Njerëzimi ka bërë një rrugë të gjatë drejt krijimit të kompjuterëve, pa të cilët është e pamundur të imagjinohet shoqëria moderne me të gjitha aspektet e jetës së saj në fushën e industrisë, ekonomisë kombëtare dhe pajisjeve elektroshtëpiake. Por edhe sot, progresi nuk qëndron ende, duke hapur forma të reja kompjuterizimi. Në qendër të zhvillimit teknologjik prej disa dekadash tashmë është struktura e mikroprocesorit (MP), e cila po përmirësohet në parametrat e tij funksionale dhe të projektimit.
Koncepti i mikroprocesorit
Në një kuptim të përgjithshëm, koncepti i një mikroprocesori paraqitet si një pajisje ose sistem i kontrolluar nga programi i bazuar në një qark të madh të integruar (LSI). Me ndihmën e MP-së kryhen operacionet e përpunimit të të dhënave ose menaxhimi i sistemeve që përpunojnë informacionin. Në fazat e paraZhvillimi i MP u bazua në mikroqarqe të veçanta me funksion të ulët, në të cilët transistorët ishin të pranishëm në sasi nga disa në qindra. Struktura më e thjeshtë tipike e mikroprocesorit mund të përmbajë një grup mikroqarqesh me parametra të përbashkët elektrikë, strukturorë dhe elektrikë. Sisteme të tilla quhen grup mikroprocesorësh. Së bashku me MP, një sistem mund të përbëhet gjithashtu nga pajisje memorie me akses të përhershëm dhe të rastësishëm, si dhe kontrollues dhe ndërfaqe për lidhjen e pajisjeve të jashtme - përsëri, përmes komunikimeve të pajtueshme. Si rezultat i zhvillimit të konceptit të mikrokontrolluesve, kompleti i mikroprocesorit u plotësua me pajisje shërbimi më komplekse, regjistra, drejtues autobusi, kohëmatës etj.
Sot, mikroprocesori konsiderohet gjithnjë e më pak si një pajisje e veçantë në kontekstin e aplikimeve praktike. Struktura funksionale dhe parimi i funksionimit të mikroprocesorit tashmë në fazat e projektimit udhëhiqen nga përdorimi si pjesë e një pajisjeje llogaritëse të krijuar për të kryer një sërë detyrash që lidhen me përpunimin dhe menaxhimin e informacionit. Lidhja kryesore në proceset e organizimit të funksionimit të një pajisjeje mikroprocesori është kontrolluesi, i cili ruan konfigurimin e kontrollit dhe mënyrat e ndërveprimit midis bërthamës llogaritëse të sistemit dhe pajisjeve të jashtme. Një procesor i integruar mund të konsiderohet si një lidhje e ndërmjetme midis kontrolluesit dhe mikroprocesorit. Funksionaliteti i tij është i përqendruar në zgjidhjen e detyrave ndihmëse që nuk lidhen drejtpërdrejt me qëllimin e MT-së kryesore. Në veçanti, këto mund të jenë funksione rrjeti dhe komunikimi që sigurojnë funksionimin e pajisjes mikroprocesorike.
Klasifikimet e mikroprocesorëve
Edhe në konfigurimet më të thjeshta, deputetët kanë shumë parametra teknikë dhe operacionalë që mund të përdoren për të vendosur veçoritë e klasifikimit. Për të justifikuar nivelet kryesore të klasifikimit, zakonisht dallohen tre sisteme funksionale - operacionale, ndërfaqe dhe kontrolli. Secila prej këtyre pjesëve të punës ofron gjithashtu një sërë parametrash dhe veçori dalluese që përcaktojnë natyrën e funksionimit të pajisjes.
