De mensheid heeft een lange weg afgelegd in de richting van de creatie van computers, zonder welke het onmogelijk is om de moderne samenleving voor te stellen met alle aspecten van haar leven op het gebied van industrie, de nationale economie en huishoudelijke apparaten. Maar ook vandaag staat de vooruitgang niet stil, waardoor nieuwe vormen van informatisering mogelijk worden. Al tientallen jaren staat de structuur van de microprocessor (MP) centraal in de technologische ontwikkeling, die wordt verbeterd in zijn functionele en ontwerpparameters.
Microprocessorconcept
In algemene zin wordt het concept van een microprocessor gepresenteerd als een programmagestuurd apparaat of systeem op basis van een grote geïntegreerde schakeling (LSI). Met behulp van MP worden gegevensverwerkingshandelingen of beheer van systemen die informatie verwerken uitgevoerd. In de eerste fasenDe ontwikkeling van de MP was gebaseerd op afzonderlijke laagfunctionele microschakelingen, waarin transistors aanwezig waren in hoeveelheden van enkele tot honderden. De eenvoudigste typische microprocessorstructuur zou een groep microschakelingen kunnen bevatten met gemeenschappelijke elektrische, structurele en elektrische parameters. Dergelijke systemen worden een microprocessorset genoemd. Naast de MP zou een systeem ook kunnen bestaan uit permanente en willekeurig toegankelijke geheugenapparaten, evenals controllers en interfaces voor het aansluiten van externe apparatuur - nogmaals, via compatibele communicatie. Als resultaat van de ontwikkeling van het concept van microcontrollers, werd de microprocessorkit aangevuld met complexere serviceapparatuur, registers, busdrivers, timers, enz.
Tegenwoordig wordt de microprocessor steeds minder beschouwd als een apart apparaat in de context van praktische toepassingen. De functionele structuur en het werkingsprincipe van de microprocessor die al in de ontwerpfasen is, worden geleid door het gebruik als onderdeel van een computerapparaat dat is ontworpen om een aantal taken uit te voeren die verband houden met de verwerking en het beheer van informatie. De belangrijkste schakel in de processen voor het organiseren van de werking van een microprocessorapparaat is de controller, die de besturingsconfiguratie en interactiemodi tussen de computerkern van het systeem en externe apparatuur handhaaft. Een geïntegreerde processor kan worden beschouwd als een tussenschakel tussen de controller en de microprocessor. De functionaliteit is gericht op het oplossen van hulptaken die niet direct verband houden met het doel van het hoofd-MT. Dit kunnen met name netwerk- en communicatiefuncties zijn die de werking van het microprocessorapparaat verzekeren.
Classificaties van microprocessors
Zelfs in de eenvoudigste configuraties hebben parlementsleden veel technische en operationele parameters die kunnen worden gebruikt om classificatiefuncties in te stellen. Om de belangrijkste classificatieniveaus te rechtvaardigen, worden gewoonlijk drie functionele systemen onderscheiden: operationeel, interface en controle. Elk van deze werkende delen biedt ook een aantal parameters en onderscheidende kenmerken die de aard van de werking van het apparaat bepalen.
Vanuit het oogpunt van de typische structuur van microprocessors, zal de classificatie apparaten voornamelijk verdelen in multi-chip en single-chip modellen. De eerstgenoemde worden gekenmerkt door het feit dat hun werkeenheden offline kunnen functioneren en vooraf bepaalde opdrachten kunnen uitvoeren. En in dit voorbeeld worden Kamerleden uitgesproken, waarbij de nadruk ligt op de operationele functie. Dergelijke verwerkers zijn gericht op gegevensverwerking. In dezelfde groep kunnen bijvoorbeeld microprocessors met drie chips worden bestuurd en gekoppeld. Dit betekent niet dat ze geen operationele functie hebben, maar voor optimalisatiedoeleinden worden de meeste communicatie- en stroombronnen toegewezen aan de taken van het genereren van micro-instructies of de mogelijkheid om te communiceren met perifere systemen.
