Malayo na ang narating ng sangkatauhan tungo sa paglikha ng mga computer, kung wala ito ay imposibleng maisip ang modernong lipunan sa lahat ng aspeto ng buhay nito sa larangan ng industriya, pambansang ekonomiya at mga gamit sa bahay. Ngunit kahit ngayon, ang pag-unlad ay hindi tumitigil, na nagbubukas ng mga bagong anyo ng computerization. Sa gitna ng teknolohikal na pag-unlad sa loob ng ilang dekada ngayon ay ang istruktura ng microprocessor (MP), na pinahuhusay sa mga parameter ng functional at disenyo nito.
Konsepto ng Microprocessor
Sa pangkalahatang kahulugan, ang konsepto ng microprocessor ay ipinakita bilang isang device o system na kinokontrol ng program batay sa isang malaking integrated circuit (LSI). Sa tulong ng MP, isinasagawa ang mga operasyon sa pagpoproseso ng data o pamamahala ng mga system na nagpoproseso ng impormasyon. Sa mga unang yugtoAng pag-unlad ng MP ay batay sa hiwalay na mababang-functional na microcircuits, kung saan ang mga transistor ay naroroon sa dami mula sa iilan hanggang daan-daan. Ang pinakasimpleng tipikal na istraktura ng microprocessor ay maaaring maglaman ng isang pangkat ng mga microcircuits na may karaniwang mga parameter ng elektrikal, istruktura at elektrikal. Ang ganitong mga sistema ay tinatawag na microprocessor set. Kasama ng MP, ang isang sistema ay maaari ding binubuo ng mga permanenteng at random na access memory device, pati na rin ang mga controllers at interface para sa pagkonekta ng mga panlabas na kagamitan - muli, sa pamamagitan ng mga katugmang komunikasyon. Bilang resulta ng pagbuo ng konsepto ng microcontrollers, ang microprocessor kit ay dinagdagan ng mas kumplikadong mga service device, registers, bus driver, timer, atbp.
Ngayon, ang microprocessor ay hindi gaanong itinuturing bilang isang hiwalay na device sa konteksto ng mga praktikal na aplikasyon. Ang functional na istraktura at prinsipyo ng pagpapatakbo ng microprocessor na nasa mga yugto ng disenyo ay ginagabayan ng paggamit bilang bahagi ng isang computing device na idinisenyo upang magsagawa ng ilang mga gawain na may kaugnayan sa pagproseso at pamamahala ng impormasyon. Ang pangunahing link sa mga proseso ng pag-aayos ng operasyon ng isang microprocessor device ay ang controller, na nagpapanatili ng control configuration at mga mode ng interaksyon sa pagitan ng computing core ng system at external na kagamitan. Ang pinagsama-samang processor ay maaaring ituring bilang isang intermediate na link sa pagitan ng controller at ng microprocessor. Nakatuon ang functionality nito sa paglutas ng mga pantulong na gawain na hindi direktang nauugnay sa layunin ng pangunahing MT. Sa partikular, ang mga ito ay maaaring network at mga function ng komunikasyon na nagsisiguro sa pagpapatakbo ng microprocessor device.
Mga klasipikasyon ng mga microprocessor
Kahit sa mga pinakasimpleng configuration, ang mga MP ay may maraming teknikal at operational na parameter na magagamit para magtakda ng mga feature ng classification. Upang bigyang-katwiran ang mga pangunahing antas ng pag-uuri, ang tatlong functional na sistema ay karaniwang nakikilala - pagpapatakbo, interface at kontrol. Ang bawat isa sa mga gumaganang bahaging ito ay nagbibigay din ng ilang parameter at natatanging tampok na tumutukoy sa katangian ng pagpapatakbo ng device.