Nga pikëpamja e strukturës tipike të mikroprocesorëve, klasifikimi do t'i ndajë kryesisht pajisjet në modele me shumë çipa dhe me një çip. Të parët karakterizohen nga fakti se njësitë e tyre të punës mund të funksionojnë offline dhe të ekzekutojnë komanda të paracaktuara. Dhe në këtë shembull do të prononcohen deputetë, në të cilët theksi vihet në funksionin operacional. Përpunues të tillë janë të fokusuar në përpunimin e të dhënave. Në të njëjtin grup, për shembull, mikroprocesorët me tre çipa mund të jenë kontroll dhe ndërfaqe. Kjo nuk do të thotë se ato nuk kanë një funksion operacional, por për qëllime optimizimi, shumica e burimeve të komunikimit dhe fuqisë i ndahen detyrave të gjenerimit të mikroinstruksioneve ose aftësisë për të bashkëvepruar me sistemet periferike.
Sa për deputetët me një çip, ato janë zhvilluar me një grup fiks udhëzimesh dhe vendosje kompakte të të gjithë pajisjeve.në një bërthamë. Për sa i përket funksionalitetit, struktura e një mikroprocesori me një çip është mjaft i kufizuar, megjithëse është më i besueshëm se konfigurimet e segmenteve të analogëve me shumë çipa.
Një tjetër klasifikim i rëndësishëm i referohet dizajnit të ndërfaqes së mikroprocesorëve. Fjala është për mënyrat e përpunimit të sinjaleve hyrëse, të cilat sot vazhdojnë të ndahen në dixhitale dhe analoge. Edhe pse vetë procesorët janë pajisje dixhitale, në disa raste përdorimi i rrymave analoge justifikon veten për sa i përket çmimit dhe besueshmërisë. Për konvertim, megjithatë, duhet të përdoren konvertues të veçantë, të cilët kontribuojnë në ngarkesën e energjisë dhe plotësinë strukturore të platformës së punës. MP analoge (zakonisht me një çip) kryejnë detyrat e sistemeve standarde analoge - për shembull, ata prodhojnë modulim, gjenerojnë lëkundje, kodojnë dhe deshifrojnë një sinjal.
Sipas parimit të organizimit të përkohshëm të funksionimit të deputetit, ato ndahen në sinkron dhe asinkron. Dallimi qëndron në natyrën e sinjalit për të filluar një operacion të ri. Për shembull, në rastin e një pajisjeje sinkrone, komanda të tilla jepen nga modulet e kontrollit, pavarësisht nga ekzekutimi i operacioneve aktuale. Në rastin e deputetëve asinkron, një sinjal i ngjashëm mund të jepet automatikisht pas përfundimit të operacionit të mëparshëm. Për ta bërë këtë, një qark elektronik sigurohet në strukturën logjike të mikroprocesorit të tipit asinkron, i cili siguron funksionimin e komponentëve individualë në një modalitet offline, nëse është e nevojshme. Kompleksiteti i zbatimit të kësaj metode të organizimit të punës së deputetit është për faktin segjithmonë në momentin e përfundimit të një operacioni ka mjaft burime të caktuara për të filluar operacionin tjetër. Kujtesa e procesorit përdoret zakonisht si një lidhje prioritare në vetë zgjedhjen e operacioneve pasuese.
Mikroprocesorë për qëllime të përgjithshme dhe speciale
Qëllimi kryesor i MP për qëllime të përgjithshme janë stacionet e punës, kompjuterët personalë, serverët dhe pajisjet elektronike të destinuara për përdorim masiv. Infrastruktura e tyre funksionale është e fokusuar në kryerjen e një game të gjerë detyrash që lidhen me përpunimin e informacionit. Pajisje të tilla po zhvillohen nga SPARC, Intel, Motorola, IBM dhe të tjerë.
