Čovječanstvo je prešlo dug put prema stvaranju računala bez kojih je nemoguće zamisliti moderno društvo sa svim aspektima njegova života u područjima industrije, nacionalne ekonomije i kućanskih aparata. Ali ni danas napredak ne miruje, otvarajući nove oblike informatizacije. U središtu tehnološkog razvoja već nekoliko desetljeća je struktura mikroprocesora (MP), koja se poboljšava u svojim funkcionalnim i dizajnerskim parametrima.
Koncept mikroprocesora
U općem smislu, koncept mikroprocesora predstavlja se kao programski upravljani uređaj ili sustav baziran na velikom integriranom krugu (LSI). Uz pomoć MP-a izvode se operacije obrade podataka ili upravljanje sustavima 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 mogla bi sadržavati skupinu mikro krugova sa zajedničkim električnim, strukturnim i električnim parametrima. Takvi se sustavi nazivaju mikroprocesorski skup. Uz MP, jedan sustav mogao bi se sastojati i od trajnih i random pristupnih memorijskih uređaja, te kontrolera i sučelja za povezivanje vanjske opreme – opet, putem kompatibilnih komunikacija. Kao rezultat razvoja koncepta mikrokontrolera, mikroprocesorski komplet nadopunjen je složenijim servisnim uređajima, registrima, vozačima sabirnice, mjeračima vremena, itd.
Danas se mikroprocesor sve manje razmatra kao zaseban uređaj u kontekstu praktičnih primjena. Funkcionalna struktura i princip rada mikroprocesora već u fazama projektiranja vođeni su korištenjem kao dijela računalnog uređaja dizajniranog za obavljanje niza zadataka vezanih uz obradu i upravljanje informacijama. Ključna karika u procesima organiziranja rada mikroprocesorskog uređaja je kontroler koji održava upravljačku konfiguraciju i načine interakcije između računalne jezgre sustava i vanjske opreme. Integrirani procesor se može smatrati posrednom vezom između kontrolera i mikroprocesora. Njegova je funkcionalnost usmjerena na rješavanje pomoćnih zadataka koji nisu izravno 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 mnoge tehničke i operativne parametre koji se mogu koristiti za postavljanje klasifikacijskih značajki. Kako bi se opravdale glavne razine klasifikacije, obično se razlikuju tri funkcionalna sustava - operativni, sučelje i upravljački. Svaki od ovih radnih dijelova također pruža niz parametara i razlikovnih značajki koje određuju prirodu rada uređaja.
S gledišta tipične strukture mikroprocesora, klasifikacija će prvenstveno podijeliti uređaje na modele s više i jednog čipa. Prve karakterizira činjenica da njihove radne jedinice mogu funkcionirati izvan mreže i izvršavati unaprijed određene naredbe. I u ovom primjeru će biti izraženi zastupnici, u kojima je naglasak na operativnoj funkciji. Takvi procesori su usmjereni na obradu podataka. U istoj skupini, na primjer, mikroprocesori s tri čipa mogu biti upravljački i sučelni. To ne znači da nemaju operativnu funkciju, ali u svrhu optimizacije, većina komunikacijskih i energetskih resursa dodijeljena je zadacima generiranja mikroinstrukcija ili mogućnosti interakcije s perifernim sustavima.
Što se tiče MP-a s jednim čipom, oni su razvijeni s fiksnim skupom uputa i kompaktnim postavljanjem cjelokupnog hardverana jednoj jezgri. Što se tiče funkcionalnosti, struktura mikroprocesora s jednim čipom prilično je ograničena, iako je pouzdanija od segmentnih konfiguracija analoga s više čipova.
Još jedna važna klasifikacija odnosi se na dizajn sučelja 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 korištenje analognih tokova opravdava se cijenom i pouzdanošću. Za pretvorbu se, međutim, moraju koristiti posebni pretvarači koji doprinose energetskom opterećenju i strukturnoj punoći radne platforme. Analogni MP (obično s jednim čipom) obavljaju zadatke standardnih analognih sustava - na primjer, proizvode modulaciju, generiraju oscilacije, kodiraju i dekodiraju signal.