Mula sa pananaw ng karaniwang istruktura ng mga microprocessor, pangunahing hahatiin ng klasipikasyon ang mga device sa mga multi-chip at single-chip na modelo. Ang una ay nailalarawan sa pamamagitan ng katotohanan na ang kanilang mga yunit ng pagtatrabaho ay maaaring gumana nang offline at magsagawa ng mga paunang natukoy na utos. At sa halimbawang ito, ang mga MP ay binibigkas, kung saan ang diin ay nasa pagpapaandar ng pagpapatakbo. Ang ganitong mga processor ay nakatuon sa pagproseso ng data. Sa parehong grupo, halimbawa, tatlong-chip microprocessors ay maaaring maging kontrol at interface. Hindi ito nangangahulugan na wala silang operational function, ngunit para sa mga layunin ng pag-optimize, karamihan sa mga mapagkukunan ng komunikasyon at kapangyarihan ay inilalaan sa mga gawain ng pagbuo ng mga microinstruction o ang kakayahang makipag-ugnayan sa mga peripheral system.
Para sa mga single-chip na MP, ang mga ito ay binuo gamit ang isang nakapirming hanay ng mga tagubilin at compact na pagkakalagay ng lahat ng hardwaresa isang core. Sa mga tuntunin ng functionality, ang istraktura ng isang single-chip microprocessor ay medyo limitado, bagama't ito ay mas maaasahan kaysa sa mga configuration ng segment ng mga multi-chip na analog.
Ang isa pang mahalagang klasipikasyon ay tumutukoy sa disenyo ng interface ng mga microprocessor. Pinag-uusapan natin ang mga paraan upang maiproseso ang mga signal ng input, na ngayon ay patuloy na nahahati sa digital at analog. Kahit na ang mga processor mismo ay mga digital device, sa ilang mga kaso ang paggamit ng mga analog stream ay nagbibigay-katwiran sa sarili nito sa mga tuntunin ng presyo at pagiging maaasahan. Para sa conversion, gayunpaman, ang mga espesyal na converter ay dapat gamitin, na nag-aambag sa pagkarga ng enerhiya at kapunuan ng istruktura ng gumaganang platform. Ang mga analog na MP (karaniwang single-chip) ay gumaganap ng mga gawain ng mga karaniwang analog system - halimbawa, gumagawa sila ng modulasyon, bumubuo ng mga oscillations, nag-encode at nagde-decode ng signal.
Ayon sa prinsipyo ng pansamantalang organisasyon ng paggana ng MP, nahahati sila sa kasabay at asynchronous. Ang pagkakaiba ay nakasalalay sa likas na katangian ng signal upang magsimula ng isang bagong operasyon. Halimbawa, sa kaso ng isang kasabay na aparato, ang mga naturang utos ay ibinibigay ng mga control module, anuman ang pagpapatupad ng mga kasalukuyang operasyon. Sa kaso ng mga asynchronous na MP, ang isang katulad na signal ay maaaring awtomatikong ibigay kapag natapos ang nakaraang operasyon. Upang gawin ito, ang isang electronic circuit ay ibinigay sa lohikal na istraktura ng asynchronous type microprocessor, na nagsisiguro sa pagpapatakbo ng mga indibidwal na bahagi sa isang offline na mode, kung kinakailangan. Ang pagiging kumplikado ng pagpapatupad ng pamamaraang ito ng pag-aayos ng gawain ng MP ay dahil sa katotohanan napalaging sa sandali ng pagkumpleto ng isang operasyon mayroong sapat na tiyak na mapagkukunan upang simulan ang susunod. Karaniwang ginagamit ang memorya ng processor bilang isang link na nagbibigay-priyoridad sa mismong pagpili ng mga kasunod na operasyon.
Microprocessors para sa pangkalahatan at mga espesyal na layunin
Ang pangunahing saklaw ng general-purpose na MP ay mga workstation, personal computer, server, at electronic device na nilalayon para sa malawakang paggamit. Ang kanilang functional na imprastraktura ay nakatuon sa pagsasagawa ng malawak na hanay ng mga gawain na may kaugnayan sa pagproseso ng impormasyon. Ang mga naturang device ay ginagawa ng SPARC, Intel, Motorola, IBM at iba pa.
