Адамзат компьютерлерді жасау жолында ұзақ жолдан өтті, онсыз қазіргі қоғамды өнеркәсіп, халық шаруашылығы және тұрмыстық техника салаларындағы өмірінің барлық аспектілерімен елестету мүмкін емес. Бірақ бүгінгі күннің өзінде прогресс компьютерлендірудің жаңа формаларын аша отырып, бір орында тұрған жоқ. Бірнеше онжылдықтар бойы технологиялық дамудың орталығында микропроцессордың (МП) құрылымы тұр, ол өзінің функционалдық және конструктивтік параметрлері бойынша жетілдірілуде.
Микропроцессор тұжырымдамасы
Жалпы мағынада микропроцессор ұғымы бағдарламамен басқарылатын құрылғы немесе үлкен интегралдық схемаға (LSI) негізделген жүйе ретінде ұсынылған. МП көмегімен мәліметтерді өңдеу операциялары немесе ақпаратты өңдейтін жүйелерді басқару орындалады. Алғашқы кезеңдердеМП дамуы транзисторлар бірнешеден жүздегенге дейін болатын жекелеген төмен функционалды микросұлбаларға негізделген. Ең қарапайым типтік микропроцессорлық құрылым жалпы электрлік, құрылымдық және электрлік параметрлері бар микросұлбалар тобын қамтуы мүмкін. Мұндай жүйелер микропроцессорлық жиынтық деп аталады. МП-мен қатар бір жүйе тұрақты және жедел жад құрылғыларынан, сондай-ақ контроллерлерден және сыртқы жабдықты қосуға арналған интерфейстерден тұруы мүмкін - қайтадан үйлесімді байланыстар арқылы. Микроконтроллерлер концепциясының дамуы нәтижесінде микропроцессорлық жинақ неғұрлым күрделі қызмет көрсететін құрылғылармен, регистрлермен, автобус драйверлерімен, таймерлермен және т.б. толықтырылды.
Бүгінгі таңда микропроцессор практикалық қолданбалар контекстінде жеке құрылғы ретінде азырақ қарастырылады. Микропроцессордың функционалдық құрылымы мен жұмыс принципі жобалау кезеңдерінде ақпаратты өңдеу және басқарумен байланысты бірқатар тапсырмаларды орындауға арналған есептеуіш құрылғының бөлігі ретінде пайдалануды басшылыққа алады. Микропроцессорлық құрылғының жұмысын ұйымдастыру процестерінің негізгі буыны басқару конфигурациясын және жүйенің есептеуіш ядросы мен сыртқы жабдықтың өзара әрекеттесу режимдерін сақтайтын контроллер болып табылады. Интегралды процессорды контроллер мен микропроцессор арасындағы аралық буын ретінде қарастыруға болады. Оның функционалдығы негізгі МТ мақсатына тікелей қатысы жоқ көмекші тапсырмаларды шешуге бағытталған. Атап айтқанда, бұл микропроцессорлық құрылғының жұмысын қамтамасыз ететін желілік және байланыс функциялары болуы мүмкін.
Микропроцессорлардың классификациялары
Тіпті қарапайым конфигурацияларда MP-де жіктеу мүмкіндіктерін орнату үшін пайдалануға болатын көптеген техникалық және операциялық параметрлер бар. Жіктелудің негізгі деңгейлерін негіздеу үшін әдетте үш функционалдық жүйені ажыратады – операциялық, интерфейстік және басқару. Осы жұмыс бөліктерінің әрқайсысы құрылғының жұмысының сипатын анықтайтын бірқатар параметрлер мен ерекшеліктерді қамтамасыз етеді.
