Čovečanstvo je prešlo dug put ka stvaranju kompjutera, bez kojih je nemoguće zamisliti savremeno društvo sa svim aspektima njegovog života u oblasti industrije, nacionalne ekonomije i kućnih aparata. Ali ni danas napredak ne miruje, otvarajući nove oblike kompjuterizacije. U središtu tehnološkog razvoja već nekoliko decenija je struktura mikroprocesora (MP), koja se unapređuje u svojim funkcionalnim i dizajnerskim parametrima.
Koncept mikroprocesora
U opštem smislu, koncept mikroprocesora je predstavljen kao programski kontrolisan uređaj ili sistem zasnovan na velikom integrisanom kolu (LSI). Uz pomoć MP-a izvode se operacije obrade podataka ili upravljanja sistemima koji obrađuju informacije. U prvim fazamaRazvoj MP-a temeljio se na zasebnim niskofunkcionalnim mikro krugovima, u kojima su tranzistori bili prisutni u količinama od nekoliko do stotina. Najjednostavnija tipična mikroprocesorska struktura može sadržavati grupu mikro kola sa zajedničkim električnim, strukturnim i električnim parametrima. Takvi sistemi se nazivaju mikroprocesorski set. Uz MP, jedan sistem bi se mogao sastojati i od memorijskih uređaja sa stalnim i slučajnim pristupom, kao i od kontrolera i interfejsa za povezivanje eksterne opreme – opet, putem kompatibilnih komunikacija. Kao rezultat razvoja koncepta mikrokontrolera, mikroprocesorski komplet je dopunjen složenijim servisnim uređajima, registrima, vozačima autobusa, tajmerima, itd.
Danas se mikroprocesor sve manje razmatra kao poseban uređaj u kontekstu praktičnih primjena. Funkcionalna struktura i princip rada mikroprocesora već u fazama projektovanja vođeni su upotrebom kao dijela računarskog uređaja dizajniranog za obavljanje niza zadataka vezanih za obradu i upravljanje informacijama. Ključna karika u procesima organizacije rada mikroprocesorskog uređaja je kontroler, koji održava kontrolnu konfiguraciju i načine interakcije između računarskog jezgra sistema i eksterne opreme. Integrisani procesor se može smatrati posrednom vezom između kontrolera i mikroprocesora. Njegova funkcionalnost je usmjerena na rješavanje pomoćnih zadataka koji nisu direktno povezani sa svrhom glavnog MT-a. Konkretno, to mogu biti mrežne i komunikacijske funkcije koje osiguravaju rad mikroprocesorskog uređaja.
Klasifikacije mikroprocesora
Čak iu najjednostavnijim konfiguracijama, MP imaju mnogo tehničkih i operativnih parametara koji se mogu koristiti za postavljanje klasifikacijskih karakteristika. Da bi se opravdali glavni nivoi klasifikacije, obično se razlikuju tri funkcionalna sistema - operativni, interfejs i kontrolni. Svaki od ovih radnih dijelova također pruža niz parametara i karakteristika koje određuju prirodu rada uređaja.
S tačke gledišta tipične strukture mikroprocesora, klasifikacija će prvenstveno podeliti uređaje na modele sa više čipova i sa jednim čipom. Prve karakteriše činjenica da njihove radne jedinice mogu funkcionisati van mreže i izvršavati unapred određene komande. I u ovom primjeru će biti izraženi poslanici, u kojima je akcenat na operativnoj funkciji. Takvi procesori su fokusirani na obradu podataka. U istoj grupi, na primjer, mikroprocesori sa tri čipa mogu biti upravljački i interfejs. To ne znači da nemaju operativnu funkciju, ali u svrhu optimizacije, većina komunikacijskih i energetskih resursa se dodjeljuje zadacima generiranja mikroinstrukcija ili mogućnosti interakcije s perifernim sistemima.