Mga espesyal na microprocessor, ang mga katangian at istraktura nito ay batay sa mga makapangyarihang controller, nagpapatupad ng mga kumplikadong pamamaraan para sa pagproseso at pag-convert ng mga digital at analog na signal. Ito ay isang napaka-magkakaibang segment na may libu-libong uri ng configuration. Ang mga kakaiba ng istraktura ng MP ng ganitong uri ay kinabibilangan ng paggamit ng isang kristal bilang batayan para sa gitnang processor, na, sa turn, ay maaaring maiugnay sa isang malaking bilang ng mga peripheral na aparato. Kabilang sa mga ito ang mga paraan ng input / output, mga bloke na may mga timer, mga interface, mga analog-to-digital converter. Sinasanay din na ikonekta ang mga espesyal na device tulad ng mga bloke para sa pagbuo ng pulse-width signal. Dahil sa paggamit ng panloob na memorya, ang mga naturang sistema ay may maliit na bilang ng mga pantulong na bahagi na sumusuporta sa operasyonmicrocontroller.
Mga detalye ng Microprocessor
Tinutukoy ng mga operating parameter ang hanay ng mga gawain ng device at ang hanay ng mga bahagi na, sa prinsipyo, ay maaaring gamitin sa isang partikular na istruktura ng microprocessor. Ang mga pangunahing katangian ng MP ay maaaring katawanin tulad ng sumusunod:
- Dalas ng orasan. Isinasaad ang bilang ng mga elementarya na operasyon na magagawa ng system sa loob ng 1 segundo. at ipinahayag sa MHz. Sa kabila ng mga pagkakaiba sa istraktura, ang iba't ibang mga MP ay kadalasang nagsasagawa ng mga katulad na gawain, ngunit sa bawat kaso nangangailangan ito ng indibidwal na oras, na makikita sa bilang ng mga cycle. Kung mas malakas ang MP, mas maraming pamamaraan ang magagawa nito sa loob ng isang yunit ng oras.
- Lapad. Ang bilang ng mga bit na maaaring isagawa ng device sa parehong oras. Ilaan ang lapad ng bus, rate ng paglilipat ng data, mga panloob na rehistro, atbp.
- Ang dami ng cache memory. Ito ang memorya na kasama sa panloob na istraktura ng microprocessor at palaging gumagana sa paglilimita ng mga frequency. Sa pisikal na representasyon, ito ay isang kristal na inilagay sa pangunahing MP chip at isinama sa microprocessor bus core.
- Configuration. Sa kasong ito, pinag-uusapan natin ang samahan ng mga utos at mga pamamaraan ng pagtugon. Sa pagsasagawa, ang uri ng configuration ay maaaring mangahulugan ng posibilidad ng pagsasama-sama ng mga proseso ng pagpapatupad ng ilang command nang sabay-sabay, ang mga mode at prinsipyo ng pagpapatakbo ng MP, at ang pagkakaroon ng mga peripheral device sa pangunahing microprocessor system.
Arkitektura ng Microprocessor
Sa pangkalahatan, ang MP ay pangkalahatanprocessor ng impormasyon, ngunit sa ilang mga lugar ng operasyon nito, madalas na kinakailangan ang mga espesyal na pagsasaayos para sa pagpapatupad ng istraktura nito. Ang arkitektura ng microprocessors ay sumasalamin sa mga detalye ng aplikasyon ng isang partikular na modelo, na nagiging sanhi ng mga tampok ng hardware at software na isinama sa system. Sa partikular, maaari nating pag-usapan ang tungkol sa mga ibinigay na actuator, mga rehistro ng program, mga paraan ng pagtugon at set ng pagtuturo.
Sa representasyon ng arkitektura at mga feature ng paggana ng MP, madalas nilang ginagamit ang mga diagram ng device at ang interaksyon ng mga available na software register na naglalaman ng impormasyon ng kontrol at mga operand (naprosesong data). Samakatuwid, sa modelo ng rehistro mayroong isang pangkat ng mga rehistro ng serbisyo, pati na rin ang mga segment para sa pag-iimbak ng mga pangkalahatang layunin na operand. Sa batayan na ito, ang paraan ng pagpapatupad ng mga programa, ang scheme ng memory organization, ang mode ng operasyon at ang mga katangian ng microprocessor ay tinutukoy. Ang pangkalahatang layunin na istraktura ng MP, halimbawa, ay maaaring magsama ng isang counter ng programa, pati na rin ang mga rehistro para sa katayuan at kontrol ng mga mode ng pagpapatakbo ng system. Ang daloy ng trabaho ng isang device sa konteksto ng configuration ng arkitektura ay maaaring katawanin bilang isang modelo ng mga paglilipat ng rehistro, pagbibigay ng addressing, pagpili ng mga operand at tagubilin, paglilipat ng mga resulta, atbp. Ang pagpapatupad ng iba't ibang mga tagubilin, anuman ang pagtatalaga, ay makakaapekto sa katayuan magparehistro, ang mga nilalaman nito ay nagpapakita ng kasalukuyang estado ng processor.
