Čovječanstvo je napravilo ogroman put ka stvaranju računala, bez kojih je nemoguće zamisliti moderno društvo sa svim aspektima svog života u sferama industrije, nacionalnog gospodarstva i kućanskih aparata. Ali i danas napredak nije uspostavljen, otvarajući nove oblike informatizacije. U središtu tehnološkog razvoja, već nekoliko desetljeća, je struktura mikroprocesora (MP), koja je poboljšana svojim funkcionalnim i strukturnim parametrima.

Koncept mikroprocesora

Općenito, koncept mikroprocesora predstavljen je kao softverski sustav ili sustav temeljen na velikom integriranom krugu (LIS). Uz pomoć MP-a, operacije se izvode na obradi podataka ili upravljanju sustavom, obradi informacija. U ranim fazama razvoja IP-a temeljili su se na odvojenim niskofunkcionalnim mikrokontrolama, u kojima su tranzistori bili prisutni u količinama u rasponu od nekoliko stotina do stotina. Najjednostavnija tipična mikroprocesorska struktura može sadržavati skupinu mikro-sklopova sa zajedničkim električnim, strukturnim i električnim parametrima. Takvi se sustavi nazivaju kit mikroprocesora. Zajedno s zastupnicima, jedan i isti sustav mogao bi se sastojati i od fiksnih i operativnih uređaja za pohranu, kao i kontrolera i sučelja za povezivanje vanjske opreme - opet, s kompatibilnim komunikacijama. Kao rezultat koncepta mikrokontrolera, dopunjen je komplet mikroprocesorasloženiji servisni uređaji, registri, sabirnici, tajmeri itd.


Danas se mikroprocesor sve više smatra zasebnim uređajem u kontekstu praktične primjene. Funkcionalna struktura i princip mikroprocesora već u fazi projektiranja vođeni su korištenjem računalnog uređaja dizajniranog za obavljanje niza zadataka vezanih uz izvršenje obrade i upravljanje informacijama. Ključna karika u procesima organiziranja rada mikroprocesorskog uređaja je kontroler koji služi za upravljanje konfiguracijom i načinima interakcije računalne jezgre sustava s vanjskom opremom. Kao posrednička veza između kontrolera i mikroprocesora, može se razmotriti integrirani procesor. Njegova funkcionalnost usmjerena je na rješavanje pomoćnih zadataka koji nisu izravno povezani s imenovanjem glavnog zastupnika. Konkretno, to mogu biti mrežne i komunikacijske funkcije koje osiguravaju rad mikroprocesorskog uređaja.

Klasifikacije mikroprocesora

Čak iu najjednostavnijim konfiguracijama MP-a, postoje mnogi tehnički i operativni parametri koji se mogu koristiti za klasificiranje značajki. Kako bi se potkrijepile osnovne razine klasifikacije, obično se razlikuju tri funkcionalna sustava - operativni, sučelje i kontrola. Svaki od ovih radnih prostora također pruža brojne parametre i karakteristike koje određuju prirodu rada uređaja. Sa stajališta tipičnogstrukturu mikroprocesorske klasifikacije, prije svega će se podijeliti uređaj na multi-kristalne i monokristalne modele. Prve karakterizira činjenica da njihove radne jedinice mogu djelovati samostalno i unaprijed obavljati određene naredbe. I u ovom primjeru, izražen MP, u kojem je naglasak na operativnoj funkciji. Takvi se procesori usredotočuju na obradu podataka. U toj istoj grupi, na primjer, tro-kristalni mikroprocesori mogu biti upravitelji i sučelje. To ne znači da ne postoji operativna funkcija, ali da bi se optimizirala većina komunikacijskih i energetskih resursa dodijeljen je zadatak generiranja mikroračunala ili interoperabilnosti s perifernim sustavima.
Što se tiče MP-ova s ​​jednim čipom, oni su razvijeni s fiksnim skupom naredbi i kompaktnim postavljanjem svih hardvera na jednu jezgru. U pogledu funkcionalnosti, struktura jednog kristala mikroprocesora je prilično ograničena, iako pouzdanija od segmentnih konfiguracija višekristalnih analoga. Druga važna klasifikacija odnosi se na performanse mikroprocesora na sučelju. Riječ je o načinima obrade ulaznih signala, koji se i danas dijele na digitalne i analogne. Iako su sami procesori digitalni uređaji, u nekim slučajevima sama uporaba analognih tokova opravdava cijenu i pouzdanost. Konverzija, međutim, treba koristiti posebne pretvarače koji pridonose energetskom opterećenju i strukturipunina radne platforme. Analogni MP-ovi (obično jednočipni) obavljaju zadatke standardnih analognih sustava - primjerice proizvode modulaciju, generiraju oscilacije, kodiraju i dekodiraju signal.
Na načelu privremene organizacije djelovanja zastupnici se dijele na sinkrone i asinkrone. Razlika je u karakteru signala prije početka nove operacije. Na primjer, u slučaju sinkronog uređaja, takve naredbe daju upravljačke module bez obzira na izvođenje trenutnih operacija. U slučaju asinkronih MP-ova, sličan se signal može primijeniti automatski nakon završetka prethodne operacije. Da biste to učinili, u logičkoj strukturi mikroprocesora asinkroni tip pruža elektronički sklop koji osigurava rad pojedinih komponenti u offline načinu rada, ako je potrebno. Složenost provedbe takvog načina organiziranja rada MP-a posljedica je činjenice da u vrijeme završetka jedne operacije nije uvijek slučaj da postoji dovoljno jednog ili drugog resursa za početak sljedećeg. CPU memorija se obično koristi kao veza koja upravlja prioritetima u odabiru daljnjih operacija.

