Die Menschheit hat einen langen Weg zur Schaffung von Computern zurückgelegt, die aus der modernen Gesellschaft mit all ihren Lebensbereichen in den Bereichen Industrie, Volkswirtschaft und Haush altsgeräte nicht mehr wegzudenken sind. Aber auch heute steht der Fortschritt nicht still und eröffnet neue Formen der Computerisierung. Im Zentrum der technologischen Entwicklung steht seit Jahrzehnten der Aufbau des Mikroprozessors (MP), der in seinen funktionalen und gest alterischen Parametern verbessert wird.
Mikroprozessorkonzept
Im Allgemeinen wird das Konzept eines Mikroprozessors als ein programmgesteuertes Gerät oder System dargestellt, das auf einem großen integrierten Sch altkreis (LSI) basiert. Mit Hilfe von MP werden Datenverarbeitungsvorgänge oder die Verw altung von Systemen durchgeführt, die Informationen verarbeiten. In den ersten PhasenDie Entwicklung des MP basierte auf separaten Mikrosch altkreisen mit niedriger Funktion, in denen Transistoren in Mengen von wenigen bis zu Hunderten vorhanden waren. Die einfachste typische Mikroprozessorstruktur könnte eine Gruppe von Mikrosch altkreisen mit gemeinsamen elektrischen, strukturellen und elektrischen Parametern enth alten. Solche Systeme werden als Mikroprozessorsatz bezeichnet. Zusammen mit dem MP könnte ein System auch aus Permanent- und Direktzugriffsspeichergeräten sowie Controllern und Schnittstellen zum Anschließen externer Geräte bestehen – wiederum durch kompatible Kommunikation. Als Ergebnis der Entwicklung des Konzepts der Mikrocontroller wurde der Mikroprozessorbausatz um komplexere Servicegeräte, Register, Bustreiber, Timer usw. ergänzt.
Der Mikroprozessor wird heute im Kontext praktischer Anwendungen immer weniger als separates Gerät betrachtet. Die funktionale Struktur und das Funktionsprinzip des Mikroprozessors richten sich bereits in den Entwurfsphasen nach der Verwendung als Teil eines Computergeräts, das für die Ausführung einer Reihe von Aufgaben im Zusammenhang mit der Verarbeitung und Verw altung von Informationen ausgelegt ist. Das Schlüsselglied in den Prozessen zum Organisieren des Betriebs eines Mikroprozessorgeräts ist der Controller, der die Steuerungskonfiguration und Interaktionsmodi zwischen dem Rechenkern des Systems und externen Geräten aufrechterhält. Ein integrierter Prozessor kann als Zwischenglied zwischen der Steuerung und dem Mikroprozessor betrachtet werden. Seine Funktionalität konzentriert sich auf die Lösung von Hilfsaufgaben, die nicht direkt mit dem Zweck des Haupt-MT zusammenhängen. Dies können insbesondere Netzwerk- und Kommunikationsfunktionen sein, die den Betrieb der Mikroprozessoreinrichtung sicherstellen.
Klassifizierung von Mikroprozessoren
Selbst in den einfachsten Konfigurationen haben MPs viele technische und betriebliche Parameter, die verwendet werden können, um Klassifizierungsmerkmale festzulegen. Um die Hauptklassifizierungsebenen zu rechtfertigen, werden normalerweise drei funktionale Systeme unterschieden - Operational, Interface und Control. Jedes dieser Arbeitsteile bietet auch eine Reihe von Parametern und Unterscheidungsmerkmalen, die die Art des Betriebs des Geräts bestimmen.
Aus Sicht des typischen Aufbaus von Mikroprozessoren wird die Klassifikation Geräte primär in Multi-Chip- und Single-Chip-Modelle unterteilen. Erstere zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Arbeitseinheiten offline funktionieren und vorgegebene Befehle ausführen können. Und in diesem Beispiel werden MPs ausgesprochen, bei denen die Betonung auf der operativen Funktion liegt. Solche Auftragsverarbeiter konzentrieren sich auf die Datenverarbeitung. In derselben Gruppe können beispielsweise Drei-Chip-Mikroprozessoren Steuerung und Schnittstelle sein. Dies bedeutet nicht, dass sie keine operative Funktion haben, aber zu Optimierungszwecken werden die meisten Kommunikations- und Energieressourcen den Aufgaben der Generierung von Mikrobefehlen oder der Fähigkeit zur Interaktion mit Peripheriesystemen zugewiesen.
