Ihmiskunta on kulkenut pitkän tien kohti tietokoneiden luomista, joita ilman on mahdotonta kuvitella modernia yhteiskuntaa kaikilla sen elämän osa-alueilla teollisuuden, kansantalouden ja kodinkoneiden aloilla. Mutta vielä nykyäänkään kehitys ei pysähdy, mikä avaa uusia tietokoneistumisen muotoja. Teknologisen kehityksen keskiössä jo useiden vuosikymmenten ajan on ollut mikroprosessorin (MP) rakenne, jonka toiminta- ja suunnitteluparametreja parannetaan.
Mikroprosessorikonsepti
Yleisessä mielessä mikroprosessorin käsite esitetään ohjelmaohjattavana laitteena tai järjestelmänä, joka perustuu suureen integroituun piiriin (LSI). MP:n avulla suoritetaan tietojenkäsittelytoimintoja tai tietoa käsittelevien järjestelmien hallintaa. Ensimmäisessä vaiheessaMP:n kehitys perustui erillisiin heikosti toimiviin mikropiireihin, joissa transistoreja oli muutamasta satoihin. Yksinkertaisin tyypillinen mikroprosessorirakenne voisi sisältää ryhmän mikropiirejä, joilla on yhteiset sähköiset, rakenteelliset ja sähköiset parametrit. Tällaisia järjestelmiä kutsutaan mikroprosessorijoukoiksi. MP:n ohella yksi järjestelmä voisi koostua myös pysyvistä ja hajasaantimuistilaitteista sekä ohjaimista ja liitännöistä ulkoisten laitteiden kytkemiseksi - jälleen yhteensopivien tietoliikenneyhteyksien kautta. Mikro-ohjainkonseptin kehityksen seurauksena mikroprosessorisarjaa täydennettiin monimutkaisemmilla palvelulaitteilla, rekistereillä, väyläohjaimilla, ajastimilla jne.
Nykyään mikroprosessoria pidetään yhä vähemmän erillisenä laitteena käytännön sovelluksissa. Mikroprosessorin toiminnallista rakennetta ja toimintaperiaatetta ohjaa jo suunnitteluvaiheessa käyttö osana laskentalaitetta, joka on suunniteltu suorittamaan useita tiedon käsittelyyn ja hallintaan liittyviä tehtäviä. Mikroprosessorilaitteen toiminnan organisointiprosesseissa avainlinkki on ohjain, joka ylläpitää ohjauskonfiguraatiota ja vuorovaikutustapoja järjestelmän laskentaytimen ja ulkoisten laitteiden välillä. Integroitua prosessoria voidaan pitää välilinkkinä ohjaimen ja mikroprosessorin välillä. Sen toiminnallisuus keskittyy sellaisten aputehtävien ratkaisemiseen, jotka eivät liity suoraan pää-MT:n tarkoitukseen. Nämä voivat olla erityisesti verkko- ja viestintätoimintoja, jotka varmistavat mikroprosessorilaitteen toiminnan.
Mikroprosessorien luokitukset
Jopa yksinkertaisimmissa kokoonpanoissa MP:issä on monia teknisiä ja toiminnallisia parametreja, joita voidaan käyttää luokitteluominaisuuksien asettamiseen. Luokituksen päätasojen perustelemiseksi erotetaan yleensä kolme toiminnallista järjestelmää - toiminnallinen, rajapinta ja ohjaus. Jokainen näistä työosista sisältää myös joukon parametreja ja erottavia ominaisuuksia, jotka määrittävät laitteen toiminnan luonteen.
Mikroprosessorien tyypillisen rakenteen kann alta luokittelussa laitteet jaetaan ensisijaisesti monisiruisiin ja yksisiruisiin malleihin. Ensin mainituille on ominaista se, että niiden työyksiköt voivat toimia offline-tilassa ja suorittaa enn alta määrättyjä komentoja. Ja tässä esimerkissä äänestetään MP:t, joissa painotetaan operatiivista toimintaa. Tällaiset prosessorit ovat keskittyneet tietojenkäsittelyyn. Samassa ryhmässä esim. kolmisiruiset mikroprosessorit voivat olla ohjaus- ja rajapintoja. Tämä ei tarkoita, etteikö niillä olisi toiminnallista toimintoa, mutta optimointitarkoituksiin suurin osa viestintä- ja tehoresursseista on varattu mikrokäskyjen tuottamiseen tai kykyyn olla vuorovaikutuksessa oheisjärjestelmien kanssa.
