Die mensdom het 'n lang pad gestap in die rigting van die skepping van rekenaars, waarsonder dit onmoontlik is om die moderne samelewing met alle aspekte van sy lewe in die velde van nywerheid, die nasionale ekonomie en huishoudelike toestelle voor te stel. Maar selfs vandag staan vordering nie stil nie, wat nuwe vorme van rekenarisering oopmaak. Die middelpunt van tegnologiese ontwikkeling vir etlike dekades is nou die struktuur van die mikroverwerker (MP), wat in sy funksionele en ontwerpparameters verbeter word.
Mikroverwerker-konsep
In 'n algemene sin word die konsep van 'n mikroverwerker aangebied as 'n programbeheerde toestel of stelsel gebaseer op 'n groot geïntegreerde stroombaan (LSI). Met die hulp van MP word dataverwerkingsbewerkings of bestuur van stelsels wat inligting verwerk, uitgevoer. In die eerste stadiumsDie ontwikkeling van die MP was gebaseer op afsonderlike lae-funksionele mikrokringe, waarin transistors teenwoordig was in hoeveelhede van 'n paar tot honderde. Die eenvoudigste tipiese mikroverwerkerstruktuur kan 'n groep mikrobane met algemene elektriese, strukturele en elektriese parameters bevat. Sulke stelsels word 'n mikroverwerkerstel genoem. Saam met die MP kan een stelsel ook bestaan uit permanente en ewekansige toegang geheue toestelle, sowel as beheerders en koppelvlakke om eksterne toerusting te koppel – weer eens deur versoenbare kommunikasie. As gevolg van die ontwikkeling van die konsep van mikrobeheerders, is die mikroverwerkerstel aangevul met meer komplekse dienstoestelle, registers, busbestuurders, tydhouers, ens.
Vandag word die mikroverwerker al minder as 'n aparte toestel in die konteks van praktiese toepassings beskou. Die funksionele struktuur en werkingsbeginsel van die mikroverwerker reeds in die ontwerpstadiums word gelei deur die gebruik as deel van 'n rekenaartoestel wat ontwerp is om 'n aantal take wat verband hou met die verwerking en bestuur van inligting uit te voer. Die sleutelskakel in die prosesse om die werking van 'n mikroverwerkertoestel te organiseer, is die kontroleerder, wat die beheerkonfigurasie en wyses van interaksie tussen die stelsel se rekenaarkern en eksterne toerusting handhaaf. 'n Geïntegreerde verwerker kan beskou word as 'n tussenskakel tussen die beheerder en die mikroverwerker. Die funksionaliteit daarvan is gefokus op die oplossing van hulptake wat nie direk verband hou met die doel van die hoof-MT nie. Dit kan veral netwerk- en kommunikasiefunksies wees wat die werking van die mikroverwerkertoestel verseker.
Klassifikasies van mikroverwerkers
Selfs in die eenvoudigste konfigurasies het LP's baie tegniese en operasionele parameters wat gebruik kan word om klassifikasiekenmerke te stel. Om die hoofvlakke van klassifikasie te regverdig, word drie funksionele stelsels gewoonlik onderskei - operasioneel, koppelvlak en beheer. Elkeen van hierdie werkende dele verskaf ook 'n aantal parameters en onderskeidende kenmerke wat die aard van die werking van die toestel bepaal.
Vanuit die oogpunt van die tipiese struktuur van mikroverwerkers, sal die klassifikasie hoofsaaklik toestelle verdeel in multi-skyfie- en enkelskyfie-modelle. Eersgenoemde word gekenmerk deur die feit dat hul werkeenhede vanlyn kan funksioneer en voorafbepaalde opdragte kan uitvoer. En in hierdie voorbeeld sal LP's uitgespreek word, waarin die klem op die operasionele funksie val. Sulke verwerkers is gefokus op dataverwerking. In dieselfde groep kan drie-skyfie mikroverwerkers byvoorbeeld beheer en koppelvlak wees. Dit beteken nie dat hulle nie 'n operasionele funksie het nie, maar vir optimaliseringsdoeleindes word die meeste van die kommunikasie- en kragbronne toegewys aan die take om mikro-instruksies te genereer of die vermoë om met perifere stelsels te kommunikeer.