Prema principu privremene organizacije funkcioniranja MP dijele se na sinkrone i asinkrone. Razlika je u prirodi signala za početak nove operacije. Na primjer, u slučaju sinkronog uređaja, takve naredbe daju upravljački moduli, bez obzira na izvođenje tekućih operacija. U slučaju asinkronih MP-a, sličan signal se može dati automatski nakon završetka prethodne operacije. Da biste to učinili, u logičkoj strukturi mikroprocesora asinkronog tipa predviđen je elektronički sklop koji osigurava rad pojedinih komponenti u izvanmrežnom načinu rada, ako je potrebno. Složenost provedbe ovog načina organiziranja rada MP 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 opće namjene su radne stanice, osobna računala, poslužitelji i elektronički uređaji namijenjeni masovnoj upotrebi. Njihova funkcionalna infrastruktura usmjerena je na obavljanje širokog spektra zadataka vezanih uz obradu informacija. Takve uređaje razvijaju SPARC, Intel, Motorola, IBM i drugi.
Specijalizirani mikroprocesori čije se karakteristike i struktura temelje na moćnim kontrolerima provode složene postupke za obradu i pretvaranje digitalnih i analognih signala. Ovo je vrlo raznolik segment s tisućama tipova konfiguracija. Osobitosti MP strukture ovog tipa uključuju korištenje jednog kristala kao baze za središnji procesor, koji se zauzvrat može povezati s velikim brojem perifernih uređaja. Među njima su sredstva za ulaz/izlaz, blokovi s mjeračima vremena, sučelja, analogno-digitalni pretvarači. Također se prakticira povezivanje specijaliziranih uređaja poput blokova za generiranje signala širine impulsa. Zbog korištenja interne memorije, takvi sustavi imaju mali broj pomoćnih komponenti koje podržavaju radmikrokontroler.
Specifikacije mikroprocesora
Radni parametri definiraju raspon zadataka uređaja i skup komponenti koje se, u principu, mogu koristiti u određenoj mikroprocesorskoj strukturi. Glavne karakteristike MP-a mogu se predstaviti na sljedeći način:
- Frekvencija sata. Označava broj elementarnih operacija koje sustav može izvesti u 1 sekundi. a izražava se u MHz. Unatoč razlikama u strukturi, različiti MP uglavnom obavljaju slične poslove, ali u svakom slučaju to zahtijeva individualno vrijeme, što se očituje u broju ciklusa. Što je MP moćniji, to više postupaka može izvesti unutar jedne vremenske jedinice.
- Širina. Broj bitova koje uređaj može izvršiti u isto vrijeme. Dodijelite širinu sabirnice, brzinu prijenosa podataka, interne registre, itd.
- Količina cache memorije. Ovo je memorija uključena u unutarnju strukturu mikroprocesora i uvijek radi na ograničenim frekvencijama. U fizičkom prikazu, ovo je kristal postavljen na glavni MP čip i spojen na jezgru sabirnice mikroprocesora.
- Konfiguracija. U ovom slučaju govorimo o organizaciji naredbi i metodama adresiranja. U praksi vrsta konfiguracije može značiti mogućnost kombiniranja procesa izvršavanja više naredbi u isto vrijeme, načina i principa rada MP-a te prisutnost perifernih uređaja u osnovnom mikroprocesorskom sustavu.
Mikroprocesorska arhitektura
Uglavnom, MP je univerzalaninformacijski procesor, ali u nekim područjima njegovog djelovanja često su potrebne posebne konfiguracije za izvođenje njegove strukture. Arhitektura mikroprocesora odražava specifičnosti primjene određenog modela, uzrokujući značajke hardvera i softvera integriranog u sustav. Konkretno, možemo govoriti o isporučenim aktuatorima, programskim registrima, metodama adresiranja i skupovima instrukcija.
U prikazu arhitekture i značajki funkcioniranja MP-a često koriste dijagrame uređaja i interakciju dostupnih softverskih registara koji sadrže kontrolne informacije i operande (obrađene podatke). Stoga u modelu registra postoji grupa uslužnih registara, kao i segmenti za pohranjivanje operanada opće namjene. Na temelju toga utvrđuje se način izvođenja programa, shema organizacije memorije, način rada i karakteristike mikroprocesora. Struktura MP opće namjene, na primjer, može uključivati programski brojač, kao i registre za status i kontrolu načina rada sustava. Tijek rada uređaja u kontekstu arhitektonske konfiguracije može se predstaviti kao model prijenosa registra, pružanja adresiranja, odabira operanda i instrukcija, prijenosa rezultata itd. Izvršenje različitih instrukcija, bez obzira na dodjelu, utječe na status registar, čiji sadržaj odražava trenutno stanje procesora.
