Človeštvo je prehodilo dolgo pot do nastanka računalnikov, brez katerih si je nemogoče predstavljati sodobne družbe z vsemi vidiki njenega življenja na področju industrije, narodnega gospodarstva in gospodinjskih aparatov. A tudi danes napredek ne miruje in odpira nove oblike informatizacije. V središču tehnološkega razvoja je že nekaj desetletij struktura mikroprocesorja (MP), ki se izboljšuje v svojih funkcionalnih in oblikovnih parametrih.
koncept mikroprocesorja
V splošnem smislu je koncept mikroprocesorja predstavljen kot programsko vodena naprava ali sistem, ki temelji na velikem integriranem vezju (LSI). S pomočjo MP se izvajajo operacije obdelave podatkov oziroma upravljanje sistemov, ki obdelujejo informacije. V prvih fazahRazvoj MP je temeljil na ločenih nizko funkcionalnih mikrovezjih, v katerih so bili tranzistorji prisotni v količinah od nekaj do sto. Najenostavnejša tipična mikroprocesorska struktura bi lahko vsebovala skupino mikrovezij s skupnimi električnimi, strukturnimi in električnimi parametri. Takšni sistemi se imenujejo mikroprocesorski niz. Poleg MP bi lahko en sistem sestavljale tudi pomnilniške naprave s trajnim in naključnim dostopom ter krmilniki in vmesniki za povezovanje zunanje opreme – spet prek združljivih komunikacij. Kot rezultat razvoja koncepta mikrokrmilnikov je bil mikroprocesorski komplet dopolnjen s kompleksnejšimi servisnimi napravami, registri, gonilniki vodila, časovniki itd.
Danes se mikroprocesor vse manj obravnava kot ločena naprava v kontekstu praktičnih aplikacij. Funkcionalno strukturo in načelo delovanja mikroprocesorja že v fazi projektiranja vodi uporaba kot del računalniške naprave, ki je zasnovana za izvajanje številnih nalog, povezanih z obdelavo in upravljanjem informacij. Ključni člen v procesih organiziranja delovanja mikroprocesorske naprave je krmilnik, ki vzdržuje krmilno konfiguracijo in načine interakcije med računalniškim jedrom sistema in zunanjo opremo. Integrirani procesor lahko obravnavamo kot vmesni člen med krmilnikom in mikroprocesorjem. Njegova funkcionalnost je osredotočena na reševanje pomožnih nalog, ki niso neposredno povezane z namenom glavnega MT. Zlasti so to lahko omrežne in komunikacijske funkcije, ki zagotavljajo delovanje mikroprocesorske naprave.
Klasifikacije mikroprocesorjev
Tudi v najpreprostejših konfiguracijah imajo MP-ji številne tehnične in operativne parametre, ki jih je mogoče uporabiti za nastavitev klasifikacijskih funkcij. Za utemeljitev glavnih stopenj klasifikacije običajno ločimo tri funkcionalne sisteme - operativni, vmesnik in nadzor. Vsak od teh delovnih delov ponuja tudi številne parametre in razlikovalne lastnosti, ki določajo naravo delovanja naprave.
Z vidika tipične strukture mikroprocesorjev bo klasifikacija razdelila naprave predvsem na modele z več čipi in z enim čipom. Za prve je značilno, da lahko njihove delovne enote delujejo brez povezave in izvajajo vnaprej določene ukaze. In v tem primeru bodo izraziti poslanci, v katerih je poudarek na operativni funkciji. Takšni procesorji so osredotočeni na obdelavo podatkov. V isti skupini so na primer mikroprocesorji s tremi čipi lahko krmilni in vmesnik. To ne pomeni, da nimajo operativne funkcije, vendar je za namene optimizacije večina komunikacijskih in energetskih virov dodeljena nalogam generiranja mikronavodil ali zmožnosti interakcije s perifernimi sistemi.