Što se tiče MP-ova sa jednim čipom, oni su razvijeni sa fiksnim setom uputstava i kompaktnim postavljanjem svog hardverana jednom jezgru. Što se tiče funkcionalnosti, struktura mikroprocesora sa jednim čipom je prilično ograničena, iako je pouzdanija od segmentnih konfiguracija analoga sa više čipova.
Još jedna važna klasifikacija odnosi se na dizajn interfejsa mikroprocesora. Govorimo o načinima obrade ulaznih signala, koji se danas i dalje dijele na digitalne i analogne. Iako su sami procesori digitalni uređaji, u nekim slučajevima upotreba analognih tokova opravdava se u smislu cijene i pouzdanosti. Za konverziju se, međutim, moraju koristiti posebni pretvarači koji doprinose energetskom opterećenju i strukturnoj punoći radne platforme. Analogni MP (obično sa jednim čipom) obavljaju zadatke standardnih analognih sistema - na primjer, proizvode modulaciju, generiraju oscilacije, kodiraju i dekodiraju signal.
Prema principu privremene organizacije funkcionisanja MP dijele se na sinhrone i asinhrone. Razlika je u prirodi signala za početak nove operacije. Na primjer, u slučaju sinhronog uređaja, takve komande daju upravljački moduli, bez obzira na izvođenje tekućih operacija. U slučaju asinhronih MP, sličan signal se može dati automatski po završetku prethodne operacije. Da bi se to postiglo, u logičkoj strukturi mikroprocesora asinkronog tipa predviđeno je elektroničko kolo, koje osigurava rad pojedinačnih komponenti u offline modu, ako je potrebno. Složenost implementacije ovog načina organizovanja rada poslanika je zbog činjenice dauvijek u trenutku završetka jedne operacije ima dovoljno određenih resursa za početak sljedeće. Memorija procesora se obično koristi kao veza za određivanje prioriteta u samom izboru narednih operacija.
Mikroprocesori za opće i posebne namjene
Glavni opseg MP opšte namene su radne stanice, personalni računari, serveri i elektronski uređaji namenjeni masovnoj upotrebi. Njihova funkcionalna infrastruktura je usmjerena na obavljanje širokog spektra zadataka vezanih za obradu informacija. Ovakve uređaje razvijaju SPARC, Intel, Motorola, IBM i drugi.
Specijalizovani mikroprocesori, čije su karakteristike i struktura zasnovani na moćnim kontrolerima, implementiraju složene procedure za obradu i konvertovanje digitalnih i analognih signala. Ovo je veoma raznolik segment sa hiljadama tipova konfiguracija. Posebnosti MP strukture ovog tipa uključuju korištenje jednog kristala kao baze za centralni procesor, koji se, zauzvrat, može povezati s velikim brojem perifernih uređaja. Među njima su sredstva za ulaz/izlaz, blokovi sa tajmerima, interfejsi, analogno-digitalni pretvarači. Takođe se praktikuje povezivanje specijalizovanih uređaja poput blokova za generisanje signala širine impulsa. Zbog upotrebe interne memorije, takvi sistemi imaju mali broj pomoćnih komponenti koje podržavaju radmikrokontroler.
Specifikacije mikroprocesora
Operativni parametri definišu opseg zadataka uređaja i skup komponenti koje se, u principu, mogu koristiti u određenoj mikroprocesorskoj strukturi. Glavne karakteristike MP mogu se predstaviti na sljedeći način:
- Frekvencija sata. Označava broj elementarnih operacija koje sistem može izvršiti u 1 sekundi. i izražava se u MHz. Uprkos razlikama u strukturi, različiti MP uglavnom obavljaju slične poslove, ali u svakom slučaju to zahtijeva individualno vrijeme, što se ogleda u broju ciklusa. Što je MP moćniji, više procedura može izvršiti u jednoj vremenskoj jedinici.