Opći podaci o strukturi mikroprocesora
U ovom slučaju strukturu treba shvatiti ne samo kao skup komponenti radnog sustava, već isredstva za povezivanje među njima, kao i uređaji koji osiguravaju njihovu interakciju. Kao iu funkcionalnoj klasifikaciji, sadržaj strukture može se izraziti kroz tri komponente - operativni sadržaj, sredstva komunikacije s sabirnicom 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 pohranjivanje informacija, uključujući informacije o stanju mikroprocesora. Logička struktura omogućuje korištenje 16-bitnih otpornika koji izvode ne samo logičke i aritmetičke postupke, već i operacije pomaka. Rad registara može se organizirati prema različitim shemama koje, između ostalog, određuju njihovu dostupnost programeru. Za funkciju baterije rezerviran je poseban registar.
Bus spojnice odgovorne su za povezivanje s perifernom opremom. Raspon njihovih zadataka također uključuje dohvaćanje podataka iz memorije i formiranje reda naredbi. Tipična struktura mikroprocesora uključuje IP naredbeni pokazivač, zbrajače adresa, segmentne registre i međuspremnike, preko kojih se servisiraju veze s adresnim sabirnicama.
Upravljački uređaj, zauzvrat, generira kontrolne signale, dešifrira naredbu, a također osigurava rad računalnog sustava, izdajući mikro-naredbe za interne MP operacije.
Struktura osnovnog MP
Pojednostavljena struktura ovog mikroprocesora pruža dvije funkcijedijelovi:
- Operacijska soba. Ova jedinica uključuje uređaje za upravljanje i obradu podataka, kao i mikroprocesorsku memoriju. Za razliku od pune konfiguracije, osnovna struktura mikroprocesora isključuje segmentne registre. Neki izvedbeni uređaji kombinirani su u jednu funkcionalnu cjelinu, što također naglašava optimiziranu prirodu ove arhitekture.
- Sučelje. U biti, sredstvo za pružanje komunikacije s glavnom autocestom. Ovaj dio sadrži registre interne memorije i zbrajač adresa.
Načelo multipleksiranja signala često se koristi na vanjskim izlaznim kanalima osnovnih MP. To znači da se signalizacija odvija preko uobičajenih kanala za dijeljenje vremena. Osim toga, ovisno o trenutnom načinu rada sustava, isti se izlaz može koristiti za prijenos signala u različite svrhe.
struktura mikroprocesorskih instrukcija
Ova struktura uvelike ovisi o općoj konfiguraciji i prirodi interakcije MP funkcionalnih blokova. Međutim, već u fazi projektiranja sustava programeri postavljaju mogućnosti za primjenu određenog niza operacija na temelju kojih se naknadno formira skup naredbi. Najčešće naredbene funkcije uključuju:
- Prijenos podataka. Naredba izvodi operacije dodjele vrijednosti izvornog i odredišnog operanda. Registri ili memorijske ćelije mogu se koristiti kao potonje.
- Ulaz-izlaz. KrozI/O uređaji sučelja prenose podatke na portove. U skladu sa strukturom mikroprocesora i njegovom interakcijom s perifernim hardverom i unutarnjim jedinicama, naredbe postavljaju adrese portova.
- Pretvorba vrsta. Formati i vrijednosti veličine korištenih operanada su određeni.
- Prekidi. Ova vrsta instrukcije 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.
U pravilu se nameću ograničenja na osnovne naredbe vezane uz mogućnost rada s određenim količinama memorije, istovremenog upravljanja registrima i njihovim sadržajem.
upravljačka struktura MP
MP upravljački sustav temelji se na upravljačkoj jedinici koja je povezana s nekoliko funkcionalnih dijelova:
- Senzor signala. Određuje slijed i parametre impulsa, ravnomjerno ih raspoređuje u vremenu po sabirnicama. Među karakteristikama rada senzora je broj ciklusa i kontrolnih signala potrebnih za izvođenje operacija.
- Izvor signala. Jedna od funkcija upravljačke jedinice u strukturi mikroprocesora dodijeljena je generiranju ili obradi signala – odnosno njihovom prebacivanju unutar određenog ciklusa na određenoj sabirnici.
