Класифікація і структура мікропроцесорів

Людство зробило величезний шлях до створення обчислювальних машин, без яких неможливо уявити сучасне суспільство з усіма аспектами його життєдіяльності в сферах промисловості, народного господарства і побутового пристрою. Але і сьогодні прогрес не стоїть на місці, відкриваючи нові форми комп'ютеризації. У центрі ж технологічного розвитку вже кілька десятиліть перебуває структура мікропроцесора (МП), яка удосконалюється в своїх функціональних і конструкційних параметрів.

Поняття мікропроцесора

В загальному розумінні поняття мікропроцесора представляється як програмно-керований пристрій або система, що базується на великій інтегральній схемі (БІС). З допомогою МП виконуються операції обробки даних або керування системами, обробляють інформацію. На перших етапах розвитку МП базувалися на окремих низкофункциональных мікросхемах, в яких були присутні транзистори в кількості від декількох одиниць до сотень. Найпростіша типова структура мікропроцесора могла утримувати групу мікросхем, що мають загальні електротехнічні, конструкційні та електричні параметри. Такі системи називаються мікропроцесорним комплектом. Поряд з МП, в одній системі могли також складатися постійні та оперативні запам'ятовуючі пристрої, а також контролери та інтерфейси для підключення зовнішньої апаратури – знову ж таки, по сумісним комунікацій. В результаті розвитку концепції мікроконтролерів мікропроцесорний комплект доповнювався більш складними сервісними пристроями, регістрами, шинними формирователями, таймерами і т. д.


На сьогоднішній день мікропроцесор все рідше розглядається як окремий пристрій в контексті практичного застосування. Функціональна структура і принцип роботи мікропроцесора вже на етапах проектування орієнтуються на застосування в складі обчислювального пристрою, призначеного для виконання цілої низки завдань, пов'язаних з виконанням обробки і управління інформацією. Ключовою ланкою в процесах організації роботи мікропроцесорного пристрою є контролер, який обслуговує конфігурацію управління і режими взаємодії обчислювального ядра системи з зовнішньою апаратурою. У якості проміжної ланки між контролером і мікропроцесором можна розглядати інтегрований процесор. Його функціонал орієнтується на розв'язання допоміжних завдань, безпосередньо не пов'язаних з призначенням основного МП. Зокрема, це можуть бути мережеві і комунікаційні функції, що забезпечують роботу мікропроцесорного пристрою.

Класифікації мікропроцесорів

Навіть в найпростіших конфігураціях виконання МП мають безліч техніко-експлуатаційних параметрів, за якими можна встановлювати класифікаційні ознаки. Для обґрунтування основних рівнів класифікації зазвичай виділяють три функціональні системи – операційну, інтерфейсну і керуючу. У кожній з цих робочих частин також передбачається цілий ряд параметрів і відмітних ознак, які визначають характер експлуатації пристрою. З точки зору типової структури мікропроцесорів класифікація в першу чергу буде розділяти пристрою на багатокристальні і однокристальні моделі. Перші характеризуються тим, що їх робочі блоки можуть функціонувати в автономному режимі й виконувати заздалегідь певні команди. І в даному прикладі яскраво виражені МП, в яких акцент робиться на операційної функції. Такі процесори орієнтуються на обробку даних. У цій же групі, наприклад, трехкристальные мікропроцесори можуть бути управителями та інтерфейсними. Це не означає, що операційна функція в них відсутня, але в цілях оптимізації більша частина комунікаційних і потужностних ресурсів відводиться завданням генерації мікрокоманд або можливостям взаємодії з периферійними системами.
Що стосується однокристальних МП, то вони розробляються з фіксованим набором команд і компактним розміщенням всіх апаратних засобів на одному ядрі. З точки зору функціональності структура однокристального мікропроцесора досить обмежена, хоча і більш надійна, ніж сегментні конфігурації многокристальных аналогів. Ще одна важлива класифікація відноситься до інтерфейсного виконання мікропроцесорів. Мова йде про способи обробки вхідних сигналів, які і в наші дні продовжують ділитися на цифрові і аналогові. Хоча самі процесори є цифровими пристроями, в деяких випадках використання аналогових потоків себе виправдовує за ціною і надійності. Для конвертації, втім, повинні використовуватися спеціальні перетворювачі, які вносять свій внесок в енергетичну навантаження і конструкційну наповненість робочої платформи. Аналогові МП (як правило, однокристальні) виконують завдання стандартних аналогових систем – наприклад, виробляють модуляцію, генерують коливання, кодування і декодування сигналу.
За принципом тимчасової організації функціонування МП поділяють на синхронні і асинхронні. Різниця полягає в характері подачі сигналу до початку нової операції. Наприклад, у випадку з синхронним пристроєм такі команди подають керуючі модулі незалежно від виконання поточних операцій. У випадку з асинхронними МП аналогічний сигнал може подаватися автоматично за фактом завершення попередньої операції. Для цього в логічній структурі мікропроцесора асинхронного типу передбачається електронна ланцюг, що забезпечує роботу окремих компонентів в автономному режимі при необхідності. Складність реалізації такого способу організації роботи МП пов'язана з тим, що не завжди в момент завершення однієї операції буває достатньо тих або інших ресурсів для початку наступної. Пам'ять процесора зазвичай використовується як ланка, що управляє пріоритетами у виборі подальших операцій.

