Bəşəriyyət kompüterlərin yaradılması istiqamətində uzun bir yol keçmişdir ki, bunsuz sənaye, xalq təsərrüfatı və məişət texnikası sahələrində həyatının bütün sahələri ilə müasir cəmiyyəti təsəvvür etmək mümkün deyil. Lakin bu gün də tərəqqi hələ də dayanmır, kompüterləşmənin yeni formalarını açır. Artıq bir neçə onilliklərdir ki, texnoloji inkişafın mərkəzində funksional və dizayn parametrlərində təkmilləşdirilən mikroprosessorun (MP) strukturu dayanır.
Mikroprosessor konsepsiyası
Ümumi mənada mikroprosessor anlayışı proqramla idarə olunan cihaz və ya böyük inteqral sxemə (LSI) əsaslanan sistem kimi təqdim olunur. MP-nin köməyi ilə verilənlərin emalı əməliyyatları və ya informasiyanı emal edən sistemlərin idarə edilməsi həyata keçirilir. İlk mərhələlərdəMP-nin inkişafı ayrı-ayrı aşağı funksional mikrosxemlərə əsaslanırdı, burada tranzistorlar bir neçə yüzdən yüzlərlə qədərdir. Ən sadə tipik mikroprosessor quruluşu ümumi elektrik, struktur və elektrik parametrləri olan bir qrup mikrosxemdən ibarət ola bilər. Belə sistemlərə mikroprosessor dəsti deyilir. MP ilə yanaşı, bir sistem həm də daimi və təsadüfi giriş yaddaş qurğularından, həmçinin xarici avadanlığı birləşdirmək üçün nəzarətçilərdən və interfeyslərdən ibarət ola bilər - yenə də uyğun rabitə vasitəsilə. Mikrokontrollerlər konsepsiyasının inkişafı nəticəsində mikroprosessor dəsti daha mürəkkəb xidmət cihazları, registrlər, avtobus sürücüləri, taymerlər və s. ilə tamamlandı.
Bu gün mikroprosessor praktik tətbiqlər kontekstində ayrı bir cihaz kimi getdikcə daha az nəzərə alınır. Mikroprosessorun funksional quruluşu və işləmə prinsipi, artıq dizayn mərhələlərində məlumatın emalı və idarə edilməsi ilə bağlı bir sıra vəzifələri yerinə yetirmək üçün nəzərdə tutulmuş hesablama cihazının bir hissəsi kimi istifadə etməklə idarə olunur. Mikroprosessor qurğusunun işinin təşkili proseslərində əsas həlqə sistemin hesablama nüvəsi ilə xarici avadanlıq arasında idarəetmə konfiqurasiyasını və qarşılıqlı əlaqə rejimlərini təmin edən nəzarətçidir. İnteqrasiya edilmiş prosessoru nəzarətçi ilə mikroprosessor arasında ara əlaqə kimi qəbul etmək olar. Onun funksionallığı əsas MT-nin məqsədi ilə birbaşa əlaqəli olmayan köməkçi vəzifələrin həllinə yönəldilmişdir. Xüsusilə, bunlar mikroprosessor cihazının işini təmin edən şəbəkə və rabitə funksiyaları ola bilər.
Mikroprosessorların təsnifatı
Ən sadə konfiqurasiyalarda belə, millət vəkilləri təsnifat xüsusiyyətlərini təyin etmək üçün istifadə edilə bilən bir çox texniki və əməliyyat parametrlərinə malikdir. Təsnifatın əsas səviyyələrini əsaslandırmaq üçün adətən üç funksional sistem fərqləndirilir - əməliyyat, interfeys və idarəetmə. Bu işçi hissələrin hər biri həmçinin cihazın işinin xarakterini müəyyən edən bir sıra parametrlər və fərqləndirici xüsusiyyətlər təqdim edir.