- Dekoder koda operacije. Izvodi dešifriranje kodova operacija prisutnih u registru instrukcija naovaj trenutak. Zajedno s određivanjem aktivne sabirnice, ovaj postupak također pomaže u generiranju niza kontrolnih impulsa.
U kontrolnoj infrastrukturi nije male važnosti trajni uređaj za pohranu 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 unutarnje strukture mikroprocesora, koja je uključena u jedinicu sučelja sustava i omogućuje vam čitanje detalja memorijskih registara sa signalima u cijelosti.
Komponente mikroprocesora
Većina funkcionalnih blokova, kao i vanjskih uređaja, organizirani su između sebe i središnjeg mikrokola MP kroz internu sabirnicu. Može se reći da je ovo okosnica mreže uređaja, koja pruža sveobuhvatnu komunikacijsku vezu. Druga stvar je što sabirnica može sadržavati i elemente različite funkcionalne namjene - na primjer, sklopove za prijenos podataka, linije za prijenos memorijskih ćelija, kao i infrastrukturu za pisanje i čitanje informacija. Priroda interakcije između blokova same sabirnice određena je strukturom mikroprocesora. Uređaji uključeni u MP, osim sabirnice, uključuju sljedeće:
- Aritmetičko-logička jedinica. Kao što je već spomenuto, ova komponenta je dizajnirana za izvođenje logičkih i aritmetičkih operacija. Radi s brojčanim i znakovnim podacima.
- Kontrolni uređaj. Odgovoran zakoordinacija u interakciji različitih dijelova MT-a. Konkretno, ovaj blok generira kontrolne signale, usmjeravajući ih na različite module strojnog uređaja u određenim vremenskim trenucima.
- Memorija mikroprocesora. Koristi se za snimanje, pohranjivanje i izdavanje informacija. Podaci se mogu povezati s radnim računskim operacijama i procesima koji opslužuju stroj.
- Matematički procesor. Koristi se kao pomoćni modul za povećanje brzine pri izvođenju složenih računskih operacija.
Značajke strukture koprocesora
Čak i 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 se zadatke koriste koprocesori čija struktura predviđa kombinaciju središnjeg procesora s nekoliko MP-a. Istodobno, sama logika rada uređaja nema temeljne razlike od osnovnih pravila za konstruiranje aritmetičkih mikro krugova.
Koprocesori izvršavaju tipične naredbe, ali u bliskoj interakciji sa središnjim modulom. Ova konfiguracija pretpostavlja stalno praćenje redova naredbi u više redaka. U fizičkoj strukturi mikroprocesora ove vrste dopušteno je korištenje neovisnog modula za pružanje ulazno-izlaznih podataka, čija je značajka mogućnost odabira njegovih naredbi. Međutim, da bi takva shema ispravno radila, koprocesori moraju jasno definirati izvor odabira instrukcija,koordinacija interakcije između modula.
Načelo izgradnje generalizirane strukture mikroprocesora sa jako spregnutom konfiguracijom također je povezano s konceptom koprocesorskog uređaja. Ako u prethodnom slučaju možemo govoriti o neovisnom I/O bloku s mogućnošću vlastitog odabira naredbi, tada snažno povezana konfiguracija uključuje uključivanje u strukturu neovisnog procesora koji kontrolira tokove naredbi.
Zaključak
Načela stvaranja mikroprocesora doživjela su nekoliko promjena od pojave prvih računalnih uređaja. Promijenile su se karakteristike, dizajn i zahtjevi za podršku resursima, što je radikalno promijenilo računalo, ali opći koncept s osnovnim pravilima organiziranja funkcionalnih blokova uglavnom ostaje isti. Međutim, na budućnost razvoja mikroprocesorskih struktura može utjecati nanotehnologija i pojava kvantnih računalnih sustava. Danas se takva područja razmatraju na teorijskoj razini, ali velike korporacije aktivno rade na izgledima za praktičnu upotrebu novih logičkih sklopova temeljenih na inovativnim tehnologijama. Primjerice, kao moguća opcija za daljnji razvoj MT-a nije isključena uporaba molekularnih i subatomskih čestica, a tradicionalni električni sklopovi mogu ustupiti mjesto sustavima usmjerene rotacije elektrona. To će omogućiti stvaranje mikroskopskih procesora s temeljno novom arhitekturom, čija će izvedba višestruko premašiti današnje. MP.