- Širina. Broj bitova koje uređaj može izvršiti u isto vrijeme. Dodijelite širinu magistrale, brzinu prijenosa podataka, interne registre, itd.
- Količina keš memorije. Ovo je memorija uključena u unutrašnju strukturu mikroprocesora i uvijek radi na ograničenim frekvencijama. U fizičkom prikazu, ovo je kristal postavljen na glavni MP čip i spojen na jezgro sabirnice mikroprocesora.
- Konfiguracija. U ovom slučaju govorimo o organizaciji komandi i metodama adresiranja. U praksi, tip konfiguracije može značiti mogućnost kombinovanja procesa izvršavanja više komandi istovremeno, načina i principa rada MP, te prisustvo perifernih uređaja u osnovnom mikroprocesorskom sistemu.
Mikroprocesorska arhitektura
Uglavnom, MP je univerzalaninformacioni procesor, ali u nekim oblastima njegovog rada često su potrebne posebne konfiguracije za izvršenje njegove strukture. Arhitektura mikroprocesora odražava specifičnosti primjene određenog modela, uzrokujući karakteristike hardvera i softvera integriranog u sistem. Konkretno, možemo govoriti o datim aktuatorima, programskim registrima, metodama adresiranja i skupovima instrukcija.
U prikazu arhitekture i karakteristika funkcionisanja MP često koriste dijagrame uređaja i interakciju dostupnih softverskih registara koji sadrže kontrolne informacije i operande (obrađene podatke). Dakle, u modelu registra postoji grupa uslužnih registara, kao i segmenti za skladištenje operanada opšte namene. Na osnovu toga se utvrđuje način izvršavanja programa, šema organizacije memorije, način rada i karakteristike mikroprocesora. Struktura MP opšte namene, na primer, može uključivati programski brojač, kao i registre za status i kontrolu režima rada sistema. Tok rada uređaja u kontekstu arhitektonske konfiguracije može se predstaviti kao model prijenosa registra, pružanja adresiranja, odabira operanda i instrukcija, prijenosa rezultata itd. Izvršavanje različitih instrukcija, bez obzira na dodjelu, utječe na status registar, čiji sadržaj odražava trenutno stanje procesora.
Opće informacije o strukturi mikroprocesora
U ovom slučaju strukturu treba shvatiti ne samo kao skup komponenti radnog sistema, već isredstva veze između njih, kao i uređaji koji osiguravaju njihovu interakciju. Kao iu funkcionalnoj klasifikaciji, sadržaj strukture može se izraziti kroz tri komponente - operativni sadržaj, sredstva komunikacije sa magistralom i upravljačku infrastrukturu.
Uređaj operativnog dijela određuje prirodu dekodiranja naredbi i obrade podataka. Ovaj kompleks može uključivati aritmetičko-logičke funkcionalne blokove, kao i otpornike za privremeno skladištenje informacija, uključujući informacije o stanju mikroprocesora. Logička struktura predviđa upotrebu 16-bitnih otpornika koji izvode ne samo logičke i aritmetičke procedure, već i operacije pomaka. Rad registara se može organizovati prema različitim šemama, koje određuju, između ostalog, njihovu dostupnost programeru. Za funkciju baterije rezervisan je poseban registar.
Bus spojnice su odgovorne za povezivanje sa perifernom opremom. Opseg njihovih zadataka uključuje i dohvaćanje podataka iz memorije i formiranje reda naredbi. Tipična mikroprocesorska struktura uključuje IP komandni pokazivač, sabirače adresa, segmentne registre i bafere, preko kojih se servisiraju veze sa adresnim sabirnicama.
Upravljački uređaj, zauzvrat, generiše kontrolne signale, dešifruje komandu, a takođe obezbeđuje rad računarskog sistema, izdajući mikro-komande za interne MP operacije.