Kar zadeva MP-je z enim čipom, so razviti s fiksnim naborom navodil in kompaktno razporeditvijo vse strojne opremena enem jedru. V smislu funkcionalnosti je struktura mikroprocesorja z enim čipom precej omejena, čeprav je bolj zanesljiva kot segmentne konfiguracije analogov z več čipi.
Druga pomembna klasifikacija se nanaša na zasnovo vmesnika mikroprocesorjev. Govorimo o načinih obdelave vhodnih signalov, ki jih danes še naprej delimo na digitalne in analogne. Čeprav so procesorji sami digitalne naprave, se v nekaterih primerih uporaba analognih tokov upraviči glede na ceno in zanesljivost. Za pretvorbo pa je treba uporabiti posebne pretvornike, ki prispevajo k energetski obremenitvi in strukturni polnosti delovne ploščadi. Analogni MP-ji (običajno z enim čipom) opravljajo naloge standardnih analognih sistemov – na primer proizvajajo modulacijo, generirajo nihanja, kodirajo in dekodirajo signal.
Po načelu začasne organizacije delovanja MP se delijo na sinhrone in asinhrone. Razlika je v naravi signala za začetek nove operacije. Na primer, v primeru sinhrone naprave takšne ukaze dajejo krmilni moduli, ne glede na izvajanje trenutnih operacij. V primeru asinhronih MP-jev se lahko podoben signal poda samodejno po zaključku prejšnje operacije. Za to je v logični strukturi mikroprocesorja asinhronega tipa predvideno elektronsko vezje, ki po potrebi zagotavlja delovanje posameznih komponent v načinu brez povezave. Kompleksnost izvajanja te metode organiziranja dela MP je posledica dejstva, davedno je v trenutku zaključka ene operacije dovolj določenih virov za začetek naslednje. Pomnilnik procesorja se običajno uporablja kot prednostna povezava pri sami izbiri nadaljnjih operacij.
Mikroprocesorji za splošne in posebne namene
Glavni obseg MP za splošno uporabo so delovne postaje, osebni računalniki, strežniki in elektronske naprave, namenjene množični uporabi. Njihova funkcionalna infrastruktura je usmerjena v opravljanje širokega spektra nalog, povezanih z obdelavo informacij. Takšne naprave razvijajo SPARC, Intel, Motorola, IBM in drugi.
Specializirani mikroprocesorji, katerih značilnosti in struktura temeljijo na zmogljivih krmilnikih, izvajajo kompleksne postopke za obdelavo in pretvorbo digitalnih in analognih signalov. To je zelo raznolik segment z več tisoč vrstami konfiguracij. Posebnosti strukture MP te vrste vključujejo uporabo enega kristala kot osnove za osrednji procesor, ki ga je mogoče povezati z velikim številom perifernih naprav. Med njimi so vhodna / izhodna sredstva, bloki s časovniki, vmesniki, analogno-digitalni pretvorniki. Prav tako se izvaja povezovanje specializiranih naprav, kot so bloki za generiranje signalov širine impulza. Zaradi uporabe notranjega pomnilnika imajo takšni sistemi majhno število pomožnih komponent, ki podpirajo delovanjemikrokrmilnik.
specifikacije mikroprocesorja
Parametri delovanja določajo obseg nalog naprave in nabor komponent, ki se načeloma lahko uporabljajo v določeni strukturi mikroprocesorja. Glavne značilnosti MP lahko predstavimo na naslednji način:
- Frekvenca ure. Označuje število osnovnih operacij, ki jih sistem lahko izvede v 1 sekundi. in je izražena v MHz. Kljub razlikam v strukturi različni MP večinoma opravljajo podobne naloge, vendar v vsakem primeru zahteva individualni čas, kar se odraža v številu ciklov. Močnejši kot je MP, več postopkov lahko izvede v eni časovni enoti.
- Širina. Število bitov, ki jih naprava lahko izvede hkrati. Dodeli širino vodila, hitrost prenosa podatkov, notranje registre itd.