Mikroprocesori opće i posebne namjene

Glavno područje primjene MP-a opće namjene su radne stanice, osobna računala, poslužitelji i elektronički uređaji namijenjeni za masovnu uporabu. Njihova funkcionalna infrastruktura usmjerena je na širok raspon zadataka vezanih uz obradu informacija. Ove uređaje razvio je SPARC,Intel, Motorola, IBM i drugi.

Specijalizirani mikroprocesori, čije su karakteristike i struktura izgrađeni na temelju moćnih kontrolera, provode složene postupke za obradu i transformaciju digitalnih i analognih signala. To je prilično različit segment u kojem su predstavljene tisuće konfiguracija. Osobitosti strukture MP ovog tipa uključuju upotrebu jednog kristala kao osnove za središnji procesor, koji se pak može povezati s velikim brojem perifernih uređaja. To uključuje sredstva za ulaz /izlaz, blokove s tajmerima, sučelja, analogno-digitalne pretvarače. Tu je i praksa povezivanja specijaliziranih uređaja kao što su generatori signala širine impulsa. Zbog uporabe interne memorije takvi sustavi imaju mali broj pomoćnih komponenti koje podržavaju rad mikrokontrolera.

Značajke mikroprocesora

Operativni parametri određuju raspon zadataka uređaja i skup komponenti koje se u načelu mogu koristiti u određenoj strukturi mikroprocesora. Glavne karakteristike MP-a mogu se prikazati na sljedeći način:

Frekvencija sata. Određuje broj osnovnih operacija koje sustav može izvesti za 1 sek. i izraženo u MHz. Unatoč razlikama u strukturi, različiti zastupnici uglavnom obavljaju slične zadatke, ali u svakom slučaju zahtijeva individualno vrijeme, koje se prikazuje u broju ciklusa. MP je moćniji, što više postupaka može izvršiti unutar jedne vremenske jedinice.

Bit. Broj binarnih diskova koje uređaj može izvoditi u isto vrijeme. Dodijelite malo guma, brzina prijenosa podataka i interne registre, itd.

Volumen privremene memorije. Ova memorija je uključena u unutarnju strukturu mikroprocesora i uvijek radi na graničnim frekvencijama. U fizičkom prikazu, to je kristal, smješten na glavnom čipu MP-a i povezan s jezgrom mikroprocesorske sabirnice.

Konfiguracija. U ovom slučaju radi se o organiziranju naredbi i metodama adresiranja. Praktično tip konfiguracije može značiti mogućnost kombiniranja procesa izvršavanja više naredbi istovremeno, načina i principa rada MP-a i prisutnosti perifernih uređaja u osnovnom sustavu mikroprocesora.

Arhitektura mikroprocesora

Općenito govoreći, IP je univerzalni rukovatelj informacijama, ali u nekim područjima njegova rada često su potrebne posebne konfiguracijske konfiguracije njegove strukture. Arhitektura mikroprocesora odražava specifičnosti primjene određenog modela, uzrokujući značajke hardvera i softvera integrirane u sustav. Naime, jezik se može odnositi na namijenjene operativne uređaje, programske registre, načine adresiranja i skupove naredbi.
U prikazu arhitekture i obilježja rada IP-a često koriste sheme uređaja i interakcije dostupnih programskih registara koji sadrže kontrolne informacije i operande (podaci koji se obrađuju). Prema tome, u modelu registra postoji grupa registara usluga, kao i segmenti za pohranuoperandi opće namjene. Na temelju toga određuje se način izvođenja programa, shema organizacije memorije, način rada i karakteristike mikroprocesora. MP-struktura opće namjene, na primjer, može uključivati ​​programski brojač, kao i registre stanja i kontrolu načina rada sustava. Proces rada aranžmana u kontekstu arhitektonske konfiguracije može se predstaviti kao model prijenosa registara, pružanje adresiranja, izbor operanda i naredbi, prosljeđivanje rezultata, itd. Izvođenje različitih naredbi, bez obzira na svrhu, utjecat će na statusni registar, čiji sadržaj odražava trenutno stanje procesora ,

