Menneskeheden er nået langt hen imod skabelsen af computere, uden hvilke det er umuligt at forestille sig det moderne samfund med alle aspekter af dets liv inden for industri, national økonomi og husholdningsapparater. Men selv i dag står fremskridtet ikke stille og åbner op for nye former for computerisering. I centrum for den teknologiske udvikling i flere årtier nu er strukturen af mikroprocessoren (MP), som er ved at blive forbedret i dens funktionelle og designmæssige parametre.
Mikroprocessorkoncept
I en generel forstand præsenteres begrebet mikroprocessor som en programstyret enhed eller et system baseret på et stort integreret kredsløb (LSI). Ved hjælp af MP udføres databehandlingsoperationer eller styring af systemer, der behandler information. På de første stadierUdviklingen af MP var baseret på separate lavfunktionelle mikrokredsløb, hvor transistorer var til stede i mængder fra nogle få til hundredvis. Den enkleste typiske mikroprocessorstruktur kunne indeholde en gruppe mikrokredsløb med fælles elektriske, strukturelle og elektriske parametre. Sådanne systemer kaldes et mikroprocessorsæt. Sammen med MP kunne et system også bestå af permanente og vilkårlige hukommelsesenheder, samt controllere og interfaces til tilslutning af eksternt udstyr - igen gennem kompatibel kommunikation. Som et resultat af udviklingen af konceptet med mikrocontrollere blev mikroprocessorsættet suppleret med mere komplekse serviceenheder, registre, buschauffører, timere osv.
I dag betragtes mikroprocessoren mindre og mindre som en separat enhed i forbindelse med praktiske applikationer. Den funktionelle struktur og funktionsprincip for mikroprocessoren allerede på designstadierne styres af brugen som en del af en computerenhed designet til at udføre en række opgaver relateret til behandling og styring af information. Nøgleleddet i processerne til at organisere driften af en mikroprocessorenhed er controlleren, som vedligeholder kontrolkonfigurationen og interaktionsmåderne mellem systemets computerkerne og eksternt udstyr. En integreret processor kan betragtes som et mellemled mellem controlleren og mikroprocessoren. Dens funktionalitet er fokuseret på at løse hjælpeopgaver, der ikke er direkte relateret til formålet med hoved-MT. Det kan især være netværks- og kommunikationsfunktioner, der sikrer driften af mikroprocessorenheden.
Klassifikationer af mikroprocessorer
Selv i de enkleste konfigurationer har MP'er mange tekniske og operationelle parametre, som kan bruges til at indstille klassifikationsfunktioner. For at retfærdiggøre de vigtigste klassifikationsniveauer skelnes der norm alt mellem tre funktionelle systemer - operationelle, interface og kontrol. Hver af disse arbejdsdele giver også en række parametre og kendetegn, der bestemmer arten af enhedens drift.
Ud fra den typiske struktur af mikroprocessorer vil klassificeringen primært opdele enheder i multi-chip og single-chip modeller. Førstnævnte er kendetegnet ved, at deres arbejdsenheder kan fungere offline og udføre forudbestemte kommandoer. Og i dette eksempel vil der blive udt alt parlamentsmedlemmer, hvor der lægges vægt på den operationelle funktion. Sådanne databehandlere er fokuseret på databehandling. I samme gruppe kan for eksempel tre-chip mikroprocessorer være kontrol og interface. Dette betyder ikke, at de ikke har en operationel funktion, men af hensyn til optimering er de fleste kommunikations- og strømressourcer allokeret til opgaverne med at generere mikroinstruktioner eller evnen til at interagere med perifere systemer.
Med hensyn til enkelt-chip MP'er er de udviklet med et fast sæt instruktioner og kompakt placering af al hardwarepå den ene kerne. Med hensyn til funktionalitet er strukturen af en enkelt-chip mikroprocessor ret begrænset, selvom den er mere pålidelig end segmentkonfigurationer af multi-chip analoger.
En anden vigtig klassifikation refererer til interfacedesignet af mikroprocessorer. Vi taler om måder at behandle inputsignaler på, som i dag fortsat er opdelt i digitale og analoge. Selvom processorerne i sig selv er digitale enheder, retfærdiggør brugen af analoge streams i nogle tilfælde sig selv med hensyn til pris og pålidelighed. Til ombygning skal der dog anvendes specielle omformere, som bidrager til arbejdsplatformens energibelastning og strukturelle fylde. Analoge MP'er (norm alt single-chip) udfører opgaverne i standard analoge systemer - for eksempel producerer de modulering, genererer oscillationer, koder og afkoder et signal.
