La humanitat ha recorregut un llarg camí cap a la creació d'ordinadors, sense els quals és impossible imaginar la societat moderna amb tots els aspectes de la seva vida en els camps de la indústria, l'economia nacional i els electrodomèstics. Però encara avui el progrés no s'atura, obrint noves formes d'informatització. Al centre del desenvolupament tecnològic des de fa diverses dècades hi ha l'estructura del microprocessador (MP), que s'està millorant en els seus paràmetres funcionals i de disseny.
Concepte de microprocessador
En un sentit general, el concepte de microprocessador es presenta com un dispositiu o sistema controlat per programa basat en un circuit integrat gran (LSI). Amb l'ajuda de MP, es realitzen operacions de tractament de dades o gestió de sistemes que processen informació. A les primeres etapesEl desenvolupament del MP es va basar en microcircuits separats de baixa funcionalitat, en els quals els transistors estaven presents en quantitats d'uns pocs a centenars. L'estructura típica de microprocessador més senzilla podria contenir un grup de microcircuits amb paràmetres elèctrics, estructurals i elèctrics comuns. Aquests sistemes s'anomenen conjunt de microprocessadors. Juntament amb el MP, un sistema també podria consistir en dispositius de memòria d'accés permanent i aleatori, així com controladors i interfícies per connectar equips externs, de nou, mitjançant comunicacions compatibles. Com a resultat del desenvolupament del concepte de microcontroladors, el kit de microprocessador es va complementar amb dispositius de servei més complexos, registres, controladors d'autobús, temporitzadors, etc.
Avui, el microprocessador es considera cada cop menys com un dispositiu independent en el context d'aplicacions pràctiques. L'estructura funcional i el principi de funcionament del microprocessador ja en les etapes de disseny es guien per l'ús com a part d'un dispositiu informàtic dissenyat per realitzar una sèrie de tasques relacionades amb el processament i la gestió de la informació. L'enllaç clau en els processos d'organització del funcionament d'un dispositiu microprocessador és el controlador, que manté la configuració del control i els modes d'interacció entre el nucli informàtic del sistema i l'equip extern. Un processador integrat es pot considerar com un enllaç intermedi entre el controlador i el microprocessador. La seva funcionalitat està enfocada a resoldre tasques auxiliars que no estan directament relacionades amb la finalitat del MT principal. En particular, poden ser funcions de xarxa i de comunicació que garanteixin el funcionament del dispositiu microprocessador.
Classificacions de microprocessadors
Fins i tot en les configuracions més senzilles, els MP tenen molts paràmetres tècnics i operatius que es poden utilitzar per establir funcions de classificació. Per justificar els nivells principals de classificació, se solen distingir tres sistemes funcionals: operatiu, interfície i control. Cadascuna d'aquestes parts de treball també proporciona una sèrie de paràmetres i característiques distintives que determinen la naturalesa del funcionament del dispositiu.
Des del punt de vista de l'estructura típica dels microprocessadors, la classificació dividirà principalment els dispositius en models multixip i models d'un sol xip. Els primers es caracteritzen pel fet que les seves unitats de treball poden funcionar fora de línia i executar ordres predeterminades. I en aquest exemple, es pronunciaran els diputats, en què l'èmfasi està en la funció operativa. Aquests processadors se centren en el processament de dades. En el mateix grup, per exemple, els microprocessadors de tres xips poden ser de control i interfície. Això no vol dir que no tinguin una funció operativa, però amb finalitats d'optimització, la majoria dels recursos de comunicació i energia es destinen a les tasques de generació de microinstruccions o a la capacitat d'interactuar amb sistemes perifèrics.
Pel que fa als MP d'un sol xip, es desenvolupen amb un conjunt fix d'instruccions i una col·locació compacta de tot el maquinarisobre un nucli. Pel que fa a la funcionalitat, l'estructura d'un microprocessador d'un sol xip és força limitada, tot i que és més fiable que les configuracions de segment d'anàlegs multixip.
Una altra classificació important fa referència al disseny de la interfície dels microprocessadors. Estem parlant de maneres de processar els senyals d'entrada, que avui dia es continuen dividint en digitals i analògics. Tot i que els propis processadors són dispositius digitals, en alguns casos l'ús de fluxos analògics es justifica pel que fa al preu i la fiabilitat. Per a la conversió, però, s'han d'utilitzar convertidors especials, que contribueixen a la càrrega energètica i la plenitud estructural de la plataforma de treball. Els MP analògics (normalment d'un sol xip) realitzen les tasques dels sistemes analògics estàndard; per exemple, produeixen modulació, generen oscil·lacions, codifiquen i descodifiquen un senyal.