Opće informacije o strukturi mikroprocesora

U ovom slučaju, struktura treba razumjeti ne samo skup komponenti radnog sustava, nego i sredstva komunikacije između njih, kao i uređaje koji osiguravaju njihovu interakciju. Kao iu funkcionalnoj klasifikaciji, sadržaj strukture može se izraziti kroz tri odlazna - operativni sadržaj, sredstva komunikacije s autobusom i upravljačku infrastrukturu. Uređaj djeluje dio definira prirodu dekodiranja naredbi i obradu podataka. Ovaj kompleks može uključivati ​​aritmetičke logičke funkcionalne blokove, kao i otpornike za privremeno skladištenje informacija, uključujući stanje mikroprocesora. U logičkoj strukturi pretpostavlja se da se koriste 16-bitni otpornici koji izvode ne samo logičke i aritmetičke postupke, već i offset operacije. Rad registara može se organizirati na različite načinesheme koje određuju njihovu dostupnost programeru. Dodijeljen je zaseban registar za osiguravanje funkcije baterije. Uređaj za komunikaciju s autobusom odgovoran je za spajanje periferne opreme. Raspon njihovih zadataka također uključuje implementaciju uzorka memorijskih podataka i formiranje reda naredbi. Tipična struktura mikroprocesora uključuje pokazivač na IP naredbe, skupne agregatore, segmentne registre i međuspremnike koji služe za komunikaciju s adresama sabirnice. Upravljački uređaj, s druge strane, generira upravljačke signale, obavlja dešifriranje naredbe, a također osigurava rad računalnog sustava, dajući mikroračunalima unutarnje operacije MP-a.

Struktura baze MP

Pojednostavljena struktura ovog mikroprocesora osigurava dva funkcionalna dijela:

Operativni. Ova jedinica uključuje upravljanje i obradu podataka, kao i memoriju mikroprocesora. Za razliku od potpune konfiguracije, struktura osnovnog mikroprocesora eliminira prisutnost segmentnih registara. Neki aktuatori su kombinirani u jedan funkcionalni blok, što također naglašava optimiziranu prirodu arhitekture.

Sučelje. U biti, sredstva komunikacije s glavnom linijom. Ovaj dio sadrži interne memorijske registre i adrese sabirača.

Načelo multipleksiranja signala često se koristi na vanjskim izlaznim kanalima baznih MP-ova. To znači da se signali prenose preko zajedničkih kanala s vremenskom podjelom. Osim toga, ovisno o trenutnojoperativni sustav istog izlaza može se koristiti za prijenos signala različitih namjena.

Struktura naredbi mikroprocesora

Ova struktura u velikoj mjeri ovisi o općoj konfiguraciji i prirodi interakcije funkcionalnih blokova zastupnika. Međutim, u fazi projektiranja sustava, programeri postaviti priliku da primijeni određeni niz operacija na temelju kojih naknadno formiran skup naredbi. Najčešće funkcije naredbi uključuju sljedeće:

Prijenos podataka. Naredba provodi operacije koje dodjeljuju vrijednosti operanda izvora i prijemnika. Kao posljednje, mogu se koristiti registri ili memorijske ćelije.

Ulaz-izlaz. Preko uređaja za ulaz /izlaz sučelja, prenose se podatkovni priključci. U skladu sa strukturom mikroprocesora i njegovom interakcijom s perifernim hardverom i unutarnjim blokovima, naredbe su specificirane adrese portova.

Pretvaranje vrsta. Definira formate i dimenzijske vrijednosti korištenih operanada.

Prekidi. Ovaj tip naredbi je dizajniran za kontrolu prekida programa - na primjer, može zaustaviti funkciju procesora u pozadini I /O uređaja.

Organizacija ciklusa. Naredbe mijenjaju vrijednost ECX registra, koji se može koristiti kao brojač kod izvršavanja određenog programskog koda.

U pravilu, osnovne naredbe nameću ograničenja vezana uz sposobnost upravljanja određenim količinama memorije,istodobno upravljanje registrima i njihov sadržaj.

MP upravljačka struktura

Sustav upravljanja MP se temelji na upravljačkoj jedinici, koja je povezana s nekoliko funkcionalnih dijelova:

Signalni senzor. Određuje redoslijed i parametre impulsa, ravnomjerno ih raspoređuje na vrijeme na gumama. Među karakteristikama rada senzora je broj kontaktnih mreža i kontrolnih signala potrebnih za izvođenje operacija.

Izvor signala. Jedna od funkcija kontrolne jedinice u strukturi mikroprocesora je dodijeljena za generiranje ili obradu signala - to jest, njihovo prebacivanje unutar određenog takta na određenoj sabirnici.