I henhold til princippet om midlertidig organisering af MP's funktion er de opdelt i synkrone og asynkrone. Forskellen ligger i karakteren af signalet til at starte en ny operation. For eksempel, i tilfælde af en synkron enhed, gives sådanne kommandoer af kontrolmoduler, uanset udførelsen af aktuelle operationer. I tilfælde af asynkrone MP'er kan et lignende signal gives automatisk efter afslutning af den foregående operation. For at gøre dette er der tilvejebragt et elektronisk kredsløb i den logiske struktur af den asynkrone type mikroprocessor, som sikrer driften af individuelle komponenter i offline-tilstand, hvis det er nødvendigt. Kompleksiteten ved at implementere denne metode til at organisere MP's arbejde skyldes det faktum, at altid i det øjeblik, hvor en operation er afsluttet, er der nok visse ressourcer til at starte den næste. Processorhukommelse bruges typisk som et prioriteringsled i selve valget af efterfølgende operationer.
Mikroprocessorer til generelle og specielle formål
Hovedområdet for MP til generelle formål er arbejdsstationer, personlige computere, servere og elektroniske enheder beregnet til massebrug. Deres funktionelle infrastruktur er fokuseret på at udføre en bred vifte af opgaver relateret til informationsbehandling. Sådanne enheder udvikles af SPARC, Intel, Motorola, IBM og andre.
Specialiserede mikroprocessorer, hvis karakteristika og struktur er baseret på kraftfulde controllere, implementerer komplekse procedurer til behandling og konvertering af digitale og analoge signaler. Dette er et meget forskelligartet segment med tusindvis af konfigurationstyper. Det særlige ved MP-strukturen af denne type omfatter brugen af en krystal som base for den centrale processor, som igen kan forbindes med et stort antal perifere enheder. Blandt dem er midlerne til input / output, blokke med timere, grænseflader, analog-til-digital-konvertere. Det praktiseres også at forbinde specialiserede enheder som blokke til generering af pulsbreddesignaler. På grund af brugen af intern hukommelse har sådanne systemer et lille antal hjælpekomponenter, der understøtter driftenmikrocontroller.
Mikroprocessorspecifikationer
Driftsparametre definerer rækken af enhedsopgaver og det sæt af komponenter, der i princippet kan bruges i en bestemt mikroprocessorstruktur. MP's hovedkarakteristika kan repræsenteres som følger:
- Urfrekvens. Angiver antallet af elementære handlinger, som systemet kan udføre på 1 sekund. og er udtrykt i MHz. På trods af forskellene i struktur udfører forskellige parlamentsmedlemmer for det meste lignende opgaver, men i hvert tilfælde kræver det individuel tid, hvilket afspejles i antallet af cyklusser. Jo mere kraftfuld MP er, jo flere procedurer kan den udføre inden for én tidsenhed.
- Bredde. Antallet af bits, som enheden kan udføre på samme tid. Tildel busbredde, dataoverførselshastighed, interne registre osv.
- Mængden af cachehukommelse. Dette er den hukommelse, der er inkluderet i mikroprocessorens interne struktur og altid fungerer ved begrænsende frekvenser. I den fysiske repræsentation er dette en krystal placeret på MP-hovedchippen og koblet til mikroprocessorens buskerne.
- Konfiguration. I dette tilfælde taler vi om organisering af kommandoer og adresseringsmetoder. I praksis kan typen af konfiguration betyde muligheden for at kombinere processerne med at udføre flere kommandoer på samme tid, tilstandene og principperne for MP-drift og tilstedeværelsen af perifere enheder i det grundlæggende mikroprocessorsystem.
Mikroprocessorarkitektur
I det store hele er MP universelinformationsprocessor, men i nogle områder af dens drift kræves der ofte specielle konfigurationer til udførelsen af dens struktur. Arkitekturen af mikroprocessorer afspejler specifikationerne for anvendelsen af en bestemt model, hvilket forårsager funktionerne i hardware og software integreret i systemet. Specifikt kan vi tale om de medfølgende aktuatorer, programregistre, adresseringsmetoder og instruktionssæt.
I repræsentationen af arkitekturen og funktionerne i MP'ens funktion bruger de ofte enhedsdiagrammer og interaktionen af tilgængelige softwareregistre, der indeholder kontrolinformation og operander (behandlede data). Derfor er der i registermodellen en gruppe af serviceregistre, samt segmenter til lagring af generelle operander. På dette grundlag bestemmes metoden til udførelse af programmer, skemaet for hukommelsesorganisation, driftsmåden og mikroprocessorens egenskaber. MP-strukturen til generelle formål kan for eksempel omfatte en programtæller såvel som registre for status og kontrol af systemdriftstilstandene. En enheds arbejdsgang i sammenhæng med en arkitektonisk konfiguration kan repræsenteres som en model af registeroverførsler, levering af adressering, valg af operander og instruktioner, overførsel af resultater osv. Udførelsen af forskellige instruktioner, uanset tildelingen, vil påvirke statussen register, hvis indhold afspejler processorens aktuelle tilstand.
