Адамзат ЭВМди жаратууга карай узак жолду басып өттү, ансыз азыркы коомду өнөр жай, эл чарбасы жана тиричилик техникасы тармактарында анын жашоосунун бардык жактары менен элестетүү мүмкүн эмес. Бирок бүгүнкү күндө да прогресс токтобой, компьютерлештирүүнүн жаңы формаларын ачып жатат. Бир нече ондогон жылдардан бери технологиялык өнүгүүнүн борборунда микропроцессордун (МП) структурасы турат, ал өзүнүн функционалдык жана конструкциялык параметрлери боюнча жакшыртылып жатат.
Микропроцессор концепциясы
Жалпы мааниде микропроцессор түшүнүгү чоң интегралдык микросхемага (LSI) негизделген программа менен башкарылуучу түзүлүш же система катары берилген. МПнын жардамы менен маалыматтарды иштетүү операциялары же маалыматты иштеткен системаларды башкаруу аткарылат. Биринчи этаптардаМПнын өнүгүшү өзүнчө аз функциялуу микросхемаларга негизделген, аларда транзисторлор бир нечеден жүздөгөн санда болгон. Эң жөнөкөй типтүү микропроцессордук түзүлүш жалпы электрдик, структуралык жана электрдик параметрлери бар микросхемалардын тобун камтышы мүмкүн. Мындай системалар микропроцессордук комплекс деп аталат. МП менен катар бир система туруктуу жана кокустук эстутум түзүлүштөрүнөн, ошондой эле тышкы жабдууларды туташтыруу үчүн контроллерлордон жана интерфейстерден турушу мүмкүн - дагы бир жолу шайкеш коммуникациялар аркылуу. Микроконтроллерлердин концепциясын иштеп чыгуунун натыйжасында микропроцессордук комплект татаалыраак тейлөөчү түзүлүштөр, регистрлер, автобус айдоочулары, таймерлер жана башкалар менен толукталды.
Бүгүнкү күндө микропроцессор практикалык колдонмолордун контекстинде өзүнчө түзүлүш катары азыраак каралат. Микропроцессордун функционалдык түзүмү жана иштөө принциби долбоорлоо стадиясында эле маалыматты иштеп чыгуу жана башкаруу менен байланышкан бир катар милдеттерди аткаруу үчүн арналган эсептөөчү түзүлүштүн бир бөлүгү катары пайдалануу менен жетекчиликке алынат. Микропроцессордук түзүлүштүн иштешин уюштуруу процесстериндеги негизги звено болуп башкаруу конфигурациясын жана системанын эсептөөчү өзөгү менен тышкы жабдуулардын өз ара аракеттенүүсүнүн режимдерин кармап турган контроллер саналат. Интегралдык процессорду контроллер менен микропроцессордун ортосундагы аралык звено катары кароого болот. Анын функционалдуулугу негизги МТнын максатына түздөн-түз тиешеси жок көмөкчү милдеттерди чечүүгө багытталган. Атап айтканда, бул микропроцессордук түзүлүштүн иштешин камсыз кылган тармак жана байланыш функциялары болушу мүмкүн.
Микропроцессорлордун классификациялары
Эң жөнөкөй конфигурацияларда деле депутаттар классификация өзгөчөлүктөрүн коюу үчүн колдонула турган көптөгөн техникалык жана операциялык параметрлерге ээ. Классификациянын негизги деңгээлин негиздөө үчүн, адатта, үч функционалдык система бөлүнөт - операциялык, интерфейстик жана башкаруу. Бул жумушчу бөлүктөрүнүн ар бири аппараттын иштөө мүнөзүн аныктаган бир катар параметрлерди жана айырмалоочу өзгөчөлүктөрдү да камсыз кылат.