Wat betreft single-chip MP's, ze zijn ontwikkeld met een vaste set instructies en compacte plaatsing van alle hardwareop één kern. In termen van functionaliteit is de structuur van een microprocessor met één chip vrij beperkt, hoewel deze betrouwbaarder is dan segmentconfiguraties van analogen met meerdere chips.
Een andere belangrijke classificatie verwijst naar het interface-ontwerp van microprocessors. We hebben het over manieren om ingangssignalen te verwerken, die tegenwoordig nog steeds worden onderverdeeld in digitaal en analoog. Hoewel de processors zelf digitale apparaten zijn, rechtvaardigt het gebruik van analoge streams in sommige gevallen zichzelf in termen van prijs en betrouwbaarheid. Voor ombouw moeten echter speciale omvormers worden gebruikt, die bijdragen aan de energiebelasting en structurele volheid van het werkplatform. Analoge MP's (meestal single-chip) voeren de taken uit van standaard analoge systemen - ze produceren bijvoorbeeld modulatie, genereren oscillaties, coderen en decoderen een signaal.
Volgens het principe van tijdelijke organisatie van de werking van de MP, zijn ze verdeeld in synchroon en asynchroon. Het verschil zit in de aard van het signaal om een nieuwe operatie te starten. In het geval van een synchroon apparaat worden dergelijke commando's bijvoorbeeld gegeven door besturingsmodules, ongeacht de uitvoering van huidige bewerkingen. In het geval van asynchrone MP's kan automatisch een soortgelijk signaal worden gegeven na voltooiing van de vorige bewerking. Om dit te doen, is een elektronische schakeling voorzien in de logische structuur van de asynchrone microprocessor, die de werking van afzonderlijke componenten indien nodig in een offline modus garandeert. De complexiteit van het implementeren van deze methode om het werk van het parlementslid te organiseren, is te wijten aan het feit dat: altijd zijn er op het moment van voltooiing van de ene operatie voldoende bepaalde middelen om de volgende te starten. Processorgeheugen wordt meestal gebruikt als een prioriteitskoppeling bij de keuze van volgende bewerkingen.
Microprocessors voor algemene en speciale doeleinden
Het belangrijkste toepassingsgebied van MP voor algemene doeleinden zijn werkstations, personal computers, servers en elektronische apparaten die bedoeld zijn voor massaal gebruik. Hun functionele infrastructuur is gericht op het uitvoeren van een breed scala aan taken met betrekking tot informatieverwerking. Dergelijke apparaten worden ontwikkeld door SPARC, Intel, Motorola, IBM en anderen.
Gespecialiseerde microprocessors, waarvan de kenmerken en structuur zijn gebaseerd op krachtige controllers, implementeren complexe procedures voor het verwerken en converteren van digitale en analoge signalen. Dit is een zeer divers segment met duizenden configuratietypes. De eigenaardigheden van de MP-structuur van dit type omvatten het gebruik van één kristal als basis voor de centrale processor, die op zijn beurt kan worden gekoppeld aan een groot aantal randapparatuur. Onder hen zijn de middelen van invoer / uitvoer, blokken met timers, interfaces, analoog-naar-digitaal converters. Het wordt ook geoefend om gespecialiseerde apparaten zoals blokken aan te sluiten voor het genereren van pulsbreedtesignalen. Door het gebruik van intern geheugen hebben dergelijke systemen een klein aantal hulpcomponenten die de werking ondersteunenmicrocontroller.
Microprocessorspecificaties
Bedrijfsparameters definiëren het scala aan apparaattaken en de set componenten die in principe in een bepaalde microprocessorstructuur kunnen worden gebruikt. De belangrijkste kenmerken van MP kunnen als volgt worden weergegeven:
- Klokfrequentie. Geeft het aantal elementaire bewerkingen aan dat het systeem in 1 seconde kan uitvoeren. en wordt uitgedrukt in MHz. Ondanks de verschillen in structuur, voeren verschillende parlementsleden meestal vergelijkbare taken uit, maar het vereist in elk geval individuele tijd, wat tot uiting komt in het aantal cycli. Hoe krachtiger de MP, hoe meer procedures hij kan uitvoeren binnen een tijdseenheid.
- Breedte. Het aantal bits dat het apparaat tegelijkertijd kan uitvoeren. Wijs busbreedte, gegevensoverdrachtsnelheid, interne registers, enz. toe.
