Ludzkość przeszła długą drogę w kierunku stworzenia komputerów, bez których nie można wyobrazić sobie współczesnego społeczeństwa ze wszystkimi aspektami jego życia w dziedzinie przemysłu, gospodarki narodowej i AGD. Ale nawet dzisiaj postęp nie stoi w miejscu, otwierając nowe formy komputeryzacji. W centrum rozwoju technologicznego od kilkudziesięciu lat znajduje się konstrukcja mikroprocesora (MP), która jest udoskonalana pod względem parametrów funkcjonalnych i konstrukcyjnych.
Koncepcja mikroprocesora
W ogólnym sensie koncepcja mikroprocesora jest przedstawiana jako sterowane programowo urządzenie lub system oparty na dużym układzie scalonym (LSI). Za pomocą MP wykonywane są operacje przetwarzania danych lub zarządzania systemami przetwarzającymi informacje. Na pierwszych etapachRozwój MP opierał się na oddzielnych mało funkcjonalnych mikroukładach, w których tranzystory były obecne w ilości od kilku do setek. Najprostsza typowa struktura mikroprocesora może zawierać grupę mikroukładów o wspólnych parametrach elektrycznych, strukturalnych i elektrycznych. Takie systemy nazywane są zestawem mikroprocesorowym. Razem z MP, jeden system może również składać się z urządzeń pamięci stałej i o dostępie swobodnym, a także kontrolerów i interfejsów do podłączania urządzeń zewnętrznych – znowu poprzez kompatybilną komunikację. W wyniku rozwoju koncepcji mikrokontrolerów zestaw mikroprocesorowy został uzupełniony o bardziej złożone urządzenia serwisowe, rejestry, sterowniki magistrali, timery itp.
Dziś mikroprocesor jest coraz rzadziej traktowany jako oddzielne urządzenie w kontekście praktycznych zastosowań. Struktura funkcjonalna i zasada działania mikroprocesora już na etapie projektowania kierują się zastosowaniem jako część urządzenia obliczeniowego przeznaczonego do wykonywania szeregu zadań związanych z przetwarzaniem i zarządzaniem informacją. Kluczowym ogniwem w procesach organizacji pracy urządzenia mikroprocesorowego jest sterownik, który utrzymuje konfigurację sterowania i tryby współdziałania rdzenia obliczeniowego systemu z urządzeniami zewnętrznymi. Zintegrowany procesor może być traktowany jako ogniwo pośrednie między kontrolerem a mikroprocesorem. Jego funkcjonalność koncentruje się na rozwiązywaniu zadań pomocniczych, które nie są bezpośrednio związane z przeznaczeniem głównego MT. W szczególności mogą to być funkcje sieciowe i komunikacyjne, które zapewniają działanie urządzenia mikroprocesorowego.
Klasyfikacje mikroprocesorów
Nawet w najprostszych konfiguracjach posłowie mają wiele parametrów technicznych i operacyjnych, które można wykorzystać do ustawienia funkcji klasyfikacji. Aby uzasadnić główne poziomy klasyfikacji, zwykle rozróżnia się trzy systemy funkcjonalne - operacyjne, interfejsowe i kontrolne. Każda z tych części roboczych zapewnia również szereg parametrów i wyróżników, które decydują o charakterze działania urządzenia.
Z punktu widzenia typowej budowy mikroprocesorów, klasyfikacja będzie przede wszystkim dzieliła urządzenia na modele wieloukładowe i jednoukładowe. Te pierwsze charakteryzują się tym, że ich jednostki robocze mogą działać w trybie offline i wykonywać z góry określone polecenia. I w tym przykładzie będą wypowiadani posłowie, w których nacisk kładzie się na funkcję operacyjną. Takie procesory koncentrują się na przetwarzaniu danych. W tej samej grupie, na przykład, mikroprocesory trójukładowe mogą być sterowaniem i interfejsem. Nie oznacza to, że nie pełnią one funkcji operacyjnej, ale dla celów optymalizacji większość zasobów komunikacyjnych i zasilających jest przeznaczana na zadania generowania mikrorozkazów lub możliwość interakcji z systemami peryferyjnymi.