Wat enkelskyfie-LP's betref, hulle is ontwikkel met 'n vaste stel instruksies en kompakte plasing van alle hardewareop een kern. Wat funksionaliteit betref, is die struktuur van 'n enkelskyfie-mikroverwerker redelik beperk, hoewel dit meer betroubaar is as segmentkonfigurasies van multi-skyfie-analoë.
Nog 'n belangrike klassifikasie verwys na die koppelvlakontwerp van mikroverwerkers. Ons praat oor maniere om insetseine te verwerk, wat vandag steeds in digitaal en analoog verdeel word. Alhoewel die verwerkers self digitale toestelle is, regverdig die gebruik van analoog strome homself in terme van prys en betroubaarheid. Vir omskakeling moet spesiale omsetters egter gebruik word, wat bydra tot die energielading en strukturele volheid van die werkplatform. Analoog-LP's (gewoonlik enkelskyfie) voer die take van standaard analoogstelsels uit - hulle produseer byvoorbeeld modulasie, genereer ossillasies, enkodeer en dekodeer 'n sein.
Volgens die beginsel van tydelike organisasie van die funksionering van die LP, word hulle verdeel in sinchrone en asinchrone. Die verskil lê in die aard van die sein om 'n nuwe operasie te begin. Byvoorbeeld, in die geval van 'n sinchrone toestel, word sulke opdragte deur beheermodules gegee, ongeag die uitvoering van huidige bewerkings. In die geval van asynchrone LP's, kan 'n soortgelyke sein outomaties gegee word na voltooiing van die vorige operasie. Om dit te doen, word 'n elektroniese stroombaan voorsien in die logiese struktuur van die asinchroniese tipe mikroverwerker, wat die werking van individuele komponente in 'n aflynmodus verseker, indien nodig. Die kompleksiteit van die implementering van hierdie metode om die werk van die LP te organiseer is te wyte aan die feit dat altyd op die oomblik van voltooiing van een operasie is daar genoeg sekere hulpbronne om die volgende een te begin. Verwerkergeheue word tipies gebruik as 'n prioritiseringskakel in die keuse van daaropvolgende bewerkings.
Mikroverwerkers vir algemene en spesiale doeleindes
Die hoofomvang van algemene LP is werkstasies, persoonlike rekenaars, bedieners en elektroniese toestelle wat vir massagebruik bedoel is. Hul funksionele infrastruktuur is gefokus op die uitvoering van 'n wye reeks take wat met inligtingverwerking verband hou. Sulke toestelle word ontwikkel deur SPARC, Intel, Motorola, IBM en ander.
Gespesialiseerde mikroverwerkers, waarvan die kenmerke en struktuur op kragtige beheerders gebaseer is, implementeer komplekse prosedures vir die verwerking en omskakeling van digitale en analoog seine. Dit is 'n baie diverse segment met duisende konfigurasietipes. Die eienaardighede van die MP-struktuur van hierdie tipe sluit in die gebruik van een kristal as basis vir die sentrale verwerker, wat op sy beurt met 'n groot aantal perifere toestelle gekoppel kan word. Onder hulle is die middele van invoer / uitset, blokke met timers, koppelvlakke, analoog-na-digitaal-omsetters. Dit word ook beoefen om gespesialiseerde toestelle soos blokke te koppel vir die opwekking van polswydte seine. As gevolg van die gebruik van interne geheue, het sulke stelsels 'n klein aantal hulpkomponente wat die werking ondersteunmikrobeheerder.
Mikroverwerker-spesifikasies
Bedryfsparameters definieer die reeks toesteltake en die stel komponente wat in beginsel in 'n spesifieke mikroverwerkerstruktuur gebruik kan word. Die hoofkenmerke van MP kan soos volg voorgestel word:
- Klokfrekwensie. Dui die aantal elementêre bewerkings aan wat die stelsel in 1 sekonde kan uitvoer. en word uitgedruk in MHz. Ten spyte van die verskille in struktuur verrig verskillende LP’s meestal soortgelyke take, maar dit verg in elke geval individuele tyd, wat in die aantal siklusse weerspieël word. Hoe kragtiger die LP, hoe meer prosedures kan dit binne een tydeenheid uitvoer.
- Breedte. Die aantal bisse wat die toestel op dieselfde tyd kan uitvoer. Ken buswydte, data-oordragtempo, interne registers, ens. toe.