- De hoeveelheid cachegeheugen. Dit is het geheugen dat is opgenomen in de interne structuur van de microprocessor en altijd werkt op beperkende frequenties. In de fysieke weergave is dit een kristal dat op de hoofd-MP-chip is geplaatst en is gekoppeld aan de microprocessor-buskern.
- Configuratie. In dit geval hebben we het over de organisatie van commando's en adresseringsmethoden. In de praktijk kan het type configuratie de mogelijkheid betekenen om de processen van het tegelijkertijd uitvoeren van verschillende opdrachten, de modi en principes van MP-werking en de aanwezigheid van randapparatuur in het basismicroprocessorsysteem te combineren.
Microprocessor-architectuur
Over het algemeen is MP universeelinformatieprocessor, maar in sommige gebieden van zijn werking zijn vaak speciale configuraties vereist voor de uitvoering van zijn structuur. De architectuur van microprocessors weerspiegelt de specifieke kenmerken van de toepassing van een bepaald model, waardoor de kenmerken van de hardware en software in het systeem zijn geïntegreerd. In het bijzonder kunnen we praten over de geleverde actuatoren, programmaregisters, adresseringsmethoden en instructiesets.
Bij de weergave van de architectuur en kenmerken van het functioneren van de MP gebruiken ze vaak apparaatdiagrammen en de interactie van beschikbare softwareregisters die besturingsinformatie en operanden (verwerkte gegevens) bevatten. Daarom is er in het registermodel een groep serviceregisters, evenals segmenten voor het opslaan van algemene operanden. Op basis hiervan worden de methode voor het uitvoeren van programma's, het schema van de geheugenorganisatie, de werkingsmodus en de kenmerken van de microprocessor bepaald. De MP-structuur voor algemene doeleinden kan bijvoorbeeld een programmateller omvatten, evenals registers voor de status en besturing van de systeemwerkingsmodi. De workflow van een apparaat in de context van een architecturale configuratie kan worden weergegeven als een model van registeroverdrachten, adressering, selectie van operanden en instructies, overdracht van resultaten, enz. De uitvoering van verschillende instructies, ongeacht de toewijzing, zal de status beïnvloeden register, waarvan de inhoud de huidige status van de processor weerspiegelt.
Algemene informatie over de structuur van microprocessors
In dit geval moet de structuur niet alleen worden begrepen als een set componenten van het werkende systeem, maar ookmiddel van verbinding tussen hen, evenals apparaten die zorgen voor hun interactie. Net als in de functionele classificatie kan de inhoud van de structuur worden uitgedrukt door drie componenten: operationele inhoud, communicatiemiddelen met de bus en besturingsinfrastructuur.
Het apparaat van het bedieningsgedeelte bepa alt de aard van de opdrachtdecodering en gegevensverwerking. Dit complex kan rekenkundig-logische functionele blokken bevatten, evenals weerstanden voor tijdelijke opslag van informatie, inclusief informatie over de toestand van de microprocessor. De logische structuur voorziet in het gebruik van 16-bits weerstanden die niet alleen logische en rekenkundige procedures uitvoeren, maar ook schuifbewerkingen. Het werk van registers kan worden georganiseerd volgens verschillende schema's, die onder meer hun toegankelijkheid voor de programmeur bepalen. Voor de batterijfunctie is een apart register gereserveerd.
Buskoppelaars zijn verantwoordelijk voor verbindingen met randapparatuur. Hun takenpakket omvat ook het ophalen van gegevens uit het geheugen en het vormen van een wachtrij met opdrachten. De typische microprocessorstructuur omvat een IP-opdrachtaanwijzer, adresoptellers, segmentregisters en buffers, waardoor verbindingen met adresbussen worden onderhouden.
Het besturingsapparaat genereert op zijn beurt besturingssignalen, decodeert de opdracht en zorgt ook voor de werking van het computersysteem, door micro-opdrachten uit te geven voor interne MP-bewerkingen.