Mikroprosessorların tipik strukturu nöqteyi-nəzərindən təsnifat ilk növbədə cihazları çox çipli və tək çipli modellərə ayıracaq. Birincilər, onların işçi bölmələrinin oflayn rejimdə işləməsi və əvvəlcədən müəyyən edilmiş əmrləri yerinə yetirə bilməsi ilə xarakterizə olunur. Və bu nümunədə, vurğunun əməliyyat funksiyasına yönəldiyi deputatlar tələffüz ediləcək. Belə prosessorlar məlumatların emalına yönəldilmişdir. Eyni qrupda, məsələn, üç çipli mikroprosessorlar idarəetmə və interfeys ola bilər. Bu o demək deyil ki, onların əməliyyat funksiyası yoxdur, lakin optimallaşdırma məqsədləri üçün rabitə və enerji resurslarının çoxu mikro göstərişlər və ya periferik sistemlərlə qarşılıqlı əlaqə yaratmaq vəzifələrinə ayrılıb.
Tək çipli deputatlara gəldikdə, onlar sabit təlimatlar dəsti və bütün aparatların yığcam yerləşdirilməsi ilə hazırlanmışdır.bir nüvədə. Funksionallıq baxımından bir çipli mikroprosessorun strukturu kifayət qədər məhduddur, baxmayaraq ki, o, çox çipli analoqların seqment konfiqurasiyalarından daha etibarlıdır.
Digər mühüm təsnifat mikroprosessorların interfeys dizaynına aiddir. Söhbət bu gün rəqəmsal və analoqa bölünməyə davam edən giriş siqnallarını emal etmək yollarından gedir. Prosessorların özləri rəqəmsal qurğular olsa da, bəzi hallarda analoq axınların istifadəsi qiymət və etibarlılıq baxımından özünü doğruldur. Konversiya üçün isə, enerji yükünə və işçi platformanın struktur dolğunluğuna kömək edən xüsusi çeviricilərdən istifadə edilməlidir. Analoq MP-lər (adətən tək çipli) standart analoq sistemlərin tapşırıqlarını yerinə yetirir - məsələn, onlar modulyasiya yaradır, rəqslər yaradır, siqnalı kodlayır və deşifrə edir.
Mp-nin fəaliyyətinin müvəqqəti təşkili prinsipinə görə onlar sinxron və asinxron bölünürlər. Fərq yeni əməliyyata başlamaq üçün siqnalın xarakterindədir. Məsələn, sinxron qurğuda belə əmrlər cari əməliyyatların yerinə yetirilməsindən asılı olmayaraq idarəetmə modulları tərəfindən verilir. Asinxron millət vəkilləri vəziyyətində, əvvəlki əməliyyat başa çatdıqdan sonra oxşar siqnal avtomatik olaraq verilə bilər. Bunun üçün asinxron tipli mikroprosessorun məntiqi strukturunda zəruri hallarda ayrı-ayrı komponentlərin oflayn rejimdə işləməsini təmin edən elektron sxem nəzərdə tutulub. Millət vəkilinin işinin təşkilinin bu üsulunun həyata keçirilməsinin mürəkkəbliyi onunla bağlıdır kihəmişə bir əməliyyatın tamamlandığı anda növbəti əməliyyata başlamaq üçün kifayət qədər müəyyən resurslar var. Prosessor yaddaşı adətən sonrakı əməliyyatların seçimində prioritet keçid kimi istifadə olunur.
Ümumi və xüsusi məqsədlər üçün mikroprosessorlar
Ümumi təyinatlı MP-nin əsas əhatə dairəsi kütləvi istifadə üçün nəzərdə tutulmuş iş stansiyaları, fərdi kompüterlər, serverlər və elektron cihazlardır. Onların funksional infrastrukturu informasiyanın emalı ilə bağlı geniş spektrli tapşırıqların yerinə yetirilməsinə yönəldilmişdir. Bu cür cihazlar SPARC, Intel, Motorola, IBM və başqaları tərəfindən hazırlanır.
Xüsusiyyətləri və strukturu güclü kontrollerlərə əsaslanan ixtisaslaşdırılmış mikroprosessorlar rəqəmsal və analoq siqnalların işlənməsi və çevrilməsi üçün mürəkkəb prosedurları həyata keçirir. Bu minlərlə konfiqurasiya növü olan çox müxtəlif seqmentdir. Bu tip MP strukturunun xüsusiyyətlərinə mərkəzi prosessor üçün əsas kimi bir kristalın istifadə edilməsi daxildir ki, bu da öz növbəsində çoxlu sayda periferik qurğularla əlaqələndirilə bilər. Onların arasında giriş / çıxış vasitələri, taymerləri olan bloklar, interfeyslər, analoqdan rəqəmsal çeviricilər var. Pulse eni siqnalları yaratmaq üçün bloklar kimi xüsusi cihazları birləşdirmək də tətbiq olunur. Daxili yaddaşdan istifadə edildiyinə görə belə sistemlər əməliyyatı dəstəkləyən az sayda köməkçi komponentlərə malikdirmikro nəzarətçi.
