İnsanlık, bilgisayarların yaratılmasında uzun bir yol kat etti; bunlar olmadan, sanayi, ulusal ekonomi ve ev aletleri alanlarında yaşamının tüm yönleriyle modern toplumu hayal etmek imkansız. Ancak bugün bile ilerleme durmuyor ve yeni bilgisayarlaşma biçimleri ortaya çıkıyor. On yıllardır teknolojik gelişimin merkezinde, işlevsel ve tasarım parametrelerinde geliştirilmekte olan mikroişlemcinin (MP) yapısı yer almaktadır.
Mikroişlemci konsepti
Genel anlamda, bir mikroişlemci kavramı, büyük bir entegre devreye (LSI) dayalı program kontrollü bir cihaz veya sistem olarak sunulur. MP yardımıyla veri işleme operasyonları veya bilgi işleyen sistemlerin yönetimi gerçekleştirilir. İlk aşamalardaMP'nin gelişimi, transistörlerin birkaç ila yüzlerce miktarlarda bulunduğu ayrı düşük işlevli mikro devrelere dayanıyordu. En basit tipik mikroişlemci yapısı, ortak elektriksel, yapısal ve elektriksel parametrelere sahip bir grup mikro devre içerebilir. Bu tür sistemlere mikroişlemci seti denir. MP ile birlikte, bir sistem aynı zamanda kalıcı ve rastgele erişimli bellek cihazlarının yanı sıra harici ekipmanı bağlamak için kontrolörler ve arayüzlerden de oluşabilir - yine uyumlu iletişim yoluyla. Mikrodenetleyici kavramının geliştirilmesinin bir sonucu olarak, mikroişlemci kiti daha karmaşık hizmet cihazları, kayıtlar, veri yolu sürücüleri, zamanlayıcılar vb. ile desteklendi.
Bugün, mikroişlemci, pratik uygulamalar bağlamında giderek daha az ayrı bir cihaz olarak kabul edilmektedir. Zaten tasarım aşamalarında olan mikroişlemcinin işlevsel yapısı ve çalışma prensibi, bilginin işlenmesi ve yönetimi ile ilgili bir dizi görevi yerine getirmek için tasarlanmış bir bilgi işlem cihazının bir parçası olarak kullanılmasıyla yönlendirilir. Bir mikroişlemci cihazının işleyişini organize etme süreçlerindeki kilit bağlantı, kontrol konfigürasyonunu ve sistemin bilgi işlem çekirdeği ile harici ekipman arasındaki etkileşim modlarını koruyan kontrolördür. Entegre bir işlemci, kontrolör ve mikroişlemci arasında bir ara bağlantı olarak düşünülebilir. İşlevselliği, ana MT'nin amacı ile doğrudan ilgili olmayan yardımcı görevleri çözmeye odaklanmıştır. Özellikle bunlar, mikroişlemcili cihazın çalışmasını sağlayan ağ ve iletişim işlevleri olabilir.
Mikroişlemcilerin sınıflandırılması
En basit konfigürasyonlarda bile, MP'lerin sınıflandırma özelliklerini ayarlamak için kullanılabilecek birçok teknik ve operasyonel parametresi vardır. Ana sınıflandırma seviyelerini doğrulamak için, genellikle üç fonksiyonel sistem ayırt edilir - operasyonel, arayüz ve kontrol. Bu çalışan parçaların her biri ayrıca, cihazın çalışmasının doğasını belirleyen bir dizi parametre ve ayırt edici özellik sağlar.
Mikroişlemcilerin tipik yapısı açısından, sınıflandırma öncelikle cihazları çok çipli ve tek çipli modellere ayıracaktır. İlki, çalışma birimlerinin çevrimdışı olarak çalışabilmesi ve önceden belirlenmiş komutları yerine getirebilmesi ile karakterize edilir. Ve bu örnekte, vurgunun operasyonel işlevde olduğu milletvekilleri telaffuz edilecektir. Bu tür işlemciler veri işlemeye odaklanır. Aynı grupta örneğin üç çipli mikroişlemciler kontrol ve arayüz olabilir. Bu, operasyonel bir işlevi olmadığı anlamına gelmez, ancak optimizasyon amacıyla, iletişim ve güç kaynaklarının çoğu, mikro komutlar oluşturma veya çevresel sistemlerle etkileşim kurma görevlerine tahsis edilir.