Structuur van de basis MP
De vereenvoudigde structuur van deze microprocessor biedt twee functioneleonderdelen:
- Operatiekamer. Deze unit bevat besturings- en gegevensverwerkingsfaciliteiten, evenals microprocessorgeheugen. In tegenstelling tot de volledige configuratie, sluit de basisstructuur van de microprocessor segmentregisters uit. Sommige uitvoeringsapparaten zijn gecombineerd tot één functionele eenheid, wat ook de geoptimaliseerde aard van deze architectuur benadrukt.
- Interface. In wezen een middel om te zorgen voor communicatie met de hoofdweg. Dit deel bevat de interne geheugenregisters en de adresopteller.
Het principe van signaalmultiplexing wordt vaak gebruikt op de externe uitgangskanalen van standaard MP's. Dit betekent dat de signalering plaatsvindt via gemeenschappelijke time-sharing kanalen. Bovendien kan, afhankelijk van de huidige bedrijfsmodus van het systeem, dezelfde uitgang worden gebruikt om signalen voor verschillende doeleinden te verzenden.
Microprocessor instructiestructuur
Deze structuur hangt grotendeels af van de algemene configuratie en de aard van de interactie van de MP-functionele blokken. Maar zelfs in de ontwerpfase van het systeem leggen ontwikkelaars de mogelijkheden vast voor het toepassen van een bepaalde reeks bewerkingen op basis waarvan vervolgens een reeks commando's wordt gevormd. De meest voorkomende commandofuncties zijn:
- Gegevensoverdracht. De opdracht voert de bewerkingen uit van het toewijzen van de waarden van de bron- en bestemmingsoperanden. Registers of geheugencellen kunnen als laatste worden gebruikt.
- Invoer-uitvoer. DoorI/O-interface-apparaten dragen gegevens over naar poorten. In overeenstemming met de structuur van de microprocessor en zijn interactie met perifere hardware en interne eenheden, stellen de commando's de poortadressen in.
- Type conversie. De formaten en groottewaarden van de gebruikte operanden worden bepaald.
- Onderbrekingen. Dit type instructie is ontworpen om software-onderbrekingen te beheersen - het kan bijvoorbeeld een processorfunctiestop zijn terwijl I / O-apparaten beginnen te werken.
- Organisatie van cycli. Instructies wijzigen de waarde van het ECX-register, dat als teller kan worden gebruikt bij het uitvoeren van bepaalde programmacodes.
In de regel worden er beperkingen opgelegd aan basiscommando's die verband houden met de mogelijkheid om met bepaalde hoeveelheden geheugen te werken en tegelijkertijd registers en hun inhoud te beheren.
MP managementstructuur
MP-regelsysteem is gebaseerd op de regeleenheid, die is gekoppeld aan verschillende functionele onderdelen:
- Signaalsensor. Bepa alt de volgorde en parameters van pulsen en verdeelt ze gelijkmatig in de tijd over de bussen. Een van de kenmerken van de werking van sensoren is het aantal cycli en besturingssignalen dat nodig is om bewerkingen uit te voeren.
- Bron van signalen. Een van de functies van de besturingseenheid in de structuur van de microprocessor is toegewezen aan het genereren of verwerken van signalen - dat wil zeggen, hun schakelen binnen een specifieke cyclus op een specifieke bus.
- Bewerkingscode-decoder. Voert decodering uit van de bewerkingscodes die aanwezig zijn in het instructieregister opdit moment. Samen met het bepalen van de actieve bus helpt deze procedure ook om een reeks stuurpulsen te genereren.
Van niet gering belang in de controle-infrastructuur is een permanent opslagapparaat dat in zijn cellen de signalen bevat die nodig zijn om verwerkingshandelingen uit te voeren. Om opdrachten te tellen bij het verwerken van pulsgegevens, kan een adresgeneratie-eenheid worden gebruikt - dit is een noodzakelijk onderdeel van de interne structuur van de microprocessor, die is opgenomen in de interface-eenheid van het systeem en waarmee u de details van de geheugenregisters kunt lezen met signalen volledig.