- Die hoeveelheid kasgeheue. Dit is die geheue wat by die interne struktuur van die mikroverwerker ingesluit is en altyd teen beperkende frekwensies werk. In die fisiese voorstelling is dit 'n kristal wat op die hoof MP-skyfie geplaas is en aan die mikroverwerkerbuskern gekoppel is.
- Konfigurasie. In hierdie geval praat ons van die organisasie van opdragte en aanspreekmetodes. In die praktyk kan die tipe konfigurasie die moontlikheid beteken om die prosesse van die uitvoering van verskeie opdragte gelyktydig, die modusse en beginsels van MP-werking en die teenwoordigheid van perifere toestelle in die basiese mikroverwerkerstelsel te kombineer.
Mikroverwerker-argitektuur
In die algemeen is LP universeelinligtingverwerker, maar in sommige areas van sy werking word spesiale konfigurasies vir die uitvoering van sy struktuur dikwels vereis. Die argitektuur van mikroverwerkers weerspieël die besonderhede van die toepassing van 'n spesifieke model, wat veroorsaak dat die kenmerke van die hardeware en sagteware in die stelsel geïntegreer is. Ons kan spesifiek praat oor die verskafde aktueerders, programregisters, adresseringsmetodes en instruksiestelle.
In die voorstelling van die argitektuur en kenmerke van die funksionering van die MP, gebruik hulle dikwels toesteldiagramme en die interaksie van beskikbare sagtewareregisters wat beheerinligting en operande (verwerkte data) bevat. Daarom is daar in die registermodel 'n groep diensregisters, sowel as segmente vir die stoor van algemene-doel operande. Op hierdie basis word die metode van uitvoering van programme, die skema van geheue-organisasie, die werkswyse en die eienskappe van die mikroverwerker bepaal. Die algemene LP-struktuur kan byvoorbeeld 'n programteller insluit, sowel as registers vir die status en beheer van die stelselbedryfsmodusse. Die werkvloei van 'n toestel in die konteks van 'n argitektoniese konfigurasie kan voorgestel word as 'n model van registeroordragte, verskaffing van adressering, seleksie van operande en instruksies, oordrag van resultate, ens. Die uitvoering van verskillende instruksies, ongeag die opdrag, sal die status beïnvloed register, waarvan die inhoud die huidige toestand van die verwerker weerspieël.
Algemene inligting oor die struktuur van mikroverwerkers
In hierdie geval moet die struktuur nie net verstaan word as 'n stel komponente van die werkstelsel nie, maar ookmiddele van verbinding tussen hulle, sowel as toestelle wat hul interaksie verseker. Soos in die funksionele klassifikasie, kan die inhoud van die struktuur uitgedruk word deur drie komponente - operasionele inhoud, kommunikasiemiddele met die bus en beheerinfrastruktuur.
Die toestel van die bedryfsdeel bepaal die aard van opdragdekodering en dataverwerking. Hierdie kompleks kan rekenkundige-logika funksionele blokke insluit, sowel as weerstande vir tydelike berging van inligting, insluitend inligting oor die toestand van die mikroverwerker. Die logikastruktuur maak voorsiening vir die gebruik van 16-bis resistors wat nie net logiese en rekenkundige prosedures uitvoer nie, maar ook skuifbewerkings. Die werk van registers kan volgens verskillende skemas georganiseer word, wat onder andere hul toeganklikheid vir die programmeerder bepaal. 'n Aparte register is gereserveer vir die batterypakfunksie.
Buskoppelaars is verantwoordelik vir verbindings met randapparatuur. Die omvang van hul take sluit ook in om data uit die geheue te haal en 'n ry van opdragte te vorm. Die tipiese mikroverwerkerstruktuur sluit 'n IP-opdragwyser, adresoptellers, segmentregisters en buffers in, waardeur skakels met adresbusse gediens word.
Die beheertoestel genereer op sy beurt beheerseine, dekripteer die opdrag, en verseker ook die werking van die rekenaarstelsel, wat mikro-opdragte vir interne MP-operasies uitreik.
