L'umanità ha fatto molta strada verso la creazione dei computer, senza i quali è impossibile immaginare la società moderna con tutti gli aspetti della sua vita nei campi dell'industria, dell'economia nazionale e degli elettrodomestici. Ma anche oggi il progresso non si ferma, aprendo nuove forme di informatizzazione. Al centro dello sviluppo tecnologico ormai da diversi decenni c'è la struttura del microprocessore (MP), che viene migliorata nei suoi parametri funzionali e di design.
Concetto di microprocessore
In senso generale, il concetto di microprocessore è presentato come un dispositivo o un sistema controllato da un programma basato su un grande circuito integrato (LSI). Con l'ausilio di MP vengono eseguite operazioni di elaborazione dati o gestione di sistemi che elaborano informazioni. Alle prime fasiLo sviluppo dell'MP si basava su microcircuiti separati a bassa funzionalità, in cui i transistor erano presenti in quantità da poche a centinaia. La più semplice struttura tipica del microprocessore potrebbe contenere un gruppo di microcircuiti con parametri elettrici, strutturali ed elettrici comuni. Tali sistemi sono chiamati set di microprocessori. Insieme all'MP, un sistema potrebbe anche essere costituito da dispositivi di memoria ad accesso casuale e permanente, nonché controller e interfacce per il collegamento di apparecchiature esterne, ancora una volta attraverso comunicazioni compatibili. Come risultato dello sviluppo del concetto di microcontrollore, il kit del microprocessore è stato integrato con dispositivi di servizio più complessi, registri, driver di bus, timer, ecc.
Oggi il microprocessore è sempre meno considerato come un dispositivo separato nel contesto delle applicazioni pratiche. La struttura funzionale e il principio di funzionamento del microprocessore già in fase di progettazione sono guidati dall'uso come parte di un dispositivo informatico progettato per svolgere una serie di compiti relativi all'elaborazione e alla gestione delle informazioni. L'anello chiave nei processi di organizzazione del funzionamento di un dispositivo a microprocessore è il controller, che mantiene la configurazione di controllo e le modalità di interazione tra il nucleo di calcolo del sistema e le apparecchiature esterne. Un processore integrato può essere considerato un collegamento intermedio tra il controllore e il microprocessore. La sua funzionalità è focalizzata sulla risoluzione di compiti ausiliari che non sono direttamente correlati allo scopo del MT principale. In particolare, queste possono essere funzioni di rete e di comunicazione che garantiscono il funzionamento del dispositivo a microprocessore.
Classificazioni dei microprocessori
Anche nelle configurazioni più semplici, gli MP hanno molti parametri tecnici e operativi che possono essere utilizzati per impostare le caratteristiche di classificazione. Per giustificare i principali livelli di classificazione, si distinguono solitamente tre sistemi funzionali: operativo, di interfaccia e di controllo. Ciascuna di queste parti di lavoro fornisce anche una serie di parametri e caratteristiche distintive che determinano la natura del funzionamento del dispositivo.
Dal punto di vista della struttura tipica dei microprocessori, la classificazione dividerà principalmente i dispositivi in modelli multi-chip e monochip. I primi sono caratterizzati dal fatto che le loro unità di lavoro possono funzionare offline ed eseguire comandi predeterminati. E in questo esempio si pronunceranno i parlamentari, in cui l'enfasi è sulla funzione operativa. Tali processori sono focalizzati sull'elaborazione dei dati. Nello stesso gruppo, ad esempio, possono essere controllati e interfacciati microprocessori a tre chip. Ciò non significa che non abbiano una funzione operativa, ma per scopi di ottimizzazione, la maggior parte delle risorse di comunicazione e di alimentazione sono allocate ai compiti di generazione di microistruzioni o alla capacità di interagire con i sistemi periferici.