Микропроцессорлардың типтік құрылымы тұрғысынан классификация ең алдымен құрылғыларды көп чипті және бір чипті үлгілерге бөледі. Біріншілері олардың жұмыс блоктары желіден тыс жұмыс істей алатындығымен және алдын ала белгіленген командаларды орындауымен сипатталады. Және бұл мысалда депутаттар айтылады, онда екпін операциялық функцияға беріледі. Мұндай процессорлар мәліметтерді өңдеуге бағытталған. Бір топта, мысалы, үш чипті микропроцессорлар басқару және интерфейс болуы мүмкін. Бұл олардың операциялық функциясы жоқ дегенді білдірмейді, бірақ оңтайландыру мақсатында байланыс және қуат ресурстарының көп бөлігі микронұсқауларды немесе перифериялық жүйелермен өзара әрекеттесу мүмкіндігін жасау тапсырмаларына бөлінген.
Бір чипті МП-ға келетін болсақ, олар бекітілген нұсқаулар жиынтығымен және барлық аппараттық құралдардың ықшам орналасуымен әзірленген.бір ядрода. Функционалдық жағынан бір чипті микропроцессордың құрылымы айтарлықтай шектеулі, дегенмен ол көп чипті аналогтардың сегменттік конфигурацияларына қарағанда сенімдірек.
Тағы бір маңызды классификация микропроцессорлардың интерфейс дизайнына жатады. Біз қазір цифрлық және аналогтық болып бөлінуін жалғастыратын кіріс сигналдарын өңдеу тәсілдері туралы айтып отырмыз. Процессорлардың өзі сандық құрылғылар болғанымен, кейбір жағдайларда аналогтық ағындарды пайдалану бағасы мен сенімділігі бойынша өзін ақтайды. Конверсия үшін, алайда, арнайы түрлендіргіштерді пайдалану қажет, олар энергия жүктемесіне және жұмыс платформасының құрылымдық толықтығына ықпал етеді. Аналогтық МП (әдетте бір чипті) стандартты аналогтық жүйелердің тапсырмаларын орындайды - мысалы, олар модуляция жасайды, тербелістерді жасайды, сигналды кодтайды және декодтайды.
МП қызметін уақытша ұйымдастыру принципі бойынша олар синхронды және асинхронды болып бөлінеді. Айырмашылық жаңа операцияны бастау сигналының сипатында. Мысалы, синхронды құрылғы жағдайында мұндай командалар ағымдағы операциялардың орындалуына қарамастан басқару модульдері арқылы беріледі. Асинхронды МП жағдайында ұқсас сигнал алдыңғы операция аяқталғаннан кейін автоматты түрде берілуі мүмкін. Ол үшін асинхронды типті микропроцессордың логикалық құрылымында электрондық схема қарастырылған, ол қажет болған жағдайда офлайн режимде жекелеген компоненттердің жұмысын қамтамасыз етеді. МП жұмысын ұйымдастырудың бұл әдісін жүзеге асырудың күрделілігі мынаған байланыстыәрқашан бір операцияның аяқталу сәтінде келесі операцияны бастау үшін белгілі бір ресурстар жеткілікті. Процессор жады әдетте келесі операцияларды таңдауда басымдық беретін сілтеме ретінде пайдаланылады.
Жалпы және арнайы мақсаттарға арналған микропроцессорлар
Жалпы мақсаттағы МП-ның негізгі қолдану аясы жұмыс станциялары, дербес компьютерлер, серверлер және жаппай пайдалануға арналған электрондық құрылғылар болып табылады. Олардың функционалдық инфрақұрылымы ақпаратты өңдеуге қатысты кең ауқымды тапсырмаларды орындауға бағытталған. Мұндай құрылғыларды SPARC, Intel, Motorola, IBM және т.б. жасауда.
Сипаттамасы мен құрылымы қуатты контроллерлерге негізделген мамандандырылған микропроцессорлар цифрлық және аналогтық сигналдарды өңдеу мен түрлендірудің күрделі процедураларын жүзеге асырады. Бұл мыңдаған конфигурация түрлері бар өте алуан түрлі сегмент. Бұл типтегі МП құрылымының ерекшеліктеріне орталық процессордың негізі ретінде бір кристалды пайдалану жатады, ол өз кезегінде көптеген перифериялық құрылғылармен байланыса алады. Олардың ішінде енгізу/шығару құралдары, таймерлері бар блоктар, интерфейстер, аналогты-цифрлық түрлендіргіштер бар. Сондай-ақ, импульстік ені сигналдарын генерациялауға арналған блоктар сияқты мамандандырылған құрылғыларды қосу тәжірибесі қолданылады. Ішкі жадының қолданылуына байланысты мұндай жүйелерде операцияны қолдайтын көмекші компоненттер азмикроконтроллер.