Tek çipli MP'lere gelince, bunlar sabit bir talimat seti ve tüm donanımın kompakt yerleşimi ile geliştirilmiştirtek çekirdekte. İşlevsellik açısından, çok çipli analogların segment konfigürasyonlarından daha güvenilir olmasına rağmen, tek çipli bir mikroişlemcinin yapısı oldukça sınırlıdır.
Diğer bir önemli sınıflandırma, mikroişlemcilerin arayüz tasarımına atıfta bulunur. Bugün dijital ve analog olarak ayrılmaya devam eden giriş sinyallerini işlemenin yollarından bahsediyoruz. İşlemcilerin kendileri dijital cihazlar olsa da, bazı durumlarda analog akışların kullanımı fiyat ve güvenilirlik açısından kendisini haklı çıkarır. Ancak dönüştürme için, çalışma platformunun enerji yüküne ve yapısal doluluğuna katkıda bulunan özel dönüştürücüler kullanılmalıdır. Analog MP'ler (genellikle tek çipli) standart analog sistemlerin görevlerini yerine getirirler - örneğin, modülasyon üretirler, salınımlar üretirler, bir sinyali kodlarlar ve kodunu çözerler.
MP'nin işleyişinin geçici organizasyonu ilkesine göre, senkron ve asenkron olarak ayrılırlar. Fark, yeni bir işlem başlatmak için sinyalin doğasında yatmaktadır. Örneğin, senkron bir cihaz söz konusu olduğunda, bu tür komutlar, mevcut işlemlerin yürütülmesinden bağımsız olarak kontrol modülleri tarafından verilir. Asenkron MP'ler durumunda, önceki işlemin tamamlanmasının ardından benzer bir sinyal otomatik olarak verilebilir. Bunu yapmak için, asenkron tip mikroişlemcinin mantıksal yapısında, gerektiğinde ayrı bileşenlerin çevrimdışı modda çalışmasını sağlayan bir elektronik devre sağlanır. MP'nin çalışmalarını organize etmek için bu yöntemi uygulamanın karmaşıklığı, şu gerçeğinden kaynaklanmaktadır:her zaman bir işlemin tamamlandığı anda bir sonrakini başlatmak için yeterli belirli kaynak vardır. İşlemci belleği genellikle sonraki işlemlerin seçiminde bir önceliklendirme bağlantısı olarak kullanılır.
Genel ve özel amaçlar için mikroişlemciler
Genel amaçlı MP'nin ana kapsamı iş istasyonları, kişisel bilgisayarlar, sunucular ve toplu kullanıma yönelik elektronik cihazlardır. İşlevsel altyapıları, bilgi işleme ile ilgili çok çeşitli görevleri yerine getirmeye odaklanmıştır. Bu tür cihazlar SPARC, Intel, Motorola, IBM ve diğerleri tarafından geliştirilmektedir.
Özellikleri ve yapısı güçlü denetleyicilere dayanan özel mikroişlemciler, dijital ve analog sinyalleri işlemek ve dönüştürmek için karmaşık prosedürler uygular. Bu, binlerce konfigürasyon türüne sahip çok çeşitli bir segmenttir. Bu tip MP yapısının özellikleri, merkezi işlemci için bir temel olarak bir kristalin kullanılmasını içerir, bu da çok sayıda çevresel cihazla arayüzlenebilir. Bunlar arasında giriş / çıkış araçları, zamanlayıcılı bloklar, arayüzler, analogdan dijitale dönüştürücüler bulunur. Darbe genişliği sinyalleri üretmek için bloklar gibi özel cihazları bağlamak için de uygulanmaktadır. Dahili belleğin kullanılması nedeniyle, bu tür sistemler, işlemi destekleyen az sayıda yardımcı bileşene sahiptir.mikrodenetleyici.
Mikroişlemci özellikleri
İşletim parametreleri, ilke olarak belirli bir mikroişlemci yapısında kullanılabilen aygıt görevleri aralığını ve bileşen kümesini tanımlar. MP'nin ana özellikleri aşağıdaki gibi gösterilebilir:
- Saat frekansı. Sistemin 1 saniyede gerçekleştirebileceği temel işlem sayısını gösterir. ve MHz olarak ifade edilir. Yapıdaki farklılıklara rağmen, farklı MP'ler çoğunlukla benzer görevleri yerine getirir, ancak her durumda döngü sayısına yansıyan bireysel zaman gerektirir. MP ne kadar güçlüyse, bir zaman birimi içinde o kadar fazla prosedür gerçekleştirebilir.
- Genişlik. Cihazın aynı anda yürütebileceği bit sayısı. Veri yolu genişliğini, veri aktarım hızını, dahili kayıtları vb. tahsis edin.