Pangkalahatang impormasyon tungkol sa istruktura ng mga microprocessor
Sa kasong ito, ang istraktura ay dapat na maunawaan hindi lamang bilang isang hanay ng mga bahagi ng gumaganang sistema, kundi pati na rinparaan ng koneksyon sa pagitan nila, pati na rin ang mga device na tumitiyak sa kanilang pakikipag-ugnayan. Tulad ng functional classification, ang content ng structure ay maaaring ipahayag sa pamamagitan ng tatlong bahagi - operational content, paraan ng komunikasyon sa bus at control infrastructure.
Tinutukoy ng device ng operating part ang katangian ng command decoding at pagproseso ng data. Ang kumplikadong ito ay maaaring magsama ng arithmetic-logic functional blocks, pati na rin ang mga resistors para sa pansamantalang pag-iimbak ng impormasyon, kabilang ang impormasyon tungkol sa estado ng microprocessor. Ang istraktura ng lohika ay nagbibigay para sa paggamit ng mga 16-bit na resistors na nagsasagawa hindi lamang ng mga lohikal at aritmetika na pamamaraan, kundi pati na rin ang mga pagpapatakbo ng paglilipat. Ang gawain ng mga rehistro ay maaaring ayusin ayon sa iba't ibang mga scheme, na tumutukoy, bukod sa iba pang mga bagay, ang kanilang pagiging naa-access sa programmer. Ang isang hiwalay na rehistro ay nakalaan para sa function ng battery pack.
Ang mga coupler ng bus ay may pananagutan para sa mga koneksyon sa peripheral na kagamitan. Kasama rin sa hanay ng kanilang mga gawain ang pagkuha ng data mula sa memorya at pagbuo ng queue ng mga command. Kasama sa karaniwang istruktura ng microprocessor ang isang IP command pointer, mga address adder, segment register at buffer, kung saan ang mga link na may address bus ay sineserbisyuhan.
Ang control device naman, ay bumubuo ng mga control signal, nagde-decrypt ng command, at tinitiyak din ang pagpapatakbo ng computing system, naglalabas ng mga micro-command para sa panloob na pagpapatakbo ng MP.
Istruktura ng pangunahing MP
Ang pinasimpleng istraktura ng microprocessor na ito ay nagbibigay ng dalawang functionalbahagi:
- Operating room. Kasama sa unit na ito ang kontrol at mga pasilidad sa pagproseso ng data, pati na rin ang memorya ng microprocessor. Hindi tulad ng buong configuration, ang pangunahing istraktura ng microprocessor ay hindi kasama ang mga rehistro ng segment. Ang ilang mga execution device ay pinagsama sa isang functional unit, na binibigyang-diin din ang na-optimize na katangian ng arkitektura na ito.
- Interface. Sa esensya, isang paraan ng pagbibigay ng komunikasyon sa pangunahing highway. Ang bahaging ito ay naglalaman ng mga internal memory register at ang address adder.
Ang prinsipyo ng signal multiplexing ay kadalasang ginagamit sa mga panlabas na channel ng output ng mga pangunahing MP. Nangangahulugan ito na ang pagbibigay ng senyas ay nagaganap sa mga karaniwang channel ng pagbabahagi ng oras. Bilang karagdagan, depende sa kasalukuyang operating mode ng system, ang parehong output ay maaaring gamitin upang magpadala ng mga signal para sa iba't ibang layunin.
Estruktura ng pagtuturo ng Microprocessor
Ang istrukturang ito ay higit na nakadepende sa pangkalahatang pagsasaayos at sa likas na katangian ng pakikipag-ugnayan ng mga functional block ng MP. Gayunpaman, kahit na sa yugto ng disenyo ng system, inilalatag ng mga developer ang mga posibilidad para sa paglalapat ng isang tiyak na hanay ng mga operasyon batay sa kung saan ang isang hanay ng mga utos ay kasunod na nabuo. Kabilang sa mga pinakakaraniwang command function ang:
- Paglipat ng data. Ang utos ay gumaganap ng mga operasyon ng pagtatalaga ng mga halaga ng pinagmulan at patutunguhan na mga operand. Maaaring gamitin ang mga register o memory cell bilang huli.