Yksisiruiset MP:t on kehitetty kiinteillä ohjeilla ja kompaktilla laitteistolla.yhdellä ytimellä. Yksisiruisen mikroprosessorin rakenne on toiminnallisesti melko rajallinen, vaikka se onkin luotettavampi kuin monisiruisten analogien segmenttikokoonpanot.
Toinen tärkeä luokitus viittaa mikroprosessorien käyttöliittymäsuunnitteluun. Puhumme tavoista käsitellä tulosignaaleja, jotka nykyään jaetaan edelleen digitaalisiin ja analogisiin. Vaikka prosessorit itsessään ovat digitaalisia laitteita, joissain tapauksissa analogisten streamien käyttö oikeuttaa itsensä hinnan ja luotettavuuden kann alta. Muunnoksissa on kuitenkin käytettävä erikoismuuntimia, jotka lisäävät työtason energiakuormitusta ja rakenteellista täyteyttä. Analogiset MP:t (yleensä yksisiruiset) suorittavat tavallisten analogisten järjestelmien tehtäviä - esimerkiksi ne tuottavat modulaatiota, synnyttävät värähtelyjä, koodaavat ja dekoodaavat signaalin.
MP:n toiminnan tilapäisen organisoinnin periaatteen mukaan ne jaetaan synkronisiin ja asynkronisiin. Ero on signaalin luonteessa uuden toiminnan aloittamiseksi. Esimerkiksi synkronisen laitteen tapauksessa tällaiset komennot antavat ohjausmoduulit riippumatta nykyisten toimintojen suorittamisesta. Asynkronisten MP:iden tapauksessa samanlainen signaali voidaan antaa automaattisesti edellisen toiminnon päätyttyä. Tätä varten asynkronisen tyyppisen mikroprosessorin loogiseen rakenteeseen on järjestetty elektroninen piiri, joka varmistaa yksittäisten komponenttien toiminnan tarvittaessa offline-tilassa. Tämän kansanedustajan työn organisointimenetelmän toteuttamisen monimutkaisuus johtuu siitä, ettäaina yhden toiminnon valmistumishetkellä tiettyjä resursseja riittää seuraavan aloittamiseen. Prosessorimuistia käytetään tyypillisesti priorisointilinkkinä myöhempien toimintojen valinnassa.
Mikroprosessorit yleisiin ja erikoistarkoituksiin
Yleisen MP:n pääasiallinen käyttöalue on työasemat, henkilökohtaiset tietokoneet, palvelimet ja massakäyttöön tarkoitetut elektroniset laitteet. Niiden toiminnallinen infrastruktuuri on keskittynyt suorittamaan monenlaisia tiedonkäsittelyyn liittyviä tehtäviä. SPARC, Intel, Motorola, IBM ja muut kehittävät tällaisia laitteita.
Erikoistuneet mikroprosessorit, joiden ominaisuudet ja rakenne perustuvat tehokkaisiin ohjaimiin, toteuttavat monimutkaisia prosesseja digitaalisten ja analogisten signaalien käsittelyyn ja muuntamiseen. Tämä on hyvin monipuolinen segmentti, jossa on tuhansia kokoonpanotyyppejä. Tämän tyyppisen MP-rakenteen erityispiirteisiin kuuluu yhden kiteen käyttö keskusprosessorin pohjana, joka puolestaan voidaan liittää suureen määrään oheislaitteita. Niiden joukossa ovat syöttö / lähtö, lohkot ajastimilla, liitännät, analogia-digitaalimuuntimet. Harjoitetaan myös erikoislaitteiden, kuten lohkojen, liittämistä pulssinleveyssignaalien tuottamiseen. Sisäisen muistin käytön vuoksi tällaisissa järjestelmissä on pieni määrä apukomponentteja, jotka tukevat toimintaamikro-ohjain.
Mikroprosessorin tekniset tiedot
Käyttöparametrit määrittelevät laitetehtävät ja komponentit, joita periaatteessa voidaan käyttää tietyssä mikroprosessorirakenteessa. MP:n pääominaisuudet voidaan esittää seuraavasti:
- Kellotaajuus. Ilmaisee perustoimintojen määrän, jotka järjestelmä voi suorittaa 1 sekunnissa. ja ilmaistaan MHz:nä. Rakenteellisista eroista huolimatta eri MP:t suorittavat pääosin samanlaisia tehtäviä, mutta kussakin tapauksessa se vaatii yksilöllistä aikaa, mikä näkyy syklien lukumäärässä. Mitä tehokkaampi MP, sitä enemmän toimenpiteitä se pystyy suorittamaan yhdessä aikayksikössä.
- Leveys. Bittien määrä, jonka laite voi suorittaa samanaikaisesti. Varaa väylän leveys, tiedonsiirtonopeus, sisäiset rekisterit jne.