Single-Chip-MPs werden mit einem festen Satz von Anweisungen und einer kompakten Anordnung der gesamten Hardware entwickeltauf einem Kern. In Bezug auf die Funktionalität ist die Struktur eines Ein-Chip-Mikroprozessors ziemlich begrenzt, obwohl sie zuverlässiger ist als Segmentkonfigurationen von Multi-Chip-Analoga.
Eine weitere wichtige Klassifizierung bezieht sich auf das Schnittstellendesign von Mikroprozessoren. Die Rede ist von Möglichkeiten zur Verarbeitung von Eingangssignalen, die heute noch in digital und analog unterteilt werden. Obwohl die Prozessoren selbst digitale Geräte sind, rechtfertigt sich in einigen Fällen die Verwendung analoger Streams in Bezug auf Preis und Zuverlässigkeit. Zur Umwandlung müssen jedoch spezielle Wandler eingesetzt werden, die zur Energiebelastung und baulichen Fülle der Arbeitsbühne beitragen. Analoge MPs (normalerweise Single-Chip) erfüllen die Aufgaben von Standard-Analogsystemen - sie erzeugen beispielsweise Modulationen, erzeugen Schwingungen, codieren und decodieren ein Signal.
Nach dem Prinzip der vorübergehenden Organisation der Funktionsweise des MP werden sie in synchrone und asynchrone unterteilt. Der Unterschied liegt in der Natur des Signals zum Starten einer neuen Operation. Beispielsweise werden im Fall eines synchronen Geräts solche Befehle von Steuermodulen gegeben, unabhängig von der Ausführung aktueller Operationen. Im Fall von asynchronen MPs kann ein ähnliches Signal automatisch nach Abschluss der vorherigen Operation gegeben werden. Dazu ist in der logischen Struktur des Mikroprozessors vom asynchronen Typ eine elektronische Sch altung vorgesehen, die den Betrieb einzelner Komponenten im Bedarfsfall im Offline-Modus sicherstellt. Die Komplexität der Umsetzung dieser Methode zur Organisation der Arbeit des MP ist darauf zurückzuführen, dassImmer im Moment des Abschlusses einer Operation gibt es genügend bestimmte Ressourcen, um die nächste zu starten. Der Prozessorspeicher wird typischerweise als priorisierendes Bindeglied bei der Auswahl nachfolgender Operationen verwendet.
Mikroprozessoren für allgemeine und spezielle Zwecke
Der Hauptumfang von Allzweck-MP umfasst Workstations, PCs, Server und elektronische Geräte, die für den Massengebrauch bestimmt sind. Ihre funktionale Infrastruktur konzentriert sich auf die Erfüllung einer Vielzahl von Aufgaben im Zusammenhang mit der Informationsverarbeitung. Solche Geräte werden von SPARC, Intel, Motorola, IBM und anderen entwickelt.
Spezialisierte Mikroprozessoren, deren Eigenschaften und Aufbau auf leistungsfähigen Controllern basieren, realisieren komplexe Verfahren zur Verarbeitung und Wandlung von digitalen und analogen Signalen. Dies ist ein sehr vielfältiges Segment mit Tausenden von Konfigurationstypen. Zu den Besonderheiten der MP-Struktur dieses Typs gehört die Verwendung eines Kristalls als Basis für den zentralen Prozessor, der wiederum mit einer großen Anzahl von Peripheriegeräten gekoppelt werden kann. Darunter sind Ein-/Ausgabemittel, Bausteine mit Timern, Schnittstellen, Analog-Digital-Wandler. Es wird auch praktiziert, spezielle Geräte wie Blöcke zur Erzeugung von Impulsbreitensignalen anzuschließen. Aufgrund der Verwendung von internem Speicher verfügen solche Systeme über eine geringe Anzahl von Hilfskomponenten, die den Betrieb unterstützenMikrocontroller.
Mikroprozessorspezifikationen
Betriebsparameter definieren den Umfang der Geräteaufgaben und die Menge der Komponenten, die im Prinzip in einer bestimmten Mikroprozessorstruktur verwendet werden können. Die Hauptmerkmale von MP können wie folgt dargestellt werden:
- Taktfrequenz. Gibt die Anzahl der elementaren Operationen an, die das System in 1 Sekunde ausführen kann. und wird in MHz ausgedrückt. Trotz der unterschiedlichen Struktur erfüllen unterschiedliche MP meist ähnliche Aufgaben, benötigen aber jeweils individuelle Zeit, was sich in der Anzahl der Zyklen widerspiegelt. Je leistungsfähiger der MP, desto mehr Prozeduren kann er innerhalb einer Zeiteinheit durchführen.
- Breite. Die Anzahl der Bits, die das Gerät gleichzeitig ausführen kann. Weisen Sie Busbreite, Datenübertragungsrate, interne Register usw. zu.