Микропроцессордың техникалық сипаттамалары
Жұмыс параметрлері құрылғы тапсырмаларының ауқымын және негізінен белгілі бір микропроцессор құрылымында пайдалануға болатын компоненттер жинағын анықтайды. МП негізгі сипаттамаларын келесідей көрсетуге болады:
- Сағат жиілігі. Жүйе 1 секундта орындай алатын қарапайым операциялардың санын көрсетеді. және МГц-пен өрнектеледі. Құрылымдағы айырмашылықтарға қарамастан, әртүрлі МП негізінен ұқсас тапсырмаларды орындайды, бірақ әр жағдайда ол циклдер санында көрінетін жеке уақытты қажет етеді. МП неғұрлым қуатты болса, ол бір уақыт бірлігі ішінде соғұрлым көп процедураларды орындай алады.
- Ені. Құрылғы бір уақытта орындай алатын биттердің саны. Шина енін, деректерді беру жылдамдығын, ішкі регистрлерді және т.б. бөлу.
- Кэш жадының көлемі. Бұл микропроцессордың ішкі құрылымына кіретін және әрқашан шекті жиіліктерде жұмыс істейтін жады. Физикалық көріністе бұл негізгі МП чипіне орналастырылған және микропроцессорлық шина өзегіне қосылған кристал.
- Конфигурация. Бұл жағдайда біз командаларды ұйымдастыру және адрестеу әдістері туралы айтып отырмыз. Іс жүзінде конфигурация түрі бір уақытта бірнеше командаларды орындау процестерін біріктіру мүмкіндігін, МП жұмысының режимдері мен принциптерін және негізгі микропроцессорлық жүйеде перифериялық құрылғылардың болуын білдіруі мүмкін.
Микропроцессор архитектурасы
Жалпы, MP әмбебап болып табыладыақпараттық процессор, бірақ оның жұмысының кейбір салаларында оның құрылымын орындау үшін арнайы конфигурациялар жиі талап етіледі. Микропроцессорлардың архитектурасы жүйеге біріктірілген аппараттық және бағдарламалық құралдардың ерекшеліктерін тудыратын белгілі бір модельді қолдану ерекшеліктерін көрсетеді. Атап айтқанда, берілген жетектер, бағдарлама регистрлері, адрестеу әдістері және нұсқаулар жиыны туралы айтуға болады.
МП архитектурасы мен жұмыс істеу ерекшеліктерін көрсетуде олар көбінесе құрылғы диаграммаларын және басқару ақпараты мен операндтарды (өңделген деректер) қамтитын қолжетімді бағдарламалық регистрлердің өзара әрекетін пайдаланады. Сондықтан регистрлік модельде сервистік регистрлер тобы, сонымен қатар жалпы мақсаттағы операндтарды сақтауға арналған сегменттер бар. Осының негізінде программаларды орындау әдісі, жадты ұйымдастыру схемасы, жұмыс режимі және микропроцессордың сипаттамалары анықталады. Жалпы мақсаттағы МП құрылымы, мысалы, бағдарлама есептегішін, сондай-ақ жүйенің жұмыс режимдерінің күйі мен басқару регистрлерін қамтуы мүмкін. Архитектуралық конфигурация контекстіндегі құрылғының жұмыс процесі адрестеуді қамтамасыз ететін, операндтар мен нұсқауларды таңдау, нәтижелерді тасымалдау және т.б. қамтамасыз ететін регистрлерді тасымалдау моделі ретінде ұсынылуы мүмкін. Әртүрлі нұсқауларды орындау, тағайындалғанына қарамастан, күйге әсер етеді. тізілімі, оның мазмұны процессордың ағымдағы күйін көрсетеді.