Struktura osnovnog MP
Pojednostavljena struktura ovog mikroprocesora pruža dvije funkcijedijelovi:
- Operaciona soba. Ova jedinica uključuje uređaje za kontrolu i obradu podataka, kao i mikroprocesorsku memoriju. Za razliku od pune konfiguracije, osnovna struktura mikroprocesora isključuje segmentne registre. Neki izvršni uređaji su kombinovani u jednu funkcionalnu celinu, što takođe naglašava optimizovanu prirodu ove arhitekture.
- Interfejs. U suštini, sredstvo za pružanje komunikacije sa glavnim autoputem. Ovaj dio sadrži registre interne memorije i sabirač adresa.
Princip multipleksiranja signala se često koristi na eksternim izlaznim kanalima osnovnih MP. To znači da se signalizacija odvija preko uobičajenih kanala za podjelu vremena. Osim toga, u zavisnosti od trenutnog načina rada sistema, isti izlaz se može koristiti za prijenos signala u različite svrhe.
struktura mikroprocesorskih instrukcija
Ova struktura u velikoj meri zavisi od opšte konfiguracije i prirode interakcije MP funkcionalnih blokova. Međutim, već u fazi projektovanja sistema, programeri postavljaju mogućnosti za primenu određenog niza operacija na osnovu kojih se naknadno formira set komandi. Najčešće komandne funkcije uključuju:
- Prijenos podataka. Komanda izvodi operacije dodjeljivanja vrijednosti izvornog i odredišnog operanda. Registri ili memorijske ćelije se mogu koristiti kao potonje.
- Ulaz-izlaz. KrozI/O interfejs uređaji prenose podatke na portove. U skladu sa strukturom mikroprocesora i njegovom interakcijom sa perifernim hardverom i internim jedinicama, komande postavljaju adrese portova.
- Konverzija tipa. Formati i vrijednosti veličine korištenih operanada su određeni.
- Prekidi. Ova vrsta instrukcija je dizajnirana za kontrolu softverskih prekida - na primjer, može biti zaustavljanje funkcije procesora dok I/O uređaji počnu raditi.
- Organizacija ciklusa. Instrukcije mijenjaju vrijednost ECX registra, koji se može koristiti kao brojač prilikom izvršavanja određenog programskog koda.
Po pravilu se nameću ograničenja na osnovne komande vezane za mogućnost rada sa određenim količinama memorije, istovremenog upravljanja registrima i njihovim sadržajem.
struktura upravljanja MP
MP sistem upravljanja je baziran na kontrolnoj jedinici koja je povezana sa nekoliko funkcionalnih delova:
- Senzor signala. Određuje redoslijed i parametre impulsa, ravnomjerno ih raspoređuje u vremenu po magistralama. Među karakteristikama rada senzora je broj ciklusa i kontrolnih signala potrebnih za izvođenje operacija.
- Izvor signala. Jedna od funkcija upravljačke jedinice u strukturi mikroprocesora je dodijeljena generiranju ili obradi signala – odnosno njihovom prebacivanju unutar određenog ciklusa na određenoj magistrali.
- Dekoder koda operacije. Izvodi dešifriranje operativnih kodova prisutnih u registru instrukcija naovog trenutka. Zajedno sa određivanjem aktivne magistrale, ova procedura takođe pomaže da se generiše niz kontrolnih impulsa.
U kontrolnoj infrastrukturi od ne male važnosti je trajni uređaj za skladištenje koji u svojim ćelijama sadrži signale potrebne za obavljanje operacija obrade. Za brojanje naredbi prilikom obrade impulsnih podataka može se koristiti jedinica za generiranje adrese - ovo je neophodna komponenta interne strukture mikroprocesora, koja je uključena u jedinicu sučelja sistema i omogućava vam čitanje detalja memorijskih registara. sa signalima u potpunosti.