Mikroprosessor spesifikasiyası
İş parametrləri cihazın tapşırıqlarının diapazonunu və prinsipcə müəyyən mikroprosessor strukturunda istifadə oluna bilən komponentlər dəstini müəyyən edir. MP-nin əsas xüsusiyyətləri aşağıdakı kimi təqdim edilə bilər:
- Saat tezliyi. Sistemin 1 saniyə ərzində yerinə yetirə biləcəyi elementar əməliyyatların sayını göstərir. və MHz ilə ifadə edilir. Strukturdakı fərqlərə baxmayaraq, müxtəlif millət vəkilləri əsasən oxşar vəzifələri yerinə yetirirlər, lakin hər bir halda bu, dövrlərin sayında əks olunan fərdi vaxt tələb edir. MP nə qədər güclü olsa, bir vaxt vahidi ərzində bir o qədər çox prosedur yerinə yetirə bilər.
- Eni. Cihazın eyni vaxtda icra edə biləcəyi bitlərin sayı. Avtobus enini, məlumat ötürmə sürətini, daxili registrləri və s. ayırın.
- Keş yaddaşının miqdarı. Bu, mikroprosessorun daxili strukturuna daxil olan və həmişə məhdudlaşdırıcı tezliklərdə işləyən yaddaşdır. Fiziki təsvirdə bu, əsas MP çipinə yerləşdirilən və mikroprosessor şin nüvəsinə qoşulmuş kristaldır.
- Konfiqurasiya. Bu zaman söhbət komandaların təşkilindən və ünvanlama üsullarından gedir. Praktikada konfiqurasiya növü dedikdə, eyni vaxtda bir neçə əmrin yerinə yetirilməsi proseslərinin birləşdirilməsinin mümkünlüyü, MP-nin iş rejimləri və prinsipləri, əsas mikroprosessor sistemində periferik cihazların mövcudluğu nəzərdə tutula bilər.
Mikroprosessor arxitekturası
Ümumilikdə, MP universaldırinformasiya prosessorudur, lakin onun fəaliyyətinin bəzi sahələrində onun strukturunun icrası üçün çox vaxt xüsusi konfiqurasiyalar tələb olunur. Mikroprosessorların arxitekturası sistemə inteqrasiya olunmuş aparat və proqram təminatının xüsusiyyətlərinə səbəb olan müəyyən bir modelin tətbiqinin xüsusiyyətlərini əks etdirir. Konkret olaraq, təmin edilmiş aktuatorlar, proqram registrləri, ünvanlama metodları və təlimat dəstləri haqqında danışa bilərik.
MP-nin işinin arxitekturasının və xüsusiyyətlərinin təsvirində onlar tez-tez cihaz diaqramlarından və idarəetmə məlumatlarını və operandları (emal edilmiş verilənlər) ehtiva edən mövcud proqram registrlərinin qarşılıqlı əlaqəsindən istifadə edirlər. Buna görə də registr modelində xidmət registrləri qrupu, həmçinin ümumi təyinatlı operandların saxlanması üçün seqmentlər mövcuddur. Bu əsasda proqramların icra üsulu, yaddaşın təşkili sxemi, iş rejimi və mikroprosessorun xüsusiyyətləri müəyyən edilir. Ümumi təyinatlı MP strukturuna, məsələn, proqram sayğacı, həmçinin sistemin iş rejimlərinin vəziyyəti və nəzarəti üçün registrlər daxil ola bilər. Memarlıq konfiqurasiyası kontekstində cihazın iş axını registrlərin ötürülməsi, ünvanların verilməsi, operandların və təlimatların seçilməsi, nəticələrin ötürülməsi və s. modeli kimi təqdim oluna bilər. Təyinatdan asılı olmayaraq, müxtəlif göstərişlərin yerinə yetirilməsi statusa təsir edəcək. məzmunu prosessorun cari vəziyyətini əks etdirən qeydiyyatdan keçin.