Generelle oplysninger om strukturen af mikroprocessorer
I dette tilfælde skal strukturen ikke kun forstås som et sæt komponenter i arbejdssystemet, men ogsåmidler til forbindelse mellem dem, samt enheder, der sikrer deres interaktion. Som i den funktionelle klassifikation kan strukturens indhold udtrykkes gennem tre komponenter - operationelt indhold, kommunikationsmidler med bussen og kontrolinfrastruktur.
Betjeningsdelens enhed bestemmer arten af kommandoafkodning og databehandling. Dette kompleks kan omfatte aritmetisk-logiske funktionsblokke, såvel som modstande til midlertidig lagring af information, herunder information om mikroprocessorens tilstand. Den logiske struktur sørger for brugen af 16-bit modstande, der udfører ikke kun logiske og aritmetiske procedurer, men også skiftoperationer. Arbejdet med registre kan organiseres efter forskellige skemaer, som blandt andet bestemmer deres tilgængelighed for programmøren. Et separat register er reserveret til batteripakkefunktionen.
Buskoblinger er ansvarlige for forbindelser til perifert udstyr. Omfanget af deres opgaver omfatter også at hente data fra hukommelsen og danne en kø af kommandoer. Den typiske mikroprocessorstruktur omfatter en IP-kommandopointer, adresseaddere, segmentregistre og buffere, hvorigennem forbindelser med adressebusser betjenes.
Styreenheden genererer på sin side styresignaler, dekrypterer kommandoen og sikrer også driften af computersystemet og udsteder mikrokommandoer til interne MP-operationer.
Struktur af grundlæggende MP
Den forenklede struktur af denne mikroprocessor giver to funktionelledele:
- Operationsstue. Denne enhed inkluderer kontrol- og databehandlingsfaciliteter samt mikroprocessorhukommelse. I modsætning til den fulde konfiguration udelukker den grundlæggende mikroprocessorstruktur segmentregistre. Nogle eksekveringsenheder er kombineret til én funktionel enhed, hvilket også understreger den optimerede karakter af denne arkitektur.
- Grænseflade. I det væsentlige et middel til at give kommunikation med hovedvejen. Denne del indeholder de interne hukommelsesregistre og adresseadderen.
Princippet for signalmultipleksing bruges ofte på de eksterne udgangskanaler for grundlæggende MP'er. Det betyder, at signaleringen foregår over fælles tidsdelingskanaler. Afhængigt af systemets aktuelle driftstilstand kan den samme udgang desuden bruges til at sende signaler til forskellige formål.
Mikroprocessorinstruktionsstruktur
Denne struktur afhænger i høj grad af den generelle konfiguration og arten af interaktionen mellem MP-funktionsblokkene. Men selv på designstadiet af systemet fastlægger udviklerne mulighederne for at anvende en bestemt række af operationer baseret på hvilke et sæt kommandoer efterfølgende dannes. De mest almindelige kommandofunktioner inkluderer:
- Dataoverførsel. Kommandoen udfører operationerne med at tildele værdierne for kilde- og destinationsoperander. Registre eller hukommelsesceller kan bruges som sidstnævnte.
- Input-output. igennemI/O-interfaceenheder overfører data til porte. I overensstemmelse med strukturen af mikroprocessoren og dens interaktion med perifer hardware og interne enheder, indstiller kommandoerne portadresserne.
- Typekonvertering. Formaterne og størrelsesværdierne for de anvendte operander bestemmes.
- Afbrydelser. Denne type instruktion er designet til at styre softwareafbrydelser - det kan for eksempel være et stop af processorfunktion, mens I/O-enheder begynder at fungere.
- Organisering af cyklusser. Instruktioner ændrer værdien af ECX-registeret, som kan bruges som tæller ved afvikling af bestemt programkode.
Som regel pålægges der begrænsninger på grundlæggende kommandoer relateret til evnen til at arbejde med visse mængder hukommelse, samtidig administrere registre og deres indhold.
MP-ledelsesstruktur
MP styresystem er baseret på styreenheden, som er forbundet med flere funktionelle dele:
- Signalsensor. Bestemmer sekvensen og parametrene for pulser og fordeler dem jævnt i tid på tværs af busserne. Blandt karakteristika for driften af sensorer er antallet af cyklusser og styresignaler, der kræves for at udføre operationer.
- Kilde til signaler. En af kontrolenhedens funktioner i mikroprocessorens struktur er tildelt generering eller behandling af signaler - det vil sige deres omskiftning inden for en bestemt cyklus på en bestemt bus.
