Cilvēce ir nogājusi garu ceļu pretī datoru radīšanai, bez kuriem nav iespējams iedomāties mūsdienu sabiedrību ar visiem tās dzīves aspektiem rūpniecības, tautsaimniecības un sadzīves tehnikas jomās. Taču arī mūsdienās progress nestāv uz vietas, paverot jaunas datorizācijas formas. Tehnoloģiju attīstības centrā jau vairākus gadu desmitus ir mikroprocesora (MP) struktūra, kas tiek pilnveidota tā funkcionālajos un dizaina parametros.
Mikroprocesora koncepcija
Vispārīgā nozīmē mikroprocesora jēdziens tiek pasniegts kā programmas vadīta ierīce vai sistēma, kuras pamatā ir liela integrālā shēma (LSI). Ar MP palīdzību tiek veiktas datu apstrādes operācijas jeb sistēmu, kas apstrādā informāciju, vadība. Pirmajos posmosMP izstrādes pamatā bija atsevišķas mazfunkcionālas mikroshēmas, kurās tranzistori bija daudzumā no dažiem līdz simtiem. Vienkāršākā tipiskā mikroprocesora struktūra varētu saturēt mikroshēmu grupu ar kopīgiem elektriskiem, strukturāliem un elektriskiem parametriem. Šādas sistēmas sauc par mikroprocesoru komplektu. Kopā ar MP viena sistēma varētu sastāvēt arī no pastāvīgās un brīvpiekļuves atmiņas ierīcēm, kā arī kontrolieriem un interfeisiem ārējo iekārtu pieslēgšanai – atkal, izmantojot saderīgus sakarus. Mikrokontrolleru koncepcijas izstrādes rezultātā mikroprocesoru komplekts tika papildināts ar sarežģītākām servisa ierīcēm, reģistriem, autobusu vadītājiem, taimeriem u.c.
Mūsdienās mikroprocesors arvien retāk tiek uzskatīts par atsevišķu ierīci praktisko pielietojumu kontekstā. Mikroprocesora funkcionālā struktūra un darbības princips jau projektēšanas stadijā ir balstīts uz izmantošanu kā daļu no skaitļošanas ierīces, kas paredzēta vairāku ar informācijas apstrādi un pārvaldību saistītu uzdevumu veikšanai. Mikroprocesoru ierīces darbības organizēšanas procesos galvenā saikne ir kontrolieris, kas uztur vadības konfigurāciju un mijiedarbības režīmus starp sistēmas skaitļošanas kodolu un ārējo aprīkojumu. Integrētu procesoru var uzskatīt par starpposmu starp kontrolieri un mikroprocesoru. Tās funkcionalitāte ir vērsta uz palīguzdevumu risināšanu, kas nav tieši saistīti ar galvenā MT mērķi. Jo īpaši tās var būt tīkla un sakaru funkcijas, kas nodrošina mikroprocesora ierīces darbību.
Mikroprocesoru klasifikācijas
Pat visvienkāršākajās konfigurācijās MP ir daudz tehnisko un darbības parametru, ko var izmantot, lai iestatītu klasifikācijas pazīmes. Lai attaisnotu galvenos klasifikācijas līmeņus, parasti izšķir trīs funkcionālās sistēmas - darbības, saskarnes un vadības. Katra no šīm darba daļām nodrošina arī vairākus parametrus un atšķirības pazīmes, kas nosaka ierīces darbības raksturu.
No mikroprocesoru tipiskās struktūras viedokļa klasifikācijā ierīces galvenokārt tiks sadalītas vairāku mikroshēmu un vienas mikroshēmu modeļos. Pirmajiem ir raksturīgs fakts, ka to darba vienības var darboties bezsaistē un izpildīt iepriekš noteiktas komandas. Un šajā piemērā tiks izrunāti deputāti, kuros uzsvars likts uz operatīvo funkciju. Šādi apstrādātāji ir vērsti uz datu apstrādi. Tajā pašā grupā, piemēram, trīs mikroshēmu mikroprocesori var būt vadības un saskarnes. Tas nenozīmē, ka tiem nav funkcionālas funkcijas, taču optimizācijas nolūkos lielākā daļa sakaru un strāvas resursu tiek atvēlēti mikroinstrukciju ģenerēšanas uzdevumiem vai iespējai mijiedarboties ar perifērijas sistēmām.