Jeśli chodzi o jednoukładowe procesory MP, są one opracowywane ze stałym zestawem instrukcji i kompaktowym rozmieszczeniem całego sprzętuna jednym rdzeniu. Pod względem funkcjonalności struktura mikroprocesora jednoukładowego jest dość ograniczona, chociaż jest bardziej niezawodna niż konfiguracje segmentowe analogów wieloukładowych.
Kolejna ważna klasyfikacja dotyczy projektowania interfejsów mikroprocesorów. Mówimy o sposobach przetwarzania sygnałów wejściowych, które dziś nadal dzielą się na cyfrowe i analogowe. Chociaż same procesory są urządzeniami cyfrowymi, w niektórych przypadkach użycie strumieni analogowych usprawiedliwia się ceną i niezawodnością. Do przebudowy należy jednak zastosować specjalne konwertery, które przyczyniają się do obciążenia energetycznego i wypełnienia konstrukcyjnego platformy roboczej. Analogowe MP (zwykle jednoukładowe) wykonują zadania standardowych systemów analogowych - na przykład wytwarzają modulację, generują oscylacje, kodują i dekodują sygnał.
Zgodnie z zasadą tymczasowej organizacji funkcjonowania MP dzieli się je na synchroniczne i asynchroniczne. Różnica polega na charakterze sygnału do rozpoczęcia nowej operacji. Na przykład w przypadku urządzenia synchronicznego takie polecenia są wydawane przez moduły sterujące, niezależnie od wykonania bieżących operacji. W przypadku asynchronicznych MP podobny sygnał może być podany automatycznie po zakończeniu poprzedniej operacji. W tym celu w strukturze logicznej mikroprocesora typu asynchronicznego przewidziany jest obwód elektroniczny, który w razie potrzeby zapewnia działanie poszczególnych elementów w trybie offline. Złożoność wdrożenia tej metody organizacji pracy posła wynika z faktu, żezawsze w momencie zakończenia jednej operacji jest wystarczająca ilość zasobów do rozpoczęcia kolejnej. Pamięć procesora jest zwykle używana jako łącze priorytetowe w samym wyborze kolejnych operacji.
Mikroprocesory do celów ogólnych i specjalnych
Głównym zakresem MP ogólnego przeznaczenia są stacje robocze, komputery osobiste, serwery i urządzenia elektroniczne przeznaczone do użytku masowego. Ich infrastruktura funkcjonalna koncentruje się na wykonywaniu szerokiego zakresu zadań związanych z przetwarzaniem informacji. Takie urządzenia są opracowywane przez SPARC, Intel, Motorola, IBM i inne.
Wyspecjalizowane mikroprocesory, których charakterystyka i struktura opierają się na potężnych sterownikach, realizują złożone procedury przetwarzania i konwersji sygnałów cyfrowych i analogowych. Jest to bardzo zróżnicowany segment z tysiącami typów konfiguracji. Specyfika struktury MP tego typu obejmuje użycie jednego kryształu jako podstawy dla centralnego procesora, który z kolei może być połączony z dużą liczbą urządzeń peryferyjnych. Wśród nich są środki wejścia/wyjścia, bloki z timerami, interfejsy, przetworniki analogowo-cyfrowe. Praktykuje się również podłączanie specjalistycznych urządzeń, takich jak bloki do generowania sygnałów o szerokości impulsu. Ze względu na wykorzystanie pamięci wewnętrznej układy takie posiadają niewielką liczbę elementów pomocniczych wspomagających działaniemikrokontroler.
Specyfikacje mikroprocesora
Parametry operacyjne określają zakres zadań urządzenia oraz zestaw komponentów, które w zasadzie mogą być zastosowane w określonej strukturze mikroprocesora. Główne cechy MP można przedstawić w następujący sposób:
- Częstotliwość zegara. Wskazuje liczbę podstawowych operacji, które system może wykonać w ciągu 1 sekundy. i jest wyrażona w MHz. Pomimo różnic w strukturze, różni posłowie wykonują w większości podobne zadania, ale w każdym przypadku wymaga to indywidualnego czasu, co znajduje odzwierciedlenie w liczbie cykli. Im mocniejszy MP, tym więcej procedur może wykonać w jednej jednostce czasu.