Mikroprosessorların strukturu haqqında ümumi məlumat
Bu halda struktur dedikdə təkcə işçi sistemin komponentlərinin toplusu deyil, həm dəonlar arasında əlaqə vasitələri, habelə onların qarşılıqlı əlaqəsini təmin edən qurğular. Funksional təsnifatda olduğu kimi, strukturun məzmunu üç komponent vasitəsilə ifadə edilə bilər - əməliyyat məzmunu, avtobusla əlaqə vasitələri və idarəetmə infrastrukturu.
Əməliyyat hissəsinin cihazı əmrin dekodlanması və məlumatların işlənməsinin xarakterini müəyyən edir. Bu kompleksə arifmetik-məntiqi funksional bloklar, həmçinin mikroprosessorun vəziyyəti haqqında məlumat daxil olmaqla məlumatların müvəqqəti saxlanması üçün rezistorlar daxil ola bilər. Məntiq strukturu təkcə məntiqi və arifmetik prosedurları deyil, həm də yerdəyişmə əməliyyatlarını yerinə yetirən 16 bitlik rezistorların istifadəsini nəzərdə tutur. Registrlərin işi, digər şeylərlə yanaşı, onların proqramçı üçün əlçatanlığını müəyyən edən müxtəlif sxemlərə görə təşkil edilə bilər. Batareya paketi funksiyası üçün ayrıca registr ayrılmışdır.
Avtobus bağlayıcıları periferik avadanlığa qoşulmalara cavabdehdir. Onların vəzifələrinin sırasına yaddaşdan məlumatların alınması və əmrlər növbəsinin formalaşdırılması da daxildir. Tipik mikroprosessor strukturuna IP əmr göstəricisi, ünvan toplayıcıları, seqment registrləri və buferlər daxildir ki, onların vasitəsilə ünvan avtobusları ilə əlaqə saxlanılır.
İdarəetmə qurğusu öz növbəsində idarəetmə siqnallarını yaradır, əmrin şifrəsini açır, həmçinin daxili MP əməliyyatları üçün mikro-əmrlər verərək hesablama sisteminin işini təmin edir.
Əsas MP-nin strukturu
Bu mikroprosessorun sadələşdirilmiş strukturu iki funksional təmin edirhissələr:
- Əməliyyat otağı. Bu bölməyə idarəetmə və məlumatların emalı vasitələri, həmçinin mikroprosessor yaddaşı daxildir. Tam konfiqurasiyadan fərqli olaraq, əsas mikroprosessor strukturu seqment qeydlərini istisna edir. Bəzi icra cihazları bir funksional vahiddə birləşdirilib ki, bu da bu arxitekturanın optimallaşdırılmış xarakterini vurğulayır.
- İnterfeys. Əslində, əsas magistral ilə əlaqəni təmin edən bir vasitədir. Bu hissə daxili yaddaş registrlərindən və ünvan toplayıcıdan ibarətdir.
Siqnalların çoxaldılması prinsipi çox vaxt əsas deputatların xarici çıxış kanallarında istifadə olunur. Bu o deməkdir ki, siqnalizasiya ümumi vaxt paylaşma kanalları üzərindən baş verir. Bundan əlavə, sistemin cari iş rejimindən asılı olaraq, eyni çıxış müxtəlif məqsədlər üçün siqnalları ötürmək üçün istifadə edilə bilər.
Mikroprosessor təlimat strukturu
Bu struktur əsasən ümumi konfiqurasiyadan və MP funksional bloklarının qarşılıqlı əlaqəsinin xarakterindən asılıdır. Bununla belə, sistemin dizayn mərhələsində belə, tərtibatçılar sonradan əmrlər toplusunun formalaşdığı müəyyən bir sıra əməliyyatların tətbiqi üçün imkanlar yaradırlar. Ən ümumi əmr funksiyalarına aşağıdakılar daxildir:
- Data ötürülməsi. Komanda mənbə və təyinat operandlarının dəyərlərinin təyin edilməsi əməliyyatlarını yerinə yetirir. Registrlər və ya yaddaş hüceyrələri sonuncu kimi istifadə edilə bilər.
