Човечеството измина дълъг път към създаването на компютрите, без които е невъзможно да си представим съвременното общество с всички аспекти на неговия живот в областта на индустрията, националната икономика и домакинските уреди. Но дори и днес напредъкът не стои на едно място, отваряйки нови форми на компютъризация. В центъра на технологичното развитие от няколко десетилетия е структурата на микропроцесора (МП), която се усъвършенства по своите функционални и конструктивни параметри.
Концепция за микропроцесор
В общ смисъл концепцията за микропроцесор се представя като програмно управлявано устройство или система, базирана на голяма интегрална схема (LSI). С помощта на MP се извършват операции по обработка на данни или управление на системи, които обработват информация. На първите етапиРазвитието на MP се основава на отделни нискофункционални микросхеми, в които транзисторите присъстват в количества от няколко до стотици. Най-простата типична микропроцесорна структура може да съдържа група от микросхеми с общи електрически, структурни и електрически параметри. Такива системи се наричат микропроцесорен комплект. Заедно с MP, една система може да се състои и от устройства с памет с постоянен и произволен достъп, както и контролери и интерфейси за свързване на външно оборудване - отново чрез съвместими комуникации. В резултат на развитието на концепцията за микроконтролери, микропроцесорният комплект беше допълнен с по-сложни сервизни устройства, регистри, драйвери на автобуси, таймери и др.
Днес микропроцесорът все по-малко се разглежда като отделно устройство в контекста на практическите приложения. Функционалната структура и принципът на работа на микропроцесора още на етапите на проектиране се ръководят от използването като част от изчислително устройство, предназначено да изпълнява редица задачи, свързани с обработката и управлението на информация. Основното звено в процесите на организиране на работата на микропроцесорно устройство е контролерът, който поддържа конфигурацията на управлението и режимите на взаимодействие между изчислителното ядро на системата и външното оборудване. Интегрираният процесор може да се разглежда като междинна връзка между контролера и микропроцесора. Функционалността му е насочена към решаване на помощни задачи, които не са пряко свързани с целта на основния МТ. По-специално, това могат да бъдат мрежови и комуникационни функции, които осигуряват работата на микропроцесорното устройство.
Класификации на микропроцесорите
Дори и в най-простите конфигурации, MPs имат много технически и оперативни параметри, които могат да се използват за задаване на характеристики на класификация. За да се обосноват основните нива на класификация, обикновено се разграничават три функционални системи - оперативна, интерфейсна и контролна. Всяка от тези работни части също така предоставя редица параметри и отличителни характеристики, които определят естеството на работата на устройството.
От гледна точка на типичната структура на микропроцесорите, класификацията ще раздели предимно устройствата на многочипови и едночипови модели. Първите се характеризират с това, че техните работни звена могат да функционират офлайн и да изпълняват предварително зададени команди. И в този пример ще се произнасят депутати, в които акцентът е върху оперативната функция. Такива процесори са фокусирани върху обработката на данни. В същата група, например, тричиповите микропроцесори могат да бъдат контролни и интерфейсни. Това не означава, че те нямат оперативна функция, но за целите на оптимизация, по-голямата част от комуникационните и захранващите ресурси се разпределят за задачите за генериране на микроинструкции или възможността за взаимодействие с периферни системи.
Що се отнася до MPs с един чип, те са разработени с фиксиран набор от инструкции и компактно разположение на целия хардуерна едно ядро. По отношение на функционалността структурата на едночиповия микропроцесор е доста ограничена, въпреки че е по-надеждна от сегментните конфигурации на многочиповите аналози.
Друга важна класификация се отнася до дизайна на интерфейса на микропроцесорите. Говорим за начини за обработка на входни сигнали, които днес продължават да се делят на цифрови и аналогови. Въпреки че самите процесори са цифрови устройства, в някои случаи използването на аналогови потоци се оправдава по отношение на цена и надеждност. За преобразуване обаче трябва да се използват специални преобразуватели, които допринасят за енергийното натоварване и конструктивната пълнота на работната платформа. Аналоговите MPs (обикновено едночипови) изпълняват задачите на стандартните аналогови системи - например произвеждат модулация, генерират трептения, кодират и декодират сигнал.