Segons el principi d'organització temporal del funcionament del MP, es divideixen en sincrònics i asíncrons. La diferència rau en la naturalesa del senyal per iniciar una nova operació. Per exemple, en el cas d'un dispositiu síncron, aquestes ordres les donen mòduls de control, independentment de l'execució de les operacions actuals. En el cas dels MP asíncrons, un senyal similar es pot donar automàticament un cop finalitzada l'operació anterior. Per fer-ho, es proporciona un circuit electrònic a l'estructura lògica del microprocessador de tipus asíncron, que garanteix el funcionament dels components individuals en mode fora de línia, si és necessari. La complexitat d'implementar aquest mètode d'organització del treball del MP es deu al fet quesempre en el moment de finalitzar una operació hi ha prou recursos determinats per iniciar la següent. La memòria del processador s'utilitza normalment com a enllaç de priorització en l'elecció de les operacions posteriors.
Microprocessadors per a finalitats generals i especials
L'abast principal de MP d'ús general són les estacions de treball, els ordinadors personals, els servidors i els dispositius electrònics destinats a un ús massiu. La seva infraestructura funcional està enfocada a realitzar un ampli ventall de tasques relacionades amb el tractament de la informació. Aquests dispositius estan sent desenvolupats per SPARC, Intel, Motorola, IBM i altres.
Els microprocessadors especialitzats, les característiques i l'estructura dels quals es basen en potents controladors, implementen procediments complexos per processar i convertir senyals digitals i analògiques. Aquest és un segment molt divers amb milers de tipus de configuració. Les peculiaritats de l'estructura MP d'aquest tipus inclouen l'ús d'un cristall com a base per al processador central, que, al seu torn, es pot connectar amb un gran nombre de dispositius perifèrics. Entre ells hi ha els mitjans d'entrada/sortida, blocs amb temporitzadors, interfícies, convertidors analògic-digital. També es practica per connectar dispositius especialitzats com blocs per generar senyals d'amplada de pols. A causa de l'ús de la memòria interna, aquests sistemes tenen un petit nombre de components auxiliars que admeten el funcionamentmicrocontrolador.
Especificacions del microprocessador
Els paràmetres de funcionament defineixen el ventall de tasques del dispositiu i el conjunt de components que, en principi, es poden utilitzar en una estructura de microprocessador determinada. Les característiques principals de MP es poden representar de la següent manera:
- Freqüència de rellotge. Indica el nombre d'operacions elementals que el sistema pot realitzar en 1 segon. i s'expressa en MHz. Malgrat les diferències d'estructura, els diferents diputats realitzen majoritàriament tasques semblants, però en cada cas requereix temps individual, que es reflecteix en el nombre de cicles. Com més potent sigui el MP, més procediments pot realitzar en una unitat de temps.
- Amplada. El nombre de bits que el dispositiu pot executar al mateix temps. Assigna l'amplada del bus, la velocitat de transferència de dades, els registres interns, etc.
- La quantitat de memòria cau. Es tracta de la memòria inclosa a l'estructura interna del microprocessador i que sempre funciona a freqüències limitadores. En la representació física, aquest és un cristall col·locat al xip MP principal i acoblat al nucli del bus del microprocessador.
- Configuració. En aquest cas, estem parlant de l'organització de les ordres i dels mètodes d'adreçament. A la pràctica, el tipus de configuració pot suposar la possibilitat de combinar els processos d'execució de diverses ordres al mateix temps, els modes i principis de funcionament MP, i la presència de dispositius perifèrics en el sistema bàsic de microprocessador.
Arquitectura de microprocessador
En general, MP és universalprocessador d'informació, però en algunes àrees del seu funcionament, sovint es requereixen configuracions especials per a l'execució de la seva estructura. L'arquitectura dels microprocessadors reflecteix les especificitats de l'aplicació d'un model determinat, provocant les característiques del maquinari i el programari integrats al sistema. En concret, podem parlar dels actuadors proporcionats, registres de programes, mètodes d'adreçament i conjunts d'instruccions.
En la representació de l'arquitectura i les característiques del funcionament del MP, sovint utilitzen diagrames de dispositius i la interacció dels registres de programari disponibles que contenen informació de control i operands (dades processades). Per tant, en el model de registre hi ha un grup de registres de servei, així com segments per emmagatzemar operands de propòsit general. Sobre aquesta base, es determina el mètode d'execució de programes, l'esquema d'organització de la memòria, el mode de funcionament i les característiques del microprocessador. L'estructura MP de propòsit general, per exemple, pot incloure un comptador de programa, així com registres per a l'estat i el control dels modes de funcionament del sistema. El flux de treball d'un dispositiu en el context d'una configuració arquitectònica es pot representar com un model de transferències de registre, proporcionant adreçament, selecció d'operands i instruccions, transferència de resultats, etc. L'execució de diferents instruccions, independentment de l'assignació, afectarà l'estat. registre, el contingut del qual reflecteix l'estat actual del processador.