- Szerokość. Liczba bitów, które urządzenie może wykonać jednocześnie. Przydziel szerokość magistrali, szybkość transmisji danych, rejestry wewnętrzne itp.
- Ilość pamięci podręcznej. Jest to pamięć zawarta w wewnętrznej strukturze mikroprocesora i zawsze działająca na częstotliwościach granicznych. W reprezentacji fizycznej jest to kryształ umieszczony na głównym chipie MP i połączony z rdzeniem magistrali mikroprocesora.
- Konfiguracja. W tym przypadku mówimy o organizacji poleceń i metodach adresowania. W praktyce rodzaj konfiguracji może oznaczać możliwość łączenia procesów wykonywania kilku poleceń jednocześnie, trybów i zasad działania MP oraz obecność urządzeń peryferyjnych w podstawowym systemie mikroprocesorowym.
Architektura mikroprocesorowa
W zasadzie MP jest uniwersalnyprocesor informacji, ale w niektórych obszarach jego działania często wymagane są specjalne konfiguracje do wykonania jego struktury. Architektura mikroprocesorów odzwierciedla specyfikę zastosowania konkretnego modelu, powodując cechy sprzętu i oprogramowania zintegrowanego z systemem. W szczególności możemy mówić o dostarczonych siłownikach, rejestrach programu, metodach adresowania i zestawach instrukcji.
W reprezentacji architektury i cech funkcjonowania MP często wykorzystują schematy urządzeń i interakcję dostępnych rejestrów oprogramowania, które zawierają informacje sterujące i operandy (przetworzone dane). Dlatego w modelu rejestrowym istnieje grupa rejestrów usług, a także segmenty do przechowywania operandów ogólnego przeznaczenia. Na tej podstawie określa się sposób wykonywania programów, schemat organizacji pamięci, tryb działania oraz charakterystykę mikroprocesora. Uniwersalna struktura MP może na przykład zawierać licznik programu, a także rejestry stanu i kontroli trybów pracy systemu. Przepływ pracy urządzenia w kontekście konfiguracji architektonicznej może być reprezentowany jako model transferów rejestrów, zapewniający adresowanie, wybieranie argumentów i instrukcji, przesyłanie wyników itp. Wykonanie różnych instrukcji, niezależnie od ich przypisania, będzie miało wpływ na stan rejestru, którego zawartość odzwierciedla aktualny stan procesora.
Ogólne informacje o budowie mikroprocesorów
W tym przypadku strukturę należy rozumieć nie tylko jako zbiór elementów działającego systemu, ale takżeśrodki połączenia między nimi, a także urządzenia zapewniające ich interakcję. Podobnie jak w klasyfikacji funkcjonalnej, zawartość struktury można wyrazić za pomocą trzech elementów - zawartości operacyjnej, środków komunikacji z magistralą i infrastrukturą sterującą.
Urządzenie części operacyjnej określa charakter dekodowania poleceń i przetwarzania danych. Kompleks ten może zawierać funkcjonalne bloki arytmetyczno-logiczne, a także rezystory do tymczasowego przechowywania informacji, w tym informacji o stanie mikroprocesora. Struktura logiczna przewiduje zastosowanie 16-bitowych rezystorów, które wykonują nie tylko procedury logiczne i arytmetyczne, ale także operacje przesuwania. Praca rejestrów może być organizowana według różnych schematów, które określają m.in. ich dostępność dla programisty. Oddzielny rejestr jest zarezerwowany dla funkcji akumulatora.
Złącza magistrali są odpowiedzialne za połączenia z urządzeniami peryferyjnymi. Zakres ich zadań obejmuje również pobieranie danych z pamięci oraz tworzenie kolejki poleceń. Typowa struktura mikroprocesora obejmuje wskaźnik poleceń IP, sumatory adresów, rejestry segmentowe i bufory, przez które obsługiwane są łącza z magistralami adresowymi.
Urządzenie sterujące z kolei generuje sygnały sterujące, odszyfrowuje polecenie, a także zapewnia działanie systemu komputerowego, wydając mikropolecenia dla wewnętrznych operacji MP.