Микропроцессорлордун типтүү түзүлүшүнүн көз карашынан алганда классификация приборлорду көп чиптүү жана бир чиптүү моделдерге бөлөт. Биринчилери, алардын жумушчу бөлүмдөрү оффлайн режиминде иштеши жана алдын ала белгиленген буйруктарды аткара ала тургандыгы менен мүнөздөлөт. Ал эми бул мисалда депутаттар айтылат, мында оперативдүү функцияга басым жасалат. Мындай процессорлор маалыматтарды иштетүүгө багытталган. Ошол эле группада, мисалы, үч чиптүү микропроцессорлор башкаруу жана интерфейс болушу мүмкүн. Бул алардын оперативдүү функциясы жок дегенди билдирбейт, бирок оптималдаштыруу максатында байланыш жана энергия ресурстарынын көбү микроинструкцияларды же перифериялык системалар менен өз ара аракеттенүү мүмкүнчүлүгүн түзүү тапшырмаларына бөлүнгөн.
Бир чиптүү депутаттарга келсек, алар инструкциялардын белгиленген топтому жана бардык жабдыктарды компакт жайгаштыруу менен иштелип чыкканбир өзөктө. Функционалдык жагынан алганда, бир чиптүү микропроцессордун структурасы кыйла чектелген, бирок ал көп чиптүү аналогдордун сегменттик конфигурацияларына караганда ишенимдүү.
Дагы бир маанилүү классификация микропроцессорлордун интерфейсинин дизайнына тиешелүү. Биз бүгүнкү күндө санариптик жана аналогдук болуп бөлүнүүнү улантып жаткан кириш сигналдарын иштетүү жолдору жөнүндө болуп жатат. Процессорлордун өздөрү санариптик түзүлүштөр болсо да, айрым учурларда аналогдук агымдарды колдонуу баасы жана ишенимдүүлүгү боюнча өзүн актайт. Айландыруу үчүн, бирок, атайын өзгөрткүчтөрдү колдонуу керек, алар энергия жүктөмүн жана жумушчу аянтчанын структуралык толуктугуна өбөлгө түзөт. Аналогдук парламентарийлер (көбүнчө бир чиптүү) стандарттык аналогдук системалардын тапшырмаларын аткарышат - мисалы, алар модуляцияны чыгарышат, термелүүлөрдү жаратышат, сигналды коддошот жана чечмелешет.
МПнын ишин убактылуу уюштуруу принциби боюнча алар синхрондук жана асинхрондук болуп бөлүнөт. Айырма жаңы операцияны баштоо үчүн сигналдын мүнөзүндө. Мисалы, синхрондуу түзүлүштө мындай командалар учурдагы операциялардын аткарылышына карабастан башкаруу модулдары тарабынан берилет. Асинхрондук депутаттардын учурда, мурунку операция аяктагандан кийин ушундай сигнал автоматтык түрдө берилиши мүмкүн. Бул үчүн асинхрондук типтеги микропроцессордун логикалык структурасында электрондук схема каралган, ал зарыл болгон учурда офлайн режиминде айрым компоненттердин иштешин камсыз кылат. МПнын ишин уюштуруунун бул методун ишке ашыруунун татаалдыгы мына ушундаар дайым бир операция аяктаган учурда кийинкисин баштоо үчүн жетиштүү белгилүү бир ресурстар бар. Процессордун эс тутуму адатта кийинки операцияларды тандоодо артыкчылыктуу шилтеме катары колдонулат.
Жалпы жана атайын максаттар үчүн микропроцессорлор
Жалпы максаттагы МПнын негизги чөйрөсү болуп массалык колдонууга арналган жумушчу станциялар, персоналдык компьютерлер, серверлер жана электрондук түзүлүштөр саналат. Алардын функционалдык инфраструктурасы маалыматты иштеп чыгууга байланышкан маселелердин кеңири спектрин аткарууга багытталган. Мындай түзмөктөрдү SPARC, Intel, Motorola, IBM жана башкалар иштеп чыгууда.
Мүнөздөөлөрү жана түзүмү күчтүү контроллерлорго негизделген адистештирилген микропроцессорлор санариптик жана аналогдук сигналдарды иштетүү жана конвертациялоо боюнча татаал процедураларды ишке ашырышат. Бул миңдеген конфигурация түрлөрү бар абдан ар түрдүү сегмент. Бул типтеги МП түзүмүнүн өзгөчөлүгү борбордук процессор үчүн негиз катары бир кристалды колдонууну камтыйт, ал өз кезегинде көп сандагы перифериялык түзүлүштөр менен байланыша алат. Алардын арасында киргизүү/чыгарма каражаттары, таймерлери бар блоктор, интерфейстер, аналогдук-санариптик конвертерлер бар. Ал ошондой эле импульстук тууралык сигналдарды түзүү үчүн блоктор сыяктуу атайын түзүлүштөрдү туташтыруу үчүн практикаланат. Ички эстутумдун колдонулушуна байланыштуу мындай системаларда операцияны колдогон көмөкчү компоненттердин саны азмикроконтроллер.