Mikroprocesorët e specializuar, karakteristikat dhe struktura e të cilëve bazohen në kontrollues të fuqishëm, zbatojnë procedura komplekse për përpunimin dhe konvertimin e sinjaleve dixhitale dhe analoge. Ky është një segment shumë i larmishëm me mijëra lloje konfigurimi. Veçoritë e strukturës MP të këtij lloji përfshijnë përdorimin e një kristali si bazë për procesorin qendror, i cili, nga ana tjetër, mund të ndërlidhet me një numër të madh pajisjesh periferike. Midis tyre janë mjetet e hyrjes / daljes, blloqet me kohëmatës, ndërfaqet, konvertuesit analog në dixhital. Gjithashtu praktikohet të lidhni pajisje të specializuara si blloqe për gjenerimin e sinjaleve me gjerësi pulsi. Për shkak të përdorimit të memories së brendshme, sisteme të tilla kanë një numër të vogël të komponentëve ndihmës që mbështesin funksioniminmikrokontrollues.
Specifikimet e mikroprocesorit
Parametrat e funksionimit përcaktojnë gamën e detyrave të pajisjes dhe grupin e komponentëve që, në parim, mund të përdoren në një strukturë të veçantë mikroprocesori. Karakteristikat kryesore të MP mund të përfaqësohen si më poshtë:
- Frekuenca e orës. Tregon numrin e operacioneve elementare që sistemi mund të kryejë në 1 sekondë. dhe shprehet në MHz. Pavarësisht dallimeve në strukturë, deputetë të ndryshëm kryejnë kryesisht detyra të ngjashme, por në çdo rast kërkon kohë individuale, e cila reflektohet në numrin e cikleve. Sa më i fuqishëm të jetë MP, aq më shumë procedura mund të kryejë brenda një njësie kohore.
- Gjerësia. Numri i biteve që pajisja mund të ekzekutojë në të njëjtën kohë. Alokoni gjerësinë e autobusit, shpejtësinë e transferimit të të dhënave, regjistrat e brendshëm, etj.
- Sasia e memories cache. Kjo është memoria e përfshirë në strukturën e brendshme të mikroprocesorit dhe funksionon gjithmonë në frekuenca kufizuese. Në paraqitjen fizike, ky është një kristal i vendosur në çipin kryesor MP dhe i lidhur me bërthamën e autobusit të mikroprocesorit.
- Konfigurimi. Në këtë rast, bëhet fjalë për organizimin e komandave dhe metodat e adresimit. Në praktikë, lloji i konfigurimit mund të nënkuptojë mundësinë e kombinimit të proceseve të ekzekutimit të disa komandave në të njëjtën kohë, mënyrave dhe parimeve të funksionimit MP, dhe pranisë së pajisjeve periferike në sistemin bazë të mikroprocesorit.
Arkitektura e mikroprocesorit
Në përgjithësi, MP është universalprocesor informacioni, por në disa fusha të funksionimit të tij, shpesh kërkohen konfigurime të veçanta për ekzekutimin e strukturës së tij. Arkitektura e mikroprocesorëve pasqyron specifikat e aplikimit të një modeli të caktuar, duke shkaktuar veçoritë e harduerit dhe softuerit të integruar në sistem. Konkretisht, mund të flasim për aktivizuesit e ofruar, regjistrat e programit, metodat e adresimit dhe grupet e udhëzimeve.
Në paraqitjen e arkitekturës dhe veçorive të funksionimit të MP, ata shpesh përdorin diagramet e pajisjeve dhe ndërveprimin e regjistrave të softuerit të disponueshëm që përmbajnë informacione kontrolli dhe operandë (të dhëna të përpunuara). Prandaj, në modelin e regjistrit ekziston një grup regjistrash shërbimi, si dhe segmente për ruajtjen e operandëve me qëllime të përgjithshme. Mbi këtë bazë përcaktohen mënyra e ekzekutimit të programeve, skema e organizimit të memories, mënyra e funksionimit dhe karakteristikat e mikroprocesorit. Struktura MP për qëllime të përgjithshme, për shembull, mund të përfshijë një numërues programi, si dhe regjistra për statusin dhe kontrollin e mënyrave të funksionimit të sistemit. Rrjedha e punës e një pajisjeje në kontekstin e një konfigurimi arkitektonik mund të përfaqësohet si një model i transferimeve të regjistrit, duke ofruar adresimin, zgjedhjen e operandëve dhe udhëzimeve, transferimin e rezultateve, etj. Ekzekutimi i udhëzimeve të ndryshme, pavarësisht nga detyra, do të ndikojë në statusin regjistër, përmbajtja e të cilit pasqyron gjendjen aktuale të procesorit.