Микропроцессорлардың құрылымы туралы жалпы ақпарат
Бұл жағдайда құрылымды жұмыс жүйесінің құрамдас бөліктерінің жиынтығы ретінде ғана емес, сонымен қатаролардың арасындағы байланыс құралдары, сондай-ақ олардың өзара әрекеттесуін қамтамасыз ететін құрылғылар. Функционалдық классификациядағыдай құрылымның мазмұнын үш құрамдас бөлік арқылы көрсетуге болады – операциялық мазмұн, автобуспен байланыс құралдары және басқару инфрақұрылымы.
Операциялық бөліктің құрылғысы пәрменді декодтау және деректерді өңдеу сипатын анықтайды. Бұл кешенге арифметикалық-логикалық функционалды блоктар, сонымен қатар микропроцессордың күйі туралы ақпаратты қоса алғанда, ақпаратты уақытша сақтауға арналған резисторлар кіруі мүмкін. Логикалық құрылым логикалық және арифметикалық процедураларды ғана емес, сонымен қатар ауыстыру операцияларын орындайтын 16 разрядты резисторларды пайдалануды қарастырады. Регистрлердің жұмысын әртүрлі схемалар бойынша ұйымдастыруға болады, олар басқалармен қатар олардың бағдарламашыға қолжетімділігін анықтайды. Батарея жинағы функциясы үшін бөлек регистр сақталған.
Шинарлы қосқыштар перифериялық жабдыққа қосылуға жауапты. Олардың тапсырмаларының ауқымына жадтан деректерді алу және командалар кезегін қалыптастыру да кіреді. Әдеттегі микропроцессорлық құрылым IP пәрмен көрсеткішін, мекенжай қосқыштарын, сегмент регистрлерін және буферлерді қамтиды, олар арқылы мекенжай шиналары бар сілтемелерге қызмет көрсетіледі.
Басқару құрылғысы өз кезегінде басқару сигналдарын жасайды, пәрменнің шифрын шешеді, сонымен қатар ішкі МП операциялары үшін микрокомандаларды бере отырып, есептеу жүйесінің жұмысын қамтамасыз етеді.
Негізгі МП құрылымы
Бұл микропроцессордың жеңілдетілген құрылымы екі функционалды қамтамасыз етедібөліктері:
- Операция бөлмесі. Бұл құрылғыда басқару және мәліметтерді өңдеу құралдары, сонымен қатар микропроцессорлық жады бар. Толық конфигурациядан айырмашылығы, негізгі микропроцессорлық құрылым сегменттік регистрлерді қоспайды. Кейбір орындау құрылғылары бір функционалды бірлікке біріктірілген, бұл сонымен қатар осы архитектураның оңтайландырылған сипатына баса назар аударады.
- Интерфейс. Негізінде, негізгі магистральмен байланысты қамтамасыз ету құралы. Бұл бөлікте ішкі жад регистрлері мен мекенжай қосқышы бар.
Сигналдарды мультиплексирлеу принципі жиі негізгі МП-ның сыртқы шығыс арналарында қолданылады. Бұл сигнал беру жалпы уақытты бөлісу арналары арқылы жүзеге асатынын білдіреді. Бұған қоса, жүйенің ағымдағы жұмыс режиміне байланысты бірдей шығыс сигналдарды әртүрлі мақсаттарға жіберу үшін пайдаланылуы мүмкін.
Микропроцессор нұсқау құрылымы
Бұл құрылым көп жағдайда жалпы конфигурацияға және МП функционалды блоктарының өзара әрекеттесу сипатына байланысты. Дегенмен, жүйені жобалау кезеңінде де әзірлеушілер кейіннен командалар жинағы қалыптасатын белгілі бір операциялар массивін қолдану мүмкіндіктерін береді. Ең көп таралған пәрмен функцияларына мыналар жатады:
- Деректерді тасымалдау. Пәрмен бастапқы және тағайындалған операндтардың мәндерін тағайындау операцияларын орындайды. Соңғысы ретінде регистрлерді немесе жад ұяшықтарын пайдалануға болады.