- Driftskodedekoder. Udfører dekryptering af operationskoderne i instruktionsregistret pådette øjeblik. Sammen med bestemmelse af den aktive bus hjælper denne procedure også med at generere en sekvens af styreimpulser.
Af ikke ringe betydning i kontrolinfrastrukturen er en permanent lagerenhed, der i sine celler indeholder de signaler, der kræves for at udføre behandlingsoperationer. For at tælle kommandoer ved behandling af pulsdata kan en adressegenereringsenhed bruges - dette er en nødvendig komponent i mikroprocessorens interne struktur, som er inkluderet i systemets interfaceenhed og giver dig mulighed for at læse detaljerne i hukommelsesregistrene med hele signaler.
Mikroprocessorkomponenter
De fleste af de funktionelle blokke, såvel som eksterne enheder, er organiseret mellem sig selv og det centrale mikrokredsløb MP gennem den interne bus. Det kan siges, at dette er enhedens rygradsnetværk, der giver en omfattende kommunikationsforbindelse. En anden ting er, at bussen også kan indeholde elementer af forskellige funktionelle formål - for eksempel kredsløb til dataoverførsel, linjer til overførsel af hukommelsesceller samt en infrastruktur til at skrive og læse information. Arten af interaktionen mellem blokkene i selve bussen bestemmes af mikroprocessorens struktur. De enheder, der er inkluderet i MP, omfatter ud over bussen følgende:
- Aritmetisk logisk enhed. Som allerede nævnt er denne komponent designet til at udføre logiske og aritmetiske operationer. Det fungerer med både numeriske data og tegndata.
- Kontrolenhed. Ansvarlig forkoordinering i samspillet mellem forskellige dele af MT. Især genererer denne blok styresignaler, der dirigerer dem til forskellige moduler i maskinenheden på bestemte tidspunkter.
- Mikroprocessorhukommelse. Bruges til at registrere, gemme og udstede oplysninger. Data kan associeres med både fungerende beregningsoperationer og processer, der betjener maskinen.
- Matematikprocessor. Det bruges som et hjælpemodul til at øge hastigheden, når der udføres komplekse beregningsoperationer.
Funktioner i coprocessorstrukturen
Selv inden for rammerne af at udføre typiske aritmetiske og logiske operationer, er der ikke nok kapacitet til en konventionel MP. For eksempel har mikroprocessoren ikke evnen til at udføre flydende aritmetiske instruktioner. Til sådanne opgaver bruges coprocessors, hvis struktur giver mulighed for kombinationen af en central processor med flere MP'er. Samtidig har logikken i selve enhedsoperationen ingen grundlæggende forskelle fra de grundlæggende regler for konstruktion af aritmetiske mikrokredsløb.
Coprocessorer udfører typiske kommandoer, men i tæt samspil med det centrale modul. Denne konfiguration forudsætter konstant overvågning af kommandokøer på tværs af flere linjer. I den fysiske struktur af en mikroprocessor af denne type er det tilladt at bruge et uafhængigt modul til at levere input-output, hvoraf en funktion er evnen til at vælge dens kommandoer. Men for at en sådan ordning skal fungere korrekt, skal coprocessorer klart definere kilden til instruktionsvalg,koordinerende interaktion mellem moduler.
Princippet om at bygge en generaliseret struktur af en mikroprocessor med en stærkt koblet konfiguration er også forbundet med konceptet med en coprocessor-enhed. Hvis vi i det foregående tilfælde kan tale om en uafhængig I/O-blok med mulighed for sit eget valg af kommandoer, så involverer en stærkt koblet konfiguration inklusion i strukturen af en uafhængig processor, der styrer kommandostrømme.
Konklusion
Principperne for oprettelse af mikroprocessorer har undergået få ændringer siden fremkomsten af de første computerenheder. Karakteristika, design og krav til ressourceunderstøttelse har ændret sig, hvilket radik alt har ændret computeren, men det generelle koncept med de grundlæggende regler for organisering af funktionelle blokke forbliver for det meste det samme. Imidlertid kan fremtiden for udvikling af mikroprocessorstrukturer blive påvirket af nanoteknologi og fremkomsten af kvantecomputersystemer. I dag betragtes sådanne områder på det teoretiske niveau, men store virksomheder arbejder aktivt på mulighederne for praktisk brug af nye logiske kredsløb baseret på innovative teknologier. For eksempel er brugen af molekylære og subatomære partikler som en mulig mulighed for videreudvikling af MT ikke udelukket, og traditionelle elektriske kredsløb kan vige for systemer med rettet elektronrotation. Dette vil gøre det muligt at skabe mikroskopiske processorer med en fundament alt ny arkitektur, hvis ydeevne mange gange vil overstige nutidens. MP.