- Die Größe des Cache-Speichers. Dies ist der Speicher, der in der internen Struktur des Mikroprozessors enth alten ist und immer mit Grenzfrequenzen arbeitet. In der physikalischen Darstellung ist dies ein Kristall, der auf dem Haupt-MP-Chip platziert und mit dem Buskern des Mikroprozessors gekoppelt ist.
- Konfiguration. In diesem Fall sprechen wir über die Organisation von Befehlen und Adressierungsmethoden. In der Praxis kann die Art der Konfiguration die Möglichkeit bedeuten, die Prozesse der gleichzeitigen Ausführung mehrerer Befehle, die Modi und Prinzipien des MP-Betriebs und das Vorhandensein von Peripheriegeräten im grundlegenden Mikroprozessorsystem zu kombinieren.
Mikroprozessorarchitektur
Im Großen und Ganzen ist MP universellInformationsprozessor, aber in einigen Bereichen seines Betriebs sind oft spezielle Konfigurationen für die Ausführung seiner Struktur erforderlich. Die Architektur von Mikroprozessoren spiegelt die Besonderheiten der Anwendung eines bestimmten Modells wider, wodurch die Merkmale der in das System integrierten Hardware und Software verursacht werden. Konkret können wir über die bereitgestellten Aktuatoren, Programmregister, Adressierungsmethoden und Befehlssätze sprechen.
Bei der Darstellung der Architektur und der Funktionsmerkmale des MP verwenden sie häufig Gerätediagramme und das Zusammenspiel verfügbarer Softwareregister, die Steuerinformationen und Operanden (verarbeitete Daten) enth alten. Daher gibt es im Registermodell eine Gruppe von Dienstregistern sowie Segmente zum Speichern von Allzweckoperanden. Auf dieser Grundlage werden das Verfahren zum Ausführen von Programmen, das Schema der Speicherorganisation, der Betriebsmodus und die Eigenschaften des Mikroprozessors bestimmt. Die Allzweck-MP-Struktur kann beispielsweise einen Programmzähler sowie Register für den Status und die Steuerung der Systembetriebsmodi enth alten. Der Arbeitsablauf eines Geräts im Kontext einer Architekturkonfiguration kann als Modell von Registerübertragungen, Adressierung bereitstellen, Operanden- und Befehlsauswahl, Ergebnisübertragung usw. dargestellt werden. Die Ausführung verschiedener Befehle, unabhängig von der Zuordnung, wirkt sich auf den Status aus Register, dessen Inh alt den aktuellen Zustand des Prozessors widerspiegelt.
Allgemeines zum Aufbau von Mikroprozessoren
In diesem Fall sollte die Struktur nicht nur als eine Menge von Komponenten des Arbeitssystems verstanden werden, sondern auchVerbindungsmittel zwischen ihnen sowie Geräte, die ihre Interaktion sicherstellen. Wie in der funktionalen Gliederung kann der Inh alt der Struktur durch drei Komponenten ausgedrückt werden - betrieblicher Inh alt, Kommunikationsmittel mit dem Bus und Steuerungsinfrastruktur.
Die Einrichtung des Bedienteils bestimmt die Art der Befehlsdekodierung und Datenverarbeitung. Dieser Komplex kann arithmetisch-logische Funktionsblöcke sowie Widerstände zum vorübergehenden Speichern von Informationen, einschließlich Informationen über den Zustand des Mikroprozessors, enth alten. Die Logikstruktur sieht die Verwendung von 16-Bit-Widerständen vor, die nicht nur logische und arithmetische Verfahren, sondern auch Schiebeoperationen ausführen. Die Arbeit von Registern kann nach verschiedenen Schemata organisiert werden, die unter anderem ihre Zugänglichkeit für den Programmierer bestimmen. Für die Akkupack-Funktion ist ein separates Register reserviert.
Buskoppler sind für die Verbindungen zur Peripherie zuständig. Zu ihren Aufgaben gehören auch das Abrufen von Daten aus dem Speicher und das Bilden einer Warteschlange von Befehlen. Die typische Mikroprozessorstruktur umfasst einen IP-Befehlszeiger, Adressaddierer, Segmentregister und Puffer, über die Verbindungen mit Adressbussen bedient werden.
Das Steuergerät wiederum erzeugt Steuersignale, entschlüsselt den Befehl und stellt auch den Betrieb des Computersystems sicher, indem es Mikrobefehle für interne MP-Operationen ausgibt.