Dekoder koda transakcije. Provodi dešifriranje kodova operacija prisutnih u naredbenom registru u trenutnom trenutku. Zajedno s definicijom aktivne sabirnice, ovaj postupak pomaže da se formira niz kontrolnih impulsa.

Važnost upravljačke infrastrukture ima uređaj za trajno pohranjivanje koji u svojim ćelijama sadrži signale potrebne za obavljanje postupaka obrade. Za račun naredbi pri obradi impulsnih podataka može se koristiti čvorno formiranje adrese - to je nužna komponenta unutarnje strukture mikroprocesora, koja je uključena u sučelje jedinice sustava i omogućuje čitanje pojedinosti memorijskih registara sa signalima u cijelosti.

Komponente mikroprocesora

Većina funkcionalnih blokova, kao i vanjski uređaji, organizirani su međusobno i središnji čip MP-a preko internog sabirnice. Može se reći da je ovo glavna mrežauređaj koji pruža sveobuhvatnu komunikacijsku vezu. Druga stvar je da guma može imati elemente koji se razlikuju u funkcionalnosti, kao što su putovi za prijenos podataka, linije staničnih memorija i infrastruktura za snimanje i čitanje informacija. Priroda interakcije između blokova same sabirnice određena je strukturom mikroprocesora. U uređaje uključene u sastav MP-a, osim guma, ubrajamo i sljedeće:

aritmetički logički uređaj. Kao što je već spomenuto, ova komponenta je dizajnirana za izvođenje logičkih i aritmetičkih operacija. Djeluje i numerički i sa simboličkim podacima.

Upravljačka jedinica. Odgovoran za koordinaciju u interakciji različitih dijelova MP-a. Konkretno, ovaj blok generira upravljačke signale koji ih šalju različitim modulima strojnih uređaja u određenim trenucima vremena.

Memorija mikroprocesora. Koristi se za snimanje, pohranjivanje i izdavanje informacija. Podaci mogu biti povezani s radnim računalnim operacijama i procesima koji poslužuju stroj.

Matematički procesor. Koristi se kao pomoćni modul za povećanje brzine pri izvođenju složenih računalnih operacija.

Značajke strukture suprocesora

Čak iu okviru izvođenja tipičnih aritmetičkih logičkih operacija, nema dovoljno kapaciteta običnih MP-ova. Primjerice, mikroprocesor nema sposobnost izvršavanja aritmetičkih naredbi koje uključuju korištenje brojeva s pomičnim zarezom. Za slične zadatke u strukturi koristite koprocesorekoji bi trebao ujediniti CPU s nekoliko zastupnika. U isto vrijeme, logika samog uređaja nema temeljnu razliku od osnovnih pravila konstruiranja aritmetičkih čipova. Koprocesori izvršavaju tipične naredbe, ali u uskoj interakciji s centralnim modulom. Ova konfiguracija omogućuje kontinuirano praćenje timskih redova na nekoliko linija. U fizičkoj strukturi mikroprocesora ovog tipa dopušteno je koristiti neovisni modul za pružanje U /I, čija je značajka mogućnost odabira njihovih naredbi. Međutim, za ispravan rad takve sheme, su-procesori moraju jasno identificirati izvor izbora naredbi, usklađujući interakciju između modula. Koncept koprocesorskog uređaja također uključuje konstrukciju generalizirane mikroprocesorske strukture s vrlo konfigurabilnom konfiguracijom. Ako se u prethodnom slučaju može reći za neovisni I /O blok s mogućnošću vlastitog odabira naredbi, čvrsto povezana konfiguracija uključuje uključivanje u strukturu nezavisnog procesora, upravljanje nitima naredbi.

Zaključak

Principi stvaranja mikroprocesora doživjeli su neke promjene od nastanka prvih računalnih uređaja. Specifikacije, dizajn i zahtjevi za podrškom resursima dramatično su se promijenili, ali je opći koncept s osnovnim pravilima za organiziranje funkcionalnih blokova bio u velikoj mjeri nepromijenjen. Ipak, budući razvoj strukture mikroprocesora može utjecatinanotehnologija i nastanak kvantnih računalnih sustava. Danas se takva područja razmatraju na teoretskoj razini, ali velike korporacije aktivno rade na izgledima za praktičnu uporabu novih logičkih shema u inovativnim tehnologijama. Na primjer, korištenje molekularnih i subatomskih čestica ne može se isključiti kao opcija za daljnji razvoj MP-a, a tradicionalni električni krugovi mogu ustupiti mjesto sustavima usmjerene rotacije elektrona. To će omogućiti stvaranje mikroskopskih procesora s fundamentalno novom arhitekturom, čije će izvedbene karakteristike biti mnogo puta veće od današnjih zastupnika.