Per quanto riguarda gli MP a chip singolo, sono sviluppati con un set fisso di istruzioni e un posizionamento compatto di tutto l'hardwaresu un nucleo. In termini di funzionalità, la struttura di un microprocessore a chip singolo è piuttosto limitata, sebbene sia più affidabile delle configurazioni a segmenti di analoghi multi-chip.
Un' altra importante classificazione si riferisce al design dell'interfaccia dei microprocessori. Si tratta di modi per elaborare i segnali di ingresso, che oggi continuano a essere suddivisi in digitale e analogico. Sebbene i processori stessi siano dispositivi digitali, in alcuni casi l'uso di flussi analogici si giustifica in termini di prezzo e affidabilità. Per la conversione, invece, devono essere utilizzati convertitori speciali, che contribuiscono al carico energetico e alla pienezza strutturale della piattaforma di lavoro. Gli MP analogici (solitamente a chip singolo) svolgono i compiti dei sistemi analogici standard, ad esempio producono modulazione, generano oscillazioni, codificano e decodificano un segnale.
Secondo il principio dell'organizzazione temporanea del funzionamento del MP, si dividono in sincrone e asincrone. La differenza sta nella natura del segnale per iniziare una nuova operazione. Ad esempio, nel caso di un dispositivo sincrono, tali comandi vengono impartiti dai moduli di controllo, indipendentemente dall'esecuzione delle operazioni in corso. Nel caso di MP asincroni, un segnale simile può essere dato automaticamente al termine dell'operazione precedente. Per fare ciò, nella struttura logica del microprocessore di tipo asincrono è previsto un circuito elettronico, che garantisce il funzionamento dei singoli componenti in modalità offline, se necessario. La complessità dell'attuazione di questo metodo di organizzazione del lavoro del parlamentare è dovuta al fatto chesempre al momento del completamento di un'operazione ci sono sufficienti risorse certe per iniziare quella successiva. La memoria del processore viene in genere utilizzata come collegamento prioritario nella scelta delle operazioni successive.
Microprocessori per scopi generali e speciali
L'ambito principale dell'MP generico è costituito da workstation, personal computer, server e dispositivi elettronici destinati all'uso di massa. La loro infrastruttura funzionale è focalizzata sull'esecuzione di un'ampia gamma di compiti relativi all'elaborazione delle informazioni. Tali dispositivi sono stati sviluppati da SPARC, Intel, Motorola, IBM e altri.
Microprocessori specializzati, le cui caratteristiche e struttura si basano su potenti controller, implementano complesse procedure di elaborazione e conversione di segnali digitali e analogici. Questo è un segmento molto vario con migliaia di tipi di configurazione. Le peculiarità della struttura MP di questo tipo includono l'utilizzo di un cristallo come base per il processore centrale, il quale, a sua volta, può essere interfacciato con un gran numero di dispositivi periferici. Tra questi ci sono i mezzi di input / output, blocchi con timer, interfacce, convertitori analogico-digitali. È anche praticato per collegare dispositivi specializzati come blocchi per la generazione di segnali di larghezza di impulso. A causa dell'uso della memoria interna, tali sistemi hanno un numero limitato di componenti ausiliari che supportano l'operazionemicrocontrollore.
Specifiche del microprocessore
I parametri operativi definiscono la gamma di attività del dispositivo e l'insieme di componenti che, in linea di principio, possono essere utilizzati in una particolare struttura a microprocessore. Le principali caratteristiche di MP possono essere rappresentate come segue:
- Frequenza orologio. Indica il numero di operazioni elementari che il sistema può eseguire in 1 secondo. ed è espresso in MHz. Nonostante le differenze nella struttura, diversi parlamentari svolgono per lo più compiti simili, ma in ogni caso richiedono tempo individuale, che si riflette nel numero di cicli. Più potente è l'MP, più procedure può eseguire in un'unità di tempo.
- Larghezza. Il numero di bit che il dispositivo può eseguire contemporaneamente. Assegna larghezza bus, velocità di trasferimento dati, registri interni, ecc.