Struktur des Basis-MP
Die vereinfachte Struktur dieses Mikroprozessors bietet zwei FunktionenTeile:
- Operationssaal. Diese Einheit enthält Steuerungs- und Datenverarbeitungseinrichtungen sowie einen Mikroprozessorspeicher. Im Gegensatz zur vollständigen Konfiguration schließt die grundlegende Mikroprozessorstruktur Segmentregister aus. Einige Ausführungsgeräte sind zu einer funktionalen Einheit zusammengefasst, was ebenfalls den optimierten Charakter dieser Architektur unterstreicht.
- Schnittstelle. Im Wesentlichen ein Mittel zur Bereitstellung der Kommunikation mit der Hauptstraße. Dieser Teil enthält die internen Speicherregister und den Adressaddierer.
Das Prinzip des Signal-Multiplexing wird oft auf den externen Ausgangskanälen von Basis-MPs verwendet. Das bedeutet, dass die Signalisierung über gemeinsame Time-Sharing-Kanäle erfolgt. Außerdem kann je nach aktueller Betriebsart des Systems derselbe Ausgang zur Übertragung von Signalen für unterschiedliche Zwecke verwendet werden.
Mikroprozessor-Befehlsstruktur
Diese Struktur hängt weitgehend von der allgemeinen Konfiguration und der Art der Interaktion der MP-Funktionsblöcke ab. Allerdings legen die Entwickler bereits in der Entwurfsphase des Systems die Möglichkeiten zur Anwendung einer bestimmten Reihe von Operationen fest, auf deren Grundlage anschließend eine Reihe von Befehlen gebildet wird. Zu den häufigsten Befehlsfunktionen gehören:
- Datenübertragung. Der Befehl führt die Operationen zum Zuweisen der Werte der Quell- und Zieloperanden aus. Als letztere können Register oder Speicherzellen verwendet werden.
- Eingabe-Ausgabe. DurchE/A-Schnittstellengeräte übertragen Daten an Ports. Entsprechend der Struktur des Mikroprozessors und seiner Interaktion mit peripherer Hardware und internen Einheiten setzen die Befehle die Portadressen.
- Typumwandlung. Die Formate und Größenwerte der verwendeten Operanden werden bestimmt.
- Unterbrechungen. Dieser Befehlstyp dient zur Steuerung von Software-Interrupts – beispielsweise kann es sein, dass eine Prozessorfunktion gestoppt wird, während E / A-Geräte zu arbeiten beginnen.
- Organisation von Zyklen. Anweisungen ändern den Wert des ECX-Registers, das als Zähler verwendet werden kann, wenn bestimmter Programmcode ausgeführt wird.
Grundlegende Befehle unterliegen in der Regel Beschränkungen hinsichtlich der Fähigkeit, mit bestimmten Speichermengen zu arbeiten und gleichzeitig Register und deren Inh alte zu verw alten.
MP-Verw altungsstruktur
MP-Steuerung basiert auf der Steuereinheit, die mit mehreren Funktionsteilen verbunden ist:
- Signalsensor. Bestimmt die Sequenz und Parameter von Impulsen und verteilt sie zeitlich gleichmäßig über die Busse. Zu den Merkmalen des Betriebs von Sensoren gehört die Anzahl der Zyklen und Steuersignale, die zum Ausführen von Operationen erforderlich sind.
- Signalquelle. Eine der Funktionen der Steuereinheit in der Struktur des Mikroprozessors ist der Erzeugung oder Verarbeitung von Signalen zugeordnet, dh deren Sch altung innerhalb eines bestimmten Zyklus auf einem bestimmten Bus.
- Operationscode-Decoder. Führt eine Entschlüsselung der im Befehlsregister vorhandenen Operationscodes durchdieser Moment. Zusammen mit der Bestimmung des aktiven Busses hilft dieses Verfahren auch dabei, eine Folge von Steuerimpulsen zu erzeugen.
Von nicht geringer Bedeutung in der Kontrollinfrastruktur ist ein permanenter Speicher, der in seinen Zellen die Signale enthält, die für die Durchführung von Verarbeitungsoperationen erforderlich sind. Um Befehle bei der Verarbeitung von Impulsdaten zu zählen, kann eine Adressgenerierungseinheit verwendet werden - dies ist eine notwendige Komponente der internen Struktur des Mikroprozessors, die in der Schnittstelleneinheit des Systems enth alten ist und es Ihnen ermöglicht, die Details der Speicherregister zu lesen mit Signalen vollständig.