Struktuur van basiese MP
Die vereenvoudigde struktuur van hierdie mikroverwerker bied twee funksioneledele:
- Operasiekamer. Hierdie eenheid sluit beheer- en dataverwerkingsfasiliteite in, sowel as mikroverwerkergeheue. Anders as die volle konfigurasie, sluit die basiese mikroverwerkerstruktuur segmentregisters uit. Sommige uitvoeringstoestelle word in een funksionele eenheid gekombineer, wat ook die geoptimaliseerde aard van hierdie argitektuur beklemtoon.
- koppelvlak. In wese 'n manier om kommunikasie met die hoofweg te verskaf. Hierdie deel bevat die interne geheueregisters en die adresopteller.
Die beginsel van seinmultipleksing word dikwels op die eksterne uitsetkanale van basiese LP's gebruik. Dit beteken dat die sein oor algemene tyddeelkanale plaasvind. Daarbenewens, afhangende van die huidige bedryfsmodus van die stelsel, kan dieselfde uitset gebruik word om seine vir verskillende doeleindes uit te stuur.
Mikroverwerker-instruksiestruktuur
Hierdie struktuur hang grootliks af van die algemene konfigurasie en die aard van die interaksie van die MP-funksionele blokke. Selfs in die ontwerpstadium van die stelsel lê ontwikkelaars egter die moontlikhede neer vir die toepassing van 'n sekere reeks bewerkings gebaseer op wat 'n stel opdragte vervolgens gevorm word. Die mees algemene opdragfunksies sluit in:
- Data-oordrag. Die opdrag voer die bewerkings uit om die waardes van die bron- en bestemmingsoperande toe te ken. Registers of geheueselle kan as laasgenoemde gebruik word.
- Inset-uitset. DeurI/O-koppelvlaktoestelle dra data oor na poorte. In ooreenstemming met die struktuur van die mikroverwerker en sy interaksie met perifere hardeware en interne eenhede, stel die opdragte die poortadresse.
- Tipe omskakeling. Die formate en groottewaardes van die operandes wat gebruik word, word bepaal.
- Onderbrekings. Hierdie tipe instruksie is ontwerp om sagteware-onderbrekings te beheer - dit kan byvoorbeeld 'n verwerkerfunksie stop wees terwyl I/O-toestelle begin werk.
- Organisasie van siklusse. Instruksies verander die waarde van die ECX-register, wat as 'n teller gebruik kan word wanneer sekere programkode uitgevoer word.
As 'n reël word beperkings ingestel op basiese opdragte wat verband hou met die vermoë om met sekere hoeveelhede geheue te werk, registers en hul inhoud gelyktydig te bestuur.
MP-bestuurstruktuur
MP-beheerstelsel is gebaseer op die beheereenheid, wat met verskeie funksionele dele geassosieer word:
- Seinsensor. Bepaal die volgorde en parameters van pulse, en versprei dit eweredig in tyd oor die busse. Onder die kenmerke van die werking van sensors is die aantal siklusse en beheerseine wat nodig is om bewerkings uit te voer.
- Bron van seine. Een van die funksies van die beheereenheid in die struktuur van die mikroverwerker word toegewys aan die generering of verwerking van seine - dit wil sê hul skakeling binne 'n spesifieke siklus op 'n spesifieke bus.
- Bedryfskode-dekodeerder. Voer dekripsie uit van die bewerkingskodes wat in die instruksieregister aanwesig ishierdie oomblik. Saam met die bepaling van die aktiewe bus, help hierdie prosedure ook om 'n reeks beheerpulse te genereer.
Van geen geringe belang in die beheer-infrastruktuur is 'n permanente stoortoestel wat in sy selle die seine bevat wat nodig is om verwerkingsoperasies uit te voer. Om opdragte te tel tydens die verwerking van pulsdata, kan 'n adresopwekkingseenheid gebruik word - dit is 'n noodsaaklike komponent van die interne struktuur van die mikroverwerker, wat ingesluit is in die koppelvlak-eenheid van die stelsel en u toelaat om die besonderhede van die geheueregisters te lees met seine volledig.