Мікропроцесори загального і спеціального призначення

Основною сферою застосування МП загального призначення є робочі станції, персональні комп'ютери, сервери та електронні пристрої, призначені для масового використання. Їх функціональна інфраструктура орієнтується на виконання широкого спектру завдань, пов'язаних з обробкою інформації. Розробкою таких пристроїв займаються компанії SPARC, Intel, Motorola, IBM та інші.

Спеціалізовані мікропроцесори, характеристики і структура яких будується на базі потужних контролерів, реалізують складні процедури з обробки та перетворення цифрових і аналогових сигналів. Це досить різноманітний сегмент, в якому представлені тисячі типів конфігурацій. До особливостей структури МП даного типу відносять використання одного кристала в якості бази для центрального процесора, який, у свою чергу, може бути пов'язаний з великою кількістю периферійних пристроїв. У їх числі значаться засоби введення/виводу, блоки з таймерами, інтерфейси, аналого-цифрові перетворювачі. Також практикується підключення спеціалізованих пристроїв на зразок блоків генерації широтно-імпульсних сигналів. За рахунок застосування внутрішньої пам'яті такі системи мають невелику кількість допоміжних компонентів, що підтримують роботу мікроконтролера.

Характеристики мікропроцесора

Робочі параметри визначають спектр завдань пристрою і набір компонентів, які в принципі можна використовувати в конкретній структурі мікропроцесора. Основні характеристики МП можна представити так: Тактова частота. Визначає кількість елементарних операцій, які система може виконувати за 1 сек. і виражається в Мгц. Незважаючи на розходження в структурі, різні МП переважно виконують схожі завдання, але в кожному разі на це потрібно індивідуальні час, який відображається в кількості тактів. Чим МП потужніший, тим більше процедур він зможе виконати в рамках однієї тимчасової одиниці. Розрядність. Кількість двійкових розрядів, що пристрій може виконувати в один і той же час. Виділяють розрядність шин, швидкості передачі даних і внутрішніх регістрів і т. д. Об'ємом кеш-пам'яті. Це пам'ять, включена у внутрішню структуру мікропроцесора і завжди працює на граничних частотах. У фізичному уявленні це кристал, розміщений на основний мікросхемі МП і пов'язаний з ядром мікропроцесорної шини. Конфігурація. В даному випадку мова йде про організацію команд і способів адресації. Практично тип конфігурації може означати можливість суміщення процесів виконання декількох команд одночасно, режими і принципи роботи МП і наявність периферійних пристроїв в базовій системі мікропроцесора.

Архітектура мікропроцесора

За великим рахунком МП є універсальним обробником інформації, але в деяких сферах його експлуатації часто потрібні особливі конфігурації виконання його структури. Архітектура мікропроцесорів відображає специфіку застосування конкретної моделі, обумовлюючи особливості інтегрованих у систему апаратно-програмних коштів. Конкретно мова може йти про передбачені виконавчих пристроях, програмних регістрах, способів адресації і наборів команд.
У поданні архітектури та особливостей функціонування МП часто використовують схеми пристрою та взаємодії доступних програмних регістрів, які містять керуючу інформацію і операнди (дані, які обробляються). Отже, в реєстрової моделі присутня група службових регістрів, а також сегменти для зберігання операндів загального призначення. На цій основі визначається спосіб виконання програм, схема організації пам'яті, режим роботи та характеристики мікропроцесора. Структура МП загального призначення, наприклад, може включати програмний лічильник, а також регістри стану й керування режимами функціонування системи. Робочий процес влаштування в контексті архітектурної конфігурації може бути представлений у вигляді моделі регістрових пересилок, що забезпечують адресацію, вибір операндів і команд, пересилання результатів і т. д. Виконання різних команд незалежно від призначення буде впливати на регістр стану, вміст якого відображає поточний стан процесора.