Mikroprozessorkomponenten
Die meisten Funktionsblöcke sowie externe Geräte sind zwischen sich selbst und der zentralen Mikrosch altung MP über den internen Bus organisiert. Man kann sagen, dass dies das Backbone-Netzwerk des Geräts ist, das eine umfassende Kommunikationsverbindung bereitstellt. Eine andere Sache ist, dass der Bus auch Elemente mit unterschiedlichen funktionalen Zwecken enth alten kann – zum Beispiel Sch altungen zur Datenübertragung, Leitungen zum Übertragen von Speicherzellen sowie eine Infrastruktur zum Schreiben und Lesen von Informationen. Die Art der Interaktion zwischen den Blöcken des Busses selbst wird durch die Struktur des Mikroprozessors bestimmt. Zu den im MP enth altenen Geräten gehören neben dem Bus die folgenden:
- Recheneinheit. Wie bereits erwähnt, ist diese Komponente darauf ausgelegt, logische und arithmetische Operationen durchzuführen. Es funktioniert sowohl mit numerischen als auch mit Zeichendaten.
- Steuergerät. Verantwortlich fürKoordination im Zusammenspiel verschiedener Teile des MT. Insbesondere erzeugt dieser Block Steuersignale, die er zu bestimmten Zeitpunkten an verschiedene Module des Maschinengeräts weiterleitet.
- Mikroprozessorspeicher. Wird verwendet, um Informationen aufzuzeichnen, zu speichern und auszugeben. Daten können sowohl funktionierenden Rechenoperationen als auch Prozessen zugeordnet werden, die der Maschine dienen.
- Mathematischer Prozessor. Es dient als Hilfsmodul zur Beschleunigung komplexer Rechenoperationen.
Merkmale der Coprozessorstruktur
Selbst im Rahmen der Durchführung typischer arithmetischer und logischer Operationen reicht die Kapazität eines herkömmlichen MP nicht aus. Beispielsweise ist der Mikroprozessor nicht in der Lage, arithmetische Gleitkommabefehle auszuführen. Für solche Aufgaben werden Coprozessoren eingesetzt, deren Aufbau die Kombination eines zentralen Prozessors mit mehreren MPs vorsieht. Gleichzeitig unterscheidet sich die Logik des Gerätebetriebs selbst nicht grundlegend von den Grundregeln für den Aufbau arithmetischer Mikrosch altungen.
Coprozessoren führen typische Befehle aus, jedoch in enger Interaktion mit dem zentralen Modul. Diese Konfiguration geht von einer ständigen Überwachung von Befehlswarteschlangen über mehrere Zeilen hinweg aus. In der physikalischen Struktur eines Mikroprozessors dieses Typs ist es erlaubt, ein unabhängiges Modul zu verwenden, um eine Eingabe/Ausgabe bereitzustellen, deren Merkmal die Fähigkeit ist, seine Befehle auszuwählen. Damit ein solches Schema jedoch korrekt funktioniert, müssen Coprozessoren die Quelle der Befehlsauswahl klar definieren,Koordination der Interaktion zwischen Modulen.
Das Prinzip des Aufbaus einer verallgemeinerten Struktur eines Mikroprozessors mit einer stark gekoppelten Konfiguration ist auch mit dem Konzept eines Coprozessorgeräts verbunden. Wenn wir im vorherigen Fall von einem unabhängigen E / A-Block mit der Möglichkeit einer eigenen Auswahl von Befehlen sprechen können, beinh altet eine stark gekoppelte Konfiguration die Aufnahme eines unabhängigen Prozessors in die Struktur, der Befehlsströme steuert.
Schlussfolgerung
Die Prinzipien der Entwicklung von Mikroprozessoren haben sich seit dem Aufkommen der ersten Computergeräte nur wenig geändert. Die Eigenschaften, Designs und Anforderungen an die Ressourcenunterstützung haben sich geändert, was den Computer radikal verändert hat, aber das allgemeine Konzept mit den Grundregeln für die Organisation von Funktionsblöcken bleibt größtenteils gleich. Die Zukunft der Entwicklung von Mikroprozessorstrukturen kann jedoch durch die Nanotechnologie und das Aufkommen von Quantencomputersystemen beeinflusst werden. Heute werden solche Bereiche auf theoretischer Ebene betrachtet, aber große Unternehmen arbeiten aktiv an den Aussichten für den praktischen Einsatz neuer Logiksch altungen auf der Grundlage innovativer Technologien. Als mögliche Option für die Weiterentwicklung der MT ist beispielsweise der Einsatz molekularer und subatomarer Teilchen nicht ausgeschlossen, und traditionelle elektrische Sch altungen können Systemen der gerichteten Elektronenrotation weichen. Dadurch wird es möglich, mikroskopisch kleine Prozessoren mit einer grundlegend neuen Architektur zu schaffen, deren Leistung die heutige um ein Vielfaches übertreffen wird. MP.