- Енгізу-шығару. арқылыЕнгізу/шығару интерфейсінің құрылғылары деректерді порттарға тасымалдайды. Микропроцессордың құрылымына және оның перифериялық аппараттық құралдармен және ішкі блоктармен әрекеттестігіне сәйкес командалар порт мекенжайларын орнатады.
- Түрді түрлендіру. Пайдаланылатын операндтардың пішімдері мен өлшем мәндері анықталады.
- Үзілістер. Нұсқаулардың бұл түрі бағдарламалық құрал үзілістерін басқаруға арналған – мысалы, енгізу/шығару құрылғылары жұмыс істей бастаған кезде ол процессор функциясының тоқтауы болуы мүмкін.
- Циклдарды ұйымдастыру. Нұсқаулар ECX регистрінің мәнін өзгертеді, оны белгілі бір бағдарлама кодын орындау кезінде есептегіш ретінде пайдалануға болады.
Ереже бойынша, белгілі бір жад көлемімен жұмыс істеу, регистрлер мен олардың мазмұнын бір уақытта басқару мүмкіндігіне қатысты негізгі пәрмендерге шектеулер қойылады.
MP басқару құрылымы
MP басқару жүйесі бірнеше функционалды бөліктермен байланысты басқару блогына негізделген:
- Сигнал сенсоры. Импульстердің реттілігін және параметрлерін анықтайды, оларды уақыт бойынша автобустар бойынша біркелкі таратады. Датчиктердің жұмыс сипаттамаларының арасында операцияларды орындау үшін қажетті циклдар мен басқару сигналдарының саны бар.
- Сигналдардың көзі. Микропроцессор құрылымындағы басқару блогының функцияларының бірі сигналдарды генерациялауға немесе өңдеуге тағайындалған - яғни белгілі бір шинада белгілі бір цикл ішінде олардың ауысуы.
- Жұмыс коды декодер. Нұсқаулар тізілімінде бар операциялық кодтардың шифрын шешуді орындайдыосы сәт. Белсенді шинаны анықтаумен бірге бұл процедура басқару импульстерінің тізбегін құруға да көмектеседі.
Басқару инфрақұрылымында оның ұяшықтарында өңдеу операцияларын орындау үшін қажетті сигналдарды қамтитын тұрақты сақтау құрылғысының маңыздылығы аз емес. Импульстік деректерді өңдеу кезінде командаларды санау үшін адресті генерациялау блогын пайдалануға болады - бұл жүйенің интерфейс блогына кіретін және жад регистрлерінің мәліметтерін оқуға мүмкіндік беретін микропроцессордың ішкі құрылымының қажетті құрамдас бөлігі. толық сигналдармен.
Микропроцессор құрамдастары
Функционалдық блоктардың көпшілігі, сондай-ақ сыртқы құрылғылар ішкі шина арқылы өздері мен орталық микросұлба МП арасында ұйымдастырылған. Бұл жан-жақты байланыс байланысын қамтамасыз ететін құрылғының магистральдық желісі деп айтуға болады. Тағы бір нәрсе, шинаның құрамында әртүрлі функционалдық мақсаттағы элементтер болуы мүмкін - мысалы, деректерді беру схемалары, жад ұяшықтарын тасымалдауға арналған сызықтар, сондай-ақ ақпаратты жазу және оқу үшін инфрақұрылым. Шина блоктарының өзара әрекеттесу сипаты микропроцессордың құрылымымен анықталады. МП құрамына кіретін құрылғылар автобусқа қосымша мыналарды қамтиды:
- Арифметикалық логикалық бірлік. Жоғарыда айтылғандай, бұл компонент логикалық және арифметикалық амалдарды орындауға арналған. Ол сандық және таңба деректерімен жұмыс істейді.