Загальні відомості про структуру мікропроцесорів

В даному випадку під структурою слід розуміти не тільки набір компонентів робочої системи, але і засоби з'єднання між ними, а також пристрої, що забезпечують їх взаємодію. Як і у функціональній класифікації, зміст структури можна виразити через три залишають – операційне наповнення, засоби комунікації з шиною і керуючу інфраструктуру. Пристрій операційної частини визначає характер декодування команд і обробки даних. У цей комплекс можуть входити арифметико-логічні функціональні блоки, а також резистори для тимчасового зберігання інформації, у тому числі про стан мікропроцесора. В логічній структурі передбачається використання 16-розрядних резисторів, які виконують не тільки логічні і арифметичні процедури, але і операції зсуву. Робота регістрів може бути організована за різними схемами, визначальним у тому числі їх доступність програмісту. Окремий регістр відводиться для забезпечення функції акумуляторного блоку. Пристрій сполучення з шиною відповідають за з'єднання з периферійної апаратурою. У спектр їх завдань також входить здійснення вибірки даних з пам'яті та формування черги команд. В типову структуру мікропроцесора входить покажчик IP-команд, суматори адрес, сегментні регістри і буфери, за допомогою яких обслуговуються зв'язки з шинами адреси. Керуючий пристрій, в свою чергу, формує керуючі сигнали, виконує дешифрування команди, а також забезпечує роботу обчислювальної системи, віддаючи микрокоманды за внутрішніми операціями МП.

Структура базового МП

У спрощеній структурі даного мікропроцесора передбачаються дві функціональні частини: Операційна. В цей блок входять засоби керування та обробки даних, а також мікропроцесорна пам'ять. На відміну від повної конфігурації, структура базового мікропроцесора виключає наявність сегментних регістрів. Деякі виконавчі пристрої об'єднуються в один функціональний блок, що також підкреслює оптимізований характер даної архітектури. Інтерфейсна. В сутності, засіб забезпечення зв'язку з головною магістраллю. У цій частині містяться регістри внутрішньої пам'яті і суматор адреси. На зовнішніх вивідних каналах базових МП часто використовується принцип мультиплексування сигналів. Це означає, що передача сигналів відбувається за загальним каналах з поділом часу. Крім цього, в залежності від поточного режиму функціонування системи один і той же висновок може застосовуватися для передачі сигналів різного призначення.

Структура команд мікропроцесора

Дана структура багато в чому залежить від загальної конфігурації і характеру взаємодії функціональних блоків МП. Однак ще на етапі проектування системи розробники закладають можливості для застосування певного масиву операцій виходячи з якого в подальшому формується і набір команд. До найпоширеніших функцій команд можна віднести наступні: Передача даних. Команда здійснює операції присвоювання значень операндів джерела і приймача. В якості останніх можуть використовуватися регістри або комірки пам'яті. Введення-виведення. Через інтерфейсні пристрої введення-виведення здійснюється передача даних порти. У відповідності зі структурою мікропроцесора і його взаємодією з периферійними апаратними і внутрішніми блоками командами задаються адреси портів. Перетворення типів. Визначаються формати і розмірні значення використовуваних операндів. Переривання. Даний тип команд призначений для управління програмних переривань – наприклад, це може бути зупинка функції процесора на тлі початку роботи пристроїв введення-виведення. Організація циклів. Команди змінюють значення регістра ECX, який може використовуватися в якості лічильника при виконанні певного програмного коду. Як правило, на базові команди накладаються обмеження, пов'язані з можливостями оперування певними обсягами пам'яті, одночасного управління регістрами і їх вмістом.