- La quantità di memoria cache. Questa è la memoria inclusa nella struttura interna del microprocessore e sempre operante a frequenze limitanti. Nella rappresentazione fisica, questo è un cristallo posizionato sul chip MP principale e accoppiato al core del bus del microprocessore.
- Configurazione. In questo caso si tratta dell'organizzazione dei comandi e dei metodi di indirizzamento. In pratica, il tipo di configurazione può significare la possibilità di combinare i processi di esecuzione di più comandi contemporaneamente, le modalità ei principi di funzionamento di MP, e la presenza di periferiche nel sistema base del microprocessore.
Architettura del microprocessore
In generale, MP è universaleelaboratore di informazioni, ma in alcune aree del suo funzionamento sono spesso necessarie configurazioni speciali per l'esecuzione della sua struttura. L'architettura dei microprocessori riflette le specificità dell'applicazione di un particolare modello, determinando le caratteristiche dell'hardware e del software integrati nel sistema. Nello specifico, possiamo parlare degli attuatori forniti, dei registri di programma, dei metodi di indirizzamento e dei set di istruzioni.
Nella rappresentazione dell'architettura e delle caratteristiche del funzionamento dell'MP, utilizzano spesso i diagrammi dei dispositivi e l'interazione dei registri software disponibili che contengono informazioni di controllo e operandi (dati elaborati). Pertanto, nel modello di registro è presente un gruppo di registri di servizio, nonché segmenti per la memorizzazione di operandi generici. Su questa base vengono determinati il metodo di esecuzione dei programmi, lo schema di organizzazione della memoria, la modalità di funzionamento e le caratteristiche del microprocessore. La struttura MP generica, ad esempio, può includere un contatore di programmi, nonché registri per lo stato e il controllo delle modalità di funzionamento del sistema. Il flusso di lavoro di un dispositivo nel contesto di una configurazione architettonica può essere rappresentato come un modello di trasferimento di registri, fornendo indirizzamento, selezione di operandi e istruzioni, trasferimento di risultati, ecc. L'esecuzione di diverse istruzioni, indipendentemente dall'assegnazione, influirà sullo stato registro, il cui contenuto riflette lo stato attuale del processore.
Informazioni generali sulla struttura dei microprocessori
In questo caso la struttura va intesa non solo come un insieme di componenti del sistema di lavoro, ma anchemezzi di connessione tra di loro, nonché dispositivi che ne garantiscano l'interazione. Come nella classificazione funzionale, il contenuto della struttura può essere espresso attraverso tre componenti: contenuto operativo, mezzi di comunicazione con il bus e infrastruttura di controllo.
Il dispositivo della parte operativa determina la natura della decodifica dei comandi e dell'elaborazione dei dati. Questo complesso può includere blocchi funzionali aritmetico-logici, nonché resistori per la memorizzazione temporanea di informazioni, comprese le informazioni sullo stato del microprocessore. La struttura logica prevede l'uso di resistori a 16 bit che eseguono non solo procedure logiche e aritmetiche, ma anche operazioni di spostamento. Il lavoro dei registri può essere organizzato secondo diversi schemi, che determinano, tra l' altro, la loro accessibilità al programmatore. Un registro separato è riservato alla funzione del pacco batteria.
Gli accoppiatori bus sono responsabili dei collegamenti alle apparecchiature periferiche. La gamma delle loro attività include anche il recupero dei dati dalla memoria e la formazione di una coda di comandi. La tipica struttura a microprocessore include un puntatore di comando IP, sommatori di indirizzi, registri di segmento e buffer, attraverso i quali vengono gestiti i collegamenti con i bus di indirizzi.
Il dispositivo di controllo, a sua volta, genera segnali di controllo, decodifica il comando e garantisce anche il funzionamento del sistema informatico, emettendo micro-comandi per le operazioni MP interne.