- Količina predpomnilnika. To je pomnilnik, ki je vključen v notranjo strukturo mikroprocesorja in vedno deluje na mejnih frekvencah. V fizični predstavitvi je to kristal, nameščen na glavni MP čip in povezan z jedrom vodila mikroprocesorja.
- Konfiguracija. V tem primeru govorimo o organizaciji ukazov in načinih naslavljanja. V praksi lahko vrsta konfiguracije pomeni možnost združevanja procesov izvajanja več ukazov hkrati, načinov in principov delovanja MP ter prisotnost perifernih naprav v osnovnem mikroprocesorskem sistemu.
Mikroprocesorska arhitektura
Na splošno je MP univerzaleninformacijski procesor, vendar so na nekaterih področjih njegovega delovanja pogosto potrebne posebne konfiguracije za izvedbo njegove strukture. Arhitektura mikroprocesorjev odraža posebnosti uporabe določenega modela, kar povzroča značilnosti strojne in programske opreme, integrirane v sistem. Natančneje, lahko govorimo o zagotovljenih aktuatorjih, programskih registrih, metodah naslavljanja in nizih navodil.
Pri predstavitvi arhitekture in značilnosti delovanja MP pogosto uporabljajo diagrame naprav in interakcijo razpoložljivih programskih registrov, ki vsebujejo kontrolne informacije in operande (obdelane podatke). Zato je v modelu registra skupina servisnih registrov, pa tudi segmenti za shranjevanje operandov splošnega namena. Na podlagi tega se določi način izvajanja programov, shema organizacije pomnilnika, način delovanja in značilnosti mikroprocesorja. Splošna struktura MP lahko na primer vključuje programski števec, pa tudi registre za status in nadzor načinov delovanja sistema. Potek dela naprave v kontekstu arhitekturne konfiguracije lahko predstavimo kot model prenosov registrov, ki zagotavljajo naslavljanje, izbiranje operandov in navodil, prenos rezultatov itd. Izvajanje različnih navodil, ne glede na dodelitev, bo vplivalo na status register, katerega vsebina odraža trenutno stanje procesorja.
Splošne informacije o strukturi mikroprocesorjev
V tem primeru je treba strukturo razumeti ne le kot niz komponent delovnega sistema, ampak tudisredstva za povezavo med njimi, pa tudi naprave, ki zagotavljajo njihovo interakcijo. Tako kot v funkcionalni klasifikaciji je vsebino strukture mogoče izraziti s tremi komponentami – operativno vsebino, komunikacijskimi sredstvi z vodilom in krmilno infrastrukturo.
Naprava operacijskega dela določa naravo dekodiranja ukazov in obdelave podatkov. Ta kompleks lahko vključuje aritmetično-logične funkcionalne bloke, pa tudi upore za začasno shranjevanje informacij, vključno z informacijami o stanju mikroprocesorja. Logična struktura predvideva uporabo 16-bitnih uporov, ki izvajajo ne le logične in aritmetične postopke, temveč tudi premične operacije. Delo registrov je lahko organizirano po različnih shemah, ki med drugim določajo njihovo dostopnost programerju. Za funkcijo baterijskega paketa je rezerviran ločen register.
Bus spojke so odgovorne za povezave s periferno opremo. Obseg njihovih nalog vključuje tudi pridobivanje podatkov iz pomnilnika in oblikovanje čakalne vrste ukazov. Tipična mikroprocesorska struktura vključuje ukazni kazalec IP, seštevalnike naslovov, segmentne registre in medpomnilnike, prek katerih se servisirajo povezave z naslovnimi vodili.
Kontrolna naprava pa generira krmilne signale, dešifrira ukaz in zagotavlja tudi delovanje računalniškega sistema, izdaja mikroukaze za notranje MP operacije.