Според принципа на временната организация на функционирането на МП те се делят на синхронни и асинхронни. Разликата е в естеството на сигнала за започване на нова операция. Например, в случай на синхронно устройство, такива команди се подават от контролни модули, независимо от изпълнението на текущите операции. В случай на асинхронни MPs, подобен сигнал може да бъде подаден автоматично при завършване на предишната операция. За да направите това, в логическата структура на микропроцесора от асинхронен тип е предвидена електронна схема, която осигурява работата на отделни компоненти в офлайн режим, ако е необходимо. Сложността на прилагането на този метод за организиране на работата на депутата се дължи на факта, чевинаги в момента на завършване на една операция има достатъчно определени ресурси за стартиране на следващата. Паметта на процесора обикновено се използва като връзка за приоритизиране при самия избор на последващи операции.
Микропроцесори за общи и специални цели
Основният обхват на MP с общо предназначение са работни станции, персонални компютри, сървъри и електронни устройства, предназначени за масова употреба. Тяхната функционална инфраструктура е насочена към изпълнение на широк спектър от задачи, свързани с обработката на информация. Такива устройства се разработват от SPARC, Intel, Motorola, IBM и други.
Специализирани микропроцесори, чиито характеристики и структура са базирани на мощни контролери, реализират сложни процедури за обработка и преобразуване на цифрови и аналогови сигнали. Това е много разнообразен сегмент с хиляди типове конфигурации. Особеностите на структурата на MP от този тип включват използването на един кристал като основа за централния процесор, който от своя страна може да бъде свързан с голям брой периферни устройства. Сред тях са средствата за вход/изход, блокове с таймери, интерфейси, аналогово-цифрови преобразуватели. Практикува се и свързване на специализирани устройства като блокове за генериране на сигнали с широчина на импулса. Поради използването на вътрешна памет, такива системи имат малък брой помощни компоненти, които поддържат работатамикроконтролер.
Спецификации на микропроцесора
Работните параметри определят обхвата от задачи на устройството и набора от компоненти, които по принцип могат да се използват в конкретна микропроцесорна структура. Основните характеристики на MP могат да бъдат представени по следния начин:
- Честота на часовника. Показва броя на елементарните операции, които системата може да извърши за 1 секунда. и се изразява в MHz. Въпреки разликите в структурата, различните МП изпълняват най-вече сходни задачи, но във всеки случай това изисква индивидуално време, което се отразява в броя на циклите. Колкото по-мощен е MP, толкова повече процедури може да извърши в рамките на една времева единица.
- Ширина. Броят битове, които устройството може да изпълнява едновременно. Разпределете ширина на шината, скорост на трансфер на данни, вътрешни регистри и др.
- Обемът на кеш паметта. Това е паметта, включена във вътрешната структура на микропроцесора и винаги работеща на ограничени честоти. Във физическото представяне това е кристал, поставен върху главния MP чип и свързан към ядрото на микропроцесорната шина.
- Конфигурация. В случая говорим за организацията на командите и методите за адресиране. На практика типът конфигурация може да означава възможност за комбиниране на процесите за изпълнение на няколко команди едновременно, режимите и принципите на работа на МП и наличието на периферни устройства в основната микропроцесорна система.
Микропроцесорна архитектура
Като цяло, MP е универсаленинформационен процесор, но в някои области на неговата работа често се изискват специални конфигурации за изпълнение на неговата структура. Архитектурата на микропроцесорите отразява спецификата на приложението на конкретен модел, обуславяйки характеристиките на хардуера и софтуера, интегрирани в системата. По-конкретно, можем да говорим за предоставените задвижващи механизми, програмни регистри, методи за адресиране и набори от инструкции.
При представянето на архитектурата и характеристиките на функционирането на MP те често използват диаграми на устройства и взаимодействието на наличните софтуерни регистри, които съдържат контролна информация и операнди (обработени данни). Следователно в регистровия модел има група служебни регистри, както и сегменти за съхранение на операнди с общо предназначение. На тази основа се определят методът на изпълнение на програмите, схемата на организация на паметта, режимът на работа и характеристиките на микропроцесора. МР структурата с общо предназначение, например, може да включва програмен брояч, както и регистри за състоянието и контрола на режимите на работа на системата. Работният поток на устройство в контекста на архитектурна конфигурация може да бъде представен като модел на прехвърляне на регистри, осигуряване на адресиране, избор на операнди и инструкции, прехвърляне на резултати и т.н. Изпълнението на различни инструкции, независимо от присвояването, ще повлияе на състоянието регистър, чието съдържание отразява текущото състояние на процесора.