Struttura dell'MP di base
La struttura semplificata di questo microprocessore prevede due funzioniparti:
- Sala operatoria. Questa unità include funzioni di controllo e elaborazione dati, nonché memoria a microprocessore. A differenza della configurazione completa, la struttura di base del microprocessore esclude i registri dei segmenti. Alcuni dispositivi di esecuzione sono combinati in un'unità funzionale, il che sottolinea anche la natura ottimizzata di questa architettura.
- Interfaccia. In sostanza, un mezzo di comunicazione con l'autostrada principale. Questa parte contiene i registri della memoria interna e il sommatore di indirizzi.
Il principio del multiplexing del segnale viene spesso utilizzato sui canali di uscita esterni degli MP di base. Ciò significa che la segnalazione avviene su canali di time-sharing comuni. Inoltre, a seconda della modalità operativa corrente del sistema, la stessa uscita può essere utilizzata per trasmettere segnali per scopi diversi.
Struttura delle istruzioni del microprocessore
Questa struttura dipende in gran parte dalla configurazione generale e dalla natura dell'interazione dei blocchi funzionali MP. Tuttavia, anche nella fase di progettazione del sistema, gli sviluppatori stabiliscono le possibilità di applicare una determinata serie di operazioni in base alle quali viene successivamente formato un insieme di comandi. Le funzioni di comando più comuni includono:
- Trasferimento dati. Il comando esegue le operazioni di assegnazione dei valori degli operandi di origine e di destinazione. I registri o le celle di memoria possono essere usati come quest'ultimo.
- Ingresso-uscita. TramiteI dispositivi di interfaccia I/O trasferiscono i dati alle porte. In accordo con la struttura del microprocessore e la sua interazione con l'hardware periferico e le unità interne, i comandi impostano gli indirizzi delle porte.
- Digita conversione. Vengono determinati i formati e i valori di dimensione degli operandi utilizzati.
- Interruzioni. Questo tipo di istruzione è progettato per controllare gli interrupt del software, ad esempio può essere un arresto di una funzione del processore mentre i dispositivi I/O iniziano a funzionare.
- Organizzazione dei cicli. Le istruzioni modificano il valore del registro ECX, che può essere utilizzato come contatore durante l'esecuzione di un determinato codice di programma.
Di norma vengono imposte restrizioni ai comandi di base relativi alla capacità di operare con determinate quantità di memoria, gestire contemporaneamente i registri e il loro contenuto.
Struttura di gestione MP
Il sistema di controllo MP si basa sull'unità di controllo, che è associata a diverse parti funzionali:
- Sensore di segnale. Determina la sequenza e i parametri degli impulsi, distribuendoli uniformemente nel tempo sui bus. Tra le caratteristiche del funzionamento dei sensori vi è il numero di cicli e segnali di controllo necessari per eseguire le operazioni.
- Fonte dei segnali. Una delle funzioni dell'unità di controllo nella struttura del microprocessore è assegnata alla generazione o all'elaborazione dei segnali, ovvero la loro commutazione all'interno di un ciclo specifico su un bus specifico.
- Decodificatore codice operazione. Esegue la decrittazione dei codici operativi presenti nel registro delle istruzioni suquesto momento. Insieme alla determinazione del bus attivo, questa procedura aiuta anche a generare una sequenza di impulsi di controllo.
Di non poca importanza nell'infrastruttura di controllo è un dispositivo di archiviazione permanente che contiene nelle sue celle i segnali necessari per eseguire le operazioni di elaborazione. Per contare i comandi durante l'elaborazione dei dati degli impulsi, è possibile utilizzare un'unità di generazione di indirizzi: questo è un componente necessario della struttura interna del microprocessore, che è incluso nell'unità di interfaccia del sistema e consente di leggere i dettagli dei registri di memoria con segnali per intero.