- Input-output. Sa pamamagitan ngAng mga I/O interface device ay naglilipat ng data sa mga port. Alinsunod sa istruktura ng microprocessor at pakikipag-ugnayan nito sa peripheral hardware at panloob na mga unit, itinatakda ng mga command ang mga address ng port.
- Uri ng conversion. Tinutukoy ang mga format at laki ng mga operand na ginamit.
- Mga pagkaantala. Ang ganitong uri ng pagtuturo ay idinisenyo upang kontrolin ang mga pagkaantala ng software - halimbawa, maaari itong isang paghinto ng pag-andar ng processor habang nagsisimulang gumana ang mga I / O device.
- Organisasyon ng mga cycle. Binabago ng mga tagubilin ang halaga ng rehistro ng ECX, na maaaring gamitin bilang counter kapag nagpapatupad ng ilang partikular na program code.
Bilang panuntunan, ang mga paghihigpit ay ipinapataw sa mga pangunahing utos na nauugnay sa kakayahang gumana nang may ilang partikular na halaga ng memorya, nang sabay-sabay na pamahalaan ang mga rehistro at mga nilalaman ng mga ito.
istruktura ng pamamahala ng MP
MP control system ay batay sa control unit, na nauugnay sa ilang functional na bahagi:
- Signal sensor. Tinutukoy ang pagkakasunud-sunod at mga parameter ng mga pulso, pantay na ipinamamahagi ang mga ito sa oras sa mga bus. Kabilang sa mga katangian ng pagpapatakbo ng mga sensor ay ang bilang ng mga cycle at control signal na kinakailangan upang maisagawa ang mga operasyon.
- Pinagmulan ng mga signal. Ang isa sa mga function ng control unit sa istruktura ng microprocessor ay itinalaga sa pagbuo o pagproseso ng mga signal - iyon ay, ang kanilang paglipat sa loob ng isang partikular na cycle sa isang partikular na bus.
- Operation code decoder. Nagsasagawa ng pag-decryption ng mga code ng pagpapatakbo na nasa rehistro ng pagtuturo sasa sandaling ito. Kasama ng pagtukoy sa aktibong bus, nakakatulong din ang pamamaraang ito na bumuo ng isang sequence ng control pulses.
Ang hindi maliit na kahalagahan sa imprastraktura ng kontrol ay isang permanenteng storage device na naglalaman sa mga cell nito ng mga signal na kinakailangan upang maisagawa ang mga operasyon sa pagproseso. Upang mabilang ang mga utos kapag nagpoproseso ng data ng pulso, maaaring gamitin ang isang yunit ng pagbuo ng address - ito ay isang kinakailangang bahagi ng panloob na istraktura ng microprocessor, na kasama sa yunit ng interface ng system at nagbibigay-daan sa iyo na basahin ang mga detalye ng mga rehistro ng memorya. may mga signal nang buo.
mga bahagi ng Microprocessor
Karamihan sa mga functional block, pati na rin ang mga external na device, ay nakaayos sa pagitan nila at ng central microcircuit MP sa pamamagitan ng internal bus. Masasabing ito ang backbone network ng device, na nagbibigay ng komprehensibong link ng komunikasyon. Ang isa pang bagay ay ang bus ay maaari ring maglaman ng mga elemento ng iba't ibang mga layunin ng pag-andar - halimbawa, mga circuit para sa paglipat ng data, mga linya para sa paglilipat ng mga cell ng memorya, pati na rin ang isang imprastraktura para sa pagsulat at pagbabasa ng impormasyon. Ang likas na katangian ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga bloke ng bus mismo ay tinutukoy ng istraktura ng microprocessor. Ang mga device na kasama sa MP, bilang karagdagan sa bus, ay kasama ang sumusunod:
- Aritmetikong logic unit. Tulad ng nabanggit na, ang bahaging ito ay idinisenyo upang magsagawa ng mga lohikal at aritmetika na operasyon. Gumagana ito sa parehong numero at data ng character.