- Välimuistin määrä. Tämä on mikroprosessorin sisäiseen rakenteeseen kuuluva muisti, joka toimii aina rajoitetuilla taajuuksilla. Fyysisessä esityksessä tämä on kide, joka on asetettu MP-pääsirun päälle ja kytketty mikroprosessoriväylän ytimeen.
- Määritys. Tässä tapauksessa puhumme komentojen järjestämisestä ja osoitemenetelmistä. Käytännössä konfiguraatiotyyppi voi tarkoittaa mahdollisuutta yhdistää useiden komentojen suorittamisprosessit samanaikaisesti, MP-toiminnan tilat ja periaatteet sekä oheislaitteiden läsnäolo perusmikroprosessorijärjestelmässä.
Mikroprosessoriarkkitehtuuri
Yleensä MP on universaaliTietoprosessori, mutta joillain sen toiminta-alueilla vaaditaan usein erityisiä konfiguraatioita sen rakenteen toteuttamiseksi. Mikroprosessorien arkkitehtuuri heijastaa tietyn mallin sovelluksen erityispiirteitä, mikä aiheuttaa järjestelmään integroidun laitteiston ja ohjelmiston ominaisuuksia. Tarkemmin sanottuna voimme puhua toimitetuista toimilaitteista, ohjelmarekistereistä, osoitemenetelmistä ja käskysarjoista.
MP:n arkkitehtuurin ja toiminnan ominaisuuksien esittämisessä he käyttävät usein laitekaavioita ja käytettävissä olevien ohjelmistorekisterien vuorovaikutusta, jotka sisältävät ohjausinformaatiota ja operandeja (käsiteltyä dataa). Siksi rekisterimallissa on joukko palvelurekistereitä sekä segmenttejä yleiskäyttöisten operandien tallentamiseen. Tämän perusteella määritetään ohjelmien suoritusmenetelmä, muistin organisointikaavio, toimintatapa ja mikroprosessorin ominaisuudet. Yleiskäyttöinen MP-rakenne voi esimerkiksi sisältää ohjelmalaskurin sekä rekistereitä järjestelmän toimintatilojen tilan ja ohjauksen os alta. Laitteen työnkulku arkkitehtonisen konfiguraation yhteydessä voidaan esittää mallina rekisterinsiirroista, osoitteiden antamisesta, operandien ja käskyjen valinnasta, tulosten siirrosta jne. Erilaisten käskyjen suorittaminen, toimeksiannosta riippumatta, vaikuttaa tilaan. rekisteri, jonka sisältö kuvastaa prosessorin nykyistä tilaa.
Yleistä tietoa mikroprosessorien rakenteesta
Tässä tapauksessa rakennetta ei tulisi ymmärtää pelkästään toimivan järjestelmän komponenttien joukkona, vaan myösyhteyskeinot niiden välillä sekä laitteet, jotka varmistavat niiden vuorovaikutuksen. Kuten toiminnallisessa luokituksessa, rakenteen sisältö voidaan ilmaista kolmen komponentin kautta - toiminnallinen sisältö, viestintävälineet väylän kanssa ja ohjausinfrastruktuuri.
Ohjausosan laite määrittää komentojen dekoodauksen ja tietojenkäsittelyn luonteen. Tämä kompleksi voi sisältää aritmeettis-logiikkatoiminnallisia lohkoja sekä vastuksia tietojen väliaikaista tallentamista varten, mukaan lukien tiedot mikroprosessorin tilasta. Logiikkarakenne mahdollistaa 16-bittisten vastusten käytön, jotka suorittavat paitsi loogisia ja aritmeettisia toimenpiteitä, myös siirtotoimintoja. Rekisterien työ voidaan järjestää erilaisten suunnitelmien mukaan, jotka määräävät mm. niiden saavutettavuuden ohjelmoijalle. Akkutoiminnolle on varattu erillinen rekisteri.
Vyläliittimet vastaavat liitännöistä oheislaitteisiin. Heidän tehtäviinsä kuuluu myös tietojen hakeminen muistista ja komentojonon muodostaminen. Tyypillinen mikroprosessorirakenne sisältää IP-komentoosoittimen, osoitesummaimet, segmenttirekisterit ja puskurit, joiden kautta palvellaan linkkejä osoiteväyliin.
Ohjauslaite puolestaan tuottaa ohjaussignaaleja, purkaa komennon ja varmistaa myös laskentajärjestelmän toiminnan ja antaa mikrokomentoja sisäisiä MP-toimintoja varten.