Informacion i përgjithshëm rreth strukturës së mikroprocesorëve
Në këtë rast, struktura duhet kuptuar jo vetëm si një grup përbërësish të sistemit të punës, por edhemjetet e lidhjes ndërmjet tyre, si dhe pajisjet që sigurojnë ndërveprimin e tyre. Ashtu si në klasifikimin funksional, përmbajtja e strukturës mund të shprehet përmes tre komponentëve - përmbajtjes operacionale, mjeteve të komunikimit me autobusin dhe infrastrukturës së kontrollit.
Pajisja e pjesës operative përcakton natyrën e dekodimit të komandës dhe përpunimit të të dhënave. Ky kompleks mund të përfshijë blloqe funksionale aritmetike-logjike, si dhe rezistorë për ruajtjen e përkohshme të informacionit, duke përfshirë informacionin për gjendjen e mikroprocesorit. Struktura logjike parashikon përdorimin e rezistorëve 16-bit që kryejnë jo vetëm procedura logjike dhe aritmetike, por edhe operacione zhvendosjeje. Puna e regjistrave mund të organizohet sipas skemave të ndryshme, të cilat përcaktojnë, ndër të tjera, aksesueshmërinë e tyre për programuesin. Një regjistër i veçantë është rezervuar për funksionin e paketës së baterisë.
Siftuesit e autobusëve janë përgjegjës për lidhjet me pajisjet periferike. Gama e detyrave të tyre përfshin gjithashtu marrjen e të dhënave nga memoria dhe formimin e një radhe komandash. Struktura tipike e mikroprocesorit përfshin një tregues të komandës IP, shtuesit e adresave, regjistrat e segmenteve dhe buferët, përmes të cilëve shërbehen lidhjet me autobusët e adresave.
Pajisja e kontrollit, nga ana tjetër, gjeneron sinjale kontrolli, deshifron komandën dhe gjithashtu siguron funksionimin e sistemit informatik, duke lëshuar mikro-komanda për operacionet e brendshme MP.
Struktura e MP bazë
Struktura e thjeshtuar e këtij mikroprocesori ofron dy funksionepjesë:
- Salla e operacionit. Kjo njësi përfshin pajisjet e kontrollit dhe përpunimit të të dhënave, si dhe memorien e mikroprocesorit. Ndryshe nga konfigurimi i plotë, struktura bazë e mikroprocesorit përjashton regjistrat e segmenteve. Disa pajisje ekzekutimi kombinohen në një njësi funksionale, e cila gjithashtu thekson natyrën e optimizuar të kësaj arkitekture.
- Ndërfaqja. Në thelb, një mjet për të siguruar komunikim me autostradën kryesore. Kjo pjesë përmban regjistrat e memories së brendshme dhe grumbulluesin e adresave.
Parimi i shumëfishimit të sinjalit përdoret shpesh në kanalet e jashtme të daljes së deputetëve bazë. Kjo do të thotë që sinjalizimi bëhet përmes kanaleve të përbashkëta të ndarjes së kohës. Përveç kësaj, në varësi të mënyrës aktuale të funksionimit të sistemit, e njëjta dalje mund të përdoret për të transmetuar sinjale për qëllime të ndryshme.
Struktura e instruksionit të mikroprocesorit
Kjo strukturë varet kryesisht nga konfigurimi i përgjithshëm dhe natyra e ndërveprimit të blloqeve funksionale MP. Sidoqoftë, edhe në fazën e projektimit të sistemit, zhvilluesit përcaktojnë mundësitë për aplikimin e një grupi të caktuar operacionesh bazuar në të cilat më pas formohet një grup komandash. Funksionet më të zakonshme të komandës përfshijnë:
- Transferimi i të dhënave. Komanda kryen operacionet e caktimit të vlerave të operandëve burim dhe destinacion. Regjistrat ose qelizat e memories mund të përdoren si këto të fundit.