Struktura osnovnega MP
Poenostavljena struktura tega mikroprocesorja zagotavlja dve funkcijideli:
- Operacijski prostor. Ta enota vključuje naprave za nadzor in obdelavo podatkov ter mikroprocesorski pomnilnik. Za razliko od popolne konfiguracije osnovna struktura mikroprocesorja izključuje segmentne registre. Nekatere izvedbene naprave so združene v eno funkcionalno enoto, kar poudarja tudi optimizirano naravo te arhitekture.
- vmesnik. V bistvu sredstvo za zagotavljanje komunikacije z glavno avtocesto. Ta del vsebuje registre notranjega pomnilnika in seštevalnik naslovov.
Načelo multipleksiranja signalov se pogosto uporablja na zunanjih izhodnih kanalih osnovnih MP. To pomeni, da signalizacija poteka po skupnih kanalih s časovno delitvijo. Poleg tega se lahko, odvisno od trenutnega načina delovanja sistema, isti izhod uporablja za prenos signalov za različne namene.
struktura mikroprocesorskih navodil
Ta struktura je v veliki meri odvisna od splošne konfiguracije in narave interakcije funkcionalnih blokov MP. Vendar že v fazi načrtovanja sistema razvijalci določijo možnosti za uporabo določenega niza operacij, na podlagi katerih se naknadno oblikuje nabor ukazov. Najpogostejše ukazne funkcije vključujejo:
- Prenos podatkov. Ukaz izvaja operacije dodeljevanja vrednosti izvornih in ciljnih operandov. Kot zadnje lahko uporabite registre ali pomnilniške celice.
- Vhod-izhod. SkoziV/I vmesniki prenašajo podatke v vrata. V skladu s strukturo mikroprocesorja in njegovo interakcijo s periferno strojno opremo in notranjimi enotami, ukazi nastavijo naslove vrat.
- Pretvorba vrste. Določeni so formati in vrednosti velikosti uporabljenih operandov.
- Prekinitve. Ta vrsta navodil je zasnovana za nadzor programskih prekinitev – lahko je na primer zaustavitev funkcije procesorja, medtem ko V/I naprave začnejo delovati.
- Organizacija ciklov. Navodila spremenijo vrednost registra ECX, ki se lahko uporabi kot števec pri izvajanju določene programske kode.
Praviloma veljajo omejitve za osnovne ukaze, povezane z zmožnostjo delovanja z določenimi količinami pomnilnika, hkratnega upravljanja registrov in njihove vsebine.
struktura upravljanja MP
Upravljalni sistem MP temelji na krmilni enoti, ki je povezana z več funkcionalnimi deli:
- Senzor signala. Določa zaporedje in parametre impulzov ter jih enakomerno porazdeli v času po vodilih. Med značilnostmi delovanja senzorjev je število ciklov in krmilnih signalov, potrebnih za izvajanje operacij.
- Vir signalov. Ena od funkcij krmilne enote v strukturi mikroprocesorja je dodeljena generiranju ali obdelavi signalov - to je njihovo preklapljanje znotraj določenega cikla na določenem vodilu.
- Dekodirnik kode operacije. Izvede dešifriranje operacijskih kod, ki so prisotne v registru navodil nata trenutek. Skupaj z določanjem aktivnega vodila ta postopek pomaga tudi pri ustvarjanju zaporedja krmilnih impulzov.
Nič manj pomembnega v nadzorni infrastrukturi je trajna pomnilniška naprava, ki v svojih celicah vsebuje signale, potrebne za izvajanje operacij obdelave. Za štetje ukazov pri obdelavi impulznih podatkov je mogoče uporabiti enoto za generiranje naslovov - to je nujna komponenta notranje strukture mikroprocesorja, ki je vključena v vmesniško enoto sistema in vam omogoča branje podrobnosti pomnilniških registrov s signali v celoti.