- Önbellek miktarı. Bu, mikroişlemcinin iç yapısında bulunan ve her zaman sınırlı frekanslarda çalışan bellektir. Fiziksel gösterimde bu, ana MP çipine yerleştirilmiş ve mikroişlemci veri yolu çekirdeğine bağlanmış bir kristaldir.
- Yapılandırma. Bu durumda komutların organizasyonundan ve adresleme yöntemlerinden bahsediyoruz. Pratikte, konfigürasyon türü, aynı anda birkaç komutu yürütme süreçlerini, MP işleminin modlarını ve ilkelerini ve temel mikroişlemci sisteminde çevresel aygıtların varlığını birleştirme olasılığı anlamına gelebilir.
Mikroişlemci mimarisi
Genel olarak, MP evrenseldirbilgi işlemcisi, ancak çalışmasının bazı alanlarında, yapısının yürütülmesi için genellikle özel konfigürasyonlar gereklidir. Mikroişlemcilerin mimarisi, belirli bir modelin uygulamasının özelliklerini yansıtarak sisteme entegre donanım ve yazılımın özelliklerine neden olur. Spesifik olarak, sağlanan aktüatörler, program kayıtları, adresleme yöntemleri ve komut setleri hakkında konuşabiliriz.
MP'nin işleyişinin mimarisinin ve özelliklerinin temsilinde, genellikle cihaz diyagramlarını ve kontrol bilgilerini ve işlenenleri (işlenmiş veriler) içeren mevcut yazılım kayıtlarının etkileşimini kullanırlar. Bu nedenle, kayıt modelinde, genel amaçlı işlenenleri depolamak için bölümlerin yanı sıra bir grup hizmet kaydı vardır. Bu temelde, programları yürütme yöntemi, bellek organizasyon şeması, çalışma modu ve mikroişlemcinin özellikleri belirlenir. Örneğin genel amaçlı MP yapısı, bir program sayacının yanı sıra sistem çalışma modlarının durumu ve kontrolü için kayıtlar içerebilir. Bir mimari konfigürasyon bağlamında bir cihazın iş akışı, adresleme sağlama, işlenenleri ve talimatları seçme, sonuçları aktarma vb. gibi bir kayıt aktarım modeli olarak temsil edilebilir. Atamadan bağımsız olarak farklı talimatların yürütülmesi durumu etkiler. içeriği işlemcinin mevcut durumunu yansıtan kayıt.
Mikroişlemcilerin yapısı hakkında genel bilgiler
Bu durumda, yapı sadece çalışma sisteminin bir dizi bileşeni olarak anlaşılmamalı, aynı zamandaaralarındaki bağlantı araçlarının yanı sıra etkileşimlerini sağlayan cihazlar. İşlevsel sınıflandırmada olduğu gibi, yapının içeriği üç bileşenle ifade edilebilir - operasyonel içerik, veri yolu ile iletişim araçları ve kontrol altyapısı.
Çalışan bölümün cihazı, komut kod çözme ve veri işlemenin doğasını belirler. Bu kompleks, aritmetik-mantık fonksiyonel bloklarının yanı sıra mikroişlemcinin durumu hakkında bilgiler de dahil olmak üzere bilgilerin geçici olarak depolanması için dirençler içerebilir. Mantık yapısı, yalnızca mantıksal ve aritmetik prosedürleri değil, aynı zamanda kaydırma işlemlerini de gerçekleştiren 16 bitlik dirençlerin kullanılmasını sağlar. Kayıtların çalışması, diğer şeylerin yanı sıra programcıya erişilebilirliğini belirleyen farklı şemalara göre düzenlenebilir. Pil takımı işlevi için ayrı bir kayıt ayrılmıştır.
Bus kuplörleri, çevresel ekipmanlara bağlantılardan sorumludur. Görevlerinin kapsamı, bellekten veri almayı ve bir komut sırası oluşturmayı da içerir. Tipik mikroişlemci yapısı, bir IP komut işaretçisi, adres toplayıcılar, segment kayıtları ve arabellekler içerir ve bunlar aracılığıyla adres veriyollarına hizmet verilir.
Kontrol cihazı sırayla kontrol sinyalleri üretir, komutun şifresini çözer ve ayrıca dahili MP işlemleri için mikro komutlar vererek bilgi işlem sisteminin çalışmasını sağlar.