Обща информация за структурата на микропроцесорите
В този случай структурата трябва да се разбира не само като набор от компоненти на работната система, но исредства за връзка между тях, както и устройства, които осигуряват тяхното взаимодействие. Както във функционалната класификация, съдържанието на структурата може да бъде изразено чрез три компонента - оперативно съдържание, средства за комуникация с шината и инфраструктура за управление.
Устройството на операционната част определя естеството на командното декодиране и обработката на данни. Този комплекс може да включва аритметично-логически функционални блокове, както и резистори за временно съхранение на информация, включително информация за състоянието на микропроцесора. Логическата структура предвижда използването на 16-битови резистори, които изпълняват не само логически и аритметични процедури, но и операции за смяна. Работата на регистрите може да бъде организирана по различни схеми, които определят, наред с други неща, тяхната достъпност за програмиста. За функцията на батерията е запазен отделен регистър.
Съединителите за шини са отговорни за връзките към периферното оборудване. Обхватът на техните задачи включва също извличане на данни от паметта и формиране на опашка от команди. Типичната микропроцесорна структура включва IP команден указател, суматори на адреси, сегментни регистри и буфери, чрез които се обслужват връзките с адресни шини.
Управляващото устройство от своя страна генерира управляващи сигнали, дешифрира командата и също така осигурява работата на изчислителната система, издавайки микрокоманди за вътрешни МП операции.
Структура на основния MP
Опростената структура на този микропроцесор осигурява две функционалничасти:
- Операционна зала. Това устройство включва средства за управление и обработка на данни, както и микропроцесорна памет. За разлика от пълната конфигурация, основната микропроцесорна структура изключва сегментни регистри. Някои изпълнителни устройства са комбинирани в една функционална единица, което също така подчертава оптимизираната природа на тази архитектура.
- Интерфейс. По същество средство за осигуряване на комуникация с главната магистрала. Тази част съдържа регистрите на вътрешната памет и суматора на адрес.
Принципът на мултиплексиране на сигнала често се използва на външните изходни канали на основните MPs. Това означава, че сигнализирането се извършва по общи канали за споделяне на време. Освен това, в зависимост от текущия режим на работа на системата, един и същ изход може да се използва за предаване на сигнали за различни цели.
структура на микропроцесорните инструкции
Тази структура до голяма степен зависи от общата конфигурация и естеството на взаимодействието на функционалните блокове на MP. Въпреки това, още на етапа на проектиране на системата, разработчиците определят възможностите за прилагане на определен набор от операции, въз основа на които впоследствие се формира набор от команди. Най-често срещаните командни функции включват:
- Прехвърляне на данни. Командата изпълнява операциите по присвояване на стойностите на изходните и дестинационните операнди. Регистри или клетки от паметта могат да се използват като последните.
- Вход-изход. ПрезI/O интерфейсните устройства прехвърлят данни към портове. В съответствие със структурата на микропроцесора и взаимодействието му с периферния хардуер и вътрешните модули, командите задават адресите на портовете.
- Преобразуване на типа. Форматите и стойностите на размера на използваните операнди се определят.
- Прекъсвания. Този тип инструкции са предназначени да контролират софтуерни прекъсвания - например, това може да бъде спиране на функцията на процесора, докато I/O устройствата започнат да работят.
- Организация на циклите. Инструкциите променят стойността на регистъра ECX, който може да се използва като брояч при изпълнение на определен програмен код.
По правило се налагат ограничения върху основните команди, свързани с възможността за работа с определени количества памет, едновременно управление на регистри и тяхното съдържание.
Управленска структура на MP
MP системата за управление се основава на контролния блок, който е свързан с няколко функционални части:
- Сигнален сензор. Определя последователността и параметрите на импулсите, като ги разпределя равномерно във времето по шините. Сред характеристиките на работата на сензорите е броят на циклите и контролните сигнали, необходими за извършване на операции.
- Източник на сигнали. Една от функциите на управляващия блок в структурата на микропроцесора е възложена на генериране или обработка на сигнали - тоест тяхното превключване в рамките на определен цикъл на определена шина.