Microprocessorcomponenten
De meeste functionele blokken, evenals externe apparaten, zijn onderling en de centrale microschakeling MP georganiseerd via de interne bus. Er kan worden gezegd dat dit het backbone-netwerk van het apparaat is, dat een uitgebreide communicatieverbinding biedt. Een ander ding is dat de bus ook elementen met verschillende functionele doeleinden kan bevatten - bijvoorbeeld circuits voor gegevensoverdracht, lijnen voor het overbrengen van geheugencellen, evenals een infrastructuur voor het schrijven en lezen van informatie. De aard van de interactie tussen de blokken van de bus zelf wordt bepaald door de structuur van de microprocessor. De apparaten in de MP, naast de bus, omvatten het volgende:
- Rekenkundige logische eenheid. Zoals eerder vermeld, is dit onderdeel ontworpen om logische en rekenkundige bewerkingen uit te voeren. Het werkt met zowel numerieke als karaktergegevens.
- Besturingsapparaat. Verantwoordelijk voorcoördinatie in de interactie van verschillende onderdelen van het MT. Dit blok genereert met name stuursignalen, die ze op bepaalde tijdstippen naar verschillende modules van het machineapparaat leiden.
- Microprocessorgeheugen. Wordt gebruikt om informatie vast te leggen, op te slaan en uit te geven. Gegevens kunnen worden gekoppeld aan zowel werkende computerbewerkingen als processen die de machine bedienen.
- Math-processor. Het wordt gebruikt als een hulpmodule om de snelheid te verhogen bij het uitvoeren van complexe rekenbewerkingen.
Kenmerken van de coprocessorstructuur
Zelfs binnen het kader van het uitvoeren van typische rekenkundige en logische bewerkingen, is er niet genoeg capaciteit van een conventionele MP. De microprocessor heeft bijvoorbeeld niet de mogelijkheid om rekenkundige instructies met drijvende komma uit te voeren. Voor dergelijke taken worden coprocessors gebruikt, waarvan de structuur voorziet in de combinatie van een centrale processor met meerdere MP's. Tegelijkertijd heeft de logica van de werking van het apparaat zelf geen fundamentele verschillen met de basisregels voor het construeren van rekenkundige microschakelingen.
Coprocessors voeren typische commando's uit, maar in nauwe interactie met de centrale module. Deze configuratie veronderstelt een constante bewaking van opdrachtwachtrijen over meerdere regels. In de fysieke structuur van een microprocessor van dit type is het toegestaan om een onafhankelijke module te gebruiken om input-output te leveren, waarvan een kenmerk de mogelijkheid is om zijn commando's te selecteren. Om een dergelijk schema echter correct te laten werken, moeten coprocessors duidelijk de bron van instructieselectie definiëren,coördineren van interactie tussen modules.
Het principe van het bouwen van een algemene structuur van een microprocessor met een sterk gekoppelde configuratie is ook verbonden met het concept van een coprocessor-apparaat. Als we in het vorige geval kunnen praten over een onafhankelijk I / O-blok met de mogelijkheid van een eigen selectie van opdrachten, dan omvat een sterk gekoppelde configuratie de opname in de structuur van een onafhankelijke processor die opdrachtstromen bestuurt.
Conclusie
De principes van het maken van microprocessors hebben weinig veranderingen ondergaan sinds de komst van de eerste computerapparatuur. De kenmerken, ontwerpen en vereisten voor bronondersteuning zijn veranderd, wat de computer radicaal heeft veranderd, maar het algemene concept met de basisregels voor het organiseren van functionele blokken blijft grotendeels hetzelfde. De toekomst van de ontwikkeling van microprocessorstructuren kan echter worden beïnvloed door nanotechnologie en de komst van kwantumcomputersystemen. Tegenwoordig worden dergelijke gebieden op theoretisch niveau beschouwd, maar grote bedrijven werken actief aan de vooruitzichten voor het praktische gebruik van nieuwe logische circuits op basis van innovatieve technologieën. Als mogelijke optie voor de verdere ontwikkeling van MT wordt bijvoorbeeld het gebruik van moleculaire en subatomaire deeltjes niet uitgesloten en kunnen traditionele elektrische circuits plaatsmaken voor systemen van gerichte elektronenrotatie. Dit zal het mogelijk maken om microscopische processors te creëren met een fundamenteel nieuwe architectuur, waarvan de prestaties vele malen beter zullen zijn dan die van vandaag. MP.