Componenti del microprocessore
La maggior parte dei blocchi funzionali, così come i dispositivi esterni, sono organizzati tra loro e il microcircuito centrale MP tramite il bus interno. Si può dire che questa è la rete backbone del dispositivo, fornendo un collegamento di comunicazione completo. Un' altra cosa è che il bus può contenere anche elementi con scopi funzionali diversi, ad esempio circuiti per il trasferimento di dati, linee per il trasferimento di celle di memoria, nonché un'infrastruttura per la scrittura e la lettura delle informazioni. La natura dell'interazione tra i blocchi del bus stesso è determinata dalla struttura del microprocessore. I dispositivi inclusi nell'MP, oltre al bus, includono:
- Unità logica aritmetica. Come già accennato, questo componente è progettato per eseguire operazioni logiche e aritmetiche. Funziona sia con dati numerici che caratteri.
- Dispositivo di controllo. Responsabile dicoordinamento nell'interazione di diverse parti del MT. In particolare, questo blocco genera segnali di controllo, indirizzandoli a diversi moduli del dispositivo macchina in determinati momenti.
- Memoria del microprocessore. Utilizzato per registrare, archiviare ed emettere informazioni. I dati possono essere associati sia alle operazioni di calcolo di lavoro che ai processi al servizio della macchina.
- Processore matematico. Viene utilizzato come modulo ausiliario per aumentare la velocità durante l'esecuzione di complesse operazioni di calcolo.
Caratteristiche della struttura del coprocessore
Anche nell'ambito dell'esecuzione di operazioni aritmetiche e logiche tipiche, non c'è abbastanza capacità di un MP convenzionale. Ad esempio, il microprocessore non ha la capacità di eseguire istruzioni aritmetiche in virgola mobile. Per tali compiti vengono utilizzati coprocessori, la cui struttura prevede la combinazione di un processore centrale con più parlamentari. Allo stesso tempo, la logica del funzionamento del dispositivo stesso non ha differenze fondamentali rispetto alle regole di base per la costruzione di microcircuiti aritmetici.
I coprocessori eseguono comandi tipici, ma in stretta interazione con il modulo centrale. Questa configurazione presuppone il monitoraggio costante delle code di comando su più righe. Nella struttura fisica di un microprocessore di questo tipo, è consentito utilizzare un modulo indipendente per fornire input-output, la cui caratteristica è la possibilità di selezionarne i comandi. Tuttavia, affinché tale schema funzioni correttamente, i coprocessori devono definire chiaramente la fonte di selezione dell'istruzione,coordinare l'interazione tra i moduli.
Il principio di costruire una struttura generalizzata di un microprocessore con una configurazione fortemente accoppiata è anche connesso al concetto di dispositivo coprocessore. Se nel caso precedente si può parlare di un blocco I/O indipendente con la possibilità di una propria selezione di comandi, allora una configurazione fortemente accoppiata prevede l'inclusione nella struttura di un processore indipendente che controlla i flussi di comando.
Conclusione
I principi di creazione dei microprocessori hanno subito pochi cambiamenti dall'avvento dei primi dispositivi informatici. Le caratteristiche, i progetti ei requisiti per il supporto delle risorse sono cambiati, il che ha cambiato radicalmente il computer, ma il concetto generale con le regole di base per organizzare i blocchi funzionali per la maggior parte rimane lo stesso. Tuttavia, il futuro dello sviluppo della struttura dei microprocessori potrebbe essere influenzato dalla nanotecnologia e dall'avvento dei sistemi di calcolo quantistico. Oggi tali aree sono considerate a livello teorico, ma le grandi aziende stanno lavorando attivamente sulle prospettive per l'uso pratico di nuovi circuiti logici basati su tecnologie innovative. Ad esempio, come possibile opzione per l'ulteriore sviluppo della MT, l'uso di particelle molecolari e subatomiche non è escluso e i circuiti elettrici tradizionali possono lasciare il posto a sistemi di rotazione elettronica diretta. Ciò consentirà di creare processori microscopici con un'architettura fondamentalmente nuova, le cui prestazioni supereranno molte volte quelle odierne. MP.