Komponente mikroprocesora
Većina funkcionalnih blokova, kao i eksternih uređaja, organizovani su između sebe i centralnog mikrokola MP preko interne magistrale. Može se reći da je ovo glavna mreža uređaja, koja pruža sveobuhvatnu komunikacijsku vezu. Druga stvar je što sabirnica može sadržavati i elemente različite funkcionalne namjene - na primjer, kola za prijenos podataka, linije za prijenos memorijskih ćelija, kao i infrastrukturu za pisanje i čitanje informacija. Priroda interakcije između blokova same magistrale određena je strukturom mikroprocesora. Uređaji uključeni u MP, osim sabirnice, uključuju sljedeće:
- Aritmetička logička jedinica. Kao što je već spomenuto, ova komponenta je dizajnirana za izvođenje logičkih i aritmetičkih operacija. Radi sa numeričkim i znakovnim podacima.
- Kontrolni uređaj. Odgovoran zakoordinacija u interakciji različitih dijelova MT. Konkretno, ovaj blok generiše kontrolne signale, usmjeravajući ih na različite module mašinskog uređaja u određenim vremenskim trenucima.
- Memorija mikroprocesora. Koristi se za snimanje, pohranjivanje i izdavanje informacija. Podaci se mogu povezati sa radnim računskim operacijama i procesima koji opslužuju mašinu.
- Matematički procesor. Koristi se kao pomoćni modul za povećanje brzine pri izvođenju složenih računskih operacija.
Karakteristike strukture koprocesora
Čak ni u okviru izvođenja tipičnih aritmetičkih i logičkih operacija, nema dovoljno kapaciteta konvencionalnog MP. Na primjer, mikroprocesor nema mogućnost izvršavanja aritmetičkih instrukcija s pomičnim zarezom. Za takve zadatke koriste se koprocesori čija struktura predviđa kombinaciju centralnog procesora s nekoliko MP. Istovremeno, sama logika rada uređaja nema fundamentalne razlike od osnovnih pravila za konstruisanje aritmetičkih mikro kola.
Koprocesori izvršavaju tipične komande, ali u bliskoj interakciji sa centralnim modulom. Ova konfiguracija pretpostavlja stalno praćenje redova naredbi u više linija. U fizičkoj strukturi mikroprocesora ovog tipa, dozvoljena je upotreba nezavisnog modula za obezbeđivanje ulazno-izlaznih podataka, čija je karakteristika mogućnost izbora njegovih komandi. Međutim, da bi takva šema ispravno radila, koprocesori moraju jasno definirati izvor odabira instrukcija,koordinacija interakcije između modula.
Princip izgradnje generalizovane strukture mikroprocesora sa jako spregnutom konfiguracijom je takođe povezan sa konceptom koprocesorskog uređaja. Ako u prethodnom slučaju možemo govoriti o nezavisnom I/O bloku s mogućnošću vlastitog odabira naredbi, onda snažno povezana konfiguracija uključuje uključivanje u strukturu nezavisnog procesora koji kontrolira tokove komandi.
Zaključak
Principi stvaranja mikroprocesora pretrpjeli su nekoliko promjena od pojave prvih računarskih uređaja. Karakteristike, dizajn i zahtjevi za resursnom podrškom su se promijenili, što je radikalno promijenilo računar, ali opći koncept sa osnovnim pravilima organiziranja funkcionalnih blokova uglavnom ostaje isti. Međutim, na budućnost razvoja mikroprocesorskih struktura može uticati nanotehnologija i pojava kvantnih računarskih sistema. Danas se takva područja razmatraju na teorijskoj razini, ali velike korporacije aktivno rade na izgledima za praktičnu upotrebu novih logičkih sklopova zasnovanih na inovativnim tehnologijama. Na primjer, kao moguća opcija za daljnji razvoj MT, nije isključena upotreba molekularnih i subatomskih čestica, a tradicionalna električna kola mogu ustupiti mjesto sistemima usmjerene rotacije elektrona. To će omogućiti stvaranje mikroskopskih procesora s fundamentalno novom arhitekturom, čije će performanse višestruko premašiti današnje. MP.