komponente mikroprocesorja
Večina funkcionalnih blokov, pa tudi zunanjih naprav, je organiziranih med seboj in osrednjim mikrovezjem MP preko notranjega vodila. Lahko rečemo, da je to hrbtenično omrežje naprave, ki zagotavlja celovito komunikacijsko povezavo. Druga stvar je, da lahko vodilo vsebuje tudi elemente različnih funkcionalnih namenov - na primer vezja za prenos podatkov, linije za prenos pomnilniških celic, pa tudi infrastrukturo za zapisovanje in branje informacij. Naravo interakcije med bloki samega vodila določa struktura mikroprocesorja. Naprave, vključene v MP, poleg vodila vključujejo naslednje:
- Aritmetična logična enota. Kot smo že omenili, je ta komponenta zasnovana za izvajanje logičnih in aritmetičnih operacij. Deluje tako s številskimi kot s znakovnimi podatki.
- Krmilna naprava. Odgovoren zausklajevanje v interakciji različnih delov MT. Zlasti ta blok generira krmilne signale, ki jih v določenem času usmerja v različne module strojne naprave.
- Mikroprocesorski pomnilnik. Uporablja se za beleženje, shranjevanje in izdajanje informacij. Podatke je mogoče povezati z delovnimi računskimi operacijami in procesi, ki služijo stroju.
- Matematični procesor. Uporablja se kot pomožni modul za povečanje hitrosti pri izvajanju zapletenih računskih operacij.
Lastnosti strukture koprocesorja
Tudi v okviru izvajanja tipičnih aritmetičnih in logičnih operacij ni dovolj zmogljivosti običajnega MP. Na primer, mikroprocesor nima zmožnosti izvajanja aritmetičnih navodil s plavajočo vejico. Za takšne naloge se uporabljajo koprocesorji, katerih struktura predvideva kombinacijo centralnega procesorja z več MP. Hkrati pa sama logika delovanja naprave nima bistvenih razlik od osnovnih pravil za konstruiranje aritmetičnih mikrovezij.
Koprocesorji izvajajo tipične ukaze, vendar v tesni interakciji z osrednjim modulom. Ta konfiguracija predvideva stalno spremljanje čakalnih vrst ukazov v več vrsticah. V fizični strukturi mikroprocesorja te vrste je dovoljena uporaba neodvisnega modula za zagotavljanje vhoda-izhoda, katerega značilnost je možnost izbire njegovih ukazov. Vendar pa morajo za pravilno delovanje takšne sheme koprocesorji jasno opredeliti vir izbire navodil,usklajevanje interakcije med moduli.
Načelo gradnje posplošene strukture mikroprocesorja z močno sklopljeno konfiguracijo je povezano tudi s konceptom koprocesorske naprave. Če v prejšnjem primeru lahko govorimo o neodvisnem V/I bloku z možnostjo lastnega izbora ukazov, potem močno povezana konfiguracija vključuje vključitev v strukturo neodvisnega procesorja, ki nadzoruje ukazne tokove.
Sklep
Načela ustvarjanja mikroprocesorjev so od pojava prvih računalniških naprav doživela nekaj sprememb. Značilnosti, zasnove in zahteve za podporo virov so se spremenile, kar je korenito spremenilo računalnik, vendar splošni koncept z osnovnimi pravili za organizacijo funkcionalnih blokov večinoma ostaja enak. Vendar pa lahko na prihodnost razvoja mikroprocesorskih struktur vplivata nanotehnologija in pojav kvantnih računalniških sistemov. Danes se takšna področja obravnavajo na teoretični ravni, vendar velike korporacije aktivno delajo na možnostih za praktično uporabo novih logičnih vezij, ki temeljijo na inovativnih tehnologijah. Na primer, kot možna možnost za nadaljnji razvoj MT ni izključena uporaba molekularnih in subatomskih delcev, tradicionalna električna vezja pa lahko odstopijo od sistemov usmerjene rotacije elektronov. To bo omogočilo ustvarjanje mikroskopskih procesorjev s bistveno novo arhitekturo, katerih zmogljivost bo večkrat presegla današnjo. MP.