- Басқару құрылғысы. Үшін жауаптыМТ-ның әртүрлі бөліктерінің өзара әрекетіндегі үйлестіру. Атап айтқанда, бұл блок басқару сигналдарын жасайды, оларды белгілі бір уақытта машина құрылғысының әртүрлі модульдеріне бағыттайды.
- Микропроцессорлық жады. Ақпаратты жазу, сақтау және шығару үшін қолданылады. Деректерді жұмыс істейтін есептеу операцияларымен де, машинаға қызмет көрсететін процестермен де байланыстыруға болады.
- Математикалық процессор. Ол күрделі есептеу операцияларын орындау кезінде жылдамдықты арттыру үшін көмекші модуль ретінде пайдаланылады.
Сопроцессор құрылымының мүмкіндіктері
Тіпті арифметикалық және логикалық операцияларды орындау шеңберінде де кәдімгі МП-ның сыйымдылығы жеткіліксіз. Мысалы, микропроцессордың өзгермелі нүктелі арифметикалық нұсқауларды орындау мүмкіндігі жоқ. Мұндай міндеттер үшін құрылымы орталық процессордың бірнеше МП-мен біріктірілуін қарастыратын сопроцессорлар қолданылады. Бұл ретте құрылғы жұмысының логикасы арифметикалық микросұлбаларды құрудың негізгі ережелерінен түбегейлі айырмашылығы жоқ.
Сопроцессорлар типтік командаларды орындайды, бірақ орталық модульмен тығыз әрекеттесуде. Бұл конфигурация бірнеше жолдар бойынша пәрмен кезектерін тұрақты бақылауды болжайды. Осы типтегі микропроцессордың физикалық құрылымында енгізу-шығаруды қамтамасыз ету үшін тәуелсіз модульді пайдалануға рұқсат етіледі, оның ерекшелігі оның командаларын таңдау мүмкіндігі болып табылады. Дегенмен, мұндай схема дұрыс жұмыс істеуі үшін сопроцессорлар нұсқауларды таңдау көзін нақты анықтауы керек,модульдер арасындағы өзара әрекетті үйлестіру.
Қатты байланысқан конфигурациялы микропроцессордың жалпыланған құрылымын құру принципі де сопроцессорлық құрылғы ұғымымен байланысты. Егер алдыңғы жағдайда пәрмендерді жеке таңдау мүмкіндігі бар тәуелсіз енгізу-шығару блогы туралы айтуға болатын болса, онда қатты байланыстырылған конфигурация командалар ағындарын басқаратын тәуелсіз процессордың құрылымына қосуды қамтиды.
Қорытынды
Микропроцессорларды құру принциптері алғашқы есептеуіш құрылғылар пайда болғаннан бері аздаған өзгерістерге ұшырады. Сипаттамалар, конструкциялар мен ресурстарды қолдауға қойылатын талаптар өзгерді, бұл компьютерді түбегейлі өзгертті, бірақ функционалдық блоктарды ұйымдастырудың негізгі ережелері бар жалпы тұжырымдама көп жағдайда өзгеріссіз қалды. Дегенмен, микропроцессорлық құрылымның дамуының болашағына нанотехнология және кванттық есептеу жүйелерінің пайда болуы әсер етуі мүмкін. Бүгінгі таңда мұндай салалар теориялық деңгейде қарастырылады, бірақ ірі корпорациялар инновациялық технологияларға негізделген жаңа логикалық схемаларды практикалық қолдану перспективаларымен белсенді жұмыс істейді. Мысалы, МТ-ны одан әрі дамытудың ықтимал нұсқасы ретінде молекулалық және субатомдық бөлшектерді пайдалану жоққа шығарылмайды және дәстүрлі электрлік тізбектер бағытталған электронды айналу жүйелеріне орын бере алады. Бұл принципті түрде жаңа архитектурасы бар микроскопиялық процессорларды жасауға мүмкіндік береді, олардың өнімділігі бүгінгі күннен бірнеше есе асып түседі. Депутат.