Kas attiecas uz vienas mikroshēmas MP, tie ir izstrādāti ar fiksētu instrukciju kopu un kompaktu visas aparatūras izvietojumuuz viena kodola. Funkcionalitātes ziņā vienas mikroshēmas mikroprocesora struktūra ir diezgan ierobežota, lai gan tā ir uzticamāka nekā vairāku mikroshēmu analogu segmentu konfigurācijas.
Cita svarīga klasifikācija attiecas uz mikroprocesoru saskarnes dizainu. Mēs runājam par veidiem, kā apstrādāt ieejas signālus, kurus mūsdienās joprojām iedala digitālajos un analogajos. Lai gan paši procesori ir digitālās ierīces, dažos gadījumos analogo straumju izmantošana attaisno sevi cenas un uzticamības ziņā. Tomēr pārveidošanai ir jāizmanto īpaši pārveidotāji, kas veicina darba platformas enerģijas slodzi un strukturālo pilnību. Analogie MP (parasti vienas mikroshēmas) veic standarta analogo sistēmu uzdevumus - piemēram, tie rada modulāciju, ģenerē svārstības, kodē un dekodē signālu.
Pēc MP darbības pagaidu organizācijas principa tās iedala sinhronajos un asinhronajos. Atšķirība ir signāla būtībā, lai sāktu jaunu darbību. Piemēram, sinhronās ierīces gadījumā šādas komandas dod vadības moduļi neatkarīgi no pašreizējo darbību izpildes. Asinhrono MP gadījumā līdzīgu signālu var sniegt automātiski pēc iepriekšējās darbības pabeigšanas. Lai to izdarītu, asinhronā tipa mikroprocesora loģiskajā struktūrā tiek nodrošināta elektroniskā shēma, kas nepieciešamības gadījumā nodrošina atsevišķu komponentu darbību bezsaistes režīmā. Šīs deputāta darba organizēšanas metodes ieviešanas sarežģītība ir saistīta ar to, kavienmēr vienas operācijas pabeigšanas brīdī ir pietiekami daudz noteiktu resursu, lai sāktu nākamo. Procesora atmiņa parasti tiek izmantota kā prioritāšu saite, izvēloties turpmākās darbības.
Mikroprocesori vispārīgiem un īpašiem mērķiem
Vispārēja pielietojuma MP galvenā joma ir darbstacijas, personālie datori, serveri un elektroniskās ierīces, kas paredzētas masveida lietošanai. To funkcionālā infrastruktūra ir vērsta uz plašu ar informācijas apstrādi saistītu uzdevumu veikšanu. Šādas ierīces izstrādā SPARC, Intel, Motorola, IBM un citi.
Specializēti mikroprocesori, kuru raksturlielumi un struktūra ir balstīta uz jaudīgiem kontrolleriem, ievieš sarežģītas procedūras digitālo un analogo signālu apstrādei un konvertēšanai. Šis ir ļoti daudzveidīgs segments ar tūkstošiem konfigurācijas veidu. Šāda veida MP struktūras īpatnības ietver viena kristāla izmantošanu kā centrālā procesora bāzi, kuru, savukārt, var savienot ar lielu skaitu perifērijas ierīču. Starp tiem ir ievades / izvades līdzekļi, bloki ar taimeriem, saskarnes, analogo-ciparu pārveidotāji. Tiek praktizēta arī specializētu ierīču, piemēram, bloku savienošana impulsa platuma signālu ģenerēšanai. Iekšējās atmiņas izmantošanas dēļ šādām sistēmām ir neliels skaits palīgkomponentu, kas atbalsta darbībumikrokontrolleris.
Mikroprocesora specifikācijas
Darbības parametri nosaka ierīces uzdevumu klāstu un to komponentu kopu, ko principā var izmantot noteiktā mikroprocesora struktūrā. MP galvenās īpašības var attēlot šādi:
- Pulksteņa frekvence. Norāda elementāro darbību skaitu, ko sistēma var veikt 1 sekundē. un ir izteikts MHz. Neskatoties uz atšķirībām struktūrā, dažādi deputāti pārsvarā veic līdzīgus uzdevumus, taču katrā gadījumā tas prasa individuālu laiku, kas atspoguļojas ciklu skaitā. Jo jaudīgāks MP, jo vairāk procedūru tas var veikt vienā laika vienībā.