Структура управління МП

Система управління МП базується на керуючому блоці, який пов'язаний з декількома функціональними частинами: Датчик сигналів. Визначає черговість і параметри імпульсів, рівномірно розподіляючи їх у часі по шинам. Серед характеристик роботи датчиків значиться кількість тактів і керуючих сигналів, необхідних для виконання операцій. Джерело сигналів. Одна з функцій блоку управління у структурі мікропроцесора відводиться генерації або обробці сигналів – тобто їх комутації в рамках конкретного такту на певній шині. Дешифратор коду операцій. Виконує дешифрування кодів операцій, присутніх в регістрі команд на поточний момент. Спільно з визначенням активної шини дана процедура допомагає формувати послідовність керуючих імпульсів. Важливе значення керуючої інфраструктурі має постійне запам'ятовуючий пристрій, який містить в своїх осередках сигнали, потрібні для виконання операцій обробки. Для рахунку команд при обробці даних імпульсу може застосовуватися вузол формування адреси – це необхідний компонент внутрішньої структури мікропроцесора, який входить в інтерфейсний блок системи і дозволяє зчитувати реквізити регістрів пам'яті з сигналами у повному обсязі.

Компоненти мікропроцесора

Велика частина функціональних блоків, а також зовнішніх пристроїв організується між собою і центральної мікросхемою МП через внутрішню шину. Можна сказати, це магістральна мережа пристрою, що забезпечує всебічну комунікаційну зв'язок. Інша справа, що і шина може мати у складі різні за функціональним призначенням елементи – наприклад, контури для передачі даних, лінії передачі комірок пам'яті, а також інфраструктура для запису і зчитування інформації. Характер взаємодії між блоками самої шини визначається структурою мікропроцесора. До пристроїв, що входять в склад МП, крім шини, можна віднести наступні: Арифметико-логічний пристрій. Як уже говорилося, цей компонент призначений для виконання логічних і арифметичних операцій. Він працює як з числовими так і з символьними даними. Пристрій управління. Відповідає за координацію при взаємодії різних частин МП. Зокрема, цей блок генерує сигнали управління, направляючи їх до різних модулів пристрої машини в певні моменти часу. Мікропроцесорна пам'ять. Використовується для запису, зберігання та видачі інформації. Дані можуть бути пов'язані як з робочими обчислювальними операціями, так і з процесами, що обслуговують машину. Математичний процесор. Застосовується як допоміжний модуль для підвищення швидкості при виконанні складних обчислювальних операцій.

Особливості структури співпроцесора

Навіть у рамках виконання типових арифметико-логічних операцій буває недостатньо потужностей звичайного МП. Наприклад, мікропроцесор не має можливостей для виконання арифметичних команд, які передбачають використання чисел із плаваючою точкою. Для подібних завдань застосовують співпроцесори, в структурі яких передбачається об'єднання центрального процесора з декількома МП. При цьому сама логіка роботи пристрою не має принципових відмінностей від базових правил побудови арифметичних мікросхем. У сопроцессорах виконуються типові команди, але в тісній взаємодії з центральним модулем. У даній конфігурації передбачається постійний контроль черг команд по декількох лініях. У фізичній структурі мікропроцесора даного типу допускається використання незалежного модуля для забезпечення вводу-виводу, особливістю якого є можливість вибору своїх команд. Однак для коректної роботи такої схеми співпроцесори повинні чітко визначати джерело вибору команд, координуючи взаємодія між модулями. З концепцією пристрою співпроцесора пов'язаний і принцип побудови узагальненої структури мікропроцесора з сильно пов'язаної конфігурацією. Якщо в попередньому випадку мова може йти про незалежну блоці введення-виведення з можливістю власного підбору команд, то сильно пов'язана конфігурація припускає включення в структуру незалежного процесора, керуючого командними потоками.

Висновок

Принципи створення мікропроцесорів зазнали трохи змін з моменту появи перших обчислювальних пристроїв. Змінювалися характеристики, конструкції і вимоги до ресурсного забезпечення, що кардинально змінило ЕОМ, однак загальна концепція з базовими правилами організації функціональних блоків здебільшого зберігається незмінною. Тим не менше на майбутнє розвитку структури мікропроцесора можуть вплинути нанотехнології і поява квантових обчислювальних систем. Сьогодні подібні напрямки розглядаються на теоретичному рівні, але великі корпорації активно працюють над перспективами практичного використання нових логічних схем на інноваційних технологіях. Наприклад, в якості можливого варіанту подальшого розвитку МП не виключено застосування молекулярних і субатомних часток, а традиційні електричні ланцюги можуть поступитися місцем систем спрямованого обертання електронів. Це дозволить створювати мікроскопічні процесори з принципово новою архітектурою, експлуатаційні характеристики якої будуть багаторазово перевершувати сьогоднішні МП.