Temel MP'nin yapısı
Bu mikroişlemcinin basitleştirilmiş yapısı iki işlevsellik sağlar.parçalar:
- Ameliyathane. Bu birim, mikroişlemci belleğinin yanı sıra kontrol ve veri işleme olanaklarını içerir. Tam konfigürasyonun aksine, temel mikroişlemci yapısı, segment kayıtlarını hariç tutar. Bazı yürütme aygıtları, bu mimarinin optimize edilmiş yapısını da vurgulayan tek bir işlevsel birimde birleştirilir.
- Arayüz. Özünde, ana karayolu ile iletişim sağlama aracı. Bu bölüm dahili bellek kayıtlarını ve adres toplayıcıyı içerir.
Sinyal çoğullama ilkesi genellikle temel MP'lerin harici çıkış kanallarında kullanılır. Bu, sinyalleşmenin ortak zaman paylaşımlı kanallar üzerinden gerçekleştiği anlamına gelir. Ayrıca sistemin mevcut çalışma moduna bağlı olarak, farklı amaçlar için sinyalleri iletmek için aynı çıkış kullanılabilir.
Mikroişlemci talimat yapısı
Bu yapı büyük ölçüde genel konfigürasyona ve MP fonksiyonel bloklarının etkileşiminin doğasına bağlıdır. Bununla birlikte, sistemin tasarım aşamasında bile, geliştiriciler, daha sonra bir dizi komutun oluşturulduğu belirli bir dizi işlemin uygulanması için olasılıkları ortaya koymaktadır. En yaygın komut işlevleri şunları içerir:
- Veri aktarımı. Komut, kaynak ve hedef işlenenlerin değerlerini atama işlemlerini gerçekleştirir. İkincisi olarak kayıtlar veya bellek hücreleri kullanılabilir.
- Giriş-çıkış. VasıtasıylaG/Ç arabirim aygıtları, verileri bağlantı noktalarına aktarır. Mikroişlemcinin yapısına ve çevresel donanım ve iç ünitelerle etkileşimine uygun olarak komutlar port adreslerini ayarlar.
- Tür dönüştürme. Kullanılan işlenenlerin biçimleri ve boyut değerleri belirlenir.
- Kesintiler. Bu talimat türü, yazılım kesintilerini kontrol etmek için tasarlanmıştır - örneğin, G / Ç cihazları çalışmaya başlarken bir işlemci işlevinin durması olabilir.
- Döngülerin organizasyonu. Talimatlar, belirli program kodunu yürütürken sayaç olarak kullanılabilen ECX kaydının değerini değiştirir.
Kural olarak, belirli miktarlarda bellekle çalışma, yazmaçları ve içeriklerini aynı anda yönetme yeteneğiyle ilgili temel komutlara kısıtlamalar getirilir.
MP yönetim yapısı
MP kontrol sistemi, birkaç fonksiyonel parça ile ilişkili kontrol ünitesine dayalıdır:
- Sinyal sensörü. Darbelerin sırasını ve parametrelerini belirler, bunları zaman içinde otobüsler arasında eşit olarak dağıtır. Sensörlerin çalışmasının özellikleri arasında, işlemleri gerçekleştirmek için gereken döngü sayısı ve kontrol sinyalleri yer alır.
- Sinyallerin kaynağı. Mikroişlemcinin yapısındaki kontrol ünitesinin işlevlerinden biri, sinyallerin üretilmesi veya işlenmesine atanır - yani, belirli bir veri yolu üzerinde belirli bir döngü içinde geçiş yapmaları.
- İşlem kodu kod çözücü. Komut kaydında bulunan işlem kodlarının şifresini çözme işlemini gerçekleştirir.şu an. Aktif veri yolunun belirlenmesiyle birlikte, bu prosedür aynı zamanda bir dizi kontrol darbesi oluşturmaya da yardımcı olur.
Kontrol altyapısında, hücrelerinde işleme operasyonlarını gerçekleştirmek için gerekli sinyalleri içeren kalıcı bir depolama aygıtının küçük bir önemi yoktur. Darbe verilerini işlerken komutları saymak için bir adres oluşturma birimi kullanılabilir - bu, sistemin arayüz birimine dahil olan ve bellek kayıtlarının ayrıntılarını okumanıza izin veren mikroişlemcinin iç yapısının gerekli bir bileşenidir. tam sinyallerle.