Perus-MP:n rakenne
Tämän mikroprosessorin yksinkertaistettu rakenne tarjoaa kaksi toimintoaosat:
- Leikkaussali. Tämä yksikkö sisältää ohjaus- ja tietojenkäsittelylaitteet sekä mikroprosessorimuistin. Toisin kuin koko kokoonpano, perusmikroprosessorin rakenne ei sisällä segmenttirekisterejä. Jotkut suorituslaitteet on yhdistetty yhdeksi toiminnalliseksi yksiköksi, mikä korostaa myös tämän arkkitehtuurin optimoitua luonnetta.
- Liitäntä. Pohjimmiltaan keino tarjota kommunikointia päämoottoritien kanssa. Tämä osa sisältää sisäiset muistirekisterit ja osoitelisäosan.
Signaalin multipleksoinnin periaatetta käytetään usein perus MP:iden ulkoisissa lähtökanavissa. Tämä tarkoittaa, että signalointi tapahtuu yhteisten aikajakokanavien kautta. Lisäksi järjestelmän nykyisestä toimintatilasta riippuen samaa lähtöä voidaan käyttää signaalien lähettämiseen eri tarkoituksiin.
Mikroprosessorin käskyrakenne
Tämä rakenne riippuu pitkälti yleisestä konfiguraatiosta ja MP-toiminnallisten lohkojen vuorovaikutuksen luonteesta. Kuitenkin jo järjestelmän suunnitteluvaiheessa kehittäjät määrittelevät mahdollisuudet soveltaa tiettyä toimintosarjaa, jonka perusteella muodostetaan myöhemmin joukko komentoja. Yleisimmät komentotoiminnot ovat:
- Tiedonsiirto. Komento suorittaa lähde- ja kohdeoperandin arvojen osoittamistoiminnot. Jälkimmäisenä voidaan käyttää rekistereitä tai muistisoluja.
- Input-output. KauttaI/O-liitäntälaitteet siirtävät tietoja portteihin. Mikroprosessorin rakenteen ja sen vuorovaikutuksen oheislaitteiden ja sisäisten yksiköiden kanssa komennot asettavat porttiosoitteet.
- Tyyppimuunnos. Käytettyjen operandien muodot ja kokoarvot määritetään.
- Keskeytykset. Tämän tyyppiset ohjeet on suunniteltu ohjaamaan ohjelmistokeskeytyksiä – se voi esimerkiksi olla prosessorin toiminnan pysäytys, kun I/O-laitteet alkavat toimia.
- Syklien järjestäminen. Ohjeet muuttavat ECX-rekisterin arvoa, jota voidaan käyttää laskurina suoritettaessa tiettyä ohjelmakoodia.
Pääsääntöisesti rajoituksia asetetaan peruskomentoille, jotka liittyvät kykyyn toimia tietyllä määrällä muistia, hallita samanaikaisesti rekistereitä ja niiden sisältöä.
MP:n hallintorakenne
MP-ohjausjärjestelmä perustuu ohjausyksikköön, joka liittyy useisiin toiminnallisiin osiin:
- Signaalianturi. Määrittää pulssien järjestyksen ja parametrit jakaen ne tasaisesti ajassa väylien kesken. Antureiden toiminnan ominaisuuksiin kuuluu toimintojen suorittamiseen tarvittavien jaksojen ja ohjaussignaalien määrä.
- Signaalin lähde. Yksi ohjausyksikön toiminnoista mikroprosessorin rakenteessa on määritetty signaalien generoimiseen tai käsittelyyn - eli niiden kytkemiseen tietyn jakson sisällä tietyllä väylällä.
- Käyttökoodin dekooderi. Suorittaa käskyrekisterissä olevien toimintakoodien salauksenTämä hetki. Yhdessä aktiivisen väylän määrittämisen kanssa tämä menettely auttaa myös generoimaan ohjauspulssisarjan.
Ei vähäistä merkitystä ohjausinfrastruktuurissa on pysyvä tallennuslaite, joka sisältää soluihinsa käsittelytoimintojen suorittamiseen tarvittavat signaalit. Komentojen laskemiseen pulssitietoja käsiteltäessä voidaan käyttää osoitteenmuodostusyksikköä - tämä on mikroprosessorin sisäisen rakenteen välttämätön komponentti, joka sisältyy järjestelmän liitäntäyksikköön ja jonka avulla voit lukea muistirekisterien yksityiskohtia. signaalit täydet.