- Kontrolin ang device. Responsable para sakoordinasyon sa interaksyon ng iba't ibang bahagi ng MT. Sa partikular, ang block na ito ay bumubuo ng mga control signal, na nagdidirekta sa mga ito sa iba't ibang module ng machine device sa ilang partikular na oras.
- Microprocessor memory. Ginagamit upang magtala, mag-imbak at magbigay ng impormasyon. Maaaring iugnay ang data sa parehong gumaganang pagpapatakbo ng computational at mga prosesong naghahatid sa makina.
- Math processor. Ginagamit ito bilang pantulong na module upang palakihin ang bilis kapag nagsasagawa ng mga kumplikadong pagpapatakbo ng computational.
Mga tampok ng istruktura ng coprocessor
Kahit sa loob ng balangkas ng pagsasagawa ng mga tipikal na aritmetika at lohikal na operasyon, walang sapat na kapasidad ang isang kumbensyonal na MP. Halimbawa, ang microprocessor ay walang kakayahang magsagawa ng floating point aritmetika na mga tagubilin. Para sa mga naturang gawain, ginagamit ang mga coprocessor, ang istraktura nito ay nagbibigay para sa kumbinasyon ng isang sentral na processor na may ilang mga MP. Kasabay nito, ang lohika ng mismong pagpapatakbo ng device ay walang mga pangunahing pagkakaiba mula sa mga pangunahing panuntunan para sa pagbuo ng arithmetic microcircuits.
Ang mga coprocessor ay nagpapatupad ng mga tipikal na utos, ngunit malapit sa pakikipag-ugnayan sa gitnang module. Ipinapalagay ng configuration na ito ang patuloy na pagsubaybay sa mga queue ng command sa maraming linya. Sa pisikal na istraktura ng isang microprocessor ng ganitong uri, pinapayagan na gumamit ng isang independiyenteng module upang magbigay ng input-output, isang tampok na kung saan ay ang kakayahang pumili ng mga utos nito. Gayunpaman, para gumana nang tama ang gayong pamamaraan, dapat na malinaw na tukuyin ng mga coprocessor ang pinagmulan ng pagpili ng pagtuturo,pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga module.
Ang prinsipyo ng pagbuo ng isang pangkalahatang istraktura ng isang microprocessor na may malakas na pinagsamang configuration ay konektado din sa konsepto ng isang coprocessor device. Kung sa nakaraang kaso maaari nating pag-usapan ang tungkol sa isang independiyenteng bloke ng I / O na may posibilidad ng sarili nitong pagpili ng mga utos, kung gayon ang isang malakas na pinagsamang pagsasaayos ay nagsasangkot ng pagsasama sa istraktura ng isang independiyenteng processor na kumokontrol sa mga stream ng command.
Konklusyon
Ang mga prinsipyo ng paglikha ng microprocessor ay sumailalim sa ilang pagbabago mula nang dumating ang mga unang computing device. Ang mga katangian, disenyo at mga kinakailangan para sa suporta sa mapagkukunan ay nagbago, na radikal na nagbago sa computer, ngunit ang pangkalahatang konsepto na may mga pangunahing patakaran para sa pag-aayos ng mga functional block sa karamihan ay nananatiling pareho. Gayunpaman, ang hinaharap ng pagbuo ng istruktura ng microprocessor ay maaaring maimpluwensyahan ng nanotechnology at ang pagdating ng mga quantum computing system. Ngayon, ang mga nasabing lugar ay isinasaalang-alang sa antas ng teoretikal, ngunit ang mga malalaking korporasyon ay aktibong nagtatrabaho sa mga prospect para sa praktikal na paggamit ng mga bagong logic circuit batay sa mga makabagong teknolohiya. Halimbawa, bilang isang posibleng opsyon para sa karagdagang pag-unlad ng MT, ang paggamit ng mga molekular at subatomic na mga particle ay hindi pinasiyahan, at ang tradisyonal na mga de-koryenteng circuit ay maaaring magbigay daan sa mga sistema ng nakadirekta na pag-ikot ng elektron. Gagawin nitong posible na lumikha ng mga microscopic na processor na may panimulang bagong arkitektura, na ang pagganap nito ay maraming beses na lalampas sa ngayon. MP.