Mikroişlemci bileşenleri
İşlevsel blokların çoğu ve ayrıca harici cihazlar, dahili veri yolu aracılığıyla kendileri ve merkezi mikro devre MP arasında düzenlenir. Kapsamlı bir iletişim bağlantısı sağlayan cihazın omurga ağı olduğu söylenebilir. Başka bir şey, veri yolunun farklı işlevsel amaçlara sahip öğeler de içerebilmesidir - örneğin, veri aktarımı için devreler, bellek hücrelerinin aktarımı için hatlar ve ayrıca bilgi yazma ve okuma altyapısı. Veri yolunun blokları arasındaki etkileşimin doğası, mikroişlemcinin yapısı tarafından belirlenir. Veri yoluna ek olarak MP'de bulunan cihazlar şunları içerir:
- Aritmetik mantık birimi. Daha önce de belirtildiği gibi, bu bileşen mantıksal ve aritmetik işlemleri gerçekleştirmek için tasarlanmıştır. Hem sayısal hem de karakter verileriyle çalışır.
- Kontrol cihazı. Dan sorumluMT'nin farklı bölümlerinin etkileşiminde koordinasyon. Özellikle, bu blok, zaman içinde belirli noktalarda onları makine cihazının farklı modüllerine yönlendiren kontrol sinyalleri üretir.
- Mikroişlemci belleği. Bilgileri kaydetmek, saklamak ve yayınlamak için kullanılır. Veriler, hem çalışan hesaplama işlemleriyle hem de makineye hizmet eden işlemlerle ilişkilendirilebilir.
- Matematik işlemcisi. Karmaşık hesaplama işlemleri gerçekleştirirken hızı artırmak için yardımcı modül olarak kullanılır.
Ek işlemci yapısının özellikleri
Tipik aritmetik ve mantıksal işlemleri gerçekleştirme çerçevesinde bile, geleneksel bir MP'nin yeterli kapasitesi yoktur. Örneğin, mikroişlemci, kayan nokta aritmetik komutlarını yürütme yeteneğine sahip değildir. Bu tür görevler için, yapısı merkezi bir işlemcinin birkaç MP ile birleştirilmesini sağlayan yardımcı işlemciler kullanılır. Aynı zamanda, cihazın çalışmasının mantığının, aritmetik mikro devreler oluşturmaya yönelik temel kurallardan hiçbir temel farkı yoktur.
Eş işlemciler tipik komutları yürütür, ancak merkezi modülle yakın etkileşim içindedir. Bu yapılandırma, birden çok satırdaki komut kuyruklarının sürekli olarak izlenmesini varsayar. Bu tür bir mikroişlemcinin fiziksel yapısında, bir özelliği komutlarını seçme yeteneği olan giriş-çıkış sağlamak için bağımsız bir modül kullanmasına izin verilir. Ancak, böyle bir planın doğru çalışması için yardımcı işlemcilerin talimat seçiminin kaynağını açıkça tanımlaması gerekir,modüller arasındaki etkileşimi koordine etme.
Güçlü bir şekilde bağlanmış konfigürasyona sahip bir mikroişlemcinin genelleştirilmiş bir yapısını oluşturma ilkesi, aynı zamanda bir yardımcı işlemci cihazı kavramıyla da bağlantılıdır. Önceki durumda, kendi komutlarını seçme olasılığı olan bağımsız bir G / Ç bloğu hakkında konuşabilirsek, o zaman güçlü bir şekilde bağlanmış bir yapılandırma, komut akışlarını kontrol eden bağımsız bir işlemcinin yapısına dahil edilmesini içerir.
Sonuç
Mikroişlemci oluşturma ilkeleri, ilk bilgi işlem cihazlarının ortaya çıkışından bu yana birkaç değişiklik geçirdi. Bilgisayarı kökten değiştiren kaynak desteği için özellikler, tasarımlar ve gereksinimler değişti, ancak işlevsel blokları organize etmek için temel kurallara sahip genel konsept, çoğunlukla aynı kalıyor. Bununla birlikte, mikroişlemci yapı gelişiminin geleceği, nanoteknoloji ve kuantum hesaplama sistemlerinin ortaya çıkmasından etkilenebilir. Bugün, bu tür alanlar teorik düzeyde ele alınmaktadır, ancak büyük şirketler, yenilikçi teknolojilere dayalı yeni mantık devrelerinin pratik kullanımı için beklentiler üzerinde aktif olarak çalışmaktadır. Örneğin, MT'nin daha da geliştirilmesi için olası bir seçenek olarak, moleküler ve atom altı parçacıkların kullanımı göz ardı edilmez ve geleneksel elektrik devreleri, yönlendirilmiş elektron rotasyon sistemlerine yol açabilir. Bu, performansı birçok kez günümüzü aşacak, temelde yeni bir mimariye sahip mikroskobik işlemciler yaratmayı mümkün kılacaktır. MP.