- Декодер на код за операция. Извършва декриптиране на операционните кодове, присъстващи в регистъра на инструкциитетози момент. Заедно с определянето на активната шина, тази процедура също помага да се генерира последователност от контролни импулси.
Не малко значение в инфраструктурата за управление е постоянно устройство за съхранение, което съдържа в клетките си сигналите, необходими за извършване на операции по обработка. За преброяване на команди при обработка на импулсни данни може да се използва модул за генериране на адрес - това е необходим компонент от вътрешната структура на микропроцесора, който е включен в интерфейсния блок на системата и ви позволява да четете детайлите на регистрите на паметта със сигнали в пълен обем.
Микропроцесорни компоненти
Повечето функционални блокове, както и външни устройства, са организирани между тях и централната микросхема MP чрез вътрешната шина. Може да се каже, че това е основната мрежа на устройството, осигуряваща цялостна комуникационна връзка. Друго нещо е, че шината може да съдържа и елементи с различно функционално предназначение – например схеми за пренос на данни, линии за прехвърляне на клетки от паметта, както и инфраструктура за запис и четене на информация. Характерът на взаимодействието между блоковете на самата шина се определя от структурата на микропроцесора. Устройствата, включени в MP, освен шината, включват следното:
- Аритметична логическа единица. Както вече споменахме, този компонент е предназначен за извършване на логически и аритметични операции. Работи както с цифрови, така и с символни данни.
- Устройство за управление. Отговорен закоординация при взаимодействието на различни части на МТ. По-специално, този блок генерира управляващи сигнали, насочвайки ги към различни модули на устройството на машината в определени моменти от време.
- Микропроцесорна памет. Използва се за запис, съхраняване и издаване на информация. Данните могат да бъдат свързани както с работещи изчислителни операции, така и с процеси, обслужващи машината.
- математически процесор. Използва се като спомагателен модул за увеличаване на скоростта при извършване на сложни изчислителни операции.
Характеристики на структурата на копроцесора
Дори в рамките на извършване на типични аритметични и логически операции, няма достатъчно капацитет на конвенционален MP. Например, микропроцесорът няма способността да изпълнява аритметични инструкции с плаваща запетая. За такива задачи се използват копроцесори, чиято структура предвижда комбиниране на централен процесор с няколко MP. В същото време самата логика на работа на устройството няма фундаментални разлики от основните правила за конструиране на аритметични микросхеми.
Копроцесорите изпълняват типични команди, но в тясно взаимодействие с централния модул. Тази конфигурация предполага постоянно наблюдение на командните опашки в множество редове. Във физическата структура на микропроцесор от този тип е позволено да се използва независим модул за осигуряване на вход-изход, чиято характеристика е възможността за избор на неговите команди. Въпреки това, за да работи такава схема правилно, копроцесорите трябва ясно да дефинират източника на избор на инструкции,координиране на взаимодействието между модулите.
Принципът на изграждане на обобщена структура на микропроцесор със силно свързана конфигурация също е свързан с концепцията за копроцесорно устройство. Ако в предишния случай можем да говорим за независим I/O блок с възможност за собствен избор на команди, тогава силно свързаната конфигурация включва включването в структурата на независим процесор, който контролира командните потоци.
Заключение
Принципите на създаване на микропроцесор са претърпели няколко промени след появата на първите изчислителни устройства. Характеристиките, дизайнът и изискванията за поддръжка на ресурсите са се променили, което коренно промени компютъра, но общата концепция с основните правила за организиране на функционални блокове в по-голямата си част остава същата. Въпреки това, бъдещето на развитието на микропроцесорната структура може да бъде повлияно от нанотехнологиите и появата на квантови изчислителни системи. Днес такива области се разглеждат на теоретично ниво, но големите корпорации активно работят върху перспективите за практическо използване на нови логически схеми, базирани на иновативни технологии. Например, като възможен вариант за по-нататъшно развитие на МТ, не се изключва използването на молекулярни и субатомни частици, а традиционните електрически вериги могат да отстъпят място на системите за насочено въртене на електрони. Това ще направи възможно създаването на микроскопични процесори с принципно нова архитектура, чиято производителност многократно ще надхвърли днешната. MP.