- Platums. Bitu skaits, ko ierīce var izpildīt vienlaikus. Piešķirt kopnes platumu, datu pārraides ātrumu, iekšējos reģistrus utt.
- Kešatmiņas apjoms. Šī ir atmiņa, kas ir iekļauta mikroprocesora iekšējā struktūrā un vienmēr darbojas ar ierobežotām frekvencēm. Fiziskajā attēlojumā tas ir kristāls, kas novietots uz galvenā MP mikroshēmas un savienots ar mikroprocesora kopnes kodolu.
- Konfigurācija. Šajā gadījumā mēs runājam par komandu organizēšanu un adresācijas metodēm. Praksē konfigurācijas veids var nozīmēt iespēju apvienot vairāku komandu izpildes procesus vienlaikus, MP darbības režīmus un principus, kā arī perifērijas ierīču klātbūtni pamata mikroprocesoru sistēmā.
Mikroprocesoru arhitektūra
Kopumā MP ir universālsinformācijas procesors, bet dažās tā darbības jomās bieži vien ir nepieciešamas īpašas konfigurācijas tā struktūras izpildei. Mikroprocesoru arhitektūra atspoguļo konkrēta modeļa pielietojuma specifiku, izraisot sistēmā integrētās aparatūras un programmatūras īpatnības. Konkrēti var runāt par nodrošinātajiem izpildmehānismiem, programmu reģistriem, adresācijas metodēm un instrukciju kopām.
MP arhitektūras un funkciju attēlojumā viņi bieži izmanto ierīču diagrammas un pieejamo programmatūras reģistru mijiedarbību, kas satur vadības informāciju un operandus (apstrādātos datus). Tāpēc reģistra modelī ir pakalpojumu reģistru grupa, kā arī segmenti vispārējas nozīmes operandu glabāšanai. Pamatojoties uz to, tiek noteikta programmu izpildes metode, atmiņas organizācijas shēma, darbības režīms un mikroprocesora raksturlielumi. Universālā MP struktūra, piemēram, var ietvert programmu skaitītāju, kā arī sistēmas darbības režīmu statusa un kontroles reģistrus. Ierīces darbplūsmu arhitektūras konfigurācijas kontekstā var attēlot kā reģistru pārsūtīšanas modeli, nodrošinot adresēšanu, operandu un instrukciju atlasi, rezultātu pārsūtīšanu utt. Dažādu instrukciju izpilde neatkarīgi no piešķiršanas ietekmēs statusu. reģistrs, kura saturs atspoguļo pašreizējo procesora stāvokli.
Vispārīga informācija par mikroprocesoru uzbūvi
Šajā gadījumā struktūra ir jāsaprot ne tikai kā darba sistēmas sastāvdaļu kopums, bet arīsavienojuma līdzekļi starp tiem, kā arī ierīces, kas nodrošina to mijiedarbību. Tāpat kā funkcionālajā klasifikācijā, struktūras saturu var izteikt, izmantojot trīs komponentus - operatīvo saturu, saziņas līdzekļus ar kopni un vadības infrastruktūru.
Darbības daļas ierīce nosaka komandu dekodēšanas un datu apstrādes raksturu. Šajā kompleksā var ietilpt aritmētiski loģiski funkcionālie bloki, kā arī rezistori informācijas pagaidu glabāšanai, ieskaitot informāciju par mikroprocesora stāvokli. Loģiskā struktūra paredz izmantot 16 bitu rezistorus, kas veic ne tikai loģiskās un aritmētiskās procedūras, bet arī maiņu darbības. Reģistru darbu var organizēt pēc dažādām shēmām, kas cita starpā nosaka to pieejamību programmētājam. Atsevišķs reģistrs ir rezervēts akumulatora funkcijai.
Autobusu savienotāji ir atbildīgi par savienojumiem ar perifērijas aprīkojumu. Viņu uzdevumu klāstā ietilpst arī datu izgūšana no atmiņas un komandu rindas veidošana. Tipiskā mikroprocesora struktūra ietver IP komandu rādītāju, adrešu papildinātājus, segmentu reģistrus un buferus, caur kuriem tiek apkalpotas saites ar adrešu kopnēm.
Vadības ierīce savukārt ģenerē vadības signālus, atšifrē komandu, kā arī nodrošina skaitļošanas sistēmas darbību, izdodot mikrokomandas iekšējām MP operācijām.