Микропроцессордун спецификациялары
Иштетүү параметрлери принцибинде белгилүү бир микропроцессордук структурада колдонулушу мүмкүн болгон түзүлүш милдеттеринин диапазонун жана компоненттердин жыйындысын аныктайт. МПнын негизги мүнөздөмөлөрү төмөнкүчө чагылдырууга болот:
- Сааттын жыштыгы. Система 1 секундда аткара ала турган элементардык операциялардын санын көрсөтөт. жана МГц менен туюнтулган. Түзүмдөгү айырмачылыктарга карабастан, ар кандай депутаттар негизинен окшош милдеттерди аткарышат, бирок ар бир учурда ал жекече убакытты талап кылат, бул циклдердин санында чагылдырылат. Депутат канчалык күчтүү болсо, ал бир убакыттын ичинде ошончолук көп процедураларды аткара алат.
- Эндиги. Түзмөк бир эле учурда аткара турган биттердин саны. Автобустун туурасын, берилиштерди өткөрүү ылдамдыгын, ички регистрлерди ж.б. бөлүштүрүңүз.
- Кэш эстутумунун көлөмү. Бул микропроцессордун ички түзүмүнө кирген жана ар дайым чектүү жыштыктарда иштеген эс тутум. Физикалык сүрөттөлүштө бул негизги MP чипине жайгаштырылган жана микропроцессордук шинанын өзөгүнө туташтырылган кристалл.
- Конфигурация. Бул учурда кеп командаларды уюштуруу жана адресациялоо методдору женунде журуп жатат. Практикада конфигурациянын түрү бир эле учурда бир нече командаларды аткаруу процесстерин, МП иштөө режимдерин жана принциптерин, ошондой эле негизги микропроцессордук системада перифериялык түзүлүштөрдүн болушун айкалыштыруу мүмкүнчүлүгүн түшүндүрүшү мүмкүн.
Микропроцессордун архитектурасы
Жалпысынан депутат универсалдуумаалымат процессору, бирок анын иштөөсүнүн кээ бир аймактарында анын структурасын аткаруу үчүн атайын конфигурациялар көп талап кылынат. Микропроцессорлордун архитектурасы системага интеграцияланган аппараттык жана программалык камсыздоонун өзгөчөлүктөрүн пайда кылуучу белгилүү бир моделдин колдонуу өзгөчөлүктөрүн чагылдырат. Тактап айтканда, биз берилген кыймылдаткычтар, программа регистрлери, даректөө ыкмалары жана нускамалар топтому жөнүндө сүйлөшө алабыз.
МПнын иштөөсүнүн архитектурасын жана өзгөчөлүктөрүн көрсөтүүдө алар көбүнчө түзүлүш схемаларын жана контролдук маалыматты жана операнддарды (иштелген маалыматтар) камтыган жеткиликтүү программалык регистрлердин өз ара аракеттенүүсүн колдонушат. Демек, реестр моделинде сервистик регистрлердин тобу, ошондой эле жалпы багыттагы операнддарды сактоо үчүн сегменттер бар. Мунун негизинде программаларды аткаруу ыкмасы, эстутумду уюштуруу схемасы, иштөө режими жана микропроцессордун мүнөздөмөлөрү аныкталат. Жалпы максаттагы МП структурасы, мисалы, программалык эсептегичти, ошондой эле системанын иштөө режимдеринин абалын жана контролдоочу регистрлерди камтышы мүмкүн. Архитектуралык конфигурациянын контекстинде түзүлүштүн иштөө процесси реестрди өткөрүп берүүнүн модели катары көрсөтүлүшү мүмкүн, даректерди камсыз кылуу, операнддарды жана инструкцияларды тандоо, натыйжаларды берүү ж. регистр, анын мазмуну процессордун учурдагы абалын чагылдырат.