Mikroprosessorikomponentit
Suurin osa toiminnallisista lohkoista sekä ulkoisista laitteista on järjestetty itsensä ja keskusmikropiirin MP:n välille sisäisen väylän kautta. Voidaan sanoa, että tämä on laitteen runkoverkko, joka tarjoaa kattavan viestintälinkin. Toinen asia on, että väylässä voi olla myös eri toiminnallisia osia - esimerkiksi piirit tiedonsiirtoon, linjoja muistisolujen siirtoon sekä infrastruktuuri tiedon kirjoittamiseen ja lukemiseen. Itse väylän lohkojen välisen vuorovaikutuksen luonteen määrää mikroprosessorin rakenne. MP:hen sisältyvät laitteet sisältävät väylän lisäksi seuraavat:
- Aritmeettinen logiikkayksikkö. Kuten jo mainittiin, tämä komponentti on suunniteltu suorittamaan loogisia ja aritmeettisia operaatioita. Se toimii sekä numeeristen että merkkitietojen kanssa.
- Ohjauslaite. Vastuussakoordinointi MT:n eri osien vuorovaikutuksessa. Erityisesti tämä lohko tuottaa ohjaussignaaleja, jotka ohjaavat ne koneen laitteen eri moduuleille tiettyinä aikoina.
- Mikroprosessorimuisti. Käytetään tietojen tallentamiseen, tallentamiseen ja antamiseen. Tiedot voidaan liittää sekä laskennallisiin operaatioihin että konetta palveleviin prosesseihin.
- Matematiikan prosessori. Sitä käytetään apumoduulina lisäämään nopeutta suoritettaessa monimutkaisia laskentatoimintoja.
Apuprosessorirakenteen ominaisuudet
Edes tyypillisten aritmeettisten ja loogisten operaatioiden suorittamisen puitteissa, perinteisen MP:n kapasiteetti ei riitä. Esimerkiksi mikroprosessori ei pysty suorittamaan liukulukuaritmeettisia käskyjä. Tällaisiin tehtäviin käytetään apuprosessoreja, joiden rakenne mahdollistaa keskusprosessorin ja useiden MP:iden yhdistämisen. Samaan aikaan itse laitteen toiminnan logiikassa ei ole perustavanlaatuisia eroja aritmeettisten mikropiirien rakentamisen perussäännöistä.
Käsiprosessorit suorittavat tyypillisiä komentoja, mutta tiiviissä vuorovaikutuksessa keskusmoduulin kanssa. Tämä kokoonpano olettaa komentojonojen jatkuvan valvonnan useilla riveillä. Tämän tyyppisen mikroprosessorin fyysisessä rakenteessa on sallittua käyttää itsenäistä moduulia syötteen ja lähdön tarjoamiseen, jonka ominaisuus on kyky valita sen komentoja. Jotta tällainen järjestelmä toimisi oikein, rinnakkaisprosessorien on kuitenkin määriteltävä selkeästi ohjeen valinnan lähde,moduulien välisen vuorovaikutuksen koordinointi.
Periaate rakentaa mikroprosessorin yleinen rakenne vahvasti kytketyllä konfiguraatiolla liittyy myös apuprosessorilaitteen käsitteeseen. Jos edellisessä tapauksessa voimme puhua itsenäisestä I / O-lohkosta, jossa on mahdollisuus valita omat komentonsa, niin vahvasti kytketty konfiguraatio sisältää komentovirtoja ohjaavan itsenäisen prosessorin sisällyttämisen rakenteeseen.
Johtopäätös
Mikroprosessorin luomisen periaatteet ovat muuttuneet vain vähän ensimmäisten tietokonelaitteiden syntymisen jälkeen. Resurssituen ominaisuudet, mallit ja vaatimukset ovat muuttuneet, mikä on muuttanut tietokonetta radikaalisti, mutta yleinen konsepti toiminnallisten lohkojen järjestämisen perussäännöineen pysyy suurimmaksi osaksi samana. Mikroprosessorirakenteen kehityksen tulevaisuuteen voivat kuitenkin vaikuttaa nanoteknologia ja kvanttilaskentajärjestelmien tulo. Nykyään tällaisia alueita tarkastellaan teoreettisella tasolla, mutta suuret yritykset työskentelevät aktiivisesti uusien, innovatiivisiin teknologioihin perustuvien logiikkapiirien käytännön käyttömahdollisuuksien eteen. Esimerkiksi MT:n jatkokehityksen mahdollisena vaihtoehtona ei suljeta pois molekyyli- ja subatomisten hiukkasten käyttöä, ja perinteiset sähköpiirit voivat väistää elektronien suunnatun pyörimisen järjestelmiä. Tämä mahdollistaa mikroskooppisten prosessorien luomisen täysin uudella arkkitehtuurilla, jonka suorituskyky ylittää moninkertaisesti nykypäivän. MP.