Pamata MP struktūra
Šī mikroprocesora vienkāršotā struktūra nodrošina divas funkcijasdaļas:
- Operāciju zāle. Šajā blokā ietilpst vadības un datu apstrādes iekārtas, kā arī mikroprocesora atmiņa. Atšķirībā no pilnas konfigurācijas, mikroprocesora pamatstruktūra neietver segmentu reģistrus. Dažas izpildes ierīces ir apvienotas vienā funkcionālā vienībā, kas arī uzsver šīs arhitektūras optimizēto raksturu.
- Interfeiss. Pēc būtības līdzeklis sakaru nodrošināšanai ar galveno šoseju. Šajā daļā ir ietverti iekšējās atmiņas reģistri un adrešu papildinātājs.
Signāla multipleksēšanas princips bieži tiek izmantots pamata MP ārējos izvades kanālos. Tas nozīmē, ka signalizācija notiek, izmantojot parastos laika dalīšanas kanālus. Turklāt atkarībā no pašreizējā sistēmas darbības režīma vienu un to pašu izvadi var izmantot, lai pārraidītu signālus dažādiem mērķiem.
Mikroprocesora instrukciju struktūra
Šī struktūra lielā mērā ir atkarīga no vispārējās konfigurācijas un MP funkcionālo bloku mijiedarbības rakstura. Tomēr pat sistēmas projektēšanas stadijā izstrādātāji nosaka iespējas piemērot noteiktu darbību masīvu, pamatojoties uz kuru pēc tam tiek veidots komandu kopums. Visizplatītākās komandu funkcijas ir:
- Datu pārsūtīšana. Komanda veic avota un mērķa operanda vērtību piešķiršanas darbības. Reģistrus vai atmiņas šūnas var izmantot kā pēdējo.
- Ievade-izeja. CaurI/O interfeisa ierīces pārsūta datus uz portiem. Saskaņā ar mikroprocesora struktūru un tā mijiedarbību ar perifērijas aparatūru un iekšējām vienībām komandas nosaka portu adreses.
- Tips konvertēšana. Tiek noteikti izmantoto operandu formāti un lieluma vērtības.
- Pārtraukumi. Šāda veida norādījumi ir paredzēti, lai kontrolētu programmatūras pārtraukumus - piemēram, tā var būt procesora funkcijas apturēšana, kamēr I/O ierīces sāk darboties.
- Ciklu organizēšana. Norādījumi maina ECX reģistra vērtību, ko var izmantot kā skaitītāju, izpildot noteiktu programmas kodu.
Parasti tiek noteikti ierobežojumi pamata komandām, kas saistītas ar iespēju darboties ar noteiktu atmiņas apjomu, vienlaikus pārvaldīt reģistrus un to saturu.
MP vadības struktūra
MP vadības sistēmas pamatā ir vadības bloks, kas ir saistīts ar vairākām funkcionālām daļām:
- Signāla sensors. Nosaka impulsu secību un parametrus, vienmērīgi sadalot tos laikā pa autobusiem. Viens no sensoru darbības raksturlielumiem ir ciklu skaits un vadības signāli, kas nepieciešami darbību veikšanai.
- Signālu avots. Viena no vadības bloka funkcijām mikroprocesora struktūrā ir piešķirta signālu ģenerēšanai vai apstrādei - tas ir, to pārslēgšanai noteiktā cikla ietvaros noteiktā kopnē.
- Darbības koda dekodētājs. Veic instrukciju reģistrā esošo operāciju kodu atšifrēšanuŠis brīdis. Kopā ar aktīvās kopnes noteikšanu šī procedūra palīdz arī ģenerēt vadības impulsu secību.
Nemaza nozīme vadības infrastruktūrā ir pastāvīgai uzglabāšanas iekārtai, kas savās šūnās satur signālus, kas nepieciešami apstrādes darbību veikšanai. Lai skaitītu komandas, apstrādājot impulsu datus, var izmantot adrešu ģenerēšanas vienību - tā ir nepieciešama mikroprocesora iekšējās struktūras sastāvdaļa, kas ir iekļauta sistēmas interfeisa blokā un ļauj nolasīt atmiņas reģistru detaļas. ar signāliem pilnībā.