Микропроцессорлордун структурасы жөнүндө жалпы маалымат
Мында структураны жумушчу системанын компоненттеринин жыйындысы катары гана эмес, ошондой эле түшүнүү керек.алардын ортосундагы байланыш каражаттары, ошондой эле алардын өз ара аракеттенүүсүн камсыз кылуучу түзүлүштөр. Функционалдык классификациядагыдай эле структуранын мазмуну үч компонент аркылуу көрсөтүлүшү мүмкүн - оперативдүү мазмун, автобус менен байланыш каражаттары жана башкаруу инфраструктурасы.
Иштетүү бөлүгүнүн аппараты буйрукту декоддоо жана маалыматтарды иштетүү мүнөзүн аныктайт. Бул комплекс арифметикалык-логикалык функционалдык блокторду, ошондой эле маалыматты, анын ичинде микропроцессордун абалы жөнүндө маалыматты убактылуу сактоо үчүн резисторлорду камтышы мүмкүн. Логикалык структура логикалык жана арифметикалык процедураларды гана эмес, ошондой эле сменалык операцияларды аткарган 16 биттик резисторлорду колдонууну карайт. Реестрлердин иши ар кандай схемалар боюнча уюштурулушу мүмкүн, алар башка нерселер менен катар алардын программист үчүн жеткиликтүүлүгүн аныктайт. Батарея топтому функциясы үчүн өзүнчө реестр сакталган.
Автобус бириктиргичтери перифериялык жабдууларга туташуу үчүн жооптуу. Алардын милдеттеринин диапазонуна ошондой эле эстутумдан маалыматтарды алуу жана буйруктардын кезегин түзүү кирет. Кадимки микропроцессордук структура IP буйрук көрсөткүчүн, дарек кошуучуларды, сегмент регистрлерин жана буферлерди камтыйт, алар аркылуу дарек шиналары менен байланыштар тейленет.
Башкаруучу түзүлүш өз кезегинде башкаруу сигналдарын жаратат, буйруктун шифрин чечет, ошондой эле МПнын ички операциялары үчүн микро-буйруктарды берип, эсептөө тутумунун иштешин камсыздайт.
Негизги депутаттын түзүмү
Бул микропроцессордун жөнөкөйлөштүрүлгөн түзүлүшү эки функцияны камсыз кылатбөлүктөрү:
- Операция бөлмөсү. Бул блок башкаруу жана маалыматтарды иштеп чыгуу каражаттарын, ошондой эле микропроцессордук эстутумду камтыйт. Толук конфигурациядан айырмаланып, негизги микропроцессордук структура сегмент регистрлерин кошпойт. Кээ бир аткаруу түзмөктөрү бир функционалдык бирдикке бириктирилген, бул дагы бул архитектуранын оптималдаштырылган мүнөзүн баса белгилейт.
- Интерфейс. Негизинен негизги магистраль менен байланышты камсыз кылуучу каражат. Бул бөлүк ички эстутум регистрлерин жана дарек кошуучуну камтыйт.
Сигналдын мультиплексирлөө принциби көбүнчө негизги депутаттардын тышкы чыгуу каналдарында колдонулат. Бул сигнал берүү жалпы убакыт бөлүшүү каналдары аркылуу ишке ашат дегенди билдирет. Кошумчалай кетсек, системанын учурдагы иштөө режимине жараша, бир эле чыгыш сигналдарды ар кандай максаттарда өткөрүү үчүн колдонулушу мүмкүн.
Микропроцессордун нускама түзүмү
Бул структура көбүнчө жалпы конфигурацияга жана МП функционалдык блоктордун өз ара аракеттенүү мүнөзүнө жараша болот. Бирок, системаны долбоорлоо стадиясында да, иштеп чыгуучулар кийинчерээк буйруктардын жыйындысы түзүлө турган операциялардын белгилүү массивдерин колдонуу үчүн мүмкүнчүлүктөрдү беришет. Эң таралган буйрук функцияларына төмөнкүлөр кирет:
- Дайындарды өткөрүү. Буйрук булак жана көздөгөн операнддардын маанилерин ыйгаруу операцияларын аткарат. Акыркысы катары регистрлерди же эстутум клеткаларын колдонсо болот.