Informació general sobre l'estructura dels microprocessadors
En aquest cas, l'estructura s'ha d'entendre no només com un conjunt de components del sistema de treball, sinó tambémitjans de connexió entre ells, així com dispositius que garanteixin la seva interacció. Com en la classificació funcional, el contingut de l'estructura es pot expressar a través de tres components: contingut operatiu, mitjans de comunicació amb el bus i infraestructura de control.
El dispositiu de la part operativa determina la naturalesa de la descodificació d'ordres i el processament de dades. Aquest complex pot incloure blocs funcionals aritmètic-lògics, així com resistències per a l'emmagatzematge temporal d'informació, inclosa informació sobre l'estat del microprocessador. L'estructura lògica preveu l'ús de resistències de 16 bits que realitzen no només procediments lògics i aritmètics, sinó també operacions de canvi. El treball dels registres es pot organitzar segons diferents esquemes, que determinen, entre altres coses, la seva accessibilitat al programador. Es reserva un registre independent per a la funció de la bateria.
Els acobladors de bus són els responsables de les connexions als equips perifèrics. La gamma de les seves tasques també inclou l'obtenció de dades de la memòria i la formació d'una cua d'ordres. L'estructura típica del microprocessador inclou un punter d'ordres IP, sumadors d'adreces, registres de segments i memòries intermèdies, a través dels quals es donen servei als enllaços amb busos d'adreces.
El dispositiu de control, al seu torn, genera senyals de control, desxifra l'ordre i també assegura el funcionament del sistema informàtic, emetent microordres per a operacions MP internes.
Estructura del MP bàsic
L'estructura simplificada d'aquest microprocessador ofereix dos funcionalsparts:
- Quiròfan. Aquesta unitat inclou instal·lacions de control i processament de dades, així com memòria de microprocessador. A diferència de la configuració completa, l'estructura bàsica del microprocessador exclou els registres de segment. Alguns dispositius d'execució es combinen en una unitat funcional, cosa que també posa l'accent en la naturalesa optimitzada d'aquesta arquitectura.
- Interfície. En essència, un mitjà de comunicació amb la carretera principal. Aquesta part conté els registres de memòria interna i el sumador d'adreces.
El principi de multiplexació del senyal s'utilitza sovint als canals de sortida externs dels MP bàsics. Això vol dir que la senyalització es fa a través de canals comuns de temps compartit. A més, depenent del mode de funcionament actual del sistema, la mateixa sortida es pot utilitzar per transmetre senyals amb diferents finalitats.
Estructura d'instruccions del microprocessador
Aquesta estructura depèn en gran mesura de la configuració general i de la naturalesa de la interacció dels blocs funcionals MP. Tanmateix, fins i tot en l'etapa de disseny del sistema, els desenvolupadors estableixen les possibilitats d'aplicar una determinada sèrie d'operacions a partir de les quals es forma posteriorment un conjunt d'ordres. Les funcions de comandament més habituals inclouen:
- Transferència de dades. L'ordre realitza les operacions d'assignació dels valors dels operands d'origen i de destinació. Els registres o les cel·les de memòria es poden utilitzar com a últimes.
- Entrada-sortida. A través deEls dispositius d'interfície d'E/S transfereixen dades als ports. D'acord amb l'estructura del microprocessador i la seva interacció amb el maquinari perifèric i les unitats internes, les ordres estableixen les adreces dels ports.
- Tipus conversió. Es determinen els formats i els valors de mida dels operands utilitzats.
- Interrupcions. Aquest tipus d'instruccions està dissenyada per controlar les interrupcions del programari; per exemple, pot ser una aturada de la funció del processador mentre els dispositius d'E/S comencen a funcionar.
- Organització de cicles. Les instruccions canvien el valor del registre ECX, que es pot utilitzar com a comptador quan s'executa cert codi de programa.
Per regla general, s'imposen restriccions a les ordres bàsiques relacionades amb la capacitat d'operar amb determinades quantitats de memòria, gestionar simultàniament registres i el seu contingut.
Estructura de gestió de MP
El sistema de control MP es basa en la unitat de control, que està associada a diverses parts funcionals:
- Sensor de senyal. Determina la seqüència i els paràmetres dels polsos, distribuint-los de manera uniforme en el temps pels busos. Entre les característiques del funcionament dels sensors hi ha el nombre de cicles i senyals de control necessaris per realitzar operacions.
- Font dels senyals. Una de les funcions de la unitat de control a l'estructura del microprocessador està assignada a la generació o processament de senyals, és a dir, la seva commutació dins d'un cicle específic en un bus específic.