- Input-output. përmesPajisjet e ndërfaqes I/O transferojnë të dhëna në porte. Në përputhje me strukturën e mikroprocesorit dhe ndërveprimin e tij me pajisjen periferike dhe njësitë e brendshme, komandat vendosin adresat e portave.
- Konvertim i llojit. Formatet dhe vlerat e madhësisë së operandëve të përdorur janë përcaktuar.
- Ndërprerje. Ky lloj instruksioni është krijuar për të kontrolluar ndërprerjet e softuerit - për shembull, mund të jetë një ndalim i funksionit të procesorit ndërsa pajisjet I/O fillojnë të punojnë.
- Organizimi i cikleve. Udhëzimet ndryshojnë vlerën e regjistrit ECX, i cili mund të përdoret si numërues gjatë ekzekutimit të një kodi programi të caktuar.
Si rregull, kufizimet vendosen në komandat bazë që lidhen me aftësinë për të operuar me sasi të caktuara memorie, për të menaxhuar njëkohësisht regjistrat dhe përmbajtjen e tyre.
Struktura e menaxhimit të MP
Sistemi i kontrollit MP bazohet në njësinë e kontrollit, e cila shoqërohet me disa pjesë funksionale:
- Sensori i sinjalit. Përcakton sekuencën dhe parametrat e pulseve, duke i shpërndarë në mënyrë të barabartë në kohë nëpër autobusët. Ndër karakteristikat e funksionimit të sensorëve është numri i cikleve dhe sinjaleve të kontrollit të nevojshëm për kryerjen e operacioneve.
- Burimi i sinjaleve. Një nga funksionet e njësisë së kontrollit në strukturën e mikroprocesorit i caktohet gjenerimit ose përpunimit të sinjaleve - domethënë kalimi i tyre brenda një cikli specifik në një autobus specifik.
- Dekoder kodi i funksionimit. Kryen deshifrimin e kodeve të funksionimit të pranishëm në regjistrin e udhëzimeve nëky moment. Së bashku me përcaktimin e autobusit aktiv, kjo procedurë ndihmon gjithashtu në gjenerimin e një sekuence pulsesh kontrolli.
Jo pak rëndësi në infrastrukturën e kontrollit është një pajisje ruajtëse e përhershme që përmban në qelizat e saj sinjalet e nevojshme për të kryer operacionet e përpunimit. Për të numëruar komandat gjatë përpunimit të të dhënave të pulsit, mund të përdoret një njësi e gjenerimit të adresave - ky është një komponent i domosdoshëm i strukturës së brendshme të mikroprocesorit, i cili përfshihet në njësinë e ndërfaqes së sistemit dhe ju lejon të lexoni detajet e regjistrave të kujtesës me sinjale të plota.
Përbërësit e mikroprocesorit
Shumica e blloqeve funksionale, si dhe pajisjet e jashtme, janë të organizuara ndërmjet tyre dhe MP-së së mikroqarkut qendror përmes autobusit të brendshëm. Mund të thuhet se ky është rrjeti kryesor i pajisjes, duke siguruar një lidhje gjithëpërfshirëse komunikimi. Një gjë tjetër është se autobusi mund të përmbajë gjithashtu elementë me qëllime të ndryshme funksionale - për shembull, qarqe për transferimin e të dhënave, linja për transferimin e qelizave të memories, si dhe një infrastrukturë për shkrimin dhe leximin e informacionit. Natyra e ndërveprimit midis blloqeve të vetë autobusit përcaktohet nga struktura e mikroprocesorit. Pajisjet e përfshira në MP, përveç autobusit, përfshijnë si më poshtë:
- Njësi logjike aritmetike. Siç është përmendur tashmë, ky komponent është krijuar për të kryer operacione logjike dhe aritmetike. Ai funksionon si me të dhëna numerike ashtu edhe me karaktere.