Mikroverwerkerkomponente
Die meeste van die funksionele blokke, sowel as eksterne toestelle, is georganiseer tussen hulself en die sentrale mikrokring-LP deur die interne bus. Daar kan gesê word dat dit die ruggraatnetwerk van die toestel is, wat 'n omvattende kommunikasieskakel bied. Nog iets is dat die bus ook elemente van verskillende funksionele doeleindes kan bevat - byvoorbeeld stroombane vir data-oordrag, lyne vir die oordrag van geheueselle, sowel as 'n infrastruktuur vir die skryf en lees van inligting. Die aard van die interaksie tussen die blokke van die bus self word bepaal deur die struktuur van die mikroverwerker. Die toestelle wat by die MP ingesluit is, benewens die bus, sluit die volgende in:
- Rekenkundige logika-eenheid. Soos reeds genoem, is hierdie komponent ontwerp om logiese en rekenkundige bewerkings uit te voer. Dit werk met beide numeriese en karakterdata.
- Beheer toestel. Verantwoordelik virkoördinasie in die interaksie van verskillende dele van die MT. Hierdie blok genereer veral beheerseine wat hulle op sekere tydstip na verskillende modules van die masjientoestel stuur.
- Mikroverwerker geheue. Word gebruik om inligting aan te teken, te berg en uit te reik. Data kan geassosieer word met beide werkende rekenaarbewerkings en prosesse wat die masjien bedien.
- Wiskundige verwerker. Dit word as 'n hulpmodule gebruik om die spoed te verhoog wanneer komplekse berekeningsbewerkings uitgevoer word.
Kenmerke van die medeverwerkerstruktuur
Selfs binne die raamwerk van die uitvoering van tipiese rekenkundige en logiese bewerkings, is daar nie genoeg kapasiteit van 'n konvensionele LP nie. Die mikroverwerker het byvoorbeeld nie die vermoë om drywende-punt-rekenkundige instruksies uit te voer nie. Vir sulke take word medeverwerkers gebruik, waarvan die struktuur voorsiening maak vir die kombinasie van 'n sentrale verwerker met verskeie LP's. Terselfdertyd het die logika van die toestelwerking self geen fundamentele verskille van die basiese reëls vir die konstruksie van rekenkundige mikrobane nie.
Koverwerkers voer tipiese opdragte uit, maar in noue interaksie met die sentrale module. Hierdie konfigurasie veronderstel konstante monitering van opdragrye oor verskeie reëls. In die fisiese struktuur van 'n mikroverwerker van hierdie tipe, word dit toegelaat om 'n onafhanklike module te gebruik om toevoer-uitvoer te verskaf, waarvan 'n kenmerk die vermoë is om sy opdragte te kies. Vir so 'n skema om korrek te werk, moet medeverwerkers die bron van instruksiekeuse duidelik definieer,koördinerende interaksie tussen modules.
Die beginsel om 'n algemene struktuur van 'n mikroverwerker met 'n sterk gekoppelde konfigurasie te bou, hou ook verband met die konsep van 'n medeverwerkertoestel. As ons in die vorige geval kan praat oor 'n onafhanklike I/O-blok met die moontlikheid van sy eie keuse van opdragte, dan behels 'n sterk gekoppelde konfigurasie die insluiting in die struktuur van 'n onafhanklike verwerker wat opdragstrome beheer.
Gevolgtrekking
Die beginsels van mikroverwerkerskepping het min veranderinge ondergaan sedert die koms van die eerste rekenaartoestelle. Die kenmerke, ontwerpe en vereistes vir hulpbronondersteuning het verander, wat die rekenaar radikaal verander het, maar die algemene konsep met die basiese reëls vir die organisering van funksionele blokke bly grotendeels dieselfde. Die toekoms van mikroverwerkerstruktuurontwikkeling kan egter deur nanotegnologie en die koms van kwantumrekenaarstelsels beïnvloed word. Vandag word sulke gebiede op teoretiese vlak oorweeg, maar groot korporasies werk aktief aan die vooruitsigte vir die praktiese gebruik van nuwe logika-stroombane gebaseer op innoverende tegnologieë. Byvoorbeeld, as 'n moontlike opsie vir die verdere ontwikkeling van MT, word die gebruik van molekulêre en subatomiese deeltjies nie uitgesluit nie, en tradisionele elektriese stroombane kan plek maak vir stelsels van gerigte elektronrotasie. Dit sal dit moontlik maak om mikroskopiese verwerkers te skep met 'n fundamenteel nuwe argitektuur, waarvan die werkverrigting baie keer vandag s'n sal oorskry. MP.