- Giriş-çıxış. vasitəsiləGiriş/çıxış interfeysi qurğuları verilənləri portlara ötürür. Mikroprosessorun strukturuna və onun periferik aparat və daxili bloklarla qarşılıqlı əlaqəsinə uyğun olaraq, əmrlər port ünvanlarını təyin edir.
- Növün çevrilməsi. İstifadə olunan operandların formatları və ölçü dəyərləri müəyyən edilir.
- Fasilələr. Bu tip təlimat proqram təminatının kəsilməsinə nəzarət etmək üçün nəzərdə tutulub - məsələn, giriş/çıxış cihazları işə başlayanda prosessor funksiyasının dayanması ola bilər.
- Dövrələrin təşkili. Təlimatlar müəyyən proqram kodunu icra edərkən sayğac kimi istifadə edilə bilən ECX registrinin dəyərini dəyişir.
Bir qayda olaraq, müəyyən həcmdə yaddaşla işləmək, registrləri və onların məzmununu eyni vaxtda idarə etmək imkanı ilə bağlı əsas əmrlərə məhdudiyyətlər qoyulur.
MP idarəetmə strukturu
MP idarəetmə sistemi bir neçə funksional hissə ilə əlaqəli idarəetmə blokuna əsaslanır:
- Siqnal sensoru. Pulsların ardıcıllığını və parametrlərini müəyyən edir, onları avtobuslar arasında vaxtında bərabər paylayır. Sensorların işinin xüsusiyyətləri arasında əməliyyatların yerinə yetirilməsi üçün tələb olunan dövrlərin və idarəetmə siqnallarının sayı daxildir.
- Siqnalların mənbəyi. Mikroprosessorun strukturunda idarəetmə blokunun funksiyalarından biri siqnalların yaradılması və ya emalı - yəni onların konkret avtobusda müəyyən dövr ərzində dəyişdirilməsi təyin olunur.
- Əməliyyat kodu dekoderi. Təlimat reyestrində mövcud olan əməliyyat kodlarının deşifrəsini həyata keçirirBu an. Aktiv avtobusun müəyyən edilməsi ilə birlikdə bu prosedur həm də idarəetmə impulslarının ardıcıllığını yaratmağa kömək edir.
Nəzarət infrastrukturunda heç də az əhəmiyyət kəsb etmir, emal əməliyyatlarını yerinə yetirmək üçün lazım olan siqnalları öz hüceyrələrində saxlayan daimi yaddaş qurğusudur. Pulse məlumatlarını emal edərkən əmrləri saymaq üçün bir ünvan yaratma vahidindən istifadə edilə bilər - bu, sistemin interfeys bölməsinə daxil olan və yaddaş registrlərinin təfərrüatlarını oxumağa imkan verən mikroprosessorun daxili strukturunun zəruri komponentidir. tam siqnallarla.
Mikroprosessor komponentləri
Funksional blokların əksəriyyəti, eləcə də xarici qurğular daxili avtobus vasitəsilə özləri ilə mərkəzi mikrosxem MP arasında təşkil edilir. Demək olar ki, bu, hərtərəfli rabitə əlaqəsini təmin edən cihazın magistral şəbəkəsidir. Başqa bir şey odur ki, avtobusda müxtəlif funksional təyinatlı elementlər də ola bilər - məsələn, məlumatların ötürülməsi üçün sxemlər, yaddaş hüceyrələrinin ötürülməsi üçün xətlər, həmçinin məlumatların yazılması və oxunması üçün infrastruktur. Avtobusun blokları arasında qarşılıqlı əlaqənin xarakteri mikroprosessorun quruluşu ilə müəyyən edilir. MP-ə daxil olan cihazlara avtobusa əlavə olaraq aşağıdakılar daxildir:
- Arifmetik məntiq vahidi. Artıq qeyd edildiyi kimi, bu komponent məntiqi və arifmetik əməliyyatları yerinə yetirmək üçün nəzərdə tutulmuşdur. O, həm rəqəm, həm də simvol datası ilə işləyir.