- Киргизүү-чыгаруу. аркылууКиргизүү/чыгаруу интерфейсинин түзүлүштөрү маалыматтарды портторго өткөрүшөт. Микропроцессордун структурасына жана анын перифериялык аппаратура жана ички блоктор менен өз ара аракеттенүүсүнө ылайык, командалар порт даректерин белгилейт.
- Түрдү өзгөртүү. Колдонулган операнддардын форматтары жана өлчөмдөрү аныкталат.
- Үзгүлтүктөр. Көрсөтмөнүн бул түрү программалык камсыздоонун үзгүлтүктөрүн көзөмөлдөө үчүн иштелип чыккан – мисалы, киргизүү/чыгаруу түзмөктөрү иштей баштаганда процессордун функциясынын токтошу болушу мүмкүн.
- Циклдерди уюштуруу. Көрсөтмөлөр ECX регистринин маанисин өзгөртөт, ал белгилүү бир программа кодун аткарууда эсептегич катары колдонулушу мүмкүн.
Эреже катары, чектөөлөр белгилүү бир көлөмдөгү эс тутум менен иштөө, регистрлерди жана алардын мазмунун бир эле учурда башкаруу мүмкүнчүлүгүнө байланыштуу негизги буйруктарга киргизилет.
МП башкаруу түзүмү
MP башкаруу системасы бир нече функционалдык бөлүктөр менен байланышкан башкаруу блогуна негизделген:
- Сигнал сенсору. Импульстардын ырааттуулугун жана параметрлерин аныктайт, аларды автобустар боюнча өз убагында бирдей бөлүштүрөт. Сенсорлордун иштөө мүнөздөмөлөрүнүн арасында операцияларды аткаруу үчүн зарыл болгон циклдердин жана башкаруу сигналдарынын саны саналат.
- Сигналдардын булагы. Микропроцессордун түзүмүндөгү башкаруу блогунун функцияларынын бири сигналдарды генерациялоо же иштетүү - башкача айтканда, аларды белгилүү бир шинада белгилүү бир цикл ичинде алмаштырууга ыйгарылган.
- Операция коду декодери. боюнча нускама реестринде бар операция коддорунун чечмелөө жүзөгө ашыратушул учур. Бул процедура активдүү шинаны аныктоо менен бирге башкаруу импульстарынын ырааттуулугун түзүүгө да жардам берет.
Башкаруу инфраструктурасында аз эмес мааниге ээ - бул анын клеткаларында иштетүү операцияларын аткаруу үчүн зарыл болгон сигналдарды камтыган туруктуу сактагыч түзүлүш. Импульстук маалыматтарды иштеп чыгууда буйруктарды эсептөө үчүн даректи генерациялоо бирдиги колдонулушу мүмкүн - бул микропроцессордун ички структурасынын зарыл компоненти, ал системанын интерфейстик блогуна кирет жана эс регистрлеринин деталдарын окууга мүмкүндүк берет. толугу менен сигналдар менен.
Микропроцессордун компоненттери
Функционалдык блоктордун көпчүлүгү, ошондой эле тышкы түзүлүштөр ички автобус аркылуу өздөрү менен борбордук микросхемадагы МПнын ортосунда уюштурулган. Бул комплекстүү байланыш байланышын камсыз кылуу, аппараттын магистралдык тармагы деп айтууга болот. Дагы бир нерсе, автобус ар кандай функционалдык максаттагы элементтерди камтышы мүмкүн - мисалы, маалыматтарды берүү схемалары, эс тутум клеткаларын өткөрүп берүү линиялары, ошондой эле маалыматты жазуу жана окуу үчүн инфраструктура. Автобустун блокторунун өз ара аракеттешүүсүнүн мүнөзү микропроцессордун түзүлүшү менен аныкталат. МПке киргизилген түзмөктөр автобустан тышкары төмөнкүлөрдү камтыйт:
- Арифметикалык логикалык бирдик. Жогоруда айтылгандай, бул компонент логикалык жана арифметикалык операцияларды аткаруу үчүн иштелип чыккан. Ал сандык жана символдук дайындар менен иштейт.