Struktura podstawowego MP
Uproszczona struktura tego mikroprocesora zapewnia dwie funkcjeczęści:
- Sala operacyjna. Jednostka ta zawiera funkcje sterowania i przetwarzania danych, a także pamięć mikroprocesorową. W przeciwieństwie do pełnej konfiguracji, podstawowa struktura mikroprocesora wyklucza rejestry segmentowe. Niektóre urządzenia wykonawcze są połączone w jedną jednostkę funkcjonalną, co również podkreśla zoptymalizowany charakter tej architektury.
- Interfejs. W istocie środek zapewniający komunikację z główną autostradą. Ta część zawiera rejestry pamięci wewnętrznej i sumator adresów.
Zasada multipleksowania sygnału jest często stosowana w zewnętrznych kanałach wyjściowych podstawowych MP. Oznacza to, że sygnalizacja odbywa się na wspólnych kanałach z podziałem czasu. Dodatkowo, w zależności od aktualnego trybu pracy systemu, to samo wyjście może służyć do przesyłania sygnałów o różnych celach.
Struktura instrukcji mikroprocesora
Ta struktura w dużej mierze zależy od ogólnej konfiguracji i charakteru interakcji bloków funkcjonalnych MP. Jednak już na etapie projektowania systemu programiści określają możliwości zastosowania pewnego zestawu operacji, na podstawie których następnie tworzony jest zestaw poleceń. Najpopularniejsze funkcje poleceń to:
- Transfer danych. Polecenie wykonuje operacje przypisywania wartości operandów źródłowych i docelowych. Rejestry lub komórki pamięci mogą być używane jako te ostatnie.
- Wejście-wyjście. PoprzezUrządzenia interfejsu I/O przesyłają dane do portów. Zgodnie ze strukturą mikroprocesora i jego interakcją ze sprzętem peryferyjnym i jednostkami wewnętrznymi, polecenia ustawiają adresy portów.
- Konwersja typu. Określane są formaty i wartości rozmiarów używanych operandów.
- Przerwy. Ten typ instrukcji jest przeznaczony do sterowania przerwaniami programowymi - na przykład może to być zatrzymanie funkcji procesora, gdy urządzenia I / O zaczynają działać.
- Organizacja cykli. Instrukcje zmieniają wartość rejestru ECX, który może być używany jako licznik podczas wykonywania określonego kodu programu.
Z reguły nałożone są ograniczenia na podstawowe polecenia związane z możliwością pracy z określoną ilością pamięci przy jednoczesnym zarządzaniu rejestrami i ich zawartością.
Struktura zarządzania MP
System sterowania MP jest oparty na jednostce sterującej, która jest powiązana z kilkoma częściami funkcjonalnymi:
- Czujnik sygnału. Określa kolejność i parametry impulsów, równomiernie rozkładając je w czasie na szynach. Wśród cech charakterystycznych działania czujników jest liczba cykli i sygnałów sterujących wymaganych do wykonania operacji.
- Źródło sygnałów. Jedną z funkcji jednostki sterującej w strukturze mikroprocesora jest generowanie lub przetwarzanie sygnałów - czyli ich przełączanie w określonym cyklu na określonej magistrali.
- Dekoder kodu operacji. Wykonuje deszyfrowanie kodów operacji obecnych w rejestrze instrukcji naten moment. Wraz z określeniem aktywnej szyny procedura ta pomaga również wygenerować sekwencję impulsów sterujących.
Niemałe znaczenie w infrastrukturze sterującej ma trwałe urządzenie pamięciowe, które zawiera w swoich komórkach sygnały wymagane do wykonywania operacji przetwarzania. Do zliczania poleceń podczas przetwarzania danych impulsowych można użyć jednostki generowania adresu - jest to niezbędny element wewnętrznej struktury mikroprocesora, który jest zawarty w jednostce interfejsu systemu i umożliwia odczytywanie szczegółów rejestrów pamięci z pełnymi sygnałami.
