de välistel väljundkanalitel. See tähendab, et signaalimine toimub tavaliste ajajagamiskanalite kaudu. Lisaks saab olenev alt süsteemi praegusest töörežiimist kasutada sama väljundit signaalide edastamiseks erinevatel eesmärkidel.
Mikroprotsessori käsustruktuur
See struktuur sõltub suuresti MP funktsionaalplokkide üldisest konfiguratsioonist ja interaktsiooni olemusest. Kuid isegi süsteemi projekteerimisetapis näevad arendajad ette võimalused teatud toimingute massiivi rakendamiseks, mille põhjal seejärel moodustatakse käskude komplekt. Kõige tavalisemad käsufunktsioonid on järgmised:
- Andmeedastus. Käsk teostab lähte- ja sihtoperandide väärtuste määramise toiminguid. Viimasena saab kasutada registreid või mälurakke.
- Sisend-väljund. LäbiI/O liidese seadmed edastavad andmeid portidesse. Vastav alt mikroprotsessori struktuurile ja selle interaktsioonile välisriistvara ja siseseadmetega määravad käsud pordiaadressid.
- Tüübi teisendamine. Määratakse kindlaks kasutatavate operandide vormingud ja suuruse väärtused.
- Katkestused. Seda tüüpi juhised on mõeldud tarkvarakatkestuste juhtimiseks – näiteks võib see olla protsessori funktsiooni peatamine, kui I/O-seadmed hakkavad tööle.
- Tsüklite korraldamine. Juhised muudavad ECX registri väärtust, mida saab kasutada loendurina teatud programmikoodi täitmisel.
Reeglina seatakse piirangud põhikäsklustele, mis on seotud võimalusega töötada teatud mälumahuga, hallata samaaegselt registreid ja nende sisu.
MP juhtimisstruktuur
MP juhtimissüsteem põhineb juhtplokil, mis on seotud mitme funktsionaalse osaga:
- Signaaliandur. Määrab impulsside järjestuse ja parameetrid, jaotades need ajaliselt ühtlaselt siinide vahel. Andurite töö omaduste hulgas on toimingute tegemiseks vajalik tsüklite ja juhtsignaalide arv.
- Signaalide allikas. Üks juhtploki funktsioonidest mikroprotsessori struktuuris on määratud signaalide genereerimisele või töötlemisele – see tähendab nende lülitamisele kindla tsükli jooksul kindlal siinil.
- Kasutuskoodidekooder. Teostab käsuregistris olevate operatsioonikoodide dekrüpteerimiseSel hetkel. Koos aktiivse siini määramisega aitab see protseduur genereerida ka juhtimpulsside jada.
Juhtinfrastruktuuris ei oma tähtsust alaline salvestusseade, mis sisaldab oma lahtrites töötlustoimingute tegemiseks vajalikke signaale. Käskude loendamiseks impulssandmete töötlemisel saab kasutada aadressi genereerimise seadet - see on mikroprotsessori sisemise struktuuri vajalik komponent, mis sisaldub süsteemi liideses ja võimaldab teil lugeda mäluregistrite üksikasju. täis signaalidega.
Mikroprotsessori komponendid
Enamik funktsionaalseid plokke ja ka väliseid seadmeid on korraldatud omavahel ja keskse mikroskeemi MP vahel läbi sisemise siini. Võib öelda, et see on seadme magistraalvõrk, mis pakub terviklikku sideühendust. Teine asi on see, et siin võib sisaldada ka erineva funktsionaalse otstarbega elemente - näiteks andmeedastusahelaid, mälurakkude edastamise liine, aga ka infrastruktuuri info kirjutamiseks ja lugemiseks. Siini enda plokkide vahelise interaktsiooni olemuse määrab mikroprotsessori struktuur. MP-s sisalduvad seadmed sisaldavad lisaks siinile järgmist:
- Aritmeetiline loogikaühik. Nagu juba mainitud, on see komponent mõeldud loogiliste ja aritmeetiliste toimingute tegemiseks. See töötab nii numbri- kui ka märgiandmetega.
- Juhtimisseade. Vastutavkoordineerimine MT erinevate osade koostoimes. Eelkõige genereerib see plokk juhtsignaale, suunates need teatud ajahetkedel masina erinevatele moodulitele.
- Mikroprotsessori mälu. Kasutatakse teabe salvestamiseks, salvestamiseks ja väljastamiseks. Andmeid saab seostada nii töötavate arvutusoperatsioonide kui ka masinat teenindavate protsessidega.
- Matemaatikaprotsessor. Seda kasutatakse abimoodulina kiiruse suurendamiseks keeruliste arvutustoimingute sooritamisel.
Kaasprotsessori struktuuri omadused
Isegi tüüpiliste aritmeetiliste ja loogiliste toimingute sooritamise raames ei jätku tavalise MP võimsust. Näiteks pole mikroprotsessoril võimalust täita ujukoma aritmeetilisi käske. Selliste ülesannete jaoks kasutatakse kaasprotsessoreid, mille struktuur näeb ette keskprotsessori kombineerimise mitme MP-ga. Samas pole seadme enda tööloogikal põhimõttelisi erinevusi aritmeetiliste mikroskeemide koostamise põhireeglitest.
Kaasprotsessorid täidavad tüüpilisi käske, kuid tihedas koostoimes keskmooduliga. See konfiguratsioon eeldab pidevat mitme rea käsujärjekordade jälgimist. Seda tüüpi mikroprotsessori füüsilises struktuuris on sisend-väljundi pakkumiseks lubatud kasutada sõltumatut moodulit, mille tunnuseks on võimalus valida selle käske. Sellise skeemi korrektseks toimimiseks peavad kaasprotsessorid aga selgelt määratlema juhiste valiku allika,moodulite vahelise interaktsiooni koordineerimine.
Kaasprotsessorseadme kontseptsiooniga on seotud ka tugev alt seotud konfiguratsiooniga mikroprotsessori üldistatud struktuuri loomise põhimõte. Kui eelmisel juhul saame rääkida sõltumatust I / O plokist, millel on võimalus ise valida käske, siis tugev alt seotud konfiguratsioon hõlmab käsuvooge kontrolliva sõltumatu protsessori struktuuri kaasamist.
Järeldus
Mikroprotsessori loomise põhimõtted on pärast esimeste arvutusseadmete tulekut vähe muutunud. Muutunud on omadused, kujundused ja nõuded ressursside toele, mis on arvutit radikaalselt muutnud, kuid üldkontseptsioon koos funktsionaalplokkide korraldamise põhireeglitega jääb enamasti samaks. Mikroprotsessorite struktuuride arendamise tulevikku võivad aga mõjutada nanotehnoloogia ja kvantarvutussüsteemide tulek. Tänapäeval vaadeldakse selliseid valdkondi teoreetilisel tasemel, kuid suurkorporatsioonid tegelevad aktiivselt uute uuenduslikel tehnoloogiatel põhinevate loogikalülituste praktilise kasutamise väljavaadetega. Näiteks MT edasiarendamise võimaliku variandina pole välistatud molekulaarsete ja subatomaarsete osakeste kasutamine ning traditsioonilised elektriahelad võivad anda teed elektronide suunatud pöörlemise süsteemidele. See võimaldab luua põhimõtteliselt uue arhitektuuriga mikroskoopilisi protsessoreid, mille jõudlus ületab kordades tänapäeva. MP.