- Kontrollo pajisjen. Përgjegjës përkoordinimi në bashkëveprimin e pjesëve të ndryshme të MT. Në veçanti, ky bllok gjeneron sinjale kontrolli, duke i drejtuar ato në module të ndryshme të pajisjes së makinës në momente të caktuara kohore.
- Memorie mikroprocesori. Përdoret për të regjistruar, ruajtur dhe lëshuar informacion. Të dhënat mund të shoqërohen si me operacionet llogaritëse të punës ashtu edhe me proceset që i shërbejnë makinës.
- Përpunues matematike. Përdoret si një modul ndihmës për të rritur shpejtësinë gjatë kryerjes së operacioneve komplekse llogaritëse.
Veçoritë e strukturës së bashkëprocesorit
Edhe brenda kuadrit të kryerjes së veprimeve tipike aritmetike dhe logjike, nuk ka kapacitet të mjaftueshëm të një MP konvencional. Për shembull, mikroprocesori nuk ka aftësinë për të ekzekutuar instruksionet aritmetike me pikë lundruese. Për detyra të tilla përdoren bashkëprocesorë, struktura e të cilëve parashikon kombinimin e një procesori qendror me disa MP. Në të njëjtën kohë, vetë logjika e funksionimit të pajisjes nuk ka dallime thelbësore nga rregullat bazë për ndërtimin e mikroqarqeve aritmetike.
Koprocesorët ekzekutojnë komanda tipike, por në ndërveprim të ngushtë me modulin qendror. Ky konfigurim supozon monitorim të vazhdueshëm të radhëve të komandës nëpër linja të shumta. Në strukturën fizike të një mikroprocesori të këtij lloji, lejohet të përdoret një modul i pavarur për të siguruar hyrje-dalje, një veçori e të cilit është aftësia për të zgjedhur komandat e tij. Megjithatë, që një skemë e tillë të funksionojë siç duhet, bashkëprocesorët duhet të përcaktojnë qartë burimin e përzgjedhjes së instruksioneve,bashkëveprimin koordinues ndërmjet moduleve.
Parimi i ndërtimit të një strukture të përgjithësuar të një mikroprocesori me një konfigurim të lidhur fort lidhet gjithashtu me konceptin e një pajisjeje bashkëprocesori. Nëse në rastin e mëparshëm mund të flasim për një bllok të pavarur I / O me mundësinë e zgjedhjes së tij të komandave, atëherë një konfigurim i lidhur fort përfshin përfshirjen në strukturën e një procesori të pavarur që kontrollon rrjedhat e komandave.
Përfundim
Parimet e krijimit të mikroprocesorit kanë pësuar pak ndryshime që nga ardhja e pajisjeve të para kompjuterike. Karakteristikat, dizajnet dhe kërkesat për mbështetjen e burimeve kanë ndryshuar, gjë që ka ndryshuar rrënjësisht kompjuterin, por koncepti i përgjithshëm me rregullat bazë për organizimin e blloqeve funksionale në pjesën më të madhe mbetet i njëjtë. Megjithatë, e ardhmja e zhvillimit të strukturës së mikroprocesorit mund të ndikohet nga nanoteknologjia dhe ardhja e sistemeve të llogaritjes kuantike. Sot, fusha të tilla konsiderohen në nivelin teorik, por korporatat e mëdha po punojnë në mënyrë aktive në perspektivat për përdorimin praktik të qarqeve të reja logjike të bazuara në teknologji inovative. Për shembull, si një opsion i mundshëm për zhvillimin e mëtejshëm të MT, përdorimi i grimcave molekulare dhe nënatomike nuk përjashtohet dhe qarqet elektrike tradicionale mund t'i lënë vendin sistemeve të rrotullimit të drejtuar të elektroneve. Kjo do të bëjë të mundur krijimin e procesorëve mikroskopikë me një arkitekturë thelbësisht të re, performanca e të cilëve do të tejkalojë shumë herë atë të sotmen.deputet.