- Nəzarət cihazı. üçün cavabdehdirMT-nin müxtəlif hissələrinin qarşılıqlı əlaqəsində koordinasiya. Xüsusilə, bu blok nəzarət siqnalları yaradır və onları müəyyən vaxtda maşın cihazının müxtəlif modullarına yönəldir.
- Mikroprosessor yaddaşı. Məlumatı qeyd etmək, saxlamaq və buraxmaq üçün istifadə olunur. Data həm işləyən hesablama əməliyyatları, həm də maşına xidmət edən proseslərlə əlaqələndirilə bilər.
- Riyaziyyat prosessoru. O, mürəkkəb hesablama əməliyyatlarını yerinə yetirərkən sürəti artırmaq üçün köməkçi modul kimi istifadə olunur.
Soprosessor strukturunun xüsusiyyətləri
Tipik arifmetik və məntiqi əməliyyatların yerinə yetirilməsi çərçivəsində belə, şərti MP-nin kifayət qədər tutumu yoxdur. Məsələn, mikroprosessorun üzən nöqtəli arifmetik göstərişləri yerinə yetirmək qabiliyyəti yoxdur. Belə tapşırıqlar üçün strukturu mərkəzi prosessorun bir neçə millət vəkili ilə birləşməsini nəzərdə tutan koprosessorlardan istifadə olunur. Eyni zamanda, cihazın işinin məntiqinin arifmetik mikrosxemlərin qurulması üçün əsas qaydalardan heç bir əsaslı fərqi yoxdur.
Koprosessorlar tipik əmrləri yerinə yetirirlər, lakin mərkəzi modulla sıx əlaqədə olurlar. Bu konfiqurasiya çoxlu sətirlər üzrə komanda növbələrinin daimi monitorinqini nəzərdə tutur. Bu tip mikroprosessorun fiziki strukturunda giriş-çıxışı təmin etmək üçün müstəqil moduldan istifadə etməyə icazə verilir, onun xüsusiyyəti onun əmrlərini seçmək imkanıdır. Bununla belə, belə bir sxemin düzgün işləməsi üçün köməkçi prosessorlar təlimat seçiminin mənbəyini dəqiq müəyyən etməlidirlər.modullar arasında qarşılıqlı əlaqənin əlaqələndirilməsi.
Güclü birləşdirilmiş konfiqurasiyaya malik mikroprosessorun ümumiləşdirilmiş strukturunun qurulması prinsipi həm də köməkçi prosessor qurğusu konsepsiyası ilə bağlıdır. Əvvəlki halda, öz əmrlərini seçmək imkanı olan müstəqil giriş/çıxış blokundan danışa biləriksə, o zaman güclü birləşdirilmiş konfiqurasiya əmr axınlarına nəzarət edən müstəqil prosessorun strukturuna daxil edilməsini nəzərdə tutur.
Nəticə
Mikroprosessorların yaradılması prinsipləri ilk hesablama cihazlarının meydana çıxmasından sonra bir neçə dəyişikliyə məruz qalmışdır. Resurs dəstəyi üçün xüsusiyyətlər, dizaynlar və tələblər dəyişdi, bu da kompüteri kökündən dəyişdirdi, lakin əksər hallarda funksional blokların təşkili üçün əsas qaydaları olan ümumi konsepsiya eyni olaraq qalır. Bununla belə, mikroprosessor strukturunun inkişafının gələcəyinə nanotexnologiya və kvant hesablama sistemlərinin gəlişi təsir göstərə bilər. Bu gün belə sahələrə nəzəri səviyyədə baxılır, lakin iri korporasiyalar innovativ texnologiyalara əsaslanan yeni məntiq sxemlərinin praktiki istifadəsi perspektivləri üzərində fəal işləyirlər. Məsələn, MT-nin gələcək inkişafının mümkün variantı kimi molekulyar və atom altı hissəciklərin istifadəsi istisna edilmir və ənənəvi elektrik sxemləri öz yerini elektronların yönəldilmiş fırlanması sistemlərinə verə bilər. Bu, prinsipcə yeni arxitekturaya malik mikroskopik prosessorlar yaratmağa imkan verəcək, onların məhsuldarlığı indiki göstəricini dəfələrlə üstələyir. MP.