- Decodificador de codi d'operació. Desxifra els codis d'operació presents al registre d'instruccionsaquest moment. Juntament amb la determinació del bus actiu, aquest procediment també ajuda a generar una seqüència de polsos de control.
De no poca importància en la infraestructura de control és un dispositiu d'emmagatzematge permanent que conté a les seves cel·les els senyals necessaris per dur a terme les operacions de processament. Per comptar les ordres en processar dades de pols, es pot utilitzar una unitat de generació d'adreces: aquest és un component necessari de l'estructura interna del microprocessador, que s'inclou a la unitat d'interfície del sistema i us permet llegir els detalls dels registres de memòria. amb senyals al complet.
Components del microprocessador
La majoria dels blocs funcionals, així com els dispositius externs, s'organitzen entre ells i el microcircuit central MP a través del bus intern. Es pot dir que aquesta és la xarxa troncal del dispositiu, que proporciona un enllaç de comunicació integral. Una altra cosa és que el bus també pot contenir elements de diferents finalitats funcionals, per exemple, circuits per a la transferència de dades, línies per transferir cèl·lules de memòria, així com una infraestructura per escriure i llegir informació. La naturalesa de la interacció entre els blocs del mateix bus està determinada per l'estructura del microprocessador. Els dispositius inclosos al MP, a més del bus, inclouen els següents:
- Unitat lògica aritmètica. Com ja s'ha esmentat, aquest component està dissenyat per realitzar operacions lògiques i aritmètiques. Funciona amb dades numèriques i de caràcters.
- Dispositiu de control. Responsable percoordinació en la interacció de diferents parts del MT. En particular, aquest bloc genera senyals de control, dirigint-los a diferents mòduls del dispositiu de la màquina en determinats moments.
- Memòria de microprocessador. S'utilitza per gravar, emmagatzemar i emetre informació. Les dades es poden associar tant amb operacions computacionals de treball com amb processos que serveixen a la màquina.
- Processador matemàtic. S'utilitza com a mòdul auxiliar per augmentar la velocitat en realitzar operacions computacionals complexes.
Característiques de l'estructura del coprocessador
Fins i tot en el marc de la realització d'operacions lògiques i aritmètiques típiques, no hi ha prou capacitat d'un MP convencional. Per exemple, el microprocessador no té la capacitat d'executar instruccions aritmètiques de coma flotant. Per a aquestes tasques, s'utilitzen coprocessadors, l'estructura dels quals preveu la combinació d'un processador central amb diversos MP. Al mateix temps, la lògica del funcionament del dispositiu en si no té diferències fonamentals amb les regles bàsiques per construir microcircuits aritmètics.
Els coprocessadors executen ordres típiques, però en estreta interacció amb el mòdul central. Aquesta configuració suposa un seguiment constant de les cues d'ordres a través de diverses línies. En l'estructura física d'un microprocessador d'aquest tipus, es permet utilitzar un mòdul independent per proporcionar entrada-sortida, una característica de la qual és la capacitat de seleccionar les seves ordres. Tanmateix, perquè aquest esquema funcioni correctament, els coprocessadors han de definir clarament la font de selecció d'instruccions,coordinació de la interacció entre mòduls.
El principi de construir una estructura generalitzada d'un microprocessador amb una configuració fortament acoblada també està connectat amb el concepte d'un dispositiu coprocessador. Si en el cas anterior podem parlar d'un bloc d'E/S independent amb la possibilitat de la seva pròpia selecció d'ordres, aleshores una configuració fortament acoblada implica la inclusió en l'estructura d'un processador independent que controla els fluxos d'ordres.
Conclusió
Els principis de creació de microprocessadors han sofert pocs canvis des de l'arribada dels primers dispositius informàtics. Han canviat les característiques, dissenys i requisits per al suport de recursos, fet que ha canviat radicalment l'ordinador, però el concepte general amb les regles bàsiques per organitzar els blocs funcionals en la seva majoria segueix sent el mateix. Tanmateix, el futur del desenvolupament d'estructures de microprocessadors pot estar influenciat per la nanotecnologia i l'arribada dels sistemes de computació quàntica. Avui dia, aquestes àrees es consideren a nivell teòric, però les grans corporacions estan treballant activament en les perspectives d'ús pràctic de nous circuits lògics basats en tecnologies innovadores. Per exemple, com a possible opció per al desenvolupament posterior de la MT, no es descarta l'ús de partícules moleculars i subatòmiques, i els circuits elèctrics tradicionals poden donar pas a sistemes de rotació d'electrons dirigida. Això permetrà crear processadors microscòpics amb una arquitectura fonamentalment nova, el rendiment de la qual superarà moltes vegades l'actual. MP.