- Башкаруу түзмөгү. Үчүн жооптууМТнын ар кандай бөлүктөрүнүн өз ара аракеттенүүсүн координациялоо. Атап айтканда, бул блок башкаруу сигналдарын жаратып, аларды белгилүү бир убакытта машина түзмөгүнүн ар кандай модулдарына багыттайт.
- Микропроцессордук эстутум. Маалыматты жазуу, сактоо жана чыгаруу үчүн колдонулат. Дайындар иштеген эсептөө операциялары менен да, машинаны тейлеген процесстер менен да байланыштырылышы мүмкүн.
- Математикалык процессор. Ал татаал эсептөө операцияларын аткарууда ылдамдыкты жогорулатуу үчүн көмөкчү модул катары колдонулат.
Сопроцессордук түзүлүштүн өзгөчөлүктөрү
Типтүү арифметикалык жана логикалык операцияларды аткаруунун алкагында да шарттуу МПнын кубаттуулугу жетишсиз. Мисалы, микропроцессордун калкыма арифметикалык көрсөтмөлөрдү аткаруу мүмкүнчүлүгү жок. Мындай тапшырмалар үчүн сопроцессорлор колдонулат, алардын түзүмү борбордук процессордун бир нече МП менен айкалышын караштырат. Ошол эле учурда аппараттын иштөө логикасы арифметикалык микросхемаларды куруунун негизги эрежелеринен принципиалдуу айырмачылыктарга ээ эмес.
Сопроцессорлор типтүү буйруктарды аткарышат, бирок борбордук модул менен тыгыз байланышта. Бул конфигурация бир нече саптар боюнча командалык кезектерге туруктуу мониторинг жүргүзүүнү болжолдойт. Бул типтеги микропроцессордун физикалык структурасында киргизүү-чыгарууну камсыз кылуу үчүн өз алдынча модулду колдонууга жол берилет, анын өзгөчөлүгү анын командаларын тандоо мүмкүнчүлүгү болуп саналат. Бирок, мындай схема туура иштеши үчүн, сопроцессорлор инструкцияларды тандоонун булагын так аныкташы керек,модулдар ортосундагы өз ара аракеттенүүнү координациялоо.
Бириккен конфигурациялуу микропроцессордун жалпыланган структурасын куруу принциби да сопроцессордук түзүлүш түшүнүгү менен байланышкан. Эгерде мурунку учурда биз өз алдынча буйруктарды тандоо мүмкүнчүлүгү менен көз карандысыз киргизүү/чыгаруу блогу жөнүндө сөз кыла турган болсок, анда катуу туташкан конфигурация командалык агымдарды башкарган көз карандысыз процессордун структурасына киргизүүнү камтыйт.
Тыянак
Микропроцессорлорду түзүү принциптери биринчи эсептөө приборлору пайда болгондон бери бир нече өзгөрүүлөргө дуушар болгон. Ресурстук колдоонун мүнөздөмөлөрү, конструкциялары жана талаптары өзгөрдү, бул компьютерди түп-тамырынан бери өзгөрттү, бирок функционалдык блокторду уюштуруунун негизги эрежелери менен жалпы концепция көбүнчө ошол эле бойдон калууда. Бирок, микропроцессордук түзүлүштүн өнүгүү келечегине нанотехнология жана кванттык эсептөө системаларынын пайда болушу таасир этиши мүмкүн. Бүгүнкү күндө мындай багыттар теориялык деңгээлде каралат, бирок ири корпорациялар инновациялык технологияларга негизделген жаңы логикалык схемаларды практикалык колдонуунун келечегинин үстүндө жигердүү иштеп жатышат. Мисалы, МТны андан ары өнүктүрүүнүн мүмкүн болгон варианты катары молекулярдык жана субатомдук бөлүкчөлөрдү колдонуу жокко чыгарылбайт жана салттуу электр схемалары электрондордун багытталган айлануу системаларына орун бошотушу мүмкүн. Бул принципиалдуу жаңы архитектурасы бар микроскопиялык процессорлорду түзүүгө мүмкүндүк берет, алардын өндүрүмдүүлүгү бүгүнкү күндөгүдөн көп эсе ашат. Депутат.