Komponenty mikroprocesorowe
Większość bloków funkcjonalnych, jak również urządzeń zewnętrznych, jest zorganizowana między sobą a centralnym mikroukładem MP przez wewnętrzną magistralę. Można powiedzieć, że jest to sieć szkieletowa urządzenia, zapewniająca kompleksowe łącze komunikacyjne. Inna sprawa, że magistrala może zawierać również elementy o różnym przeznaczeniu funkcjonalnym – na przykład obwody do przesyłania danych, linie do przesyłania komórek pamięci, a także infrastrukturę do zapisu i odczytu informacji. Charakter interakcji między blokami samej magistrali jest określony przez strukturę mikroprocesora. Urządzenia zawarte w MP, oprócz szyny, obejmują:
- Jednostka arytmetyczno-logiczna. Jak już wspomniano, ten składnik jest przeznaczony do wykonywania operacji logicznych i arytmetycznych. Działa zarówno z danymi liczbowymi, jak i znakowymi.
- Urządzenie sterujące. Odpowiedzialny zakoordynacja w interakcji różnych części MT. W szczególności blok ten generuje sygnały sterujące, kierując je do różnych modułów urządzenia maszyny w określonych momentach.
- Pamięć mikroprocesora. Służy do rejestrowania, przechowywania i wydawania informacji. Dane mogą być powiązane zarówno z działającymi operacjami obliczeniowymi, jak i procesami obsługującymi maszynę.
- Procesor matematyczny. Jest używany jako moduł pomocniczy do zwiększenia prędkości podczas wykonywania złożonych operacji obliczeniowych.
Cechy struktury koprocesora
Nawet w ramach wykonywania typowych operacji arytmetycznych i logicznych, nie ma wystarczającej pojemności konwencjonalnego MP. Na przykład mikroprocesor nie ma możliwości wykonywania instrukcji arytmetycznych zmiennoprzecinkowych. Do takich zadań wykorzystywane są koprocesory, których struktura przewiduje połączenie centralnego procesora z kilkoma MP. Jednocześnie sama logika działania urządzenia nie różni się zasadniczo od podstawowych zasad konstruowania mikroukładów arytmetycznych.
Koprocesory wykonują typowe polecenia, ale w ścisłej interakcji z modułem centralnym. Ta konfiguracja zakłada stałe monitorowanie kolejek poleceń w wielu liniach. W fizycznej strukturze tego typu mikroprocesora dopuszcza się zastosowanie niezależnego modułu wejścia-wyjścia, którego cechą jest możliwość wyboru jego poleceń. Aby jednak taki schemat działał poprawnie, koprocesory muszą jasno określić źródło wyboru instrukcji,koordynowanie interakcji między modułami.
Zasada budowy uogólnionej struktury mikroprocesora o konfiguracji silnie sprzężonej wiąże się również z koncepcją urządzenia koprocesorowego. Jeśli w poprzednim przypadku możemy mówić o niezależnym bloku I/O z możliwością własnego doboru poleceń, to mocno sprzężona konfiguracja wiąże się z włączeniem w strukturę niezależnego procesora sterującego strumieniami poleceń.
Wniosek
Zasady tworzenia mikroprocesorów uległy kilku zmianom od czasu pojawienia się pierwszych urządzeń komputerowych. Zmieniły się cechy, projekty i wymagania dotyczące obsługi zasobów, co radykalnie zmieniło komputer, ale ogólna koncepcja z podstawowymi zasadami organizowania bloków funkcjonalnych w większości pozostaje taka sama. Jednak na przyszłość rozwoju struktur mikroprocesorowych może mieć wpływ nanotechnologia i pojawienie się systemów obliczeń kwantowych. Dziś takie obszary są rozważane na poziomie teoretycznym, ale duże korporacje aktywnie pracują nad perspektywami praktycznego wykorzystania nowych obwodów logicznych opartych na innowacyjnych technologiach. Na przykład, jako możliwa opcja dalszego rozwoju MT, nie wyklucza się użycia cząstek molekularnych i subatomowych, a tradycyjne obwody elektryczne mogą ustąpić miejsca systemom ukierunkowanej rotacji elektronów. Umożliwi to stworzenie mikroskopijnych procesorów o całkowicie nowej architekturze, których wydajność wielokrotnie przewyższy dzisiejszą. MP.