Mikroprocesora komponenti
Lielākā daļa funkcionālo bloku, kā arī ārējās ierīces tiek organizētas starp sevi un centrālo mikroshēmu MP caur iekšējo kopni. Var teikt, ka tas ir ierīces mugurkaula tīkls, kas nodrošina visaptverošu sakaru saiti. Cita lieta, ka kopnē var būt arī dažādu funkcionālu mērķu elementi - piemēram, shēmas datu pārraidei, līnijas atmiņas šūnu pārsūtīšanai, kā arī infrastruktūra informācijas rakstīšanai un lasīšanai. Pašas kopnes bloku mijiedarbības raksturu nosaka mikroprocesora struktūra. MP iekļautajās ierīcēs papildus kopnei ir iekļautas šādas ierīces:
- Aritmētiskā loģiskā vienība. Kā jau minēts, šis komponents ir paredzēts loģisku un aritmētisku darbību veikšanai. Tas darbojas gan ar ciparu, gan rakstzīmju datiem.
- Vadības ierīce. Atbildīgs parkoordinācija dažādu MT daļu mijiedarbībā. Jo īpaši šis bloks ģenerē vadības signālus, novirzot tos uz dažādiem iekārtas ierīces moduļiem noteiktos laika momentos.
- Mikroprocesora atmiņa. Izmanto, lai ierakstītu, uzglabātu un izdotu informāciju. Datus var saistīt gan ar darba skaitļošanas operācijām, gan procesiem, kas apkalpo iekārtu.
- Matemātikas procesors. To izmanto kā papildu moduli, lai palielinātu ātrumu, veicot sarežģītas skaitļošanas darbības.
Koprocesora struktūras iezīmes
Pat tipisku aritmētisko un loģisko darbību veikšanas ietvaros parastā MP jaudas nepietiek. Piemēram, mikroprocesoram nav iespēju izpildīt peldošā komata aritmētiskās instrukcijas. Šādiem uzdevumiem tiek izmantoti kopprocesori, kuru struktūra paredz centrālā procesora apvienošanu ar vairākiem MP. Tajā pašā laikā pašas ierīces darbības loģikai nav būtisku atšķirību no aritmētisko mikroshēmu konstruēšanas pamatnoteikumiem.
Koprocesori izpilda tipiskas komandas, bet ciešā mijiedarbībā ar centrālo moduli. Šī konfigurācija paredz pastāvīgu komandu rindu uzraudzību vairākās rindās. Šāda veida mikroprocesora fiziskajā struktūrā ievades-izejas nodrošināšanai ir atļauts izmantot neatkarīgu moduli, kura iezīme ir iespēja izvēlēties tā komandas. Tomēr, lai šāda shēma darbotos pareizi, līdzprocesoriem ir skaidri jādefinē instrukciju atlases avots,koordinē mijiedarbību starp moduļiem.
Ar kopprocesora ierīces jēdzienu ir saistīts arī mikroprocesora vispārinātas struktūras veidošanas princips ar stingri savienotu konfigurāciju. Ja iepriekšējā gadījumā mēs varam runāt par neatkarīgu I / O bloku ar iespēju pašam izvēlēties komandas, tad stingri savienota konfigurācija ietver neatkarīga procesora iekļaušanu struktūrā, kas kontrolē komandu plūsmas.
Secinājums
Kopš pirmo skaitļošanas ierīču parādīšanās mikroprocesoru izveides principi ir nedaudz mainīti. Ir mainījušies raksturlielumi, dizaini un prasības resursu atbalstam, kas radikāli mainījis datoru, taču vispārējā koncepcija ar funkcionālo bloku organizēšanas pamatnoteikumiem lielākoties paliek nemainīga. Tomēr mikroprocesoru struktūras attīstības nākotni var ietekmēt nanotehnoloģijas un kvantu skaitļošanas sistēmu parādīšanās. Mūsdienās šādas jomas tiek aplūkotas teorētiskā līmenī, bet lielās korporācijas aktīvi strādā pie jaunu, uz novatoriskām tehnoloģijām balstītu loģisko shēmu praktiskas izmantošanas perspektīvām. Piemēram, kā iespējamais variants MT tālākai attīstībai nav izslēgta molekulāro un subatomisko daļiņu izmantošana, un tradicionālās elektriskās ķēdes var dot ceļu virzītas elektronu rotācijas sistēmām. Tas dos iespēju izveidot mikroskopiskus procesorus ar principiāli jaunu arhitektūru, kuru veiktspēja daudzkārt pārsniegs mūsdienu. MP